Cómo la revolución del hidrógeno puede ayudar a salvar el planeta y cómo no puede
El río candente de hierro líquido nunca se detiene. Cada hora del día y de la noche, en esta planta siderúrgica en el extremo norte de Suecia, el metal sale por un agujero en el fondo de un enorme alto horno de 90 metros de altura. Igualmente implacable, una corriente de dióxido de carbono brota de la parte superior.
El co2 es un producto de desecho del carbón que devora el alto horno. Por cada tonelada de hierro que se destinará a fabricar acero, este horno produce 1,6 toneladas de CO2, dice Martin Pei, director de tecnología de SSAB, la empresa propietaria de la planta aquí en Luleå. El mundo tiene cientos de altos hornos similares, la mayoría de ellos con mayores emisiones. Agregue otros pasos intensivos en energía en la industria, y queda claro cómo la fabricación de acero causa el 7% de las emisiones de gases de efecto invernadero del mundo, comparable al escape de todos los vehículos de pasajeros del mundo combinados, según algunas estimaciones.
Pero a unos cientos de metros del horno de Luleå hay uno más pequeño que produce hierro con mucha menos contaminación de carbono. Esta tecnología piloto reemplaza el carbón con hidrógeno y libera solo vapor de agua. “Esta es la nueva forma de fabricar acero, y con esto, en principio, podemos eliminar todo el dióxido de carbono”, dice Pei.
La ruta del hidrógeno al acero no está completamente libre de contaminación; otros pasos en la conversión de hierro en acero todavía emiten algo de CO2, y el mineral de hierro debe ser extraído. Aún así, el año pasado, este sitio produjo el primer 'acero verde' del mundo, con la ayuda de hidrógeno que se hizo utilizando la abundante electricidad baja en carbono de Suecia, generada a partir de energía hidroeléctrica, nuclear y eólica. La planta piloto es propiedad de HYBRIT, una empresa conjunta que SSAB formó en 2016 con la empresa sueca de servicios públicos Vattenfall y LKAB, la empresa minera nacional.
Hacer que el acero sea ecológico es solo una de las formas en que ahora se espera que el hidrógeno ayude a descarbonizar la economía mundial. Aunque algunos han promocionado el uso del hidrógeno como combustible para el transporte, es poco probable que tenga mucho impacto en ese sector o en la calefacción, para el cual las baterías y la energía eléctrica ya brindan soluciones bajas en carbono más eficientes. Más bien, la mayor contribución del hidrógeno será limpiar los procesos industriales, desde la producción de plásticos y fertilizantes hasta la refinación de hidrocarburos. Tradicionalmente, se ha considerado que estas industrias son más difíciles de descarbonizar y han recibido menos atención de los medios de comunicación, los inversores y los responsables políticos.
El hidrógeno también podría encontrar usos en la producción de energía. Los combustibles líquidos hechos de hidrógeno podrían impulsar algún día los viajes aéreos y marítimos. Y el hidrógeno podría incluso ayudar a descarbonizar la red eléctrica: el exceso de energía solar o eólica podría desviarse para producir gas, que luego podría usarse en otros procesos industriales o simplemente para almacenar energía. De esta manera, se espera que el hidrógeno actúe como puente entre muchos sectores diferentes de la economía.
“El hidrógeno es único debido a su versatilidad en las formas en que puede producirlo y en las formas en que puede usarlo”, dice Dharik Mallapragada, ingeniero químico del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge.
Los formuladores de políticas ansiosos por alcanzar los objetivos de emisiones netas cero han comenzado un impulso masivo por el hidrógeno, especialmente en los Estados Unidos y la Unión Europea. En algunos casos, están subsidiando el precio del hidrógeno bajo en carbono; en otros, otorgando créditos fiscales a los productores de hidrógeno oa las industrias que lo utilizan.
En parte como resultado, la inversión en proyectos de hidrógeno está experimentando un auge. El Consejo del Hidrógeno, un grupo industrial de Bruselas, estima que los cientos de proyectos de hidrógeno a gran escala anunciados ya ascienden a una posible inversión de 240.000 millones de dólares para 2030, aunque hasta ahora, solo una décima parte de estos son acuerdos completamente completados. Para 2050, el consejo cree que el mercado del hidrógeno y las tecnologías del hidrógeno tendrá un valor de 2,5 billones de dólares al año.
Los analistas ahora proyectan que el mundo verá un aumento de cinco a siete veces en la producción de hidrógeno para mediados de siglo (ver 'Fuentes de hidrógeno'). Esto debería ayudar a reducir la huella de carbono del mundo, pero solo si ese hidrógeno se obtiene sin agregar CO2 emisiones, como lo es en el piloto de Luleå.
El hype ha rodeado al hidrógeno antes. Pero la cantidad de dinero involucrada esta vez sugiere a muchos expertos que realmente despegará. La transición no necesita nueva tecnología, dicen los analistas: ya está probada, aunque los avances científicos ayudarían a acelerarla.
“La revolución del hidrógeno está sucediendo, esta vez de verdad”, dice Oleksiy Tatarenko, economista del Rocky Mountain Institute (RMI), un grupo de expertos en sostenibilidad en Boulder, Colorado.
¿Dónde empezar?
La producción de hidrógeno ya es una industria importante y contaminante. La Agencia Internacional de Energía (AIE) estima que cada año se producen alrededor de 94 millones de toneladas (Mt) del gas. Casi todo proviene de combustibles fósiles como el gas natural. Metano (CH4) en el gas natural reacciona con el oxígeno para convertirse en moléculas de hidrógeno y CO2. Este último luego se expulsa a la atmósfera: 900 millones de toneladas cada año, o más del 2% del CO mundial.2 emisiones, comparables a las emisiones anuales totales de Indonesia y el Reino Unido combinados. Los analistas se refieren a este hidrógeno contaminante como 'gris'.
El hidrógeno que el mundo ya produce se usa en gran medida para los pasos de procesamiento químico en industrias esenciales. Se mezcla con nitrógeno del aire para producir amoníaco (NH3), por ejemplo, un ingrediente en fertilizantes. Las refinerías petroquímicas usan hidrógeno para eliminar el azufre del petróleo o para descomponer algunos de los hidrocarburos más grandes del petróleo en otros más pequeños. Y en la industria química, el hidrógeno se emplea en la fabricación de cantidades masivas de productos, como el metanol (CH3OH), que a su vez se utiliza en la síntesis de innumerables productos químicos.
"Antes de posicionar el hidrógeno como la solución para el cambio climático, primero tenemos que abordar el hidrógeno como un problema del cambio climático", dijo Michael Liebreich, consultor de energía y director ejecutivo de Liebreich Associates en Londres, en un discurso de apertura en el World Congreso de Hidrógeno en Rotterdam, Países Bajos, en octubre.
algo de CO2 liberado al hacer hidrógeno a partir de combustibles fósiles podría capturarse y almacenarse bajo tierra, en depósitos geológicos profundos. El hidrógeno descarbonizado de esta manera se denomina 'azul'. Pero los críticos del hidrógeno azul señalan que no previene todo el CO2 emisiones, y que hacer hidrógeno azul significa continuar extrayendo gas natural, lo que tiene sus propias desventajas ambientales.
Otra forma de producir hidrógeno puede ser casi completamente libre de carbono. Esta es la técnica de 200 años de antigüedad de la electrólisis del agua: los electrolizadores extraen el H del H2O haciendo pasar una corriente eléctrica entre electrodos revestidos de catalizador. Si la energía utilizada para impulsar este proceso es renovable, el producto resultante se denomina hidrógeno verde. El hidrógeno verde tiene el potencial de tener cero emisiones, o al menos estar cerca de ello.
Un factor crucial para determinar la velocidad del cambio al hidrógeno limpio será el costo de los electrolizadores. La IEA, los analistas de energía limpia BloombergNEF y otras organizaciones predicen que esto podría caer rápidamente, cayendo en más de dos tercios para 2030, ya que los electrolizadores se fabrican en líneas de ensamblaje cada vez más automatizadas, en lugar de construirse a mano.
Esta es la razón por la que los analistas predicen que el costo de producir hidrógeno verde se reducirá de alrededor de $ 5 por kilogramo ahora a $ 1 por kg en el futuro, incluso sin subsidios como exenciones de impuestos. Eso lo haría competitivo con el hidrógeno gris, que se puede fabricar por menos de $1 por kg (cuando las guerras no elevan el precio del gas natural, como ha ocurrido en Europa). Aun así, múltiples estudios predicen que a medida que la demanda aumenta, una gran proporción de la demanda de hidrógeno deberá satisfacerse con hidrógeno azul en las próximas décadas.
La transformación requerirá enormes cantidades de energía renovable. Si los electrolizadores fueran 100 % eficientes, se necesitarían más de 3000 teravatios hora (TWh) de electricidad de fuentes renovables cada año solo para reemplazar el hidrógeno gris que se usa hoy en día con hidrógeno verde; en realidad, es más probable que la electricidad requerida supere los 4.500 TWh. Eso es comparable a lo que genera Estados Unidos en un año. Además, la AIE prevé un futuro en el que los requisitos anuales de electricidad de hidrógeno limpio aumenten a 14.800 TWh, en su escenario de un mundo con cero emisiones netas para mediados de siglo.
Aún así, la energía limpia está creciendo a un ritmo notable. Para 2024, por ejemplo, BloombergNEF proyecta que se espera que el mundo tenga la capacidad de producir casi 1 TW de paneles fotovoltaicos cada año: solo eso podría satisfacer una séptima parte de la demanda anual de electricidad actual. En general, el suministro de electricidad de bajas emisiones del mundo ya se triplicará a mediados de siglo, dice la AIE, aunque se necesita una expansión aún más agresiva para un mundo con cero emisiones netas en 2050 (ver go.nature.com/3nxtvhj) .
armándose de valor
De todos los emisores de carbono de la industria, el acero es uno de los más grandes, y es el sector donde el hidrógeno podría tener el mayor impacto. La gente había tratado de usar hidrógeno en el proceso durante años, dice Pei, pero no pudo lograr que se ampliara. Pero en 2016, justo cuando la mayoría de los países firmaron el acuerdo climático de París comprometiéndose a mantener el calentamiento global a menos de 2 °C por encima de los niveles preindustriales, Pei comenzó a encabezar la investigación del hidrógeno en SSAB. Estaba claro que la descarbonización del acero era crucial para que Suecia cumpliera con sus compromisos de París. SSAB no es un gran productor de acero, pero solo representa el 10 % del CO2 de Suecia.2. “Todo el mundo sabía que si SSAB no conseguía eliminar esas emisiones, Suecia tampoco lo lograría”, afirma la portavoz de la empresa, Mia Widell.
El problema más difícil con la fabricación de acero es que implica extraer hierro del mineral de hierro, que es esencialmente óxido, que contiene hierro en forma oxidada. En un alto horno, los átomos de oxígeno se eliminan de este óxido, dejando atrás el hierro líquido. Para ello, el mineral se funde junto con coque (un derivado del carbón) o con carbón vegetal. La función principal de este combustible en realidad no es derretir el mineral, sino extraerle átomos de oxígeno, en un proceso de reducción química que tiene un costo termodinámico más de seis veces mayor que el de derretir la roca. Este proceso conduce a la liberación de grandes cantidades de CO2.
SSAB consideró ideas como capturar el CO emitido2 y almacenarlo bajo tierra, pero llegó a la conclusión de que sería demasiado caro. En cambio, eligió la vía del hidrógeno. El hidrógeno puede difundirse dentro de gránulos de mineral de hierro sólido y eliminar el oxígeno, en un proceso llamado reducción directa de hierro (DRI), que tiene lugar a 600 °C en lugar de los más de 1500 °C de un alto horno (ver 'Acero más ecológico' ).
DRI existía mucho antes de que HYBRIT comenzara a usar hidrógeno para este proceso: parte del acero actual se fabrica de esta manera con gas natural, pero eso genera emisiones de carbono que se evitarían con el uso de hidrógeno limpio.
Las pruebas de Luleå de HYBRIT tuvieron tanto éxito que SSAB decidió adelantar la fecha de cierre de sus altos hornos, de 2045 a 2030, dice Pei. HYBRIT está construyendo su primera planta de tamaño completo en Gällivare, una ciudad a 200 kilómetros al norte de Luleå, y ha puesto a disposición del público los resultados de su investigación, con la esperanza de generar un impulso para toda la industria, dice. A media hora en coche de Luleå, una empresa nueva con sede en Estocolmo llamada H2GreenSteel ha iniciado la construcción de una planta aún más grande y dice que ha vendido 1,5 millones de toneladas de su producto por adelantado.
Debido a que las fundiciones duran décadas, los analistas de energía dicen que si las naciones van a cumplir con los objetivos del acuerdo de París, la industria del acero debería dejar de construir nuevos altos hornos de inmediato y, en cambio, comenzar a reemplazarlos con reductores directos preparados para hidrógeno. Incluso si la mayoría usa inicialmente gas natural, podrán reducir gradualmente su huella de carbono mientras el suministro de hidrógeno aumenta durante las próximas tres décadas.
“No hay espacio en el presupuesto de carbono para nuevos altos hornos”, dice Rebecca Dell, directora del programa industrial de la fundación ClimateWorks, una organización que otorga subvenciones en San Francisco, California.
Muchos productores de acero están tomando la ruta DRI, aunque en China e India se están planificando nuevos altos hornos, según la organización no gubernamental Global Energy Monitor, también en San Francisco. Sin embargo, la tarea es tan inmensa que algunas organizaciones, incluida BloombergNEF, pronostican que algunos altos hornos seguirán activos a mediados de siglo y que será necesario desplegar la captura de carbono para ayudar a reducir sus emisiones.
En principio, la producción de acero podría incluso volverse completamente electrificada, evitando la necesidad de producir hidrógeno, lo que podría mejorar aún más la eficiencia, dice Dell. La electrólisis puede dividir el óxido de hierro, y varias empresas emergentes, como Boston Metal en Woburn, Massachusetts, están tratando de utilizar esto en la fabricación de acero. Por ahora, sin embargo, el hidrógeno es el favorito. “La principal ventaja del enfoque del hidrógeno es que [it] tiene el incremento más pequeño de nueva tecnología necesaria para obtener una fabricación de acero verdaderamente limpia”, dice Dell.
Un puente de hidrogeno
A la larga, es posible que la mayor contribución del hidrógeno a la desaceleración del calentamiento global sea un puente entre actividades dispares (electricidad, construcción, manufactura y transporte), lo que hace que sea más barato descarbonizarlas por completo de lo que sería si cada sector lo intentara. para descarbonizar por separado, dice Christian Breyer, analista de sistemas de energía de la Universidad Tecnológica de Lappeenranta-Lahti en Finlandia.
El nodo crucial en esta red interconectada será la generación de electricidad. Aquí, el hidrógeno podría ayudar a resolver un inconveniente bien conocido de las energías renovables: aunque es abundante, se distribuye de manera desigual a lo largo de las horas y las estaciones, y a menudo es impredecible. Esto dificulta que las regiones planifiquen durante largos períodos sin él.
Los investigadores que trabajan en simulaciones que tratan de equilibrar la oferta y la demanda en las futuras redes eléctricas tienen que planificar, por ejemplo, cómo suministrar electricidad si no soplan vientos durante una semana en un invierno frío y oscuro en Europa. Los científicos tienen un nombre para este fenómeno: flauta de dunkeluna palabra alemana que se traduce más o menos como 'depresión oscura'.
Las baterías ayudarán a equilibrar la oferta y la demanda de una hora a la siguiente, pero una vez que la participación de la energía eólica y solar supera el 80% de la combinación de electricidad de una red, se vuelve extremadamente costoso hacer que las redes sean resistentes a Dunkelflautensegún algunos estudios (ver, por ejemplo, JD Jenkins et al. Joule 2, 2498–2510; 2018). Una solución que se está considerando es construir suficientes turbinas eólicas adicionales para mantener una red incluso en los inviernos más tranquilos y luego usarlas durante la mayor parte del año para producir hidrógeno. Este hidrógeno podría luego venderse a clientes industriales, a acerías o como combustibles líquidos para el transporte, el envío y la exportación.
En épocas del año especialmente nefastas, podría utilizarse para generar electricidad de nuevo quemándola en turbinas similares a las que funcionan con gas natural, aunque esto sería un gran despilfarro: la red recuperaría solo un tercio o menos de la electricidad originalmente puesta en la fabricación del hidrógeno.
No está claro si esta es la forma más rentable de descarbonizar el último 20% de la electricidad, en comparación con la construcción de centrales nucleares o quizás la expansión de la energía geotérmica. La combinación óptima probablemente variará entre países, sugieren estudios específicos de la región realizados por organizaciones como la Agencia Internacional de Energía Renovable de las Naciones Unidas.
Mitos y conceptos erróneos
Aunque el hidrógeno tiene innumerables aplicaciones posibles, eso no lo convierte en la mejor solución para todos los problemas. Para los automóviles de pasajeros, las baterías ya ganaron en gran medida la carrera, porque son una solución más eficiente y menos costosa que llevar un tanque de hidrógeno y convertir su energía nuevamente en electricidad.
Otra área en la que probablemente no tenga sentido usar hidrógeno es como combustible para calentar hogares. Si el hidrógeno es gris, hecho de gas natural, entonces simplemente se suma al calentamiento global, dice Rebecca Lunn, ingeniera civil de la Universidad de Strathclyde en Glasgow, Reino Unido. Ella y otros señalaron la calefacción doméstica como un uso problemático del hidrógeno en un estudio del Centro Nacional de Políticas de Ingeniería (NEPC) del Reino Unido, publicado en septiembre (ver go.nature.com/3ut5mj5).
Pero incluso si el hidrógeno es verde (hecho de electricidad generada a partir de energías renovables), es hasta seis veces más eficiente usar esa electricidad para calentar hogares usando, por ejemplo, bombas de calor, que alcanzan eficiencias mucho más altas que el 100 % absorbiendo calor. en desde fuera.
Para reducir las emisiones más rápido, las políticas deben priorizar la mejora del aislamiento de las casas, lo que reducirá la necesidad de energía para calefacción, sea cual sea su fuente, dice Nilay Shah, investigadora en ingeniería de sistemas de procesos en el Imperial College de Londres, quien dirigió el estudio NEPC.
Pronósticos de hidrógeno
La inversión en hidrógeno bajo en carbono se había disparado durante los últimos años, pero los eventos de este año han desencadenado lo que parece ser un verdadero auge.
En los Estados Unidos, la Ley de Reducción de la Inflación ha introducido una exención fiscal de $3 por cada kg de hidrógeno verde, además de otras políticas y fuentes de financiación para el gas. En Europa, la agresión de Rusia contra Ucrania ha traído un nuevo sentido de urgencia. En marzo, la Comisión Europea fijó el objetivo de producir 10 millones de toneladas de H2e importando 10 millones de toneladas adicionales por año para 2030. Muchas otras economías importantes han establecido estrategias nacionales para desarrollar la capacidad de hidrógeno.
“Todo ha cambiado, toda la ecuación”, dice el economista de RMI Patrick Molloy. Las exenciones fiscales de los EE. UU., en particular, han reducido el costo del hidrógeno verde allí a aproximadamente $ 1 por kg del hidrógeno gris, o menos, según la ubicación (consulte 'Costos del hidrógeno limpio'). Esto ya hace que el acero, el amoníaco y los combustibles líquidos a base de hidrógeno sean competitivos con sus contrapartes de combustibles fósiles, calcula el RMI.
Sin subsidios, los productos de hidrógeno limpio, como el acero verde, aún podrían ser más caros que sus equivalentes sucios. HYBRIT y H2GreenSteel no revelan cuánto esperan que cueste fabricar sus productos. Los gobiernos también podrían adoptar políticas para comprar acero verde, como se comprometió a hacer la administración del presidente de EE. UU., Joe Biden, en virtud de una disposición de compra limpia en una orden ejecutiva aprobada en diciembre pasado.
La AIE proyecta que para 2030, la demanda mundial de hidrógeno podría aumentar entre un 20% y un 30%. Los proyectos de hidrógeno con bajas emisiones de carbono que están en trámite hasta ahora serán suficientes para cubrir solo alrededor de una cuarta parte de eso. Eso sugiere que los planes de expansión del hidrógeno aún no son lo suficientemente ambiciosos: para que el mundo esté en el camino de las emisiones netas cero para mediados de siglo, se necesitan unas 180 Mt de producción de hidrógeno para 2030, con la mitad de bajas emisiones.
Pero Tatarenko dice que no está descartado que la producción mundial de hidrógeno verde pueda alcanzar lo necesario en 2030. "Deberíamos ser muy ambiciosos".
Otros advierten que el impulso por el hidrógeno podría terminar impulsando también el tipo no verde y, por lo tanto, aumentando perversamente el CO2 emisiones En particular, una medida controvertida que está considerando la Comisión Europea diluiría la definición de la UE de hidrógeno verde, permitiendo que se produzca en parte con electricidad generada a partir de combustibles fósiles.
Reorganizar la economía para acomodar el hidrógeno traerá repercusiones sociales. Incluso con subsidios e inversiones masivas, la industria pesada en algunas regiones seguirá estando en desventaja competitiva. Debido a que el hidrógeno es más costoso y técnicamente más difícil de transportar que el carbón, las industrias como la siderúrgica podrían terminar teniendo que mudarse más cerca de los sitios donde se puede producir hidrógeno a bajo costo, dice Dell. “Incluso pueden estar en diferentes países”.
Si bien este y otros problemas políticos podrían ralentizar el ritmo de la transición, ya no existen desafíos irresolubles, agrega. “Hacer esta transición está completamente dentro de nuestras capacidades técnicas y económicas, tanto en países de altos ingresos como en economías emergentes”, dice Dell.
Este artículo se reproduce con permiso y se publicó por primera vez el 16 de noviembre de 2022.
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