LA PROMESA DE UNA ECONOMÍA
BAJA EN CARBONO
AUTOR: David Martínez Martín
TUTORES: Daniel Ferrero León y Adrián Onrubia García
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar, me gustaría agradecer al equipo directivo y docente del IES Juan Gris por brindarme la oportunidad de participar en este proyecto. En especial me gustaría expresar mi gratitud a José Manuel González y a Vicente González-Horcajo Serrano por tener la valentía de ponerse al mando de la gestión de estos proyectos yde ayudar a todos mis compañeros que han compartido conmigo este viaje.
Asimismo, quiero agradecer a Daniel Ferrero León y a Adrián Onrubia García por ofrecerse voluntarios a monitorizar mi proyecto y a ayudarme cuando era necesario, sin ellos todo esto no hubiera sido posible.
No puedo dejar de mencionar la ayuda de los ingenieros químicos que me han ayudado respondiendo las preguntas que les hice, en especial la ayuda que me brindó Justo Lobato Bajo ofreciéndome una entrevista.
Por último, quiero expresar un agradecimiento especial a mi familia que me impulsaron y motivaron a adentrarme en este proyecto, especialmente a mi padre quien me propuso el tema del proyecto (aunque terminase desviándome de su propuesta), y a mis amigos que siempre creyeron en mí.
ABREVIACIONES
H2 Hidrógeno
H2O Agua
CO2 Dióxido de carbono
O2 Oxígeno
H3O Ión oxonio
w vatios
CV Caballos
CH4 Metano
Pa Pascales
J Julios
m Metros
K Kelvin (grado Kelvin)
ºC Grados centígrados
MOFs Materiales metal-orgánicos
CO Monóxido de carbono
CH4 Metano
NOx Óxidos nitrosos
VODs Compuestos orgánicos volátiles
O3 Ozono
OH Radical hidroxilo
DU Unidad Dobson
Ppb Partículas por billón
LW Long wave (onda larga)
SW Short wave (onda corta)
CRE Cloud radiate effect (efecto radiativo de las nubes)
CDNC Cloud droplet number concentration(concentracióndel número de gotas de nube)
PCG Potencial calentamiento global (GWP en inglés)
Ppm Partículas por millón
RESUMEN
En este proyecto de investigación buscamos analizar la situación en la que se encuentra el hidrógeno verde actualmente en relación con su entrada al mercado energético. Para ellos, veremos lascaracterísticas yavancesdelhidrógeno verde, ademásde lasprincipales dificultades que se le presentan para entrar al mercado energético y profundizaremos en ellas.
Para ello, se ha recabado información vía internet y realizado entrevistas y formularios a ingenieros químicos con experiencia en el campo.
El proyecto consiste en un exposición de los puntos fuertes y débiles del hidrógeno, seguido de un análisis de su método de obtención y sus costes. Después explicaremos la situación del hidrógeno en su campo más prometedor, el transporte, y profundizamos en la mayor dificultad a superar para lograr una economía de hidrógeno verde, su almacenamiento. Por último analizaremos su impacto ambiental para saber si realmente sería un buen sustituto del carbono.
1 INTRODUCCIÓN
Los seres humanos somos los habitantes más dominantes del planeta tierra, durante los últimos miles de años los seres humanos nos hemos desarrollado de sobremanera tecnológicamente hablando. Esto ha llevado aunaumento delaesperanzade vidaasícomo lacalidadde la misma.
Elfulguranteavancetecnológico hatraído consigomuchosbeneficios, perotambiénproblemas. Uno de los más importantes es el cambio climático, que tiene preocupados a la mayoría de los líderes mundiales. Los combustibles fósiles constituyen gran parte del consumo energético de la actualidad, y estos no son amigos del medio ambiente.
El incremento del desarrollo tecnológico por tanto, ha derivado en un aumento masivo de la población, lo que, inevitablemente, ha causado un aumento del consumo energético mundial enorme tal y como se muestra en el gráfico de la figura 1.
Figura 1: La situación mundial de la población, la energía y el CO2. Disponible en: https://j3palacios.wordpress.com/2015/10/04/la-situacion-mundial-de-la-poblacion-la-energiay-el-co2/
Este aumento del consumo energético tiene unas fuertes repercusiones medioambientales, las energías limpias son más costosas y difíciles de obtener, forzándonos a los seres humanos a depender de energías menos protectoras con el medioambiente.
La lucha por un planeta más limpio lleva años movilizada, y en ella el hidrógeno verde se presenta como una de las principales propuestas para solucionar la actual dependencia energética de los combustibles fósiles, ofreciendo una solución limpia y eficaz.
El hidrógeno es el elemento más sencillo y abundante de todo el universo, pero no se puede encontrar en la naturaleza en su estado natural. No obstante, este está presente en muchos compuestos, como por ejemplo el H2O, y podemos obtener hidrógeno mediante diferentes procesos. Elque se ha denominado como el más efectivo es la electrólisis delagua, que consiste en descomponer la molécula de agua yobtener el hidrógeno en su lugar utilizando electricidad. Cuando este proceso se realiza con energías renovables el hidrógeno obtenido es denominado “hidrógeno verde” y es totalmente limpio y respetuoso con el medioambiente.
Por desgracia, el hidrógeno verde está aún lejos de tomar el papel protagonista en el mercado energético, teniendo aún por superar varias dificultades antes de ponerse al mando delconsumo energético mundial.
2 ESTADO DE LA CUESTIÓN
Elfuturo delhidrógeno ydel hidrógeno verdeesaún incierto, aunquetodoapuntaaquetomarán un rol energético considerable. Las investigaciones sobre el hidrógeno como sustituto del carbono llevan vigentes muchos años intermitentemente. En general, podríamos decir que el hidrógeno, en especial el verde, “está de moda” y actualmente hay mucha actividad científica centrada en él, pero el hidrógeno ya se encontró en esta situación quince años atrás. Cuando el furor por el hidrógeno terminó, las investigaciones sufrieron un parón de varios años.
De todas formas actualmente hay muchas compañías trabajando en proyectos a largo plazo relacionados con el hidrógeno verde, que se espera que terminen en la próxima década, lo que de algún modo garantiza la prosperidad y el desarrollo del hidrógeno verde en el futuro. Los ejemplos más claros de proyectos en desarrollo son la planta de hidrógeno verde de Besaya H2 en Cantabria, o la construcción del gasoducto que recorrerá Europa, el cual, en principio, solo transportará hidrógeno verde.
Sobre las investigaciones y estudios sobre el hidrógeno, en general, están centrados en sus métodos de almacenamiento, el mayor reto a superar en el ámbito del hidrógeno como combustible. Aunque las principales investigaciones sean sobre su almacenamiento,también se están estudiando su posible impacto ambiental.
3 HIPÓTESIS Y OBJETIVOS
La hipótesis que ha motivado la realizaciónde estetrabajo ha sido la pregunta desielhidrógeno verde podrá llegar a ser el sustituto energético del carbono, al menos en gran medida. De modo que, si así fuera, resultaría en un planeta más limpio.
El objetivo principal de este proyecto ha sido analizar la posición actual en la que se encuentra el hidrógeno verde respecto a su entrada al mercado energético. Además de esto, el proyecto tambiéntieneunosobjetivos másespecíficospara fortalecer laresolucióndelobjetivo principal.
Estos son los siguientes:
- Contemplar las dificultades actuales que se le presentan al hidrógeno verde para tomar un rol de importancia en el consumo energético mundial y valorar si es viable su solución.
- Analizar el posible impacto del hidrógeno verde en el medio ambiente, tomando en cuenta losefectos“invisibles”queestetiene. Alfinalsu limpieza ambientalesel motivo principal por el que se está hablando tanto de él.
4 METODOLOGÍA EMPLEADA
Para lograr el objetivo propuesto para este proyecto de investigación se ha llevado a cabo una recopilación de información, que empieza en menor medida durante el curso de 2022-2023tras la elección del tema. No es hasta el verano de 2023 ydurante el propio curso de 2023-2024 que esta investigación alcanza su punto más alto de actividad.
La metodología ha consistido primordialmente de la revisión de tesis, trabajos de fin de grado y artículos científicos, además de revistas especializadas y noticias, todo ello relacionado con el hidrógeno verde, o en su defecto, el hidrógeno. También se ha realizado y enviado formularios a diferentes ingenieros químicos de universidades de España, además de una entrevista con Justo Lobato Bajo, ingeniero químico de la Universidad de Castilla - La Mancha con amplia experiencia en investigaciones y proyectos relacionados con el hidrógeno.
5 ANÁLISIS DEL HIDRÓGENO VERDE
5.1 HIDRÓGENO FRENTE A OTROS COMBUSTIBLES
Si se busca implementar el hidrógeno como la fuente de energía principal del ser humano, este debe ser capaz de enfrentarse a todas las necesidades energéticas que requiere nuestra especie. Para esto es imprescindible tener a nuestra disposición la cantidad necesaria de energía y de mantener la potencia mínima requerida. En España actualmente la dependencia de los combustibles fósiles está entre 70% - 80% aproximadamente, los coches eléctricos siguen estando opacados por los de gasolina y diésel, puesto que todavía no pueden competir a nivel económico con sus rivales más cercanos, y la dependencia del petróleo es muy alta en el sector transportes. Ante esta situación, lo primero que debemos hacer es un análisis de las ventajas y desventajas del hidrógeno verde frente al resto de combustibles.
5.1.1 VENTAJAS DEL HIDRÓGENO VERDE
1. Tiene un contenido de energía por unidad de masa superior aldelresto de combustibles. Contiene 120 MJ/Kg frente a los 51 MJ/Kg que contiene la gasolina.
2. La eficiencia en la transformación de energía de una pila de hidrógeno a electricidad es muy efectiva, aproximadamente un 80%. Cuando se aplica a un vehículo de hidrógeno, esta eficiencia en la conversión hacia energía mecánica se sitúa en torno al 64%, superando de manerasignificativa laeficienciadeunmotor degasolinaquesuelerondar el 20%. Esto se debe a que no es un proceso termodinámico como el que se da en los motores de combustión sino electro-químico.
3. Es más fácil de almacenar que la electricidad.
4. Contamina menos que los combustibles fósiles, y su obtención por electrólisis, aunque escaraenuninicio, no consumerecursosnaturalesno-renovables ytampoco contamina. Además se estima que terminará siendo rentable. También es importante destacar que el agua obtenida de la naturaleza sería devuelta después.
5. Las celdas de combustible de hidrógeno necesitan menos mantenimiento y se cree que su vida útil es mucho mayor que la de los motores actuales.
5.1.2
DESVENTAJAS DEL HIDRÓGENO VERDE
1. Tiene un bajo riesgo de explosividad que sucedería si su concentración de aire es superior al75%, pero es unriesgo fácil de controlar, la gasolina en cambio sólo necesita un 1% para explotar. Es importante destacar que unimpacto en elalmacén de hidrógeno podría suponer también una explosión, ya que es muy inflamable. El hidrógeno solo explota al entrar en contacto con el aire, por ello, la menor exposición posible será requerida. Esto es sin duda un gran inconveniente a la hora de llevar el hidrógeno al sector transportes, especialmente en coches y autobuses.
2. La densidad energética del hidrógeno es baja en estado gaseoso, lo que significa que necesitará grandes tanques de almacenamiento para depositar una cantidad significativa de hidrógeno, sin embargo, cuando el hidrógeno está en estado líquido es más fácil de almacenar, puesto que su densidad energética aumenta.
3. El hidrógeno es un gas muy abundante, pero es difícil de obtener en grandes cantidades en la naturaleza., es por eso que para su obtención hay que producirlo. Para que la contaminación sea la menor posible, el hidrógeno ha de obtenerse de manera limpia y renovable, lo que causará un impacto casi nulo en el medio ambiente. El proceso más competitivo, la electrólisis, es en la actualidad bastante costoso y necesita de unas condiciones muy específicas y de grandes adaptaciones del espacio utilizado.
4. El almacenamiento de hidrógeno, pese a ser mejor que el de los coches eléctricos, sigue siendo peligroso, complicado y caro. Este punto en específico es, sin duda, uno de los mayores campos a mejorar del hidrógeno como combustible. El almacenamiento de hidrógeno, además, es bastante menos competitivo que el de los combustibles fósiles.
5.2 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO
El hidrógeno verde no es más que hidrógeno obtenido de manera limpia y renovable, ydebe su nombre a su método de obtención. El hidrógeno verde, pese a ser el más prometedor, no es el más dominante, culpa de su complicado y costoso método de obtención.
En la figura 2 podemos observar todos los tipos de hidrógeno basados en su producción, la fuente de energía utilizada y las emisiones asociadas a este.
Figura 2: El pantone de hidrógeno. Disponible en: https://elordenmundial.com/mapas-ygraficos/tipos-hidrogeno/
En la actualidad, el99% delhidrógeno consumido enEspaña es de tipo gris, consecuentemente, el hidrógeno que consumimos en España consta de emisiones de CO2. Esto indica que una economía sostenida únicamente por el hidrógeno verde no es realista, al menos en los próximos 20 años. Asumimos, por tanto, que el hidrógeno verde, de sustituir en gran medida al carbono, tendría que convivir con otros tipos con emisiones más altas, especialmente el hidrógeno gris y azul, que son los más predominantes.
Por suerte, la compañía Besaya H2 está planeando crear una planta de hidrógeno verde en Cantabria, la cual se espera haber terminado en 2027 y en su primera fase generará 500 megavatios y 250 empleos. El objetivo de Besaya H2 es llegar a duplicar la cantidad de megavatios a producir en esta primera fase, constituyendo un 10% de la producción nacional y volviendo a Cantabria una región puntera en la lucha contra el cambio climático.
5.2.1 LA ELECTRÓLISIS DEL AGUA
Durante el año 2020, todavía se barajaban diferentes métodos para obtener hidrógeno verde, limpio, pero finalmenteelmétodoquesehaalzado como más viable yprincipales laelectrólisis del agua.
El proceso de obtención de hidrógeno mediante la electrólisis consiste en la descomposición de las moléculas H2O en H2 yO2 mediante electricidad. Paraesto se usa una pila en la que elánodo y el cátodo se sumergen en una disolución de H2O, al que se le suele añadir sales que aceleran el proceso. El hidrógeno se forma en el cátodo mientras que el oxígeno se forma en el ánodo siguiendo las siguientes reacciones:
Cátodo: 2H3O+ + 2e−−→H2 + H2O
Ánodo: 3H2O−→1 2O2 + H3O+ + 2e−
Combinando ambas reacciones se logra separar el hidrógeno del agua:
H2O−→1 2O2 + H2
En la figura 3, podemos observar la estructura interna y funciones de un electrolizador.
Figura 3: Interior de un electrolizador. Disponible en: https://synerhy.com/2022/02/balance-deplanta-bop-de-un-electrolizador/
La eficiencia del proceso es de aproximadamente un 75%, pero como se utiliza electricidad para este proceso tenemos que tener en cuenta la eficiencia de producción de electricidad, que lleva a una eficiencia totalde un25% al45%, la cualpuede ser hasta más baja si se usan fuentes de energía renovables.
Este rendimiento no es demasiado prometedor, no obstante, la producción de hidrógeno podría ser rentable si se utilizase todo el exceso de energía renovable que no se consume, la cual no puede almacenarse. Como el rendimiento de las fuentes de energía renovable es intermitente, la electricidad generada por ellas también lo es. Esto es un gran problema para el hidrógeno verde. A veces no se produce suficiente electricidad, y otras se produce demasiada, y se desperdicia.
El presidente de la asociación de hidrógeno española Javier Brey señala que el problema reside en el funcionamiento propio del sector eléctrico, que solo produce la electricidad que va a ser consumida. Javier propone como solución que cuando la producción eléctrica renovable supere la demanda, la electricidad se derivaría a parques de electrolizadores, donde se produciría y almacenaría el hidrógeno para luego volverlo a transformar en electricidad mediante el uso de pilas de combustible. De esta manera el hidrógeno también potenciaría el impacto de las energías renovables.
5.2.2 COSTOS DE LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO VERDE
El predominio del hidrógeno gris y azul viene generado principalmente por el precio del hidrógeno verde, que siempre ha sido considerablemente más caro. Tomando como referencia un coste de 50 a 60 dólares por megavatio-hora, el valor de la electrólisis sumado al de los insumos, sería entre 4,5 y 12 $US/kg, además de los costos asociados al almacenamiento del hidrógeno teniendo en cuenta los métodos de compresión (0,3-0,4 $US/kg) o de licuefacción (1,6 $US/kg).
También debemos añadir el coste de su transporte, que iría de 1 a 2 US$/Kg para el caso de transmisión y distribución de energía, y de 2,3 a 2,6 US$/kg para la alternativa de traslado. Estos costes anteriores indican que el precio del hidrógeno oscila entre 7,5 y 15 US$/Kg
Se requiere de un precio aproximado de 20 a 30 US $/MWh (1 MWh=1000 kWh) de energía eléctrica y una caída del valor de los electrolizadores de un 30% a 50% para que el H2 verde comience a ser una alternativa viable frente a los combustibles fósiles.
En el gráfico de la figura 4 podemos observar una comparación del precio de la producción de hidrógeno verde, con la del hidrógeno gris y azul. Es importante destacar que sólo se está teniendo en cuenta el costo de la producción y no el del almacenamiento o transporte.
Figura 4: Comparación de precios de distintos tipos de hidrógeno. [7]
Figura 5: Comparación de precios de distintos tipos de hidrógeno. [7]
No obstante, está previsto que con el paso del tiempo el precio del hidrógeno verde sea cada vez menor, a raíz de las nuevas políticas de cero emisiones, la caída de los costes de las energías renovables, la fuerte actividad comercial en la fabricación de electrolizadores y las mejoras en su eficiencia.
En un análisis reciente de Adithya Bhashyam, analista de hidrógeno en BloombergNEF, y de su equipo concluyeron que en 2030 la producción de hidrógeno verde podría ser un 18% más barata que seguir explotando una planta de hidrógeno gris, como se muestra en la figura 6
Figura 6: Evolución estimada de los precios de la producción de hidrógeno. [7]
Gracias al apoyo que se le está brindando a las energías renovables esta bajada de precio podrá ser posible. Se espera que gracias a la Ley de Reducción de la Inflación de EEUU se financien más proyectos de cero emisiones, lo que potenciará la producción de hidrógeno en el país. Además, la UE tiene previsto crear un “Banco de Hidrógeno” para subvencionar proyectos relacionados con el hidrógeno.
5.3 VEHÍCULOS DE HIDRÓGENO
El hidrógeno puede ser utilizado como fuente de energía en muchos ámbitos, este puede utilizarse como acumulador energético, para generar electricidad, en la agricultura, entre otros campos. Pero sin ninguna duda en el que parece que va a tener un impacto mayor, y a su vez en el que se están centrando las investigaciones, es en el sector transportes.
El vehículo eléctrico utiliza una batería eléctrica para generar la energía mecánica que moverá el coche mientras que el vehículo de hidrógeno utiliza la celda de hidrógeno para producir energía eléctrica que posteriormente es transformada en energía mecánica. El vehículo de hidrógeno utiliza un motor de combustión, como los coches convencionales de gasolina y diésel. Pero sus emisiones al consistir de agua (y de fugas de hidrógeno) resultan menos contaminantes y dañinas para el medio ambiente, como se verá más adelante
Actualmente el motor de celda de hidrógeno tiene una eficiencia de alrededor de un 64%, convertir hidrógeno en energía eléctrica tiene una eficiencia de un 80%, y después el motor eléctrico transforma la energía eléctrica en energía mecánica, con una eficiencia de un 80%. Todo esto lleva a que la eficiencia total sea de un 64% aproximadamente, inferior a la de un coche eléctrico que es de un 72%.
Las estaciones de hidrógeno, también llamadas hidrogeneras, son las encargadas de proveer a los vehículos de hidrógeno el combustible que necesitan.
Figura 7: Estaciones para repostar hidrógeno. Disponible en: https://www.todotransporte.com/texto-diario/mostrar/4047035/ue-desplegara-cargadoresvehiculos-electricos-cada-60-km-e-hidrogeneras-cada-100km
En España actualmente hay8 hidrogeneras públicas, además de otras 12 estaciones de repostaje de hidrógeno en construcción. Mundialmente hablando, hay aproximadamente 685 hidrogeneras en todo el mundo, 228 están en Europa, con Alemania como máximo exponente. El problema de las hidrogeneras es su elevado precio, que oscila entre el medio y un millón de euros. Como resultado tenemos una inversión demasiado grande y arriesgada teniendo en cuenta los pocos vehículos de hidrógeno operativos que hay actualmente.
Aunque en la actualidad los vehículos de hidrógeno todavía no se encuentren en una situación comercial favorable, sí se están implementando poco a poco. A continuación, veremos varios ejemplos de la aplicación de los vehículos de hidrógeno, y revisaremos el estado en el que se encuentran dichas aplicaciones.
5.3.1 COCHES DE HIDRÓGENO
El coche de hidrógeno se trata de una de las aplicaciones más importantes del hidrógeno como combustible o la más importante. El impacto en el medio ambiente del hidrógeno depende en gran medida del éxito que tengan los vehículos de hidrógeno, puesto que es el medio de transporte más habitual.
Actualmente en España sólo hay 2 coches de hidrógeno a la venta. Estos son el Hyundai Nexo y el Toyota Mirai. En España se han vendido alrededor de 25 coches de hidrógeno.
Respecto al Hyundai Nexo, su precio está actualmente en 73.450 € tiene una autonomía de 666 km y un motor que alcanza una potencia máxima de 120kW (160,923 CV). Es el coche de hidrógeno más vendido en la actualidad con más de 9.200 ventas.
Figura 8: Hyundai Nexo. Disponible en: https://www.todotransporte.com/textodiario/mostrar/4047035/ue-desplegara-cargadores-vehiculos-electricos-cada-60-km-ehidrogeneras-cada-100km
Sobre el Toyota Mirai, su precio es de 75.600 €. Su motor alcanza los 114 kW (152,877 CV) de potencia y tiene una autonomía de 500 km.
Figura 9: Toyota Mirai. Disponible en: https://www.toyota.es/world-of-toyota/articles-newsevents/new-toyota-mirai
5.3.2 CAMIONES DE HIDRÓGENO
El máximo exponente en la creación y producción de camiones de hidrógeno está siendo Nikola, con tres camiones sacados al mercado. Nikola One, Nikola Two y Nikola Tre, aunque este último tuvo que ser retirado porque varias baterías se incendiaron.
Nikola One tiene 6 motores eléctricos que se nutren de la energía proporcionada por el hidrógeno para conseguir una potencia de 1000 CV y una autonomía de 1900 km. Además, es alrededor de 900 Kg más ligero que un camión diésel. Nikola Two cuenta con unas características similares.
Respecto a Nikola Tre su tren de propulsión, alcanza hasta 480 kW (643 CV) con una masa máxima autorizada de entre 18 y 26 toneladas para la distribución urbana y las misiones municipales.
5.3.3 AUTOBUSES DE HIDRÓGENO
En España ya están en funcionamiento varias líneas de transporte urbano con autobuses de hidrógeno. En el caso de Madrid se está apostando por impulsar los combustibles menos contaminantes. Actualmente un 55% de los autobuses (4.100 autobuses) activos en Madrid se mueven con energías limpias, y recargarán combustible en la hidrogenera construida por Alsa en Torrejón de Ardoz.
Figura 10: Nikola One. Disponible en: https://onmotor.es/project/nikola-one/
Los autobuses de hidrógeno presentan unas diferencias claras con los autobuses de combustibles fósiles. Estas características son las siguientes:
1. Los autobuses convencionales utilizan un motor de combustión interna que quema combustibles fósiles, mientrasque losautobusesde hidrógeno utilizan la ya mencionada anteriormente pila de combustible que genera electricidad a partir del hidrógeno, que es básicamente un motor eléctrico.
2. Elautobúsconvencionalemitegasesdeefecto invernadero a laatmósfera. Porotro lado, el autobús de hidrógeno emite a la atmósfera vapor de agua, un poco de oxígeno e hidrógeno, debido a las fugas. Si bien veremos más adelante que estas fugas no le hacen bienalmedio ambiente, no sonnide lejostanmalas como lasemisionesdecombustibles fósiles, las cuales pueden ser dióxido de carbono y óxidos de nitrógeno, entre otros.
3. Respecto al rendimiento, actualmente ambos tipos de autobuses poseen un rendimiento similar, aunque como las pilas de combustible que generan electricidad a partir de hidrógeno aún están en desarrollo, podrían estar limitando el rendimiento de los mismos.
4. Actualmente el hidrógeno no está entre los combustibles más utilizados por lo que hay pocas estaciones de servicio de hidrógeno (hidrogeneras). Esto significa que se requiere de una infraestructura específica para estos autobuses, además del alto precio que presentan las hidrogeneras. Este problema limita la disponibilidad de estos autobuses en ciertas áreas.
5.3.4 TRENES DE HIDRÓGENO
Los trenes de hidrógeno, al igual que barcos y aviones, son vehículos que sufren menos accidentes, disminuyendo enormemente el riesgo de explosión, hasta casi un 0%. Es gracias a esto que estos vehículos parecen encajar muy bien con el hidrógeno en sí.
Alemania en 2018 fue la primera en Europa en poner en marcha dos trenes a hidrógeno. Estos recorrían una ruta de 100 km y eran capaces de circular en cualquier vía electrificada. Pueden alcanzar los 140 km/h, tienen una autonomía de 1000 km y tardan tan solo 15 minutos en repostar. Actualmente hay 14 o más trenes a hidrógeno recorriendo las vías de Alemania.
Respecto a España, Renfe está trabajando en colaboración con otras compañías para sacar adelante un tren híbrido entre hidrógeno y eléctrico. De momento tienen un prototipo el cual está cumpliendo con las expectativas. Se espera que este proyecto esté terminado para finales de 2024.
5.3.5 AVIONES DE HIDRÓGENO
Los aviones de hidrógeno son una premisa muy prometedora, pero desgraciadamente todavía no hay ningún avión propulsado por hidrógeno.
Actualmente hay varias compañías trabajando en los aviones de hidrógeno. Entre ellas ZeroAvia, que tiene un prototipo de avión a hidrógeno el cual ya está siendo examinado y ha completado su primer vuelo con éxito.
Por otra parte, Airbus ya dispone de tres prototipos que se espera que estén disponibles para 2035, y que necesitarán de la adaptación de los aeropuertos.
5.3.6 BARCOS DE HIDRÓGENO
Los barcos de hidrógeno son una realidad actualmente. El mayor representante es el del proyecto Energy Observer. Está financiado por varias compañías y está haciendo un viaje alrededor del mundo, pasando por 101 puertos y 50 países, tardará aproximadamente 6 años y se mueve exclusivamente con energías renovables. Utiliza energía solar, eólica y energía generada por las olas, además realiza la hidrólisis con el agua del mar para generar hidrógeno. Este proyecto está siendo realizado para concienciar al mundo sobre el cambio climático ypara demostrar que se pueden hacer viajes largos con energías limpias.
También se está desarrollando Energy Observer 2, un enorme buque de carga capaz de almacenar 240 contenedores, alimentado por hidrógeno líquido, con tanques de hidrógeno capaces de albergar 70 toneladas de hidrógeno, es decir unos 7.400 km. Se espera que este proyecto esté terminado en 2025.
Figura 11: Energy Observer 2. Disponible en: https://www.hibridosyelectricos.com/barcos/energy-observer-2-buque-carga-hidrogeno-quepuede-autoabastecerse_54833_102.html
Además de este proyecto hay más barcos propulsados por hidrógeno y desde hace mucho tiempo. Por poner algunos ejemplos: Nemo H2 que está en funcionamiento por los canales de Amsterdam desde 2009 y es propulsado por dos pilas de hidrógeno, o el ferry de pasajeros Hydrogenesis, que ganó el premio a la Innovación Ambiental en 2011.
5.4 ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO
El almacenamiento de hidrógeno es el cuello de botella de la economía de hidrógeno, el mayor reto a superar en el camino a una economía centrada en hidrógeno. El almacenamiento de hidrógeno es un campo que aúnse está investigando con intensidad yque podría revolucionarse de la noche a la mañana si es que se encontrara un método o material que favoreciese mucho su almacenamiento. En general el almacenamiento de hidrógeno es probablemente la parte más activa de las investigaciones de hidrógeno.
El mayor problema que presenta el hidrógeno es el espacio que ocupa, y es que, debido a la baja densidad del hidrógeno, ocupa mucho volumen, lo que es especialmente un problema a la hora de hacer rentable el hidrógeno como energía y sobre todo cuando buscamos almacenarlo como combustible en vehículos.
Hay diferentes y varios métodos de almacenaje de hidrógeno, pero los que se presentan como los mejores candidatos en la actualidad son el almacenamiento por hidrógeno comprimido, por hidrógeno líquido, por adsorción y utilizando hidruros metálicos.
5.4.1 ALMACENAMIENTO POR HIDRÓGENO COMPRIMIDO
Es la forma más comúnde almacenar hidrógeno. Consiste enalmacenarlo en tanques que llegan a operar a una presión de 20 MPa. El problema principal de este método es la densidad que tiene el hidrógeno gaseoso, de 40 kg/m3 la cual es inferior a la de las otras formas de almacenamiento, en estado líquido tiene una densidad de 70,8 kg/m3. Además, la densidad de energía (cantidad de energía que posee por cantidad de volumen) que este método de almacenamiento presenta es de 4,4 MJ/L, el cual en comparación con la gasolina (31,6 MJ/L) es bastante bajo.
Para aumentar su densidad se necesita someter el hidrógeno a altas presiones, lo que aumenta el riesgo de explosión, no obstante se puede controlar correctamente. El material utilizado para fabricar el tanque debe ser resistente a tracciones, para soportar las altas presiones, debe ser ligero, para facilitar su transporte, y no debe reaccionar con el hidrógeno.
Para almacenar hidrógeno cuando no va a transportarse la mejor opción son los tanques de acero, puesto que son robustos y soportan altas presiones. Pero son muy pesados, lo que los hace inviables para el transporte. Por otro lado, podemos optar por los tanques de fibra de carbono, que son la opción más popular cuando hablamos del transporte de hidrógeno.
Actualmente los tanques de almacenamiento de gasa alta presiónconsistenenunrevestimiento interior hecho de polímero como una malla de polietileno (polímero muy resistente) o nylon (plástico natural y sintético del que se hacen filamentos elásticos y muy resistentes, empleados en la fabricación de tejidos diversos) cubierta con una fibra continua de grafito y capa de reforzamiento epoxy (son un tipo de adhesivos llamados estructurales o de ingeniería). Estos tanques ya se han empleado exitosamente para almacenar CH4 y se quieren extender para el almacenamiento de hidrógeno. Sin embargo, esto presenta varios problemas. El primero es que el hidrógeno tiene una tasa de permeabilidad a través de estos materiales considerablemente mayor que el metano, lo que genera una pérdida gradual de la presión de hidrógeno y daña la capa de reforzamiento deltanque. Además abre la posibilidad a mayores ymás frecuentes fugas de hidrógeno. Fugas que no son buenas para el medio ambiente como se verá más adelante. Para solucionar esteproblema se podría crear una barrera dedifusiónde hidrógeno. Esta barrera debe cumplir con los siguientes atributos:
1. Baja permeabilidad al hidrógeno.
2. Buena adhesión al revestimiento polimérico.
3. La rigidez de la capa debería ser igual a la del polímero para evitar una rotura al presurizar el tanque.
4. El método de aplicación debe permitir por la capa interior que un tanque con un cuello pequeño resultase en capas herméticas (que se cierran evitando la entrada del aire, evitando así explosiones) sin agujeros.
5. El material y el método de cubrición no deben ser demasiado caros ni demasiado pesados.
En la Universidad de California han empezado a desarrollar una barrera de hidrógeno electroquímicamente activa, fabricada a partir de polímeros.
Además, la empresa QUANTUM declara haber diseñado y comercializado el primer tanque de almacenamiento de hidrógeno ultraligero, soportando presiones de hasta 700 bar (70 MPa). En la figura 12 se muestra un esquema de la tecnología utilizada.
Figura12:Sistema dealmacenamientodehidrógenocomprimidodesarrolladopor QUANTUM. [6]
5.4.2 ALMACENAMIENTO POR HIDRÓGENO LÍQUIDO
El hidrógeno líquido es 4 veces más denso que el hidrógeno gaseoso, lo que reduce el volumen que ocupa. Pero la temperatura de licuación del hidrógeno es de 23 K (-250,15ºC) y mantener el hidrógeno a esa temperatura supone un gasto grande de energía y por tanto reduce
significativamente la energía producida. El hidrógeno criogénico tiene una densidad energética de 8,8 MJ/L, de nuevo, considerablemente más baja que la de la gasolina (31,6 MJ/L).
Este hidrógeno líquido se obtiene mediante la licuación del mismo, o lo que es lo mismo, pasar de un gas a líquido por medio de modificar sus condiciones de presión y temperatura.
Hay varios métodos para realizar la licuación de hidrógeno, el más simple de estos es el ciclo de Linde o ciclo de expansión de Joule-Thomson. Este método también sirve para otros gases como elnitrógeno. Eneste método elgas, eneste caso elhidrógeno, pasa por un intercambiador de calor donde se enfría. Después, el gas frío y comprimido se expande a través de una válvula hasta la presión ambiente, en esta expansión el gas se enfría aún más debido al efecto JouleThomson (la temperatura de un sistema aumenta o disminuye al permitir que se expanda libremente) y pasa a la cámara de licuación, en esta cámara parte del gas entra en estado de líquido y se extrae. El gas frío que no ha sido licuado se manda al intercambiador de calor situado antes de la válvula y después se añade a la corriente de aporte que entra al compresor (una máquina que puede aumentar la presión de ciertos fluidos). Para mantener el funcionamientoestacionario la masadegasdeaportetienequeser iguala la masadegas licuado que se extrae del sistema.
El mayor problema en el almacenamiento de hidrógeno líquido es la evaporación flash. El hidrógeno, como se está almacenando a su temperatura de ebullición, cualquier transferencia de calor al hidrógeno supondrá pérdidas de hidrógeno y por tanto de energía y dinero.
Para evitar esto podemos utilizar contenedores criogénicos aislados, los cuales están diseñados para minimizar la transferencia de calor. Estos contenedores tienen una doble pared, y entre ellas el vacío, lo que elimina prácticamente todas las transferencias de calor por conducción (transmisión de energía en forma de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos) y convección (el calor transmitido en un líquido o en un gas como consecuencia del movimiento de las partículas calentadas en su seno). Para evitar la transferencia de calor radiante (emisión o absorción de microondas, radiación infrarroja, luz visible u otra forma de radiación electromagnética) se ponen entre 30 y 100 capas reflexivas de baja emitancia o la colocación de perlita entre las paredes del tanque. En algunos casos en los que se requiera de contenedores más grandes se utiliza una pared exterior con un espacio relleno de nitrógeno líquido.
Los contenedores de almacenamiento de hidrógeno líquido que son rentables tienen capacidades entre 110-5300 kg, mientras que las plantas de licuación de hidrógeno tienen tanques de unos 115000 kg.
En la figura 13 se puede observar un contenedor criogénico y sus partes.
Figura 13: Partes de un contenedor criogénico. [4]
Pese a todas estas medidas, parte del hidrógeno se evapora. Este hidrógeno puede ser capturado y devuelto al proceso de licuación, habiendo pocas pérdidas, pero esta opción solo es posible si el hidrógeno es almacenado en el mismo sitio donde es licuado (en el caso de un vehículo, este tendría un sistema de licuación incorporado). Si no fuese posible capturar el hidrógeno hayque purgarlo por seguridad, es decir, eliminar o desplazar un gas peligroso del depósito para que no se mezcle con el aire.
5.4.3 ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO POR ADSORCIÓN
Como ya sabemos, uno de los mayores retos a superar en este campo del almacenamiento de hidrógeno es lograr desarrollar tanques capaces de contener grandes densidades de hidrógeno a temperatura ambiente. Uno de los métodos más prometedores para lograr esté reto es la adsorción de hidrógeno mediante la fisisorción y la quimisorción en materiales nanoestructurados. Estetipo de almacenamiento esde lejos el menos desarrollado de momento. No obstante, ofrece una premisa más que interesante en el almacenamiento de hidrógeno. El uso de este último sistema puede suponer una gran alternativa energética, y tal vez sea el impulso final que necesita el hidrógeno para cortar completamente la dependencia a los combustibles fósiles.
Otro de los grandes problemas del hidrógeno es su riesgo de explosividad, para evitar que el hidrógeno explote es primordial evitar su exposición al aire y al oxígeno. El método de almacenamiento de hidrógeno por adsorción reduce prácticamente por completo la exposición del hidrógeno al aire. Al almacenar el hidrógeno en tanques compuestos de materiales sólidos adsorbentes, se evita tener que mantenerlo a temperaturas criogénicas o presiones muy altas, reduciendo así el riesgo de explosión, volviéndolo más seguro.
Laadsorciónesun fenómeno físico enelqueuncompuesto adsorbato enestado sólido o líquido entra en contacto con un material adsorbente yse adhiere a su superficie, ygracias a él tenemos esteotro método de almacenamiento de hidrógeno Enelcaso de la quimisorción este es untipo de adsorción consistente en una reacción química entre el adsorbente y el adsorbato, en ella la estructura electrónica de los átomos o moléculas cambian, formando enlaces. La fisisorción en cambio, al no involucrar reacciones químicas, apenas altera la estructura electrónica de los átomos o las moléculas.
Desde hace varios años se ha estado estudiando este tipo de almacenamiento de hidrógeno por adsorción en metales como el platino [5] o el paladio [3] Sin embargo, estos metales puros son muy pesados y se requiere de materiales más livianos. Es aquí donde entran en juego los nanomateriales ya que en función de su composición puede tener alta porosidad o grandes superficies para reaccionar con el hidrógeno, además de propiedades fisicoquímicas favorables y también bajo peso. Un nanomaterial es un material con propiedades morfológicas más pequeñas que 1 µm en al menos una dimensión.
En la siguiente imagen se representan las estimaciones realizadas para sistemas de almacenamiento gravimétrico de hidrógeno en el periodo de 2005 hasta 2011, utilizando materiales como: hidruros metálicos o materiales adsorbentes. Elalmacenamiento gravimétrico es una clase de técnica de laboratorio utilizada para determinar la masa o la concentración de una sustancia midiendo un cambio en la masa. Las barras representan los valores máximos y los mínimos de capacidad gravimétrica, y los puntos son el valor promedio obtenido en cada año. Destacar que aunque ciertos valores máximos alcancen ese objetivo propuesto para 2020, también se debe tener en cuenta otros factores como el precio o la durabilidad. También es importante saber que en la capacidad gravimétrica se expresa el peso del sistema de almacenamiento, ya que es una razón de la masa del hidrógeno almacenado respecto a la masa del sistema de almacenamiento.
Figura 14: Estimaciones para el almacenamiento gravimétrico. [2]
5.4.3.1 MECANISMOS DE ALMACENAMIENTO EN MATERIALES NANOESTRUCTURADOS
El almacenamiento en materiales sólidos ocurre mediante los mecanismos de fisión y quimisorciónde hidrógeno molecular y atómico respectivamente en las superficies de los poros de los materiales. El mecanismo de adsorción depende de las propiedades físicas y químicas del material. Hay estudios tanto teóricos como experimentales de algunos materiales nanoestructurados de carbono como los nanotubos, fulerenos y grafenos. Así como los materiales metal-orgánicos (MOFs) y otros compuestos químicos. En los materiales nanoestructurados de carbono y MOFs predomina la fisisorción, mientras que en los hidruros metálicos y compuestos químicos más complejos predomina la quimisorción.
Figura 15: Nanotubo. Disponible en: https://construinnova.net/2017/06/04/nanotubos-decarbono-para-infraestructuras-inteligentes/
Figura 16: Fulereno. Disponible en: https://www.sea-astronomia.es/boletin/los-fullerenos-unafrecuente-arquitectura-molecular-del-carbono-en-el-espacio
Figura 17: Material metal-orgánico (MOF). Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Armazón_metal-orgánica
En esta imagen se aprecian los materiales estudiados en función de la accesibilidad de acuerdo con el método de almacenamiento y la densidad de hidrógeno que pueden almacenar.
Figura18: Materiales en función desu capacidaddealmacenar hidrógenocompetitivamente. [2]
En el caso de la fisisorción los materiales también deben presentar propiedades fisicoquímicas que permitan que la adsorción y liberación de hidrógeno se realice a temperatura ambiente. En el caso de los materiales en los cuales el almacenamiento se de mediante el proceso de la quimisorción, las moléculas de H2 deben romperse inicialmente requiriendo una energía extra y se podría requerir un sistema calentamiento deltanque de almacenamiento en la descarga para poder desorber el hidrógeno almacenado, es decir emitir el hidrógeno previamente adsorbido por un material.
Según sus características, la quimisorción y fisisorción podrían no ser los mecanismos más adecuados para el almacenamiento de hidrógeno, sino que lo sería un “tercer” estado de adsorción, siendo este aplicado en un átomo o un cúmulo de átomos de metales de transición que se encuentran en un estado mixto entre los estados anteriores. La energía requerida para desorber una partícula de H2 en este tercer estado sería de 0.2-0.6 eV (electrón-voltio). Un electrón-voltio es la energía que un electrón gana cuando viaja a través de una diferencia de potencial de un voltio
5.4.3.2
ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO CON GRAFENO
MODIFICADO
Para incrementar la adsorción de hidrógeno se busca la porosidad, los materiales porosos, por ejemplo el grafeno. En este estudio [1] se modela un sistema de hojas de grafeno para aumentar la adsorción de hidrógeno.
En la figura 19 a) distinguimos varios modelos de hojas grafémicas. En la figura 19 b) se muestra la comparación del hidrógeno adsorbido por una muestra de hidrógeno defectuoso exfoliado del grafito, y otro activado mediante KOH (hidróxido de potasio). En esta imagen podemos observar que una mayor temperatura resulta en una disminución del hidrógeno adsorbido, probablemente debido a que la vibración térmica supera la energía de adsorción del hidrógeno. La agitación térmica es el movimiento caótico que tienen las moléculas dependiendo de la temperatura y del estado de agregación
Figura 19: Modelos de hojas grafémicas. [1]
Además, también se ha estudiado el uso de hojas de grafeno “decoradas” con litio para mejorar la adsorción de hidrógeno. Mediante la decoración con el litio, los autores reportan una energía de adsorción de entre 0.157-0.275 eV para rangos de 1 a 4 moléculas adsorbidas sobre el átomo de litio. Respecto a este uso del litio para mejorar la adsorción de hidrógeno se ha avanzado en la síntesis de nanomateriales “decorados” con litio, y la “decoración” de grafeno defectuoso con litio y otros metales para mejorar la adsorción.
Además del grafeno yotros nanomateriales de carbono, también se están estudiando materiales como el nitruro de boro, redes metal orgánicas, hidruros metálicos e hidruros metálicos complejos.
5.4.4 ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO CON HIDRUROS METÁLICOS
Los hidruros metálicos son un grupo de materiales que absorben el hidrógeno reversiblemente en condiciones moderadas. El almacenamiento de hidrógeno mediante hidruros metálicos todavía es un tema en investigación.
Este método de almacenamiento funciona de la siguiente manera:
Cuando las condiciones de temperatura y presión son las adecuadas, los hidruros metálicos absorben el hidrógeno, formando una fase sólida. Para el posterior empleo de hidrógeno, es decir, al usarlo como combustible, se necesita liberar el hidrógeno. Para liberarlo se empleará el proceso inverso a la absorción, la desorción. La desorción es el fenómeno por el cual un gas abandona un sólido cuando este alcanza cierta temperatura, permitiendo utilizar el hidrógeno almacenado.
Un ejemplo de hidruro metálico es el siguiente:
Figura 20: Ejemplo de hidruro metálico. [4]
El primer compuesto es el hidruro metálico, el segundo hidrógeno. En esta reacción por cada litro del primer compuesto se absorben 18 moles de hidrógeno, una cantidad alta. Para la liberación posterior a la absorción de hidrógeno se deberá crear un cambio en la presión y temperatura del hidrógeno o ambas.
Los hidruros metálicos son una forma alternativa de almacenar hidrógeno a bajas presiones en un sólido. El almacenamiento de hidrógeno a baja presión es factible porque las moléculas de hidrógeno se mantienen unidas químicamente dentro de la estructura del compuesto metálico. En la actualidad, estos sistemas de almacenamiento de hidruros metálicos funcionan 20 veces menos que los sistemas típicos de almacenamiento de hidrógeno a alta presión. Además, este método de almacenamiento presenta varios problemas.
Figura 21: Sistema de hidruro metálico. [4]
En primer lugar, su problema más importante es su peso. La capacidad de almacenamiento de los hidruros metálicos es de unos 1,5 kg de H2, o 50 kWh, por cada 100 kg de material compuesto de hidruros metálicos. Es cierto que este valor de almacenamiento de energía es bajo, pero es comparable a la batería de un Tesla Model 3, con un almacenamiento de energía de 50 kWh.
Otro inconveniente es la complejidad de su almacenamiento y utilización, ya que deben conservarse bajo nitrógeno o argón, y para que los hidruros metálicos liberen hidrógeno necesitan un paso de activación previo. Cuando se necesita hidrógeno se promueve una desorción mediante un calentamiento de entre 50 y 100 ºC, el cual es inconveniente para la automoción, especialmente durante la aceleración y la desaceleración.
Otras alternativas a la desorciónportemperatura incluyen la activación por contacto delhidruro con la humedad del agua. En este caso, cuando se necesita hidrógeno, el hidruro se mezcla con aire de humedad controlada, y la reacciónresultante produce hidrógeno de granpureza. Aunque la liberación es rápida, el agua se tiene que separar del hidruro metálico, lo que añade peso y complejidad.
Otros problemas asociados al almacenamiento de hidrógeno con hidruros metálicos son: que los hidruros metálicos se rompen en finas partículas tras varias absorciones y liberaciones de hidrógeno, y que son vulnerables a las impurezas reactivas como el oxígeno o el monóxido de carbono, los cuales en pequeños niveles ya son capaces de inhabilitar la función del hidruro metálico.
Una solución propuesta para estos problemas es la de romper el hidruro metálico en finas partículas, las cuales se encapsulan en una matriz porosa de sílice y forman un material compuesto. Este material compuesto formará gránulos (partícula de materia de pequeño tamaño) que estarán formados por una combinación de la matriz porosa de sílice y del hidruro metálico, permitiendo alhidruro absorber hidrógeno asícomo expandirse ycontraersepor dicha absorción a la vez que no permite la entrada a grandes moléculas de impurezas.
Existen varios tipos de hidruros metálicos, cada uno con sus propias características, pero actualmente el más competitivo frente a los demás es el siguiente: Hidruro metálico de base zirconio con titanio, vanadio y níquel: Alcanza 1.8 wt% (1.8% del peso totalde la muestra) decapacidad de almacenamiento de hidrógeno, pero se estátrabajando para que alcance entre el 2.5% y 3% y sea capaz de operar a temperaturas inferiores a 60 ºC.
Actualmente los métodos de almacenamiento de hidrógeno no logran cumplir los objetivos de coste propuestos por el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). Es importante
destacar que el coste de los sistemas de almacenamiento juega un rol importante a la hora de la comercialización. Elcostede los sistemas de almacenamiento dehidruros metálicos es más alto que el del hidrógeno comprimido. No obstante los hidruros metálicos ofrecen un menor volumen y un aumento de seguridad respecto a sus competidores, lo que se cree que será más que suficiente para ser preferidos frente al resto de sistemas de almacenamiento.
La producción de baterías de hidruros metálicos en la actualidad es bastante alta, superando el billón de celdas, que corresponde a 6000 toneladas de hidrógeno almacenado.
5.5 IMPACTO CLIMÁTICO DEL INCREMENTO DEL USO DE HIDRÓGENO
El uso de hidrógeno en vez de combustibles fósiles reduciría considerablemente las transmisiones de CO2 a la atmósfera, siendo el hidrógeno ahora el que se transmite a la atmósfera. Sin embargo, el hidrógeno en la atmósfera también tendrá impactos indirectos en el medio ambiente. En este apartado se mostrarán los resultados de un estudio que analiza las consecuencias derivadas de una economía basada en hidrógeno [1]
En el estudio se ha tenido en cuenta diferentes escenarios futuros del hidrógeno con aumentos de entre un 50% hasta un 300% más de hidrógeno en la atmósfera, los cuales se consideran bastante realistas. El rango de diferencia es tan alto debido al aumento de la economía del hidrógeno, el hidrógeno absorbido por el suelo y el de la atmósfera, lo que lo vuelve difícil de predecir.
También se han tenido en cuenta el impacto del hidrógeno sobre otros gases en la atmósfera aparte del CO2: El monóxido de carbono (CO), metano (CH4), óxidos nitrosos (NOx), o compuestos orgánicos volátiles (VOCs).
El metano aumentará, y el ozono (O3) también si es que no aumentan otro tipo de emisiones, en este caso, aumentaría la temperatura de la atmósfera, aunque esto no supondrá un cambio en el ozono troposférico en un futuro (2050). El aumento de hidrógeno supondrá una disminución de mezcla de ozono en la estratosfera, a su vez, aumentando en la troposfera. También aumentará el vapor de agua en la estratosfera
En el estudio se evalúa un escenario hipotético en el que el 23% de la energía global consumida es producida por el hidrógeno.
El mayor problema del hidrógeno en la atmósfera es su unión a otros compuestos, puesto que el hidrógeno tiende a reaccionar con otros, en vez de quedar en libertad. Las reacciones que más impacto tienen son las siguientes:
H2 + OH = H2O + H
Al unirse el hidrógeno con el radical hidroxilo (OH), la falta de hidroxilo en la atmósfera causa que el CH4 se mantenga más tiempo en la atmósfera, al haber menos OH con el que reaccionar. Por cada 1 ppm de hidrógeno en la troposfera el hidroxilo se reduce en 0.90x105 moléculas por cm3 lo cual supone 1 año más de vida del metano en la atmósfera.
CH4 + OH = CH3 + H2O
En esta reacciónel hidroxilo reacciona conel metano eliminándolo. Portanto demostramos que una falta de hidroxilo supone un aumento del metano en la atmósfera.
El metano, además, al mantenerse en la atmósfera, a través de diferentes reacciones, puede producir ozono, el cual es un gas de efecto invernadero importante ya que tiene consecuencias dañinas para el medio ambiente y para el aire.
Las reacciones químicas son las siguientes:
NO(g) + O2(g) → NO2(g)
NO2(g) + luz → NO(g) + O(g)
O(g) + O2(g) → O3(g)
NO + RO2 = NO2 + RO
Seguido de la reacción del NO2 que forma el ozono.
NO2 + hν = NO + O ( O + O2 = O3)
Tras ver esta cadena de reacciones, deducimos que la cantidad de hidrógeno (H2) en la atmósfera puede afectar la cantidad de HO2 y, en un entorno con mucho óxido de nitrógeno (NOx), puede aumentar la cantidad de ozono en la troposfera.
Un aumento de ozono en la troposfera es perjudicial, puesto que afecta a la contaminación del aire y afecta negativamente también a los vegetales. En cambio, el ozono en la estratosfera no es perjudicial sino que es beneficioso, dado que ese ozono conforma la capa de ozono.
Figura 22: Las capas de la atmósfera. Disponible en: https://es.dreamstime.com/imagenes-dearchivo-capas-de-la-atmósfera-de-tierra-image22603834
Usar hidrógeno como combustible puede reducir las emisiones de dióxido de carbono y otros contaminantes, como NOx, CO y VOCs, lo que a su vez puede reducir la producción de ozono en la troposfera. El CH4 también es importante. Si disminuye en la atmósfera, puede ayudar a reducir la formación de ozono en la troposfera. Además, los cambios en la cantidad de hidrógeno pueden afectar la cantidad de vapor de agua en la atmósfera. Más hidrógeno en la estratosfera puede llevar a más vapor de agua allí, lo que puede influir en el clima y la destrucción del ozono.
En el estudio se han realizado simulaciones usando modelos numéricos de la atmósfera para comprender estos efectos. Los cambios en la cantidad de hidrógeno y metano se estudian para el presente y para el año 2050, considerando diferentes escenarios.
5.5.1 IMPACTOS DEL HIDRÓGENO EN LA COMPOSICIÓN
ATMOSFÉRICA
Los incrementos de hidrógeno tienen el potencial de afectar la composición atmosférica tanto en la troposfera, donde los cambios pueden afectar la calidad del aire, como en la estratosfera, donde los cambios pueden afectar la concentración de ozono estratosférico y la recuperación del mismo.
En este apartado se estudiará los impactos del hidrógeno en la atmósfera, además de las reducciones de CO, NOx, VOCs y CH4 asociadas a estos.
5.5.1.1 AUMENTOS DEL RADICAL HIDROXILO, METANO, MONÓXIDO DE CARBONO E HIDRÓGENO EN LA ATMÓSFERA
En la figura 23 se puede observar el aumento de OH que hay en cada simulación. En la simulación A se utiliza el modelo atmosférico terrestre de 2014, y en el resto de modelos se añade hidrógeno. En el modelo B se añade 750 ppb de H2, en el C se añaden 1000 ppb y en el D se añaden 2000 ppb.
Figura 23: Reacción del OH al aumento del consumo de H2. [9]
Contrastando la figura 22 y esta última figura, observamos una disminución de OH en la troposfera, y un aumento en las capas atmosféricas más altas que esta.
El vapor de agua de la estratosfera pese a no ser un gas de efecto invernadero, este tiene un efecto negativo en la temperatura de la superficie. En la figura 24 se pueden ver las variaciones de vapor de agua en las mismas 4 simulaciones anteriores.
Figura 24. Reacción del vapor de agua al aumento del consumo de H2. [9]
En esta figura se distingue nuevamente un aumento de vapor de agua por encima de la troposfera, sin embargo, no disminuye en la estratosfera.
En la figura 25 se muestran diferentes medias realizadas. En el apartado “A)” la media troposférica ponderada por masa de OH trazada en función de la proporción de mezcla de superficie de H2. La línea punteada negra es el ajuste a través de los experimentos en los que CH4 responde a cambios en el H2 atmosférico (y OH). “B)” Vida química del H2 con respecto a OHtrazada en funciónde la media troposférica ponderada por masa de OH. La línea punteada negra es el ajuste a través de todos los experimentos. “C)” Vida de CH4 trazada en función de la proporción de mezcla de superficie de H2. La línea sólida negra es el ajuste a través de experimentos en los que solo cambia el H2. La línea punteada negra es el ajuste a través de los
experimentos en los que CH4 responde a cambios en el H2 atmosférico (y OH). “D)” Vida química de CH4 con respecto a OH trazada en función de la media troposférica ponderada por masa de OH. La línea punteada negra es el ajuste a través de todos los experimentos.
Figura 25: Reacciones de diferentes compuestos al aumento del consumo de H2. [9]
Analizando los resultados, observamos en la gráfica “A)” que a mayor cantidad de H2 en la troposfera disminuye el OH. En la gráfica “B)” una disminución del tiempo de vida del hidrógeno a mayor cantidad de OH. En la “C)” un aumento del tiempo de vida del CH4 cuando hay un aumento de hidrógeno. Y por último, en la “D)” una disminución del tiempo de vida del CH4 a mayor cantidad de OH. En definitiva, estas gráficas nos muestran una cadena de sucesos que desembocan en un aumento del CH4 en la troposfera, puesto que a mayor H2, menos OH, el cual permite al CH4 estar más tiempo en la atmósfera.
Respecto al monóxido de carbono, los resultados se muestran en la figura 26. En la simulación “(A)” se indican los niveles de CO presentes en la tierra en 2014. En la comparación “(B)” se añade solamente hidrógeno yen la “(C)” se añaden las reducciones de CO, NOx, CH4 yVOCs.
26: Reacción del CO al aumento del consumo de H2. [9]
5.5.1.2 AUMENTOS DE LA CONCENTRACIÓN DE OZONO TROPOSFÉRICO Y ESTRATOSFÉRICO
La cantidad presente de ozono en la atmósfera terrestre se mide en la unidad Dobson (DU). Cuando hablamos del ozono es importante diferenciar entre el ozono troposférico y el ozono estratosférico. Este último es el que conforma la famosa capa de ozono, que protege la tierra de los rayos ultravioleta y ayuda a preservar la vida sobre el planeta. Por otro lado, el ozono troposférico actúa como un gas de efecto invernadero, por tanto, es perjudicial para el medio ambiente.
En la figura 27 se muestra una comparación del ozono troposférico presente en 2014, con dos simulaciones la “(B)” añade 2000 ppb de H2 yen la “(C)” además del aumento de H2 se añaden las reducciones de CO, NOx, CH4 y VOCs.
La figura 28 muestra la carga de ozono troposférico (cantidad de ozono presente en la troposfera) en diferentes simulaciones. La negra es la simulación base actual, en la azul se representan sólo las que se incrementa el hidrógeno, en la roja se representan aquellas en las que se incrementa el CH4 en respuesta del aumento de hidrógeno, en la naranja se representan las que se reducen las emisiones precursoras del ozono (NOx, CO and VOCs) y en la verde se representan las que se reducen las emisiones precursoras del ozono incluido el metano
Figura
Figura 27: Reacción del ozono troposférico al aumento del consumo de H2. [9]
Figura 28: Carga de ozono troposférico en diferentes simulaciones. [9]
El problema que puede generar una variación en el ozono troposférico es una variación del clima de fondo, es decir, a largo plazo los cambios que pueden tener los patrones medios de clima como la temperatura o la precipitación.
En la figura 29 se muestran las comparaciones entre diferentes simulaciones con el modelo de 2014 y un modelo hipotético ajustado a la realidad de 2050. En los gráficos“(A)” y “(B)” se muestran los dos modelos bases diferentes. En las “(C)” y “(D)” se compara dichos modelos consus respectivos modelos conelhidrógeno aumentado. Losmodelos “(E)” y“(F)” comparan los modelos bases con sus respectivos modelos con el hidrógeno aumentado pero con las reducciones en los gases precursores de ozono.
Figura 29: Reacción del ozono troposférico al aumento del consumo de H2 en el futuro. [9]
Este análisis indica que no hay una diferencia significativa en la respuesta modelada del ozono troposférico a los posibles cambios en las emisiones asociados con una economía de H2 bajo los diferentes estados climáticos considerados aquí.
Como se ha visto anteriormente en la figura 24, un cambio al hidrógeno producirá un aumento de vapor de agua en la estratosfera. Esto tiene el potencial de disminuir el ozono estratosférico, cambiar las temperaturas en la estratosfera y disminuir las capas polares. Por ello es bastante importante investigar los efectos del hidrógeno sobre la estratosfera (la estratosfera va desde 15 a 50 kilómetros por encima del suelo).
La figura 30 muestra la reacción simulada del ozono estratosférico al aumento del consumo de H2 Las simulaciones “(A)” y “(D)” utilizan el modelo base de la atmósfera terrestre en 2014
En las simulaciones “(B)” y “(E)” utilizanun modelo enelque se incrementa elhidrógeno 2000 ppb y lo compara con el modelo base. Y en las simulaciones “(C)” y “(F)” utilizan un modelo que toma en cuenta el subsecuente aumento de metano y lo compara con el modelo base.
Figura 30: Reacción del ozono estratosférico al aumento del consumo de H2. [9]
Como se puede ver en la figura, estos cambios no son demasiado significativos en la estratosfera.
También es importanteobservar los cambios que puede generar elhidrógeno en la recuperación del ozono estratosférico. Entre 1970 y finales de 1990, hubo una destrucción de ozono estratosférico debido a las emisiones cloradas, que siguió una lenta recuperación a medida que el cloro estratosférico iba desapareciendo.
En la figura 31 podemos observar los cambios que genera el hidrógeno en la recuperación del ozono estratosférico. Los puntos azules representan una simulación en la que se han añadido 500 ppb de H2, en el resto de simulaciones se han tenido en cuenta aumentos de 2000 ppb de H2. En los triángulos verdes se muestran la respuesta del CH4 al aumento de hidrógeno, pero no las del Ozono. En la morada y en la gris se han tenido en cuenta las reducciones de O3, y en la gris además se ha tenido en cuenta la respuesta del CH4 al aumento de hidrógeno.
Figura 31: Los efectos del aumento del consumo de H2 en la recuperación de la capa de ozono.
[9]
Podemosobservar una ligera disminucióncausada por las emisiones de hidrógeno en los puntos azules y rojos. En estas tres simulaciones se observa un cambio casi insignificante, pero si se tienen en cuenta las reducciones de las emisiones precursores de ozono se observa una enorme disminución a pesar de que el ozono sigue siendo mayor al punto de partida en 2014.
5.5.1.3 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
El alcance de cualquier cambio depende de cuánto hidrógeno llegue a la atmósfera debido a las fugas yde las reducciones de los combustibles fósiles, que son datos de los que no disponemos. Aun así se han adaptado las simulaciones a grandes pero plausibles cambios.
El hidrógeno en la atmósfera afecta a las concentraciones de metano, vapor de agua y ozono en la atmósfera y se deben a los cambios en el radical hidroxilo (OH). Según los experimentos, si no se reducen las emisiones de metano, la carencia delradical hidroxilo causará una abundancia de metano puesto que vivirá más tiempo en la atmósfera. Es importante tener en cuenta que por cada 1 ppm de hidrógeno aumenta un 12% el metano en la atmósfera ysu vida se alarga un año siempre y cuando se mantengan las emisiones de CH4. Pero si también se tienen en cuenta las reducciones de CO, VOCs, y NOx, entonces el aumento de metano es menor. Si se tiene en cuenta el mayor aumento de hidrógeno de este análisis (1.5 ppm) las reducciones en CH4, CO, VOCs, y NOx deben ser muy grandes para compensarlo.
En el caso del ozono, este no solo depende del hidrógeno, sino que es controlado por varias reacciones que involucran PH, VOCs, NOx y CH4. El aumento de hidrógeno en esta reacción no afecta demasiado a la concentración de ozono en la troposfera, en cambio un aumento de CH4 (inducido por el aumento de hidrógeno) si tiene un papel importante en la formación de ozono y si causaría un aumento más considerable. Solo los escenarios en los que se introducen reducciones de CO, NOx yVOCs producen una reducción de ozono troposférico. Sin embargo
estas reducciones son fuertemente dependientes de las emisiones de dichos compuestos y son más independientes del hidrógeno.
Respecto al ozono estratosférico, sabemos que el aumento de vapor de agua en la estratosfera que, sumado a los también aumentos de metano en la atmósfera, causan un aumento del OH que están involucrados en la degradación del ozono estratosférico. Se observan disminuciones de ozono especialmente en las capas superiores de la estratosfera y en las regiones polares. Sin embargo, un cambio a una economía basada en hidrógeno no parece tener ningún impacto negativo en la recuperación de ozono estratosférico a nivel mundial.
5.5.2 FORZAMIENTO RADIATIVO
El forzamiento radiativo es la diferencia entra la luz solar absorbida por la Tierra y la energía irradiadade vueltaalespacio. Loscambiosenelsistemaclimático alteranelequilibrio radiativo de la tierra, forzando las temperaturas a subir o a bajar. El forzamiento radiativo positivo o efectivo significa que la Tierra recibe más energía de la luz solar que la que irradia al espacio, lo que causa un calentamiento de la Tierra. El forzamiento radiativo negativo es lo contrario, y genera un enfriamiento dela Tierra. Simplificándolo, elforzamiento radiativo mide la radiación solar en la Tierra, y se mide en W/m2
El forzamiento radiativo efectivo incluye por ejemplo ajustes rápidos a las nubes o el vapor de agua que no se ven afectados por la temperatura de la superficie. Ajustes que se estudian en este apartado. En este apartado no se han tenido en cuenta los beneficios de las reducciones de CO2, solo el forzamiento radiativo que implicaría una economía basada en hidrógeno.
En la figura 32, se puede observar una gráfica que muestra la cantidad de radiación solar que hay según la cantidad de hidrógeno y metano que hay. Cuando la radiación es negativa las temperaturas tenderána bajar, ysi en cambio es positiva, las temperaturas tenderána aumentar. Los triángulos en las gráficas están representando las simulaciones con las emisiones de ozono reducidas, que aunque no tienen demasiado impacto en la radiación, si mejoraría la calidad del aire. En azul están los resultados del modelo base de la Tierra en 2014, en triángulos rojos este mismo modelo pero reduciendo las emisiones de ozono, en naranja se añaden 2000 ppb de hidrógeno y se reduce el O3, en cuadrados rojos, además del aumento de hidrógeno se aumenta el CH4 en 2171 ppb, en triángulos verdes se mantiene el aumento de hidrógeno, se aumenta respecto al modelo base de 2014 el CH4 a 1961 ppb y se reduce el O3, en los círculos verdes se elimina elaumento dehidrógeno, se aumenta el metano respecto al modelo base de 2014 a 1652 ppb ysereduceelO3, yenlosrombosverdesseaumentan1000ppbdeH2, seelCH4 seaumenta respecto al modelo base de 2014 a 1756 ppb y se reduce el O3
32: Cantidad de radiación según la cantidad de H2 y CH4 [9]
En la figura 33 se muestra el forzamiento radiativo efectivo en la tierra así como sus efectos bajo cielos despejados y nublados causado por el aumento del consumo de hidrógeno. En esta gráfica se ha tomado una simulación en la que añaden 2000 ppb de H2 y se ha comparado con el modelo base de 2014.
Figura
Figura 33: Reacción del forzamiento radiativo al aumento del consumo de H2. [9]
Para entender esta gráfica es importante saber lo siguiente: “CRE” es cloud radiate effect, y se refiere a las nubes actuando como un gas de efecto invernadero atrapando las ondas largas y reflectando las cortas. “SW” es shortwave, es decir, onda corta y “LW” es longwave, onda larga. Las ondas cortas en el contexto atmosférico son producidas por la radiación solar, y las ondas largas pueden ser producidas por altos niveles de ozono troposférico y de vapor de agua estratosférico. En la imagenpodemosobservar cambios significativoscuando setieneencuenta el CRE, y una gran variación regional de estos efectos.
CDNC es cloud droplet number concentration, o concentración del número de gotas de nube. Esto es la medida de cuántas gotas hay por unidad de volumen en una nube. La radiación que reflejan las nubes está relacionada con el número de gotas que tienen. A esto también se le conoce como albedo de las nubes. La figura 34 muestra los resultados simulados de la realización de este fenómeno al aumentar el hidrógeno en 500 ppb.
Figura 34: Reacción del CDNC al aumento del consumo de H2. [9]
Como se puede observar, al aumentar el hidrógeno disminuyen el CDNC, lo que llevaría a un aumento en las temperaturas.
En la figura 35 se ha examinado cómo afectan los cambios en los niveles de CH4, más específicamente 1652 ppb más, en el efecto radiativo.
Figura 35: Reacción del forzamiento radiativo al incremento de CH4 [9]
Estos resultados de nuevo muestran una gran variación regional, pero primordialmente observamos una reducción de la radiación.
Como análisis final de este punto, adoptar hidrógeno como fuente principal de energía puede reducir enormemente las emisiones de CO2, pero el ozono troposférico, el CH4 y el vapor de agua producido por el hidrógeno tienden a aumentar el forzamiento radiativo, compensando parcialmente los beneficios climáticos. El forzamiento radiativo causado depende en
sobremanera de la cantidad de hidrógeno que llegue a la atmósfera por fugas y de las reducciones de CH4 y CO2. En los cálculos en los que se suponen las fugas de hidrógeno se detecta un forzamiento radiativo, y por tanto una tendencia a una subida de temperaturas. Sisolo calculamosunaumento dehidrógeno secalcula unforzamiento radiativo de 0.148W/m2 en un aumento de 1.5 ppb de hidrógeno. Si se aumenta el CH4 en 340 ppb (causado por el aumento de hidrógeno) entonces el forzamiento radiativo sería de 0.5 W/m2. En cambio si se reducen las emisiones de metano y de CO2 pero no se aumenta el hidrógeno, su resultado sería de -0.29 W/m2. Asumiendo una sensibilidad climática de 0,86 K*m2/W los resultados de estos cálculos suponen un aumento de 0,12, 0,43 y -0,26 ºC respectivamente.
Los resultados del forzamiento radiativo varían considerablemente a nivel regional. Depende de los cambios en la composición de la fase gaseosa, el posterior impacto en la producción de aerosoles y en las interacciones de nubes y aerosoles. Se necesitan más estudios para estudiar con más detalle los efectos regionales. Los cambios en el forzamiento radiativo nos indican que se tienen que reducir al máximo posible las potenciales fugas de hidrógeno, así como reducir las emisiones complementarias, como por ejemplo CO, NOx y VOCs.
5.5.3 CÁLCULO DEL POTENCIAL CALENTAMIENTO GLOBAL
DEL HIDRÓGENO
En este punto se estudiarán los impactos delhidrógeno en la troposfera yen la estratosfera. Para empezar, es importante hablar del tiempo de vida del hidrógeno molecular. Esto es un factor importante pero un tanto desconocido, y está determinado por dos procesos. El primero es la reacción con el radical hidroxilo (OH) y el segundo es el hidrógeno que es absorbido por el suelo. El tiempo de vida del hidrógeno está determinado por la siguiente fórmula:
Figura 36: Tiempo de vida del H2 molecular. [9]
El primer sumando se refiere al hidrógeno eliminado por la reacción con OH y el segundo el eliminado por absorción delsuelo. Ambos sonuntanto inciertos ydesconocidos pero se conoce muy poco sobre la absorciónde hidrógeno por el suelo. Este último es el más importante puesto que aproximadamente el 75% del hidrógeno desaparece por este método, entonces determinará en gran medida el PCG (potencial calentamiento global) del hidrógeno. Actualmente se puede determinar el tiempo de vida del hidrógeno por su eliminación a través del OH, pero no por el otro método.
En la figura 37 se muestra el forzamiento radiativo indirecto que surge a partir de los cambios de hidrógeno en la capa inferior de la atmósfera junto a los resultados del PCG del hidrógeno a los 100 años. El PCG se mide en kg de CO2 equivalente por m2 de superficie útil interior para un período de estudio de referencia de cincuenta años.
Figura 37: Rango de PCG del aumento del consumo de H2. [9]
En la figura 38 se muestra una comparación del horizonte temporal entre el PCG a los 100 años y a los 20 con los informes ambientales AR5 [10] y AR6 [11]. IPCC es un informe hecho por expertos del cambio climático, AR5 fue una evaluación de la mitigación del cambio climático observando los aspectos tecnológicos, científicos, económicos, ambientales y sociales desde 2007 hasta 2014, AR6 fue una evaluación similar que tenía en cuenta el periodo de tiempo desde 2014 hasta 2023.
Figura 38: Comparación del PCG del H2 en el lapso de tiempo de 20 y 100. [9]
De estos resultados concluimos que toda fuga de hidrógeno supone un calentamiento global que compensan las reducciones de emisiones de gases de efecto invernadero. Un PCG de 100 años de hidrógeno es equivalente a unas emisiones de dióxido de carbono de 100 y 1050 Tg de CO2 al año, sin embargo, las reducciones totales de emisiones tanto de CO2 como de CH4 equivaldrían a 27,200 Tg de CO2 al año. Estos resultados son extremadamente favorecedores para el hidrógeno. Pese a estos resultados no deja de ser importante controlar las fugas de hidrógeno para tratar de mitigar cualquier posible daño al medio ambiente Por tanto, se estima unPCG en 100 años de 11 ± 5, unresultado un100% más alto que cálculos anteriores [12]. Aunque un resultado de 11 ± 5 no es un valor demasiado alto sigue siendo malo para el medio ambiente y para la salud, especialmente si se prolonga con el tiempo. La mayoría de incertidumbres en el PCG vienen del desconocimiento de la absorción de hidrógeno del suelo.
6 CONCLUSIONES
Una vez vistostodoslospuntosatratar enestetrabajo, eselmomentodeanalizar la información recogida, ver si hemos alcanzado los objetivos propuestos y dar respuesta a la hipótesis planteada.
En primer lugar, poniendo en la mesa las ventajas y desventajas del hidrógeno, observamos que sus ventajas se ven opacadas por sus desventajas. Y es que pese a ser más limpio, tener una sorprendente ventaja de almacenamiento de energía frente alresto de combustibles (120 MJ/Kg frente a los 51 MJ/Kg de la gasolina) y una eficiencia superior a la de los coches eléctricos (44% más), su difícil almacenamiento lo vuelve más complicado de implementar en vehículos. Su producción es cara, pero se estima una caída de precios gracias a políticas de cero emisiones y de otras medidas.
Sabemos que la mejor aplicación del hidrógeno como combustible es en vehículos, por tanto es importante reconocer cuáles la posiciónen la que se encuentra el hidrógeno hoyendía respecto al sector transporte. En general existen pocos representantes del hidrógeno en las carreteras, teniendo dos modelos de coches y tres importantes de camiones en España, además de varias líneas de transporte conautobuses. Por suerte las compañías se están mostrando implicadas con el hidrógeno, habiendo barcos y trenes de hidrógeno, además de varios proyectos en España para llevar el hidrógeno a aviones. Por desgracia, el hidrógeno verde actualmente carece de demasiados representantes en este sector, el cual se busca que sea el principal sector del hidrógeno verde, lo que dificulta su introducción comercial.
Además de su posición actual en el sector transportes, el hidrógeno verde tiene un gran cuello de botella, el cual constituye la gran mayoría de sus desventajas, su almacenamiento. Este resulta difícil por la baja densidad del hidrógeno gaseoso, que exige de un volumen muy grande para almacenar una cantidad considerable de hidrógeno. Actualmente los métodos más popularesdealmacenamiento dehidrógeno sonporhidrógeno comprimido ehidrógeno líquido El hidrógeno comprimido necesita tanques grandes y pesados, haciéndolo menos viable para coches. Por suerte se está trabajando en la mejora de estos tanques para viabilizarlos en coches. Por otra parte, al almacenar el hidrógeno líquido se reduce su volumen. Para compensar esta ventaja, la temperatura de licuacióndel hidrógeno es de 23 K, lo que requiere de mucha energía mantener. Por último, las densidades energéticas del hidrógeno comprimido (4,4 MJ/L) y líquido (8,8 MJ/L) son considerablemente más bajas que la de la gasolina (31,6 MJ/L).
Por otro lado, como solución al problema de la densidad del hidrógeno tenemos el almacenamiento por adsorción mediante fisisorción y quimisorción, que es una respuesta muy prometedora, pero todavía está bajo investigación y desarrollo. De momento los resultados más
prometedores para este tipo de almacenamiento los están teniendo el grafeno modificado y los materiales nanoestructurados. No podemos olvidarnos de los hidruros metálicos, aunque son bastante pesados y están por debajo en rendimiento que el hidrógeno comprimido.
Con esto cumplimos el primer objetivo específico, analizar las dificultades que se le presentan al hidrógeno verde. La electrólisis se estima que tendrá una bajada de precio en los próximos años, viabilizando la producción de hidrógeno. Sobre el almacenamiento hemos podido observar que aúnqueda trabajo por hacer. Se estánplanteando diferentes posibilidades yse está tratando de mejorar las ya existentes pero todavía se encuentran en desventaja ante el resto de combustibles. Sin embargo, parece que su almacenamiento seguirá mejorándose y terminará siendo viable.
Sobre el segundo objetivo específico, sus efectos en la atmósfera generan un aumento de metano derivado de la reducción del radical hidroxilo al reaccionar con el hidrógeno. Respecto al ozono troposférico, el hidrógeno no tiene demasiado efecto en su aumento o disminución, ya que este depende más de otras reacciones que no le involucran, además de otras emisiones. En cuanto al ozono estratosférico, este apenas se ve afectado por el aumento del uso de hidrógeno y su recuperación casi no se verá afectada por este. El hidrógeno, por tanto, no parece tener demasiado impacto en la composición atmosférica de la tierra. Respecto al forzamiento radiativo, el hidrógeno generará cambios en las temperaturas. Si no se reducen otras emisiones la temperatura subirá hasta 0,43 ºC en el peor de los casos. De todas formas, los resultados del forzamiento radiativo del hidrógeno varían bastante regionalmente y dependen mucho de las reducciones de otras emisiones y de cómo se controlen las fugas de hidrógeno, por tanto es pronto para dar un veredicto acerca de este punto. Por tanto el hidrógeno genera un calentamiento global, aunque es considerablemente inferior al del CO2. No obstante, los impactos del hidrógeno dependen de las reducciones en otras emisiones y del control de las fugas de hidrógeno.
Con todo dicho, llega el momento de valorar si se han alcanzado los objetivos propuestos y de dar respuesta a la hipótesis planteada en el epígrafe 3. El objetivo principal de este proyecto era analizar la posición actual en la que se encuentra el hidrógeno verde respecto a su entrada del mercado energético. Considerando todos los puntos tratados, el hidrógeno verde parece estar más cerca que nunca de entrar al mercado energético, todavía no está listo, pero no dispone de una mala posición actualmente.
Para cerrar la conclusión, se responderá a la hipótesis planteada fue si el hidrógeno podría sustituir en gran medida al carbono. Considero que el hidrógeno sí puede sustituir energéticamente al carbono en un futuro si es que se le da la prioridad necesaria a las investigaciones sobre el hidrógeno. El hidrógeno verde es una granalternativa alcarbono ymás limpia.
7 REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA
7.1 BIBLIOGRAFÍA UTILIZADA
[1] Baburin, I. A., Klechikov, A., Mercier, G., Talyzin, A., & Seifert, G. (2015). Hydrogen adsorption by perforated graphene. International Journal of Hydrogen Energy, 40(20), 65946599. Tesis.
[2] Cab Cauich, C.A., Martín Medina, I.R. and Rivadeneyra Gutiérrez, G. (2019) Mecanismos de almacenamiento de hidrógeno en materiales nanoestructurados para aplicaciones en vehículos de transporte Tesis
[3] Conrad, H., Ertl, G., & Latta, E. E. (1974). Adsorption of hydrogen on palladium single crystal surfaces. Surface Science, 41(2), 435–446. Tesis.
[4] Fernández-Bolaños García, C. (2005) Energética del hidrógeno, contexto, estado actual y perspectivas de futuro. Tesis.
[5] Lewis, R., & Gomer, R. (1969). Adsorption of hydrogen on platinum. Surface Science, 17(2), 333–345. Tesis.
[6] Neel Sirosh (sin fecha) Hydrogen Composite Tank Program . Tesis.
[7] Schelling, K. (2023) Green hydrogen to undercut gray sibling by end of decade, BloombergNEF. Disponible en: https://about.bnef.com/blog/green-hydrogen-toundercut-gray-sibling-by-end-of-decade/. Tesis.
[8] Tejada Arconada, E. (2020) El vehículo de hidrógeno. Materiales nanoporosos para almacenamiento reversible de hidrógeno: Simulaciones de Monte Carlo-Metrópolis de carbones nanoporosos formados por varias capas de grafeno. Tesis
[9] Warwick, N. et al. (2022) Atmospheric implications of increased Hydrogen use. Tesis
[10] (2014) AR5 Synthesis Report: Climate Change 2014. rep. IPCC.
[11] (2023) AR6 Synthesis Report: Climate Change 2023. rep. IPCC.
[12] Field a et al. (2021) Global warming consequences of replacing natural gas with hydrogen in the domestic energy sectors of future low-carbon economies in the United Kingdom and the United States of America, International Journal of Hydrogen Energy Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319921023247
[Imagen de la portada] González Valenzuela, C. (2023) Rumbo a la descarbonización: ¿El Hidrógeno Verde Como Gran Promesa a futuro?, Computer Hoy. Dispnible en: https://computerhoy.com/energia/rumbo-descarbonizacion-hidrogeno-verde-como-granpromesa-futuro-1248676.
7.2 BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL
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Besaya H2, la creación de la primera planta de hidrógeno verde en España (2023) Comunicados gobierno de Cantabria Disponible en: https://www.cantabria.es/web/comunicados/w/buruaga-apoya-besaya-h2-el-proyectoque-va-a-colocar-a-cantabria-en-el-mapa-del-hidr%C3%B3geno-verde-con-unainversi%C3%B3n-de-850-millones.
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Gonzalez, F. (2023) Diferencias entre el autobus de Hidrógeno y el convencional, eshidrogeno. Disponible en: https://eshidrogeno.com/diferencias-autobus-hidrogeno/.
Nuevo, D. (2023) Autobuses de hidrógeno en Madrid, eshidrogeno. Disponible en: https://eshidrogeno.com/autobus-hidrogeno-madrid/.
Pérez, A. (2022) Energy observer 2, El Buque de Carga de Hidrógeno que puede autoabastecerse, Híbridos y Eléctricos. Disponible en: https://www.hibridosyelectricos.com/barcos/energy-observer-2-buque-carga-hidrogenoque-puede-autoabastecerse_54833_102.html.
TresCantos (2023) Almacenamiento de Hidrógeno Comprimido, ARIEMA. Disponible en: https://www.ariema.com/almacenamiento-de-h2
¿Cómo funcionan las pilas de combustible? Centro Nacional del Hidrógeno. Disponible en: https://www.cnh2.es/pilas-de-combustible/.
Consejos para almacenar hidrógeno comprimido (sin fecha) Atlas Copco. Disponible en: https://www.atlascopco.com/es-es/compressors/air-compressor-blog/compressedhydrogen-plantsafety#:~:text=Según%20el%20volumen%20y%20la,para%20almacenar%20el%20hidr ógeno%20comprimido.&text=Estos%20depósitos%20metálicos%20son%20generalmen te,y%20200%20bar%20(acero).
Proyecto fch3rail tren de hidrógeno Renfe (2023) Renfe Disponible en: https://www.renfe.com/es/es/grupo-renfe/comunicacion/renfe-al-dia/sala-deprensa/tren-demostrador-proyecto-fch2rail-primer-tren-hidrogeno-circula-pruebas-redferroviaria-espanola.
ANEXO: ENTREVISTAS Y FORMULARIOS
Entrevista 1
Nombre: Justo Lobato Bajo.
Puesto y centro de trabajo: Ingeniero químico en la Universidad de Castilla - La Mancha.
1) ¿Cuáles cree que son las mayores ventajas del hidrógeno verde? ¿Y sus mayores desventajas?
Ventajas: Un proceso sostenible, no produce emisiones de CO2 a la atmósfera.
Desventajas: Un proceso caro, a medida que se vaya extendiendo el hidrógeno la tecnología podrá competir conotro tipo de tecnologías yotros procesos de obtención de hidrógeno.
2) ¿Cree que el hidrógeno verde es una solución viable a los problemas ambientales generados por el consumo de combustibles fósiles? ¿Cuál cree que será su impacto?
Va a ser una acción más, va a contribuir a la mejora del cambio climático pero no será la solución definitiva. Pero al menos la huella de carbono será menor
3) ¿Cuáles cree que son las dificultades más importantes a solucionar de cara a una economía basada en hidrógeno verde? ¿Qué podemos hacer para enfrentar estas dificultades?
Su cadena de producción, almacenamiento, distribución y aplicación del hidrógeno. Tenemos que desarrollarla correctamente, si se produce demasiado pero se distribuye poco entonces ¿qué hacemos con el hidrógeno restante?
4) ¿Qué solución propone o cree que es más óptima respecto a los problemas de almacenaje y transporte de hidrógeno?
Hoy en día para transportarlo se habla de usar la red de gas natural, y transportarlo con él. Pero como el hidrógeno es muy ligero sigue siendo difícil de transportar mediante estas redes. Esta es una de las opciones más viables. Para almacenarlo podemos tenerlo comprimido en las hidrogeneras. Los hidruros metálicos todavía se están desarrollando. Hay una compañía francesa que plantea unos cartuchos intercambiables de hidrógeno, por tanto, a la hora de rellenar el depósito solo haría falta intercambiar el cartucho
5) ¿Cómo cree que evolucionarán los métodos de obtención de hidrógeno dañinos para el medio ambiente?
En los países más desarrollados probablemente acabaría desapareciendo poco a poco, en los países subdesarrollados les quedaría aún más tiempo.
6) ¿En qué sectores podría tener más impacto el uso de hidrógeno verde quitando el sector transportes?
En el sector industrial, tema de fertilizantes y acero, en sí, en industrias que requieren de una gran cantidad energética.
7) Realizar la electrólisis del agua de manera renovable es muy caro, ¿cree que estos costos a la larga van a ser compensados por el hidrógeno verde?
Al utilizar la electricidad como reactivo resulta en un proceso caro. A la larga se compensará, puesto que al necesitar más hidrógeno los electrolizadores serán más baratos.
8) ¿Cuál es su opinión sobre el gasoducto de hidrógeno verde que recorrerá Europa?
¿Cree que es el momento idóneo para construirlo, o es muy pronto todavía? Esperaría un poco porque es una inversión muy cara. ¿Qué debemos hacer primero el coche o la carretera? Deberían ir paralelos el gasoducto y la producción de hidrógeno verde.
9) ¿Qué opinas de los impactos del hidrógeno en la atmósfera? ¿Crees que son peligrosos o en cambio crees que sus beneficios sobrepasan sus desventajas?
El hidrógeno no va a sustituir todo lo que tenemos ahora. El hidrógeno restará impacto negativo, y aunque tenga impacto ambiental, es menor, por tanto supondrá una resta. Podríamos tener ciudades más limpias poco a poco porque habrá más coches limpios.
10)¿Cree que la gente confiará en el hidrógeno verde y cambiarán sus coches de gasolina por uno de hidrógeno?
A la gente no le importa de donde venga el hidrógeno, la gente compraría tanto el hidrógeno gris como el hidrógeno verde. Lo que les importa el rendimiento del coche, al principio probablemente no pero con el tiempo es probable que si confíen en ellos.
11)¿Cree quepodrían competiren un futuro los coches dehidrógeno contra los coches eléctricos?
Definitivamentesi, laspilasdecombustiblede hidrógeno son capacesde incluso superar el rendimiento de un coche de diésel estos alcanzan un 21% de rendimiento y la pila de hidrógeno alcanza un 40% Los coches de hidrógeno van a convivir con los eléctricos y demás coches.
Formulario 1
Nombre: Benito Navarrete Rubia.
Puesto y centro de trabajo: Catedrático en el departamento de ingeniería química en la Universidad de Sevilla.
1) ¿Cuáles cree que son las mayores ventajas del hidrógeno verde? ¿Y sus mayores desventajas?
Ventajas: capacidad para almacenar energía renovable en forma de hidrógeno para aprovechar excedentes de producción.
Desventajas: Baja densidad, baja energética volumétrica, dificultades importantes en su almacenamiento y transporte y coste muy elevado actualmente, comparado con otras opciones.
2) ¿Cree que el hidrógeno verde es una solución viable a los problemas ambientales generados por el consumo de combustibles fósiles? ¿Cuál cree que será su impacto?
Si, puede ser una opción viable para producir un combustible descarbonizado, pero no lo veo como sustituto de los fósiles en todas las actuales aplicaciones. Especialmente difícil lo veo en el transporte, donde los derivados del hidrógeno verde (e-fuels), la electricidad y los biocombustibles tienen mejores opciones de ser una solución medioambientalmente equivalente al hidrógeno, pero más fácil y económica.
3) ¿Cuáles cree que son las dificultades más importantes a solucionar de cara a una economía basada en hidrógeno verde? ¿Qué podemos hacer para enfrentar estas dificultades?
Principalmente los costes, derivados de su producción a partir de electricidad, los relativamentebajosrendimientosdeproducción, lasdificultades ycostesdelossistemas de almacenamiento y de suministro, y los problemas de seguridad que presenta su uso, al ser un combustible con una gran capacidad de generar escapes y fugas, que arde sin llama, con casi cualquier composición de aire y que con una energía de ignición muy baja produce rápidamente la llama.
4) ¿Qué solución propone o cree que es más óptima respecto a los problemas de almacenaje y transporte de hidrógeno?
Probablemente el uso de otros vectores energéticos derivados del hidrógeno que ofrezcan unas mejores capacidades para el almacenamiento y una mayor seguridad y menor coste en el transporte, el suministro y en el uso. Por ejemplo la producción de metanol, amoniaco o cualquier otro e-fuel.
5) ¿Cómo cree que evolucionarán los métodos de obtención de hidrógeno dañinos para el medio ambiente?
Mientras el coste de producción del hidrógeno verde siga siendo del orden de tres o cuatro veces el del hidrógeno fósil (como actualmente) va a ser muy difícil su implantación en el mercado. Las políticas de penalización económica de emisiones de CO2, como la del mercado europeo de derechos de emisión, y la rebaja de los costes de la electricidad renovable contribuirán a la mejora de competitividad y a la penetración del hidrógeno verde en el mercado, pero no le veo posibilidad de una implantación importante a corto-medio plazo a escala mundial
6) ¿En qué sectores podría tener más impacto el uso de hidrógeno verde quitando el sector transportes?
Sectores industriales con dificultades importantes para la descarbonización (fertilizantes, acero, cemento) y como vector energético para aprovechamiento de excedentes en instalaciones de producción de electricidad renovable, principalmente parques eólicos y fotovoltáicos.
7) Realizar la electrólisis del agua de manera renovable es muy caro, ¿cree que estos costos a la larga van a ser compensados por el hidrógeno verde?
Es muy difícil. Hay una barrera termodinámica que no permite una previsión de reducción de costes espectacular. Su implantación dependerá de que el coste del uso de sus alternativas se encarezca conpolíticas disuasorias (impuestos, penalizaciones...) por encima del de la producción de hidrógeno verde, pero esta situación generaría un encarecimiento global de la producción de energía con el que se correría el riesgo de una crisis económica importante a nivel global y un empobrecimiento de la población.
8) ¿Cuál es su opinión sobre el gasoducto de hidrógeno verde que recorrerá Europa?
¿Cree que es el momento idóneo para construirlo, o es muy pronto todavía? Hay retos tecnológicos por superar para garantizar un transporte fiable y seguro de hidrógeno por gasoducto a largas distancias. Técnicamente podrán solucionarse, pero encareciendo su gestión. Quizás sea prematuro tomar la decisión de construirlo en la actualidad.
9) ¿Cree que en los próximos 30 años estaremos en una economía basada en hidrógeno verde como fuente principal de energía?
No
10)¿Cree que la gente confiará en el hidrógeno verde y cambiarán sus coches de gasolina por uno de hidrógeno?
No
11)¿Cree que podían competir en un futuro los coches de hidrógeno contra los coches eléctricos que ya pueden ser recargados a partir de energías renovables?
Lo tienen difícil. El coche eléctrico ofrece ventajas importantes y niveles de seguridad más elevados. El coche eléctrico es mucho más simple, tiene menos componentes, menos riesgos de seguridad y siempre resultará más económico al aprovechar directamente la electricidad. El de hidrógeno opera con un hidrógeno que ha necesitado electricidad para ser producido, necesita almacenar el hidrógeno en condiciones muy exigentes, volver a producir electricidad a partir del hidrógeno en una pila de combustible, mover el coche con electricidad y montar una batería eléctrica adicional para gestionar óptimamente el proceso, con pérdidas de eficiencia en cada paso.
¿Realmente hay ventajas?
Formulario 2
Nombre: Fernando Alfaro Burgos
Puesto y centro de trabajo: Profesor asociado en el departamento de ingeniería química y materiales en la Universidad Complutense de Madrid.
1) ¿Cuáles cree que son las mayores ventajas del hidrógeno verde? ¿Y sus mayores desventajas?
Ventajas: Aprovechamiento de energía renovable, abundancia de materia prima (agua), combustible limpio.
Desventajas: Competencia sobre recursos hídricos, problemas de transporte (compresión a altas presiones, licuefacción criogénica) y almacenamiento para paliar una producción de energía renovable fluctuante.
2) ¿Cree que el hidrógeno verde es una solución viable a los problemas ambientales generados por el consumo de combustibles fósiles? ¿Cuál cree que será su impacto?
De manera parcial, dentro del abanico de otras tecnologías de energías con baja huella de carbono. Su impacto será probablemente alto como combustible de automoción en remplazo de combustibles fósiles, especialmente en transporte público y a nivel local.
3) ¿Cuáles cree que son las dificultades más importantes a solucionar de cara a una economía basada en hidrógeno verde? ¿Qué podemos hacer para enfrentar estas dificultades?
La variabilidad en la producción de energía renovable que puede requerir almacenamientos importantes para ofrecer una cantidad de hidrógeno constante a los consumidores. Para enfrentar estas dificultades podemos aumentar la interconectividad de la red eléctrica y de la propia red de distribución de hidrógeno.
4) ¿Qué solución propone o cree que es más óptima respecto a los problemas de almacenaje y transporte de hidrógeno?
Hacer un consumo lo más local posible para minimizar los problemas de transporte, aumentar la interconectividad de la red de distribución y utilizar baterías para el almacenamiento de energía.
5) ¿Cómo cree que evolucionarán los métodos de obtención de hidrógeno dañinos para el medio ambiente?
Se seguirán utilizando pero pasarán a ocupar un papel secundario. La producción de hidrógeno azul tiene el problema de la gestión del CO2 capturado.
6) ¿En qué sectores podría tener más impacto el uso de hidrógeno verde quitando el sector transportes?
En la producción de electricidad y vapor.
7) Realizar la electrólisis del agua de manera renovable es muy caro, ¿cree que estos costos a la larga van a ser compensados por el hidrógeno verde?
En el caso de las tecnologías de transición energética tienen importancia otros factores más allá del económico. De cualquier manera, la producción de hidrógeno verde tendrá uncosto menor cuanto mayor sea laproducciónde energíarenovable y, portanto, menor su coste.
8) ¿Cuál es su opinión sobre el gasoducto de hidrógeno verde que recorrerá Europa?
¿Cree que es el momento idóneo para construirlo, o es muy pronto todavía?
Cuanto antesmejor. Sino, la faltade infraestructuraspropiciasal consumo dehidrógeno frenarán la implantación de nuevos proyectos.
9) ¿Cree que en los próximos 30 años estaremos en una economía basada en hidrógeno verde como fuente principal de energía?
Estará basada probablemente en una mezcla de diferentes fuentes de energía (y combustibles) renovables, cadauno deloscualesserámásadecuado paraunautilización específica.
10)¿Cree que la gente confiará en el hidrógeno verde y cambiarán sus coches de gasolina por uno de hidrógeno?
Sí, si se abaratan los costos y las infraestructuras de distribución se amplían yequiparan a las existentes.
11)¿Cree que podían competir en un futuro los coches de hidrógeno contra los coches eléctricos que ya pueden ser recargados a partir de energías renovables?
Sí. Los vehículos de hidrógeno presentan, de momento, la ventaja de tener un proceso de carga más rápido que los vehículos eléctricos de baterías.