Hidrógeno verde para Chile

El hidrógeno verde es una promisoria alternativa energética.

Este artículo fue escrito en conjunto con el profesor del Departamento de Minería, Patricio Lillo.

Durante los últimos años Chile ha experimentado una importante transformación energética gracias a sus recursos solares y eólicos. El hidrógeno combustible se presenta hoy en este escenario como una promisoria alternativa que permitiría continuar con este desarrollo de tecnologías sustentables.

Entre otras ventajas, el hidrógeno combustible no emite gases 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 (capacidad de entregar energía por unidad de masa) tres veces mayor que el diésel; 120 MJ/kg versus 40 MJ/kg. Esto implica que se necesita menos masa de combustible por cantidad de energía necesaria para transportar.

Además, la producción de hidrógeno se presenta como una alternativa para absorber la producción de energía eléctrica de paneles solares fotovoltaicos (a ciertas horas del día) y así facilitar la penetración de fuentes renovables intermitentes. Hoy el almacenamiento masivo de energía eléctrica aumenta significativamente el costo de un proyecto de generación eléctrica intermitente, en algunos casos hasta duplicándolo.

Producción de hidrógeno

Se producen anualmente cerca de 70 Mton de hidrógeno siendo su origen principalmente la reformación de gas natural (76 %) y de la gasificación del carbón (23 %). Estos procesos son de menor costo, pero utilizan recursos no renovables con emisiones de CO2 relacionadas a su producción.

La electrólisis es otra alternativa de producción bastante menos común. Consiste en que a través de un electrolizador separa las moléculas del agua (H2O) con electricidad. Dependiendo del tipo de membrana utilizada se distinguen distintas variantes, entre las que se destacan: las celdas alcalinas, las membranas de intercambio protónico (PEM), membrana de intercambio aniónico (AEM) y las emergentes electrolisis de oxido-solido. La primera es la más utilizada y madura tecnológicamente.

Este proceso requiere alrededor de 50kWh/kg de hidrógeno, 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. Dado lo anterior es posible generar hidrógeno sin emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) relacionadas. Para lo cual, la electricidad se debe obtener de fuentes sin emisiones directas, como plantas fotovoltaicas y eólicas.

Actualmente la electrólisis se ha vuelto competitiva por la introducción de las energías renovables intermitentes, que permiten la generación de combustible limpio y han logrado disminuir los precios de la energía eléctrica, que es uno de los principales costos operacionales. Es así como en el Norte de Chile existe un potencial para alcanzar los menores costos de producción de hidrógeno a nivel mundial inferiores a los 1,8 USD/kg de H2.

Almacenamiento del hidrógeno

La baja densidad del hidrógeno conlleva un bajo poder calorífico en término de volumen, con 0,0108 MJ/L en condiciones atmosféricas (1atm, 20°C), lo que es cerca de 3.000 veces inferior al diésel. Esto implica disponer de amplios volúmenes para su almacenamiento, lo que no siempre es posible sobre todo en aplicaciones móviles. Por ello, se han creado diversos métodos de almacenamiento, con diversas características que los hacen más atractivos para distintas aplicaciones.

Método de almacenamiento de hidrógenoDescripción
Gas comprimidoForma más común, se almacena en estado gaseoso a altas presiones —hasta 70MPa— para aumentar su densidad. Se requieren estanques especiales, de gran peso y costo, que cumplan con altas exigencias de seguridad. Frecuente en automóviles.
Licuado a temperatura criogénicaSe almacena en estado líquido, en temperaturas inferiores a los 22K. Implica altos costos, al requerir energía para enfriar y recipientes especiales que permitan mantener la temperatura. Se debe usar a la brevedad por la posibilidad de cambio de fase. Frecuente en aplicaciones aeroespaciales.
CriocomprimidoSe almacena a bajas temperaturas y a mayores presiones, para alcanzar altas densidades volumétricas. Esta alternativa es un punto intermedio entre el gas comprimido y el licuado a temperatura criogénica.
A través de materiales mediante procesos físicosMateriales muy porosos que son capaces adsorber hidrógeno en su superficie, aumentando su densidad. Entre ellos se encuentran el carbón activado, zeolitas y armazones metal-orgánicos (MOFs). Buen rendimiento a bajas temperaturas (77K) y altas presiones, con reducción significativa en condiciones ambientales.
A través de materiales mediante procesos químicosSe almacena en un compuesto que contiene este elemento en cantidades significativas. Como los hidruros metálicos, los carriers orgánicos líquidos de hidrógeno (LHOC), entre otros. Se necesitan procesos químicos para formar y romper enlaces cuando sea necesario utilizar H2. Aumento significativo en el peso del sistema y la necesidad de suministrar energía para liberar H2.

Hidrogeno verde figura

Aplicaciones del hidrógeno

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, aún 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 centrales de respaldo (incluso bajas dosis de hidrógeno en la mezcla aumentan la eficiencia general del proceso), en la industria siderúrgica o derechamente 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 es la combustión dual, donde el hidrógeno es inyectado al motor y así sustituye diésel bajando las emisiones de CO2. Otra línea es el uso de celdas de combustible, donde 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.

El hidrógeno es usado en combustión dual, en motores diésel o que usan gas natural, como reemplazo del combustible. Por lo que se estudia su uso en los camiones de extracción de la industria minera, donde las altas potencias requeridas aumentan el costo de baterías.

Por otro lado, en automóviles se ha usado mediante celdas de combustibles, destacando el Toyota Mirai con una autonomía de más de 450 km, requiriendo 5kg de hidrógeno que se reposta en menos de 5 minutos. Tecnología también utilizada en trenes, por lo que no es necesario electrificarlos completamente, pueden recorrer alrededor de 1.000 kilómetros con un solo tanque de hidrógeno. Además, se ha probado su uso en grúas horquillas, buques y aviones no tripulados.

A la vez, estas iniciativas en marcha consideran varias etapas de la cadena de uso del hidrógeno; generación, transporte y uso. Esto permitirá desarrollar las competencias y conocimientos necesarios para ir avanzando en la implementación de la tecnología. En paralelo, el país ya trabaja en un marco regulatorio para uso de hidrógeno. Lo anterior, tanto para reducir las incertidumbres del mercado, para facilitar la penetración de su uso y para mantener los altos estándares de seguridad requeridos que instalen confianza en los usuarios.

Desafíos por resolver

Existen muchos desafíos aún por resolver, el primero de ellos, el costo medio del hidrógeno. Sin embargo, ya se dan condiciones de mercado y uso de hidrógeno combustible que resultan en posiciones competitivas respecto a los combustibles tradicionales. Otro desafío 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 desafío.

Pero por sobre todo, el mayor desafío es definir como sociedad el rol que esta alternativa de combustible y otras tecnologías sustentables tendrán en el futuro de Chile. Por sobre los desafíos tecnológicos y de mercado, el principal reto que tenemos delante —en este año que marca un nuevo hito en la sequía más grande que se haya registrado en Chile— es cómo miramos el futuro de nuestro desarrollo, y qué acciones tomamos para cambiar la manera en que nos relacionamos con el medioambiente, partiendo quizás con la forma en que nos transportamos.

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Enzo Sauma
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