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Las energías renovables baratas podrían hacer que el hidrógeno verde sea un reemplazo práctico de los combustibles fósiles
El hidrógeno producido con electricidad generada a partir de energía eólica o solar podría proporcionar una fuente de energía limpia y neutra en carbono. Europa está liderando el camino.
Franziska Barczyk
24 de febrero de 202110 tecnologías innovadoras 2021: hidrógeno verde
Por qué importa:El hidrógeno verde puede reemplazar el gas natural, el diésel y la gasolina que se utilizan en barcos, camiones, autobuses y automóviles.
Jugadores claves. Jugadores principales:•ThyssenKrupp
• Obtener Núcleo H2 Nowega
• En el Hidrógeno
• Siemens
Disponibilidad:Ahora
El hidrógeno es un combustible atractivo. Un kilogramo de hidrógeno tiene aproximadamente tres veces más energía que una cantidad comparable de diésel o gasolina. Si se puede fabricar de forma limpia y económica, podría ser la clave para limpiar una serie de sectores vitales complicados.
Hoy en día, la mayor parte del hidrógeno fabricado se obtiene combinando gas natural con vapor a altas temperaturas. Es un proceso intensivo en energía que emite cantidades considerables de dióxido de carbono, el principal gas de efecto invernadero que impulsa el cambio climático. Pero un porcentaje pequeño y creciente se obtiene dividiendo el agua en sus elementos constituyentes al aplicarle electricidad, un proceso conocido como electrólisis. Esto también requiere mucha energía, pero si la electricidad proviene de una fuente renovable como la energía eólica o solar, produce emisiones nocivas mínimas.
Esta historia fue parte de nuestra edición de marzo de 2021
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Este llamado hidrógeno verde es hoy unas tres veces más caro de producir que el hidrógeno derivado del gas natural (que es principalmente metano, cuyas moléculas están compuestas por un átomo de carbono unido a cuatro átomos de hidrógeno). Pero eso es la mitad de lo que costaba hace 10 años. Y a medida que el costo de la energía eólica y solar continúa cayendo, y las economías de escala en torno a la producción de hidrógeno verde se activan, podría volverse mucho más barato. Si eso sucede, el hidrógeno verde tiene el potencial de convertirse en un combustible central para un futuro descarbonizado. Paralelamente, a medida que mejoran las técnicas de captura de carbono, se puede extraer hidrógeno del gas natural sin liberar tanto dióxido de carbono a la atmósfera.
El hidrógeno es valioso en parte debido a su versatilidad. Se puede quemar como sustituto de los combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural. Todos estos combustibles producen dióxido de carbono cuando se queman, mientras que la quema de hidrógeno puro en una turbina produce solo vapor de agua. Sin embargo, también cataliza la producción de óxidos de nitrógeno dañinos debido a las altas temperaturas involucradas. Otra forma de utilizar el hidrógeno es en las celdas de combustible, que combinan hidrógeno con oxígeno para crear agua y electricidad, lo contrario de la electrólisis, sin producir óxidos de nitrógeno.
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Cómo la caída de los costos solares ha renovado las esperanzas de hidrógeno limpio A medida que las naciones hacen cálculos difíciles sobre cómo cumplir sus objetivos climáticos, el hidrógeno verde parece cada vez más esencial.El hidrógeno puede impulsar vehículos, incluidos automóviles, autobuses, trenes y aviones, ya sea a través de celdas de combustible o quemándolo directamente. La quema de hidrógeno también puede generar calor sin carbono para su uso en acerías, plantas de cemento y otras industrias. Y el hidrógeno verde puede reemplazar el hidrógeno que ya se usa como materia prima en todo, desde refinerías hasta plantas de fertilizantes, reduciendo sus emisiones de dióxido de carbono. Algunos sitios industriales, como acerías y plantas químicas, también pueden utilizar el oxígeno producido como subproducto.
Independientemente de cómo se fabrique, almacenar y transportar hidrógeno de manera segura y asequible sigue siendo difícil, especialmente para algunas aplicaciones prometedoras como la aviación. Por eso, otra opción es combinar hidrógeno con carbono, que se puede capturar de la atmósfera en un proceso llamado captura de aire o de chimeneas, para producir combustibles de hidrocarburos sintéticos líquidos que son más fáciles de manejar que el hidrógeno. Estos combustibles líquidos pueden ser un reemplazo más limpio y similar de la gasolina o el diésel.
El hidrógeno también se puede usar para almacenar energía de las plantas de energía renovable, que luego se puede volver a convertir en electricidad y alimentar a la red si el viento cesa, se nublan o aumenta la demanda.
Con tantos usos posibles, el Agencia Internacional de Energía (IEA) predice que para 2050, el hidrógeno podría proporcionar más del 10% de las necesidades energéticas mundiales, produciendo más de 11 millones de gigavatios-hora de energía por año. Eso requerirá más de $ 4 billones en infraestructura para producir, almacenar y transportar hidrógeno.
Solo Europa tiene como objetivo 40 gigavatios de capacidad de electrólisis para 2030. (Eso representaría aproximadamente el 2% del camino hacia la predicción de la AIE para 2050). Hay una ola de oportunidades de tsunami desde principios de [2020]. Es increíble la cantidad de proyectos grandes y realistas que se avecinan, dice Christoph Noeres, quien dirige el negocio de hidrógeno verde para Uhde Chlorine Engineers, una subsidiaria del conglomerado alemán ThyssenKrupp.
Que verde era mi valle
Valles de hidrógeno —proyectos regionales que ubican plantas de electrólisis donde pueden servir para múltiples propósitos industriales— se están formando en toda Europa. Cerca de Hamburgo, en el norte de Alemania, ThyssenKrupp forma parte de un consorcio de hidrógeno verde de 89 millones de euros (107 millones de dólares) respaldado por una subvención de 30 millones de euros del gobierno alemán. El proyecto planificado incluye una refinería, una planta de cemento, generadores de energía y un parque eólico marino.
Inicialmente, su hidrógeno verde reemplazará algo de hidrógeno gris, como a veces se llama hidrógeno derivado del gas natural, que se usa en la refinería. Luego, el grupo alemán planea hacer reaccionar el hidrógeno con el dióxido de carbono capturado en la planta de cemento para producir tanto metanol, una materia prima química, como combustible sintético para aviones.
Unos 240 kilómetros (150 millas) al suroeste, otro consorcio de hidrógeno verde reutilizará gasoductos fuera de servicio para transportar gas de hidrógeno. El consorcio planea construir un electrolizador de 100 megavatios. Desde allí, espera canalizar hidrógeno a través de una red de 130 kilómetros en la región industrial del Ruhr.
Dos tipos de electrolizadores producen la mayor parte del hidrógeno verde. Los electrolizadores alcalinos sumergen los electrodos en agua dopada con lejía o potasa; Los electrolizadores PEM utilizan una membrana sólida a través de la cual pueden fluir los núcleos de hidrógeno.
Si esta reutilización de tuberías funciona, los electrolizadores conectados a tuberías viejas podrían, en última instancia, suministrar hidrógeno verde a casi todas las principales industrias de Alemania. Eso aliviará la presión sobre la red eléctrica congestionada de Alemania y también proporcionará un suministro listo de energía de respaldo para períodos oscuros y sin viento.
202110 tecnologías innovadoras
Otros grandes proyectos están comenzando en los Países Bajos, Italia, España, Francia, Gran Bretaña, Canadá, Australia, Japón y China. Inicialmente, el hidrógeno que producen estos proyectos será costoso. Sin embargo, la consultora McKinsey estima que para 2030 el hidrógeno verde será tan barato como el hidrógeno gris, gracias a la electrólisis más barata y la generación de electricidad renovable, así como al aumento de los costos del carbono.
el sol brilla
Para que el hidrógeno esté a la altura de su potencial, la política pública será crucial. Para empezar, los reguladores o legisladores deberán instituir políticas para permitir que las tuberías de gas natural existentes también transporten hidrógeno, lo que se conoce como mezcla, y exigir recortes en las emisiones de carbono para generar demanda de hidrógeno.
Algo de esto ya está sucediendo. Alemania hizo un cambio importante a fines del año pasado, liberando a los productores de hidrógeno verde de pagar ciertos recargos por la electricidad. Esto fue, en efecto, un reconocimiento por parte del gobierno de que el hidrógeno verde es una extensión de la energía eólica y solar renovable. Otras regulaciones que se están discutiendo en Alemania, y en toda Europa, requerirían reducciones de carbono en refinerías y acerías, y en otras industrias pesadas, bajo la Directiva de Energía Renovable de la Comisión Europea.
Jack Brouwer, director asociado del programa Advanced Power and Energy de la Universidad de California, Irvine, dice que se necesitan políticas similares para que el hidrógeno verde funcione en los EE. UU., pero las discusiones apenas han comenzado.
Mientras que los gobiernos europeos exigen que los gasoductos de gas natural acepten hidrógeno verde, en cantidades de hasta el 12 % por volumen en los Países Bajos, los operadores de gas estadounidenses a menudo se oponen a la mezcla.
Bloquear la mezcla de hidrógeno es un obstáculo serio, según Brouwer. California ya tiene una regla que exige que un tercio del hidrógeno bombeado en las estaciones de servicio para vehículos de celdas de combustible provenga de fuentes renovables. Pero actualmente es difícil obtener hidrógeno verde. Brouwer dice que si los productores pudieran usar las tuberías de gas natural existentes como red de distribución, podrían construir más electrolizadores de manera rentable en áreas remotas que son particularmente ventosas o soleadas.
También hay muchos obstáculos técnicos que superar. La escala de energía eólica y solar necesaria para operar una red global de plantas de electrólisis es enorme. Brouwer hace el caso que un futuro sostenible es simplemente imposible sin depender en gran medida del hidrógeno. Él podría tener razón.