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Hidrógeno azul

Necesitamos hidrógeno "azul". Y tenemos que hacerlo bien.

3 de septiembre de 2021 Área de trabajo: Combustibles de carbono cero

El hidrógeno es esencial para descarbonizar partes clave de la economía. Aunque el hidrógeno "verde" podría dominar a largo plazo, el hidrógeno "azul" puede reducir las emisiones rápidamente a corto plazo, si los responsables políticos recompensan el rendimiento adecuado.

El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático nos ha advertido -de nuevo- que tenemos que reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) a cero neto para mediados de siglo con el fin de evitar los impactos más perjudiciales del cambio climático. Esto significa que una reducción rápida y profunda de las emisiones es fundamental tanto para el dióxido de carbono como para los contaminantes climáticos de vida más corta, especialmente el metano. Al mismo tiempo, la Agencia Internacional de la Energía nos dice que se espera que las emisiones de CO2 en 2021 crezcan alrededor de un 5% sobre los niveles de 2020 y alcancen casi los niveles prepandémicos a finales de año. La razón es sencilla: el despliegue de las fuentes de energía de mayor emisión sigue superando el despliegue de las fuentes de energía de menor emisión.

A pesar del crecimiento de las emisiones, sigue habiendo motivos para el optimismo. Los datos de la Agencia Internacional de Energías Renovables indican que la capacidad mundial de electricidad renovable creció alrededor de un 10% en 2020 (principalmente impulsada por la eólica y la solar). Estas son adiciones críticas al suministro de electricidad limpia para el mundo en crecimiento. Pero no son suficientes, y la electricidad limpia no es el único problema que debemos resolver. El consumo de energía y las emisiones siguen creciendo en el transporte pesado, el transporte marítimo internacional, la siderurgia y el calentamiento de procesos industriales (por ejemplo, la fabricación de productos químicos), donde la sustitución por electricidad limpia puede ser especialmente difícil.

El hidrógeno es una solución para descarbonizar estos sectores difíciles de electrificar. El hidrógeno es un potente portador de energía que no contiene carbono y, por tanto, no emite CO2 en su punto de uso. Hoy en día se utilizan en el mundo unos 70 millones de toneladas de hidrógeno al año, sobre todo como materia prima en el refinado de petróleo y la producción de fertilizantes. Los analistas estiman que a mediados de siglo podrían necesitarse entre 500 y 1.000 millones de toneladas anuales (o más) de hidrógeno, lo que representaría una cuarta parte de la demanda mundial de energía final en algunos escenarios de descarbonización. Los responsables políticos de Estados Unidos Europa y Asia han empezado a centrarse en garantizar la disponibilidad de estos suministros de hidrógeno para apoyar los esfuerzos de descarbonización. Si el hidrógeno producido sin emisiones significativas de gases de efecto invernadero no está disponible a gran escala, es poco probable que estos sectores se descarbonicen completamente.

Por desgracia, hay muy poco hidrógeno disponible en la naturaleza. Hay que fabricarlo utilizando otras energías primarias y materiales, y ese proceso de producción puede provocar importantes emisiones de gases de efecto invernadero. La electricidad puede utilizarse para separar el hidrógeno del agua (un proceso llamado electrólisis), y el calor puede utilizarse para separar el hidrógeno de los hidrocarburos (un proceso llamado reformado, que también depende de algo de agua). Aunque los detalles técnicos son complejos y variables, a continuación se muestran las vías básicas. La mayor parte del hidrógeno actual se produce por la vía del reformado (y por la "gasificación" de combustibles sólidos, que es químicamente similar).

Gráfico de flujo de uso del hidrógeno

Las emisiones de gases de efecto invernadero pueden proceder de cualquiera de las etapas indicadas, incluida la producción previa de gas y electricidad, el propio lugar de producción de hidrógeno e incluso el uso posterior en algunos casos. Por supuesto, esas emisiones dependen de la tecnología y las prácticas empleadas en cada etapa. En el caso de la vía de la electrólisis, las mayores emisiones procederán generalmente de la generación de electricidad en las fases previas. Si no se gestionan, estas emisiones pueden ser significativas. La combustión de los combustibles utilizados en la generación de electricidad en la fase previa de un electrolizador conectado a la red eléctrica de Texas supondría actualmente unos 23 kilogramos de CO2 por cada kilogramo de hidrógeno producido. En el caso de la vía del reformado, las mayores emisiones podrían proceder de las etapas previas (principalmente las emisiones de metano procedentes de la producción de gas natural) o del propio centro de producción. Una nueva planta de reformado emitiría unos 9 kilogramos de CO2 por cada kilogramo de hidrógeno producido. Es posible reducir las emisiones en las etapas del proceso con tecnología (como la captura de carbono en los reformadores) y con prácticas operativas (como la prevención de fugas en el sistema de producción de gas natural y la compra de electricidad de bajas emisiones).

La electricidad renovable combinada con la electrólisis puede producir hidrógeno con una huella de gases de efecto invernadero muy baja en su ciclo de vida. Por tanto, las propuestas de utilizar electricidad renovable para la producción de hidrógeno son fundamentales y merecen un apoyo público significativo. Pero es arriesgado asumir que la electrólisis con electricidad renovable puede proporcionar todos los volúmenes de hidrógeno que podríamos necesitar a mediados de siglo para la descarbonización. Para satisfacer la demanda necesitamos desarrollar paralelamente otras vías de producción, incluidas las basadas en el reformado con captura de carbono, que a menudo se denominan "azules" cuando se refieren a la producción de combustible de hidrógeno. He aquí la razón:

  • Adicionalidad: El hidrógeno "azul" es bajo en carbono, pero no depende de la preciada electricidad limpia. A pesar del rápido crecimiento de la generación de electricidad renovable en todo el mundo, en conjunto todavía no ha seguido el ritmo de la generación de electricidad con combustibles fósiles. Incluso en algunas regiones en las que la generación renovable está creciendo rápidamente y la generación con combustibles fósiles se está reduciendo, la red sigue siendo relativamente intensiva en carbono y podrían pasar décadas antes de que se disponga de suficiente electricidad renovable para desplazar completamente a los combustibles fósiles. En estas circunstancias, el uso de electricidad renovable para la producción de hidrógeno puede retrasar la descarbonización de la red. Esto no es uniformemente cierto, por supuesto. La generación renovable "excedente" o "restringida" puede utilizarse para la producción de hidrógeno sin aumentar la intensidad de carbono de la red e incluso podría reducirla cuando se almacena para su uso posterior, y las energías renovables de alto valor situadas lejos de los centros de carga eléctrica pueden utilizarse para la producción y exportación de hidrógeno a gran escala sin consecuencias adversas para el sistema eléctrico. Sin embargo, en general, la producción de hidrógeno con electricidad renovable aumentará la cantidad de electricidad renovable que necesitamos generar, lo que incrementa otros retos de descarbonización. Los modelos realizados para CATF indican que, para descarbonizar Estados Unidos, podríamos necesitar unas 20 veces más energía eólica y solar de las que tenemos hoy en día para servir a las cargas directas (por ejemplo, coches eléctricos y calefacción doméstica) y unas 40 veces más si la electricidad renovable se utiliza también para producir todo el hidrógeno necesario.
  • Ritmo de desarrollo: el hidrógeno "azul" puede reducir la presión sobre los escasos recursos terrestres. Un análisis reciente de The Nature Conservancy sugiere que la energía eólica en Estados Unidos puede afectar directamente a 40 veces más tierra, por unidad de energía producida, que la producción convencional de gas natural. Esta medida incluye tanto los propios aerogeneradores como la distancia entre ellos. Incluso suponiendo que la captura de carbono duplicara la huella de la producción de gas natural (lo que parece poco probable), la energía eólica seguiría necesitando 20 veces más terreno que el gas natural. Y este uso del suelo es cada vez más una fuente de retrasos, sobrecostes y moratorias en el desarrollo de las energías renovables. El uso de la generación eólica y solar para producir hidrógeno, sobre todo si se duplica la capacidad necesaria, podría aumentar el ritmo de saturación de las comunidades con la extracción de energías renovables, amenazando el éxito de la mitigación del clima tanto en la producción de electricidad como de combustibles. Las energías renovables avanzadas, como la geotérmica de roca supercaliente, pueden cambiar esta situación, pero su desarrollo y despliegue llevará tiempo. Al producir energía desde fuera del sistema eléctrico, el hidrógeno "azul" podría ayudar a conservar la escasa tierra y acelerar el cambio hacia la energía baja en carbono sin retrasos relacionados con las necesidades de tierra.
  • Costes: Por ahora, el hidrógeno "azul" es menos caro que el "verde". Las estimaciones de la corriente principal sobre el coste de producción del hidrógeno "azul" en regiones con gas natural de bajo coste se sitúan en torno a 1,50 dólares por kg o menos. El hidrógeno "verde" cuesta hoy más de dos veces esa cantidad, y su reducción requerirá mejoras significativas en la electrólisis y electricidad de muy bajo coste. Muchos analistas esperan que se puedan alcanzar esos costes bajos, al menos en algunas regiones del mundo, pero podrían pasar varias décadas antes de que los costes tan bajos sean habituales para la producción de hidrógeno "verde". Durante este periodo, por largo que sea, el hidrógeno "azul" será a menudo más barato que el "verde", y nos permitirá ampliar nuestro dólar de inversión en descarbonización. En general, los costes más bajos del hidrógeno promoverán una descarbonización más rápida y profunda, al tiempo que permitirán invertir fondos adicionales en infraestructuras y otras necesidades de descarbonización.

Aunque necesitemos hidrógeno a partir de combustibles fósiles con captura de carbono, eso no garantiza que sea suficientemente limpio. Además de una captura de carbono muy eficaz en el reformado, las emisiones de metano en la fase previa deben reducirse drásticamente (en relación con la tasa media de fuga de Estados Unidos ) para que este hidrógeno sea un combustible compatible con la descarbonización. Las estimaciones del impacto de los gases de efecto invernadero del hidrógeno "azul" abarcan un amplio espectro, que depende principalmente de las hipótesis sobre las tasas de fuga de metano en la cadena de suministro de gas natural y de la eficiencia de los reformadores en el proceso de producción (en particular la parte de captura de carbono de esos procesos). Aunque algunas estimaciones recientes de estos impactos han sido bastante elevadas, es factible una huella de gases de efecto invernadero mucho menor para el hidrógeno "azul". Lo sabemos porque las mediciones indican que algunos yacimientos de gas en Estados Unidos tienen tasas de fuga de tan sólo un 0,3%-0,4%, muy inferiores a la tasa de fuga actual (probablemente superior al 2%). Y sabemos que una normativa sólida, basada en precedentes estatales establecidos, puede impulsar gran parte de las reducciones necesarias. Reducir las emisiones de la cadena de valor del gas natural no sólo es factible, sino también políticamente popular.

Dos gráficos de barras
Notas a la figura: Estos casos se basan en supuestos realistas a efectos de comparación, utilizando un análisis simplificado del ciclo de vida, como se describe a continuación. El "gas natural" refleja la combustión del gas natural (51 kg de CO2 emitidos por cada gigajulio de valor calorífico bruto del gas natural consumido) más las fugas (el 0,35% del gas natural consumido se libera aguas arriba, asumido como 100% de metano; 13,7 kg de gas natural necesarios por gigajulio de valor calorífico bruto) más las emisiones de CO2 asociadas a la producción y el transporte del gas natural (asumidas aquí en 0,1 kg de CO2 por kg de gas natural). El "H2 verde" refleja la electrólisis convencional de baja temperatura, que utiliza 52 kWh de electricidad por kg de hidrógeno producido, y que funciona el 90% del tiempo con electricidad que no emite y el 10% del tiempo con electricidad a la intensidad de CO2 de la red de Texas (450 kg de CO2 por MWh). "Blue H2" refleja la SMR con un 90% de captura de CO2 después de la combustión, siguiendo el análisis de la AIE (2017), más las emisiones del suministro de gas natural como se utiliza en el caso "Gas natural". Niveles más altos de captura de carbono son factibles con tecnología más avanzada. No se ha acreditado la pequeña producción de electricidad residual de este caso. En todos los casos se han omitido las emisiones asociadas a la fabricación y construcción de equipos (como los paneles fotovoltaicos, que pueden crear una huella significativa en el ciclo de vida de la energía solar, para el caso "H2 verde"). También se ha omitido el impacto de los gases de efecto invernadero del propio hidrógeno emitido, ya que estas emisiones se producirían aguas abajo de los centros de producción y podrían ser similares a las de las fugas de metano en el suministro de gas natural, que tampoco se incluyen aquí, y serían similares tanto para las vías "azules" como para las "verdes". Aunque no se muestra en la figura, sobre la base de AIE (2017) un reformador de metano sin captura de carbono daría lugar a emisiones de alrededor de 12 kg de CO2-eq por kg de hidrógeno, suponiendo una tasa de fuga de metano del 2,3% y un GWP de metano de 34 (equivalente a 85 kg de CO2-eq por GJ-HHV).

En cuanto a la captura de carbono, hoy en día se pueden construir reformadores que logran una captura global de carbono del 90% o más, utilizando tecnología comercial. Combinados, estos índices de fuga de metano más bajos y los reformadores de mayor rendimiento con altos niveles de captura de carbono pueden producir un hidrógeno que reduzca en un 80% las emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con el uso directo de gas natural (por ejemplo, en hornos industriales), e incluso menos emisiones que algunos hidrógenos que podrían considerarse "verdes".

La producción de hidrógeno "azul" con una baja huella de gases de efecto invernadero es factible hoy en día, y con el tiempo es posible alcanzar niveles aún más bajos. Dado que los combustibles de hidrógeno son valiosos precisamente por sus beneficios en cuanto a los gases de efecto invernadero, los responsables políticos deben vincular los incentivos para la producción de combustible de hidrógeno al rendimiento de los gases de efecto invernadero durante su ciclo de vida, y la industria debe cumplirlos. Es probable que se necesite una combinación de normas, reglamentos y mecanismos de mercado que premien la producción más limpia. Los incentivos graduales o escalonados vinculados a los niveles de emisiones de efecto invernadero del ciclo de vida podrían lograrlo. Será necesario un seguimiento y verificación rigurosos de las emisiones asociadas a todas las vías de producción. En definitiva, para que la industria del hidrógeno "azul" desempeñe un papel significativo en la descarbonización, tendrá que construir y explotar una infraestructura que ofrezca todo su potencial de reducción de emisiones.

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