Hiógeno y Energía para Abogados.

El hidrógeno y la Energía siempre han sido una parte elemental de nuestra existencia y ha sido investigado desde el siglo XIX. 

En los últimos diez años se ha probado en proyectos piloto para la industria energética como parte de la transición energética, principalmente como dispositivo de almacenamiento y como generador de electricidad y calor.

Las decisiones estratégicas a nivel nacional y europeo y los subsidios brindan ahora a la economía el marco para inversiones de gran alcance. El objetivo es establecer un mercado para el hidrógeno lo más rápido posible y así utilizar todo el potencial para la protección del clima.

El hidrógeno es el elemento químico más común en la tierra. En nuestro sistema solar, el 75 por ciento de la masa total consiste en hidrógeno, y se supone que una proporción aún mayor está presente en todo el universo. Todos los organismos vivos y casi todos los compuestos orgánicos consisten en parte en agua, la combinación de hidrógeno y oxígeno.

El hidrógeno tiene la masa atómica más baja de todos los elementos: es 14 veces más ligero que el aire, no es tóxico, ni cáustico, ni radiactivo, no se imflama por sí mismo y arde con una llama incolora sin dejar residuos.

¿Dónde se produce el hidrógeno de forma natural?

El hidrógeno se produce en la tierra principalmente en combinación con el oxígeno como agua. De esta forma cubre más de dos tercios de la superficie terrestre. 96,5 por ciento como agua salada en los océanos. El 3,5 por ciento restante es agua dulce de lagos y ríos, pero también agua subterránea.

La mayor parte de esto, a su vez, está en estado sólido: como hielo en el Ártico y la Antártida. Pero también gases naturales, como el metano y el petróleo que son importantes compuestos que contienen hidrógeno. El hidrógeno también está contenido en más de la mitad de todos los minerales.

En la atmósfera terrestre, el hidrógeno está presente principalmente como vapor de agua. La cantidad de vapor de agua contenida en una unidad de volumen de aire depende no solo de la presencia de agua sino también de la temperatura del aire. Por ejemplo, el aire a una temperatura de 30 °C puede absorber hasta un 4,2 % en volumen de vapor de agua.

¿Es el hidrógeno la solución para la producción de energía neutra en CO2?

El hidrógeno puede almacenar y liberar energía sin emitir CO2. En particular, si la energía almacenada es renovable, se evitan las emisiones dañinas para el clima. Químicamente, una tonelada de hidrógeno contiene 33.330 kilovatios hora de energía. Esto corresponde al consumo medio de electricidad de 11 hogares de tres personas en un edificio de apartamentos. El hidrógeno puede utilizarse directamente, por ejemplo, en procesos industriales o en el mercado del calor.

La energía química almacenada en el hidrógeno también se puede convertir de nuevo en energía eléctrica utilizando pilas de combustible. Parte de la energía se pierde en esta conversión. La eficiencia aquí es actualmente de alrededor del 50 por ciento. Se están realizando investigaciones para aumentar la eficiencia. En el futuro, se espera que la eficiencia aumente significativamente. Todavía hay desafíos en el camino hacia un suministro de energía amigable con el clima utilizando hidrógeno.

El hidrógeno es un gas ligero y por lo tanto tiene un volumen enorme. 12 metros cúbicos completos de hidrógeno sin comprimir corresponden a un litro de gasolina. Aunque el hidrógeno puede comprimirse o licuarse a alta presión, este proceso de licuefacción requiere mucha energía. Sin embargo, una vez comprimido, la desventaja se convierte en una ventaja, porque 1 kg de hidrógeno contiene casi tanta energía como 3 kg de gasolina.

¿Cómo se produce el hidrógeno?

El hidrógeno es prácticamente inexistente en la Tierra en forma libre. El término «producción de hidrógeno» o «generación» se refiere al suministro de hidrógeno molecular (H2). Primero debe separarse de un material de partida rico en hidrógeno con la ayuda de otras fuentes de energía. Su producción es climáticamente neutra si las fuentes de energía para su producción también lo son. Hay diferentes materias primas a considerar:

• Gas natural, con metano como principal componente
• otros hidrocarburos, por ejemplo, petróleo y carbón
• biomasa
• Agua
• otros compuestos que contienen hidrógeno

La energía química o la energía eléctrica, térmica o solar suministrada sirve como fuente de energía.

Proceso de electrólisis: generación de hidrógeno verde sin emisiones

En el primer paso de la electrólisis, el agua (H2O) se enriquece con sal (NaCl), por ejemplo, para mejorar el transporte de iones. Usando electricidad, el agua se descompone en sus componentes, hidrógeno (H2) y oxígeno (O2). El hidrógeno migra al polo cargado negativamente y el oxígeno al polo cargado positivamente. La energía eléctrica utilizada se convierte en energía química y se almacena en hidrógeno.

Si la electricidad requerida para la electrólisis proviene de fuentes renovables, la producción es libre de emisiones y se produce el llamado hidrógeno verde.

Proceso de reformado: Hidrógeno gris o azul a partir de gas natural

A escala industrial, el hidrógeno se produce ahora principalmente a partir de gas natural mediante reformado. Tal extracción de fuentes de energía convencionales da como resultado el llamado hidrógeno gris. El hidrógeno y el dióxido de carbono se forman en una reacción química. El primero se separa de esta mezcla gaseosa por absorción, adsorción o por medio de membranas. Dado que aquí se libera CO2, el hidrógeno producido de esta manera no es neutral para el clima.

Sin embargo, si el CO2 resultante se almacena en depósitos geológicos después de la producción de hidrógeno (Carbon Capture and Storage, CCS) o se reutiliza (Carbon Capture and Utilization, CCU), esto se denomina hidrógeno azul. Esto es climáticamente neutral en términos de equilibrio, ya que el CO2 no llega a la atmósfera.

Pirólisis de metano: hidrógeno turquesa

Durante la pirólisis del metano, el metano (CH4) se divide térmicamente. Esto produce hidrógeno y carbono sólido. Este último se puede utilizar, por ejemplo, en la industria de la construcción o de los materiales. Los requisitos previos para la neutralidad de CO2 del proceso son el suministro de calor del reactor de alta temperatura a partir de fuentes de energía renovables, así como la unión permanente del carbono.

¿Dónde se usa el hidrógeno?

Actualmente, el hidrógeno se utiliza principalmente en la industria química, por ejemplo, para producir fertilizantes nitrogenados, en las refinerías de petróleo para refinar el aceite mineral o en la producción de combustibles sintéticos. Como fuente de energía versátil, también alberga un gran potencial para el camino hacia un suministro de energía neutral para el clima.

Las principales áreas de aplicación se pueden dividir en cuatro áreas: la generación de energía, el mercado de la calefacción, la industria y el sector de la movilidad.

Hidrógeno en la industria energética: flexibilidad a través del almacenamiento

Al usar hidrógeno, la energía se puede almacenar, transportar y liberar nuevamente en un momento posterior. Esta propiedad la predestina como tecnología de almacenamiento de energías renovables. Los llamados procesos power-to-gas se pueden utilizar para producir hidrógeno a partir de electricidad generada de forma regenerativa.

Este hidrógeno verde puede luego almacenarse o transportarse más. Ya existe infraestructura de gas en diferentes paises Europeos, parte de la cual también se puede utilizar para hidrógeno, tanto instalaciones de almacenamiento como tuberías para el transporte.

Además, el hidrógeno también es adecuado para el suministro de calor. Hoy ya es posible inyectar hasta el cinco por ciento en la red de gas sin tener que ajustar la calefacción de gas en los hogares. Los proyectos piloto están investigando actualmente la mezcla de hasta un 30 % de hidrógeno en las redes de gas natural.

Hidrógeno en la Industria: Descarbonización de Procesos No Electrificables

En el debate público actual sobre el hidrógeno, se atribuye un gran potencial a su uso en la industria. Hay algunos procesos aquí que no se pueden electrificar, o solo con dificultad. Por lo tanto, el uso directo de electricidad renovable está fuera de discusión aquí. Actualmente, el carbón o el gas natural se utilizan principalmente para estos procesos, pero en el futuro podrían cambiarse a hidrógeno cada vez más verde de una manera relativamente sencilla.

Hidrógeno en movilidad: tráfico pesado sin emisiones de CO2

También en el sector de la movilidad, hay algunos modos de transporte para los que un accionamiento eléctrico solo es adecuado de forma limitada: el tráfico pesado de mercancías, en particular, consume mucha energía debido al peso de los vehículos, por ejemplo. En consecuencia, se requeriría una cantidad relativamente grande de electricidad para poder mapear los rangos requeridos.

Estos problemas se pueden evitar con una pila de combustible. Si luego se reposta principalmente hidrógeno verde, las emisiones de gases de efecto invernadero también se reducen significativamente aquí.

También hay proyectos iniciales que invierten en trenes de hidrógeno. De esta forma se pueden ahorrar emisiones, especialmente en zonas rurales donde no hay líneas de alta tensión y se utilizan locomotoras diésel. Lo mismo se aplica al transporte marítimo, donde aún domina el uso de fuel oil pesado.

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