¿Qué se necesita para producir hidrógeno y amoníaco con bajas emisiones?
En la actualidad, el 80% de la demanda mundial de energía final se satisface con combustibles fósiles, que liberan dióxido de carbono y otros contaminantes nocivos a la atmósfera cuando se queman. La electrificación y la expansión de la electricidad limpia desempeñarán un papel fundamental en la descarbonización de la mayor parte de esta demanda, pero el resto de industrias difíciles de electrificar, como la siderurgia, la petroquímica y la navegación marítima, necesitarán sustitutos sin carbono para alcanzar la plena descarbonización.
En estos casos, los combustibles con cero emisiones de carbono, como el hidrógeno o el amoníaco, que no contienen carbono ni producen dióxido de carbono cuando se queman o se utilizan en una pila de combustible, pueden desempeñar un valioso papel en la descarbonización de la economía mundial.
La industria actual ya utiliza el hidrógeno para la producción de fertilizantes, productos químicos y combustibles convencionales. De hecho, Estados Unidos y la Unión Europea (UE) producen actualmente 10 millones de toneladas anuales (TPA) de hidrógeno, respectivamente, para estos fines. ¿El problema? La industria no está generando este hidrógeno de forma beneficiosa para el clima. El hidrógeno actual procede principalmente de la reacción del gas natural con vapor, un proceso conocido como reformado de metano con vapor, y es responsable de más de 900 millones de toneladas de emisiones de carbono al año. Por eso es prioritario cambiar a métodos de producción con bajas emisiones. Podemos hacerlo asegurándonos de que el reformado de metano con vapor utiliza la captura y el almacenamiento de carbono (a menudo denominado hidrógeno "azul") o utilizando electricidad baja en carbono para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, un proceso conocido como electrólisis (también a menudo denominado hidrógeno "verde").
Muchos gobiernos han reconocido esta necesidad de más hidrógeno de bajas emisiones y han anunciado planes para aumentar rápidamente la producción. En Estados Unidos, el Departamento de Energía (DOE) pretende aumentar la producción de hidrógeno bajo en emisiones de casi cero en la actualidad a 10 millones de toneladas anuales (TPA) en 2030. La UE ha anunciado objetivos aún más agresivos, y prevé producir 10 millones de TPA de hidrógeno a nivel nacional e importar 10 millones de TPA de hidrógeno renovable para 2030.
Pero aunque cada vez se reconoce más el potencial de descarbonización que ofrece el hidrógeno de bajas emisiones, no se conocen tan bien los requisitos materiales de la producción de hidrógeno de bajas emisiones, ya sea mediante electrólisis o reformado de metano con vapor y captura de carbono. Por eso, CATF ha creado la Calculadora de Producción de Hidrógeno, una herramienta interactiva que permite a los usuarios conocer mejor las cantidades de gas natural, agua y electricidad necesarias para producir distintas cantidades de hidrógeno, así como los subproductos de estos procesos. Basta con introducir la cantidad de hidrógeno deseada y la calculadora mostrará los recursos necesarios.
¿Qué se necesita para producir una determinada cantidad de hidrógeno de bajas emisiones? Para responder a esta pregunta, hemos puesto a trabajar nuestra calculadora:
Hidrógeno producido con gas natural y captura de carbono (hidrógeno "azul")
Un reformador de metano de vapor típico -sin captura de carbono- produce unos 10.000 kilogramos por hora (kg/h) de hidrógeno. Si introducimos esta cantidad de producción en la calculadora, veremos que un reformador de metano de vapor de tamaño similar con captura de carbono consumiría 1800 MMBTU (530 MWh) de gas natural por hora, lo que equivale aproximadamente a lo que consumen 230.000 hogares estadounidenses en una hora.1 La planta también consumiría unos 200 galones de agua por minuto, lo que equivale aproximadamente a lo que consumen 1.000 hogares de Estados Unidos cada minuto.2
Hidrógeno producido por electrólisis con electricidad renovable (hidrógeno "verde")
Si introducimos los 10.000 kg/h de hidrógeno producidos por un reformador de metano de vapor típico, descubrimos que una planta de electrólisis de tamaño similar consumiría 530 MWh de electricidad cada hora, es decir, aproximadamente lo que 440.000 hogares de Estados Unidos consumen en una hora.3 La planta de electrólisis también consumiría 440 galones de agua por minuto, que es aproximadamente lo que 2.100 hogares de Estados Unidos consumen cada minuto.2
Principales conclusiones
Tanto si se utiliza el reformado de metano al vapor con captura de carbono como la electrólisis, la producción de hidrógeno será una empresa intensiva en recursos. Esta idea adquiere aún más importancia si tenemos en cuenta la magnitud de los insumos necesarios para satisfacer la demanda mundial de hidrógeno bajo en emisiones.
Alcanzar el objetivo del DOE de 10 millones de TPA, por ejemplo, únicamente a través de hidrógeno producido con energía renovable requeriría al menos 60 GW de electricidad baja en carbono y capacidad de electrolizadores - este número es significativamente mayor si la fuente de electricidad limpia es de naturaleza variable (por ejemplo, solar, eólica). Para ponerlo en perspectiva, Estados Unidos instaló 24,5 GW de nueva energía solar y eólica en 2020. Esta cifra fue superior en 2021, con 28,7 GW.
El escenario descrito anteriormente, en el que las necesidades previstas de hidrógeno se cubren únicamente con hidrógeno generado a partir de fuentes renovables, podría ser difícil de aplicar. Aunque el crecimiento de las energías renovables se está acelerando en todo el mundo, la mayor parte de la nueva capacidad renovable se dedicará a descarbonizar la red existente.
Afortunadamente, existen diversas tecnologías y estrategias de despliegue potenciales que pueden maximizar el éxito de una economía del hidrógeno de bajas emisiones. Por un lado, la energía limpia y siempre disponible, también conocida como energía 24/7, como la energía nuclear o la energía geotérmica de roca supercaliente, podría ayudar aumentando el factor de capacidad para la producción de hidrógeno electrolítico. También hay más de una forma de producir hidrógeno bajo en emisiones; el hidrógeno "azul" puede ayudar a escalar la producción junto con el hidrógeno "verde". Sin embargo, esta opción no está exenta de desafíos que deben abordarse, como la ampliación de la infraestructura de captura de carbono necesaria para capturar, entregar y secuestrar el carbono y garantizar que haya un seguimiento y una reducción rigurosos de las emisiones fugitivas para el suministro de gas natural.
Todos los medios de producción de hidrógeno con bajas emisiones tienen sus propios obstáculos, y el desarrollo del mayor número posible de estas opciones garantizará que el mundo tenga acceso a un conjunto de herramientas climáticas complementarias que puedan desplegarse y adaptarse a una variedad de geografías, modelos empresariales, limitaciones de recursos y condiciones climáticas.
1 Téngase en cuenta que el consumo varía en función de si se utiliza electricidad en lugar de gas natural para usos finales comunes como calefacción, cocina y secado de ropa. Utilizando datos de la EIA, los cálculos de CATF muestran que el consumo de gas natural por cliente residencial de Estados Unidos fue de 5.392 pies cúbicos estándar al mes en 2021. Esto equivale a unos 5,63 millones de unidades térmicas británicas (MMBTU) o 1.649 kilovatios-hora (kWh) al mes.
2 El agua disponible en una instalación puede requerir un procesamiento adicional para cumplir los estrictos requisitos de calidad para el reformado de metano con vapor o la electrólisis. En consecuencia, el consumo real de agua bruta puede variar en función de la calidad disponible. Los cálculos anteriores presuponen que el agua ya ha sido tratada con la calidad requerida y no incluyen consideraciones sobre el agua de refrigeración para equipos auxiliares. Según la EPA, el consumo medio de agua de los hogares estadounidenses fue de 1136 litros (300 galones) al día en 2016. Para obtener información adicional sobre cómo puede variar el consumo real de agua bruta en función de la calidad disponible, consulte la página web de GHD.
3 Tenga en cuenta que la cifra indicada anteriormente se refiere a la electricidad consumida, no a la capacidad de generación necesaria para alimentar la planta de electrólisis. La capacidad de generación necesaria dependerá de la frecuencia con la que la electricidad esté disponible durante el día, lo que se conoce como factor de capacidad. El factor de capacidad varía según las distintas tecnologías de energías renovables, siendo normalmente del 10-20% para la energía solar fotovoltaica y del 30-50% para la eólica marina. Este factor puede modificarse en la herramienta para demostrar el valor de disponer de energía limpia y firme las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Los datos de la EIA muestran que el consumo medio de electricidad de los hogares fue de 10.632 kWh/año.
