¿Súper Combustible?

Publicado el 24 de diciembre de 2020 a las 17:13 por G. Allen Brooks

(Artículo publicado originalmente en la edición de septiembre/octubre de 2020).

Elija un color, cualquier color, azul, verde, marrón o gris. Esos son los colores asignados a las diversas formas de hidrógeno dependiendo de cómo se produzca. El hidrógeno se ha convertido de repente en el Superman de las energías renovables. En lugar de salvar a Metrópolis, se necesita salvar al mundo de un futuro dañino creado por las emisiones excesivas de carbono de la quema de combustibles fósiles.

A medida que pasamos del calentamiento global al cambio climático ya la crisis climática, la necesidad de encontrar fuentes de energía limpia se ha vuelto cada vez más urgente. En un momento, el gas natural, que emite la mitad del CO2 del carbón, fue esa fuente de combustible. A $8-$12 por millón de Btus, el gas natural de alto costo redujo la brecha con la energía eólica y solar más costosa.

Esa brecha se amplió cuando la revolución del esquisto llevó los precios del gas por debajo de $2/mmBtu. Luego, los ecologistas cambiaron su lealtad del gas natural al hidrógeno como el salvador del combustible limpio. Para que la era del hidrógeno comience en serio, el combustible debe superar una serie de obstáculos técnicos y económicos.

Propiedades

El hidrógeno, el elemento químico con el símbolo H y el número atómico 1, es el elemento más liviano del universo, 14 veces más liviano que el aire, lo que lo hace útil para los globos. También es el elemento más abundante, representando el 75 por ciento de la masa del universo. "Hidrógeno" proviene del griego "hydro", que significa "agua" y "genes", que significa "creador", efectivamente, "nacido del agua", que es lo que queda después de quemar el hidrógeno.

Con un solo protón en su núcleo, el hidrógeno es el elemento químico más pequeño. También puede existir sin neutrones. El tamaño pequeño y la baja densidad del hidrógeno crean desafíos de transporte y almacenamiento. Dada su fuerza de unión relativamente alta, se requiere mucha energía (por ejemplo, electrólisis) para aislar el hidrógeno en su forma pura, lo que aumenta su costo.

El hidrógeno fue identificado por primera vez por el gran científico experimental Henry Cavendish en 1766. Produjo agua a partir de hidrógeno y oxígeno con la ayuda de una chispa eléctrica. La primera celda de combustible, que convirtió hidrógeno y oxígeno en energía eléctrica, fue desarrollada en 1838 por Sir William Grove utilizando electrodos de zinc y platino. Aunque 20 años antes del surgimiento de la era del petróleo, el descubrimiento languideció. La primera pila de combustible comercial no se desarrolló hasta casi un siglo (1932).

Comercialización

Comercialmente, el hidrógeno se utilizó por primera vez en 1792, unos 25 años después de su descubrimiento, en la producción de gas de carbón, conocido como "gas ciudad". El hidrógeno representó casi la mitad del volumen de gas de la ciudad, que alimentaba las farolas en la era de la luz de gas del siglo XIX y principios del XX.

Quizás la predicción más asombrosa del hidrógeno fue su mención en la novela de aventuras de 1875 de Julio Verne, La isla misteriosa, en la que describió un mundo en el que "un día el agua se empleará como combustible, el hidrógeno y el oxígeno que lo constituyen, usados ​​solos o juntos, proporcionarán una fuente inagotable de calor y luz de una intensidad que el carbón no es capaz".

Verne fue un visionario en más de un sentido. El libro comienza durante la Guerra Civil Estadounidense con cinco prisioneros de guerra secuestrando un globo de observación lleno de hidrógeno para escapar. El hidrógeno se convertiría en el elemento de flotabilidad que levantaría los dirigibles Zeppelin y revolucionaría los viajes transatlánticos y las tácticas militares en las próximas décadas.

La era de los viajes en Zeppelin terminó en 1939 con el desastroso accidente del Hindenburg en Lakehurst, Nueva Jersey, que mató a 35 pasajeros en una espectacular explosión e incendio y planteó la cuestión de la seguridad del hidrógeno. Como todos los combustibles fósiles, el hidrógeno es altamente combustible, pero requiere una concentración casi tres veces mayor que la de la gasolina, lo que significa que la gasolina es tres veces más combustible que el hidrógeno.

El hidrógeno también se dispersa rápidamente si ocurre una fuga, y sus llamas generan un calor radiante bajo en ausencia de carbono, lo que significa que se queman rápidamente. Probablemente lo más importante es que el hidrógeno no es tóxico y solo produce agua limpia cuando se quema en presencia de oxígeno, lo que lo unge como el combustible para impulsar la economía libre de carbono del futuro.

Sumado a su atractivo es su versatilidad. Como gas, puede utilizar la infraestructura de tuberías de gas natural existente y alimentar turbinas generadoras de electricidad. En forma líquida, se puede utilizar como combustible para el transporte, que es la solución de energía limpia más problemática del sector energético. La electrificación de la flota de vehículos del mundo genera problemas ambientales, desde la minería de tierras raras hasta la eliminación de baterías. Como combustible que se puede producir eliminando o minimizando las emisiones de carbono, el hidrógeno es mucho más deseable.

El color de la limpieza

Las cuatro versiones de hidrógeno están coloreadas por los volúmenes de carbono emitidos durante la producción. El hidrógeno marrón está hecho de carbón, mientras que el hidrógeno gris proviene del gas natural. En ambos casos, el CO2 del proceso de producción se emite a la atmósfera, más con carbón, menos con gas.

Por el contrario, el hidrógeno azul se deriva del gas natural con las emisiones capturadas y almacenadas. El hidrógeno ideal es el verde, que se produce a partir de combustibles renovables, dejando al agua como única emisión.

Europa está descubriendo que su impulso agresivo hacia la energía limpia ha resultado en un excedente significativo de electricidad eólica y solar que se produce cuando no se necesita, lo que obliga a las empresas de servicios públicos a pagar a los productores por la energía desperdiciada. La intermitencia de la energía eólica y solar significa que se debe construir una capacidad de generación de dos a tres veces la energía requerida, lo que resulta en una mala asignación de la inversión. Esa mala asignación se magnifica por el hecho de que estas fuentes de energía intermitentes tienen una vida operativa de solo 15 a 25 años, en comparación con las plantas de energía de combustibles fósiles con una vida útil de 40 a 60 años.

El desafío del costo

El mayor obstáculo para el hidrógeno es el costo de producción, especialmente si debe ser ecológico. Un estudio realizado por el Hydrogen Council determinó que, usando un precio de importación de $3 por kilogramo de hidrógeno para impulsar turbinas, la electricidad producida costaría alrededor de $140 por megavatio-hora (MWh).

En comparación, una estimación de 2019 del costo nivelado de la electricidad sugiere que el costo no subsidiado de la generación de electricidad de ciclo combinado con gas natural está entre $ 44/MWh y $ 68/MWh, una ventaja de costo actual del 50 al 70 por ciento en comparación con la cifra hipotética generada por hidrógeno. Si el precio de importación del hidrógeno pudiera reducirse a $ 1 por kilogramo, la electricidad resultante sería competitiva en precio con la electricidad producida a partir de gas natural con el beneficio adicional de no emitir carbono.

Atacar el desafío de los costos está motivando a las empresas a experimentar con proyectos para producir hidrógeno verde con electricidad renovable barata. Estos experimentos están dirigidos a instalaciones eólicas y solares en alta mar para fabricar hidrógeno utilizando excedentes de electricidad. El hidrógeno se almacenaría y luego se utilizaría para generar electricidad cuando las fuentes de energía renovable no puedan suministrar energía.

Alternativamente, estas instalaciones podrían producir hidrógeno a un costo reducido utilizando la electricidad desperdiciada e inyectándola en la red de gasoductos del continente. También podría entregarse en forma líquida para impulsar el sector del transporte. Hay planes para crear una red de instalaciones de almacenamiento y abastecimiento de combustible de hidrocarburos líquidos a lo largo de los principales ríos de Europa que alimentarían barcazas y barcos equipados con celdas de combustible, reduciendo las emisiones de carbono. Un mercado de vehículos de pila de combustible también podría estar en el futuro de Europa, como el que existe en el sur de California.

El atractivo del hidrógeno para el transporte es su alta densidad de energía, aunque con ciertas salvedades. En particular, el hidrógeno tiene un alto contenido energético en relación con otros combustibles por unidad de peso, pero una menor densidad energética por unidad de volumen.

El hidrógeno tiene tres veces el contenido de energía de la gasolina, pero en volumen esa relación se invierte. Un vehículo de celda de combustible debe funcionar con hidrógeno a alta presión, lo que requerirá tanques de almacenamiento de alta resistencia hechos de compuestos reforzados, lo que aumentará el costo del vehículo.

Es importante destacar que el hidrógeno tiene una mayor densidad de almacenamiento de energía en relación con las baterías de iones de litio. Un kilogramo de hidrógeno tiene la misma energía eléctrica que un galón de gasolina. Con la eficiencia del tanque a la rueda de un vehículo de pila de combustible dos veces mayor que la de un vehículo con motor de combustión interna, un kilogramo de hidrógeno proporciona tanta autonomía como dos galones de gasolina. Con la caída de los precios del hidrógeno, los vehículos de celdas de combustible se volverían muy competitivos, especialmente al tener menos problemas ambientales que los vehículos que funcionan con baterías.

Preguntas sin respuesta

Además de la cuestión de los costos, existen preguntas sin respuesta sobre el almacenamiento y transporte de hidrógeno. Sus pequeñas moléculas le permiten penetrar en las tuberías de acero a una velocidad de cuatro a cinco veces mayor que la del metano, lo que provoca fragilidad y hace necesario reemplazar las tuberías de gas, así como los electrodomésticos si se usa hidrógeno.

El almacenamiento de gas natural utiliza domos de sal, acuíferos o depósitos de petróleo/gas agotados. En Europa, solo se han examinado los domos de sal para el almacenamiento de hidrógeno, por lo que quedan dudas sobre si existe capacidad suficiente. Será necesario investigar opciones alternativas de almacenamiento, o posiblemente será necesario construir un almacenamiento adicional en domos de sal. Hasta que se demuestre que el hidrógeno es un combustible comercialmente viable, el almacenamiento a escala no es una restricción.

Europa está invirtiendo fuertemente en energía eólica y solar para cumplir sus objetivos de energía limpia. Sin embargo, todos los estudios de energía apuntan a su incapacidad para cumplir esos objetivos sin que el hidrógeno desempeñe un papel importante. Recientemente, Europa ha experimentado una baja producción eólica y solar, lo que magnifica los desafíos de las empresas de servicios públicos para entregar electricidad según la demanda.

Todo el mundo está apostando fuertemente por la comercialización del hidrógeno despachable, pero se desconoce cuándo, o si, se podrán superar los desafíos económicos y técnicos del hidrógeno. Si no, los planes de energía verde se enfrentan a un día de ajuste de cuentas.

Las opiniones expresadas aquí son del autor y no necesariamente las de The Maritime Executive.