Energías verdes: hidrógeno y otros combustibles para el futuro de Chile

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El aprovechamiento de los recursos renovables (solares y eólicos) hace que las energías verdes, como el hidrógeno y otros combustibles se presenten hoy como alternativas promisorias que permitirán continuar con el desarrollo de tecnologías sustentables.

En los últimos años, Chile ha experimentado una importante transformación energética gracias a sus recursos solares y eólicos.

El aprovechamiento de estos recursos renovables hace que el hidrógeno y otros combustibles verdes se presenten como alternativas promisorias que permitirán continuar con este desarrollo de tecnologías sustentables.

Energías verdes: ventajas del hidrógeno verde

El hidrógeno es el elemento de menor tamaño en la tabla periódica. El interés actual se centra en que puede utilizarse como un vector energético.

Esto significa que, aunque no se encuentra presente naturalmente, luego de recibir algún proceso para su producción es capaz de almacenar la energía para utilizarla posteriormente en diversas aplicaciones. Por ejemplo, en los sectores de de transporte e industria, sin emisiones de gases de efecto de invernadero (GEI) en su punto de uso.

Es decir, entre otras ventajas, el hidrógeno verde combustible puede no emitir gases de efecto invernadero, pues, tanto su combustión como su uso en celdas de combustible, emite vapor de agua.

Por otro lado, el hidrógeno posee un poder calorífico tres veces mayor que el diésel. Esto implica que se requiere menos masa de combustible por cantidad de energía necesaria para transportar.

Producción del hidrógeno verde

Actualmente, se producen cerca de 70 millones de toneladas de hidrógeno al año, siendo su origen principalmente la reformación de gas natural (76%) y de la gasificación del carbón (23%). Este es el llamado “hidrógeno gris”. Estos procesos son de menor costo, pero utilizan recursos no renovables con emisiones de CO2 relacionadas con su producción.

La electrólisis es otra alternativa de producción de hidrógeno, aunque bastante menos común hasta ahora.

Consiste en separar las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno mediante el uso de electricidad, en un equipo conocido como electrolizador. Si la electricidad usada proviene de fuentes renovables, la producción del hidrógeno será sin emisiones de GEI y, por ello, se considera como verde.

Por lo tanto, para un desarrollo de la industria de hidrógeno verde, se debe disponer de electricidad proveniente de fuentes de energía renovable.

En cambio, si las fuentes usadas son de altas emisiones, el hidrógeno producido tendrá mayores emisiones que las alternativas tradicionales que son más económicas.

Dependiendo del tipo de membrana utilizada, se distinguen distintas variantes, entre las que se destacan las celdas alcalinas, las membranas de intercambio protónico (PEM), la membrana de intercambio aniónico (AEM) y las emergentes electrolisis de óxido-sólido.

La primera tecnología es la más utilizada mundialmente y ya ha alcanzado la madurez tecnológica.

50 kWh de electricidad por cada kg de hidrógeno

La electrólisis requiere alrededor de 50 kWh de electricidad por cada kg de hidrógeno que se produce, valor que depende de la eficiencia del electrolizador y varía entre tecnologías. Este proceso también requiere agua y su consumo es de 9 litros por kilogramo de hidrógeno producido.

Dado lo anterior, es posible generar hidrógeno sin emisiones de GEI relacionadas, para lo cual la electricidad se debe obtener de fuentes sin emisiones directas, como plantas solares fotovoltaicas y eólicas.

Actualmente, la electrólisis no es competitiva con el hidrógeno gris, pero la introducción de las energías renovables ha logrado disminuir significativamente los precios de la energía eléctrica, que es uno de los principales costos operacionales.

Es así como en el norte de Chile existe potencial para alcanzar al año 2050 los menores costos de producción de hidrógeno a nivel mundial, inferiores a los 1,8 USD/kg de hidrógeno.

Es por ello que la producción de hidrógeno se presenta como una alternativa para absorber la producción de energía eléctrica de paneles solares fotovoltaicos o de parques eólicos, y así facilitar la penetración de fuentes renovables intermitentes.

Aplicaciones del hidrógeno verde

Con respecto a su uso en medios de transporte, el hidrógeno combustible presenta ventajas en perfiles de transporte definidos por largas distancias y grandes volúmenes de carga. Es decir, aun frente al rápido desarrollo que están experimentando las baterías, el hidrógeno tiene un nicho atractivo. A la vez, si se dan las condiciones de generación de energía eléctrica apropiadas, el hidrógeno puede ser un gran aporte en fuentes estacionarias.

El hidrógeno puede usarse como complemento en la combustión en calderas, en centrales de respaldo, en la industria siderúrgica o en centrales térmicas si se dan las condiciones de costo.

Hoy existen en Chile varios proyectos en distintas etapas de desarrollo para uso de hidrógeno en la minería, en el comercio y otros rubros.

Una línea de desarrollo es la combustión dual, en que el hidrógeno se inyecta al motor y así sustituye parte del diésel, bajando las emisiones de GEI.

Otra línea de desarrollo es el uso de celdas de combustible. Aquí el hidrógeno es usado sobre el equipo para producir energía eléctrica reversando el proceso de separación original.

Esa energía eléctrica es luego inyectada a motores eléctricos que entregan la potencia necesaria para desplazar el vehículo. En esta línea destaca el automóvil a celdas de combustibles Toyota Mirai, con una autonomía de más de 450 km, requiriendo 5 kg de hidrógeno que se reposta en menos de cinco minutos.

También se usa esta tecnología en trenes, y se ha probado en grúas horquillas, buques y aviones no tripulados.

Desafíos sobre el hidrógeno verde

Existen aún muchos desafíos en relación al hidrógeno verde. Veamos los siguientes:

1.Reducir el costo medio de producción

Es necesario reducir el costo medio de producción del hidrógeno verde. Sin embargo, ya se dan condiciones de mercado para algunos usos de hidrógeno combustible, que resultan competitivos respecto de los combustibles tradicionales.

2. Introducir economías de escala

Otro desafío, relacionado con el anterior, es la introducción de economías de escala para la reducción de los costos de producción. De la misma manera, si bien el hidrógeno tiene un alto poder calorífico, su densidad energética por unidad de volumen es relativamente baja. Esto quiere decir que se necesita espacio para almacenarlo en forma gaseosa.

En el caso de que el vehículo consuma grandes volúmenes de hidrógeno para lograr alta autonomía, el almacenamiento es un reto.

3. Definir el rol de hidrógeno y las energías verdes Chile

Un tercer gran desafío del hidrógeno verde es definir el rol que esta alternativa de combustible y otras tecnologías sustentables tendrán en el futuro de Chile.

Es decir, cómo miramos el futuro de nuestro desarrollo, y qué acciones tomamos para cambiar la manera en que nos relacionamos con el medio ambiente.

Amoníaco verde como un combustible alternativo

En la última década, el amoníaco verde se ha visualizado como una forma de almacenar energía renovable de manera simple y segura. Y, por cierto, como una fuente renovable de hidrógeno verde.

La economía del amoníaco verde se basa en el alto potencial de amoníaco para reemplazar los combustibles fósiles en muchas aplicaciones, puesto que actúa como un vector energético, igual que el hidrógeno.

Y también como el hidrógeno, puede usarse directamente en vehículos pesados, buques marinos, equipamiento pesado de minería, entre otros ejemplos.

Junto con ello, posee la ventaja de que el almacenamiento del amoníaco —desarrollado desde hace muchas décadas— ya es un tema relativamente resuelto de manera económica y segura.

A pesar de todas estas ventajas de los combustibles verdes —como el amoníaco verde— en el proceso de la descarbonización de nuestra economía, hay que tener cuidado con su desarrollo y los potenciales impactos.

Potenciales impactos del amoníaco

Es fundamental estar seguros de que al evitar la crisis de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) no vamos a provocar otra. Esta vez, relacionada con óxidos o ácidos de nitrógeno.

Por ello, resulta fundamental estudiar más en detalle los impactos económicos y también ambientales de una eventual masificación del uso del amoníaco verde en los distintos sectores de la economía.

Este artículo se basa en otro publicado originalmente en la página de Clase Ejecutiva UC del diario El Mercurio. Puedes descargar el PDF de la página aquí, luego de completar unos datos.

 

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Enzo Sauma

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