La economía limpia del hidrógeno en el Medio Oeste: Potencial para una descarbonización de la industria beneficiosa para la comunidad y el clima
El Medio Oeste es una franja dinámica y diversa del país, con una economía que incluye algo más que agricultura. La mayor refinería de petróleo del país, la mayor parte de la producción nacional de hierro y acero, y numerosos fabricantes de fertilizantes y productos químicos, así como una extensa red de transporte interestatal y de camiones pesados, tienen su sede en el Medio Oeste. Todas estas industrias se consideran sectores difíciles de eliminar, ya que utilizan combustibles basados en el carbono (por ejemplo, el gasóleo) o producen carbono como parte de su proceso de producción (por ejemplo, el acero o las refinerías) y no pueden descarbonizarse totalmente mediante la electrificación. El hidrógeno bajo en carbono es un componente fundamental del conjunto de soluciones para la mitigación del cambio climático, especialmente como insumo de otros productos para estas industrias difíciles de eliminar y como sustituto de los combustibles líquidos actuales con cero emisiones de carbono. Por todo ello, es probable que desempeñe un papel importante para lograr de forma asequible la descarbonización total de toda la economía para 2050.
En 2023, el Departamento de Energía (DOE) Estados Unidos puso en marcha una Estrategia Nacional del Hid rógeno para aumentar la producción y el uso de hidrógeno bajo en carbono en todo el país. Dada la concentración de industrias difíciles de abandonar en el Medio Oeste, la región puede beneficiarse del Programa de Centros Regionales de Hidrógeno Limpio del DOE (Programa de Centros) aprobado por el Congreso. En particular, el Programa Hubs del DOE puede ayudar y debe garantizar que se dé prioridad al hidrógeno bajo en carbono para los sectores de uso final que actualmente utilizan hidrógeno con el fin de maximizar las reducciones de emisiones de dióxido de carbono (CO2) existentes. A medida que se amplíe el Programa Hubs y aumenten las cantidades de producción, se deberá dar prioridad a otros sectores de uso final que resulten prometedores para el clima y la comunidad, incluidas las industrias clave del Medio Oeste, como la industria pesada y el transporte pesado.
Centros de hidrógeno del Medio Oeste
En la actualidad, el hidrógeno se utiliza como materia prima y fuente de combustible para diversos productos que se emplean en todo el mundo moderno. El hidrógeno actual se produce casi exclusivamente a partir de materias primas fósiles, y la mayor parte del hidrógeno mundial actual se produce mediante un proceso denominado reformación de metano con vapor (SMR), en el que el gas natural reacciona con vapor para dividir ambas moléculas, dando como resultado hidrógeno puro yCO2. A nivel mundial, esta producción de hidrógeno de alta intensidad de carbono representa más de 900 millones de toneladas métricas de emisiones deCO2 al año (aproximadamente el 2,5% de nuestras emisiones globales). El objetivo del Programa de Centros es hacer frente a estas emisiones y catalizar nuevos usos del hidrógeno en sectores difíciles de eliminar, proporcionando recursos de demostración para cambiar los procesos de producción existentes por métodos de producción bajos en carbono. Cinco centros del Medio Oeste presentaron sus solicitudes finales al DOE a través del proceso competitivo del Programa de Centros, entre ellos:
- Centro de Hidrógeno Limpio de los Grandes Lagos (GLCH)
- Centro Heartland(HH2H)
- Centro de hidrógeno, agricultura, energías renovables, vehículos, almacenamiento de energía y transporte (HARVEST)
- Centro de Hidrógeno Limpio del Mid-Continent(MCH2)
- Alianza del Medio Oeste para el Hidrógeno Limpio(MachH2)
De los cinco solicitantes, HH2H y MachH2 fueron seleccionados por el DOE para la siguiente fase del Programa Hubs.
Estos solicitantes tienen previsto desarrollar procesos de producción y usos finales primarios similares, según la investigación de CATF , los anuncios de los solicitantes y el anuncio de la Oficina de Demostraciones de Energía Limpia (OCED) del DOE, como se muestra en la tabla siguiente.
| Estados implicados | Solicitante principal | Proceso de producción | Usuarios finales | |
|---|---|---|---|---|
| HH2H | MT, MN, ND, SD, WI* | U. Centro de Investigación Energética y Medioambiental de Dakota del Norte | Gasificación de biomasa Nuclear Energías renovables Gas natural con captura y retención de carbono | Fertilizantes Generación de energía Calefacción residencial Transporte |
| MachH2 | IL, IN, MI | Constelación | Nuclear Renovables Gas natural con captura y retención de carbono | Refino industrial Transporte Generación de energía |
Mientras que estos dos centros seleccionados seguirán adelante, queda por ver si los tres solicitantes restantes lo harán de forma independiente.
La producción baja en carbono es esencial
Tanto HH2H como MachH2 han declarado que utilizarán una combinación de energía nuclear, eólica y solar para alimentar los electrolizadores que producirán hidrógeno bajo en carbono mediante la división del agua. Ambos hubs también señalan cierta producción a partir de gas natural con captura y secuestro de carbono. Independientemente del método de producción, los centros deben hacer todo lo posible por minimizar sus emisiones de gases de efecto invernadero. En el caso de la producción con electrolizadores, eso significa utilizar electricidad sin emisiones de carbono para hacer funcionar los electrolizadores. En el caso de la producción a partir de gas natural, eso significa lograr altos índices de captura de carbono, minimizar las fugas de metano de la cadena de suministro de gas natural y utilizar electricidad con cero emisiones de carbono para cualquier electricidad de proceso.
Hay que dar prioridad a los usos finales de alto valor
Como ocurre con todas las nuevas inversiones en tecnología, hay promesas y rumores. Se ha hablado mucho de la posibilidad de utilizar el hidrógeno para diversos usos finales, pero es importante tener en cuenta que su producción consume mucha energía y que es un vector energético caro. Por estas razones, los hubs deberían priorizar el uso del hidrógeno en los sectores que actualmente lo utilizan como insumo, seguidos de los sectores que no tienen alternativas viables de descarbonización o cuya electrificación es prohibitivamente cara. En el Medio Oeste, el hidrógeno presenta una opción para compensar las emisiones existentes en varios sectores importantes:
- Refino de petróleo
En todo el mundo, aproximadamente el 43% de todo el hidrógeno que se produce actualmente se crea y consume en refinerías de petróleo. Sustituir la producción actual de hidrógeno con altas emisiones por hidrógeno con bajas emisiones de carbono es una victoria fácil que puede reducir las emisiones deCO2 a corto plazo mientras las refinerías realizan la transición en las próximas décadas hacia una economía con bajas emisiones de carbono.
- Producción de amoníaco
A nivel mundial, la producción de amoníaco, utilizado sobre todo para crear fertilizantes, produce aproximadamente 500 millones de toneladas métricas deCO2. Sustituir los métodos actuales de producción de hidrógeno por hidrógeno bajo en carbono puede reducir significativamente la intensidad de carbono de este proceso.
- Fabricación de hierro y acero
El Medio Oeste es una potencia de la industria siderúrgica de Estados Unidos. El hidrógeno puede utilizarse en algunas de estas fábricas como sustituto del carbón de coque en el proceso de refinado del hierro o quemarse en un entorno de oxígeno puro (denominado "oxicombustión") en sustitución del gas natural en aplicaciones de alto calor como la fabricación de acero y vidrio.
- Metanol
El metanol es una materia prima química en una gran variedad de productos domésticos y químicos. Su producción utiliza gas natural como materia prima. Sustituirlo por hidrógeno bajo en carbono reduciría la intensidad global de carbono de esta materia prima básica. Sin embargo, dada su estructura química (CH3OH), no puede descarbonizarse totalmente.
Otros usos prometedores que podrían aportar beneficios climáticos en el Medio Oeste son:
- Transporte pesado de larga distancia
Las flotas de camiones diésel cruzan la región y el país, creando una importante contaminación atmosférica local a lo largo de los corredores interestatales. Aunque actualmente existen vehículos eléctricos de batería (BEV) para flotas pesadas, los vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) utilizan hidrógeno como portador de energía y ofrecen una serie de ventajas sobre sus homólogos BEV.
- Combustibles para el transporte marítimo
El transporte marítimo en la región de los Grandes Lagos, en las flotas de barcazas fluviales del Medio Oeste y en todo el mundo depende en gran medida del combustible diésel. El hidrógeno, el amoníaco y el metanol con bajas emisiones de carbono son opciones para sustituir a las actuales flotas de gasóleo, y la obtención del hidrógeno para cualquiera de estos combustibles finales a partir de fuentes con bajas emisiones de carbono ayudará a garantizar que estas conversiones sean lo más beneficiosas para el clima posible.
- Refinado de biocombustibles
Al igual que el refinado del petróleo, las materias primas de biomasa utilizadas para crear biocombustibles requieren hidrógeno para eliminar el oxígeno e hidrotratar el producto final. La sustitución de la producción actual de hidrógeno por hidrógeno bajo en carbono es otra oportunidad que puede reducir las emisiones asociadas a la producción de biocombustibles.
- Combustibles de aviación sostenibles
El sector de la aviación representa aproximadamente el 2% de las emisiones mundiales deCO2, y la electrificación de los aviones es todo un reto. Los combustibles de aviación sostenibles son un campo de estudio muy nuevo y se desarrollarán en las próximas décadas. El hidrógeno puede ofrecer una opción de descarbonización, mediante aviones propulsados por hidrógeno, el uso de hidrógeno como materia prima en un combustible sintético o el necesario hidrotratamiento de los SAF de origen biológico. La reducción potencial de las emisiones de estos combustibles de sustitución propuestos actualmente requerirá hidrógeno bajo en carbono como materia prima.
El hidrógeno también se está considerando para otros sectores y usos finales, pero estos casos pueden no ser las vías de descarbonización más beneficiosas para el clima y la comunidad. La combustión de hidrógeno con aire puede aumentar las emisiones locales de óxidos de nitrógeno (NOx), que están relacionados con riesgos para la salud respiratoria. Por ello, el uso de hidrógeno para la mezcla de gas natural, la generación de electricidad, la calefacción residencial y los vehículos ligeros o de pasajeros (denominados motores de combustión interna de hidrógeno o H2ICE, por sus siglas en inglés) deben ser analizados para garantizar que no empeoren los problemas locales de contaminación atmosférica en comunidades históricamente sobrecargadas. Cualquier aumento previsto deberá sopesarse con la disminución de otras emisiones locales del statu quo (por ejemplo, partículas) para que las comunidades evalúen las ventajas y desventajas y determinen alternativas. Del mismo modo, el uso del hidrógeno como opción de almacenamiento de energía estacional puede tener algunas aplicaciones especializadas, pero su uso será probablemente específico de cada región.
El futuro
A pesar de haber sido seleccionados como finalistas, los dos Hubs del Medio Oeste aún no son definitivos. Ahora el Programa Hubs entra en la fase de negociaciones, en la que el DOE y los solicitantes de Hubs llegarán a un acuerdo sobre el alcance del proyecto, el presupuesto y los requisitos del acuerdo de adjudicación, incluidos los compromisos relacionados con los beneficios para la comunidad. Como parte de este proceso, la participación de la comunidad y los planes de beneficios para la comunidad serán esenciales para garantizar que las comunidades anfitrionas estén informadas sobre la tecnología y sean capaces de proporcionar información para dar forma a los beneficios y mitigar los riesgos asociados a estos nuevos proyectos de infraestructura. Este es un componente central del Programa Hubs, y será esencial que las comunidades anfitrionas, los promotores y las terceras partes interesadas, como CATF, trabajen en colaboración para abordar los nuevos retos que puedan surgir. Algunos de ellos podrían ser:
- Decisiones sobre la ubicación de energías renovables, electrolizadores, almacenamiento de carbono, almacenamiento de hidrógeno e infraestructuras de transporte;
- Garantizar el aumento de la demanda de hidrógeno en los sectores en los que ya se utiliza como insumo, seguido de los sectores en los que el hidrógeno es más prometedor para la descarbonización de los sectores difíciles de eliminar; y
- Maximizar los beneficios locales (por ejemplo, mejoras de la calidad del aire y oportunidades de desarrollo de la mano de obra) y mitigar los riesgos (por ejemplo, uso, tratamiento, reutilización y eliminación seguros del agua).
Hasta la fecha, tanto HH2H como MachH2 han presentado diversos aspectos de sus planes de beneficios comunitarios y hay muchos aspectos dignos de mención. HH2H, por ejemplo, incluye un posible acuerdo de asociación de propiedad con la Nación Mandan, Hidatsa y Arikara, agricultores locales y cooperativas agrícolas; se centra en la creación de riqueza para los socios de la comunidad; incorpora programas STEM K-12 y de aprendizaje; y se rige por un Consejo Asesor CBP. Del mismo modo, MachH2 se comprometió a implicar a las comunidades históricamente desfavorecidas en la creación de puestos de trabajo bien remunerados relacionados con el centro de operaciones; se comprometió a destinar más del 40% de los fondos de subcontratación a empresas de diversa índole; y se rige tanto por un grupo de trabajo asesor sobre beneficios para la comunidad como por consejos asesores locales. Ahora que los solicitantes han pasado a la fase de negociación del Programa Hubs, será esencial garantizar que estos compromisos se hagan realidad.
El Medio Oeste cuenta con un gran número de industrias que podrían ver reducidas significativamente sus emisiones de carbono mediante la construcción y el uso de hidrógeno bajo en carbono. Con una participación significativa de la comunidad y asociaciones que proporcionen autoridad para la toma de decisiones a las comunidades anfitrionas y un esfuerzo de buena fe para abordar las preocupaciones de la comunidad, estos Hubs y sus proyectos tienen el potencial de abordar la contaminación atmosférica local y crear oportunidades de empleo de energía limpia para las comunidades locales. Sin embargo, para que estos beneficios se materialicen en el Medio Oeste, será esencial una profunda colaboración entre las comunidades, los promotores de los centros y los responsables políticos.
Para más información sobre los nudos de hidrógeno, consulte CATF's Estados Unidos Hydrogen Hubs Map, así como nuestro blog más reciente tras el anuncio de la selección de los nudos de hidrógeno. Estos recursos se actualizarán a medida que se conozcan más detalles.
