¿Para qué sirve el hidrógeno y cómo reduce emisiones?

Pablo Matas – Director de Emisiones Netas Cero en Refino de BP

La producción, almacenamiento y uso tanto del hidrógeno renovable como el de bajas emisiones en general es una de las vías de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero más prometedoras en términos ambientales y económicos. Desde la industria del refino, la gran consumidora y productora de hidrógeno en España, hemos recogido esta ruta dentro de la Estrategia para la Evolución hacia los Ecocombustibles, publicada el año pasado, por su potencial para reducir hasta el 20% de las emisiones de CO2 de las refinerías a 2050.

El progresivo desarrollo de las tecnologías necesarias para emplear el hidrógeno como vector energético podría colocar a Europa en la vanguardia de la transición energética. En el ámbito español, el potencial de nuestro país para liderar el crecimiento de esta industria es enorme.

La cuestión es ¿cómo aprovechar esta oportunidad industrial y convertir proyectos todavía a pequeña escala en un motor de ventaja competitiva, de desarrollo sostenible y de recuperación económica?

Siguiendo el Pacto Verde Europeo de Ursula von der Leyen, Europa cuenta con un documento marco, la Estrategia del Hidrógeno Renovable, que en España se ha concretado en la Hoja de Ruta del Hidrógeno Renovable elaborada por el Ministerio de Transición Ecológica y Reto Demográfico (MITECO). Ambiciosa en sus objetivos, la hoja de ruta se queda, no obstante, algo corta en el espectro tecnológico contemplado para alcanzarlos, como veremos a continuación, al no recoger como un factor transversal de toma de decisiones los criterios de competitividad y coste eficiencia. Siguiendo estos criterios y bajo la premisa de transición energética, el desarrollo de un mercado español del hidrógeno renovable pasaría por el paso intermedio del hidrógeno de bajas emisiones o azul.

Para entender este paso intermedio hay que tener en cuenta el nivel de desarrollo tecnológico alcanzado en los usos previstos de este vector energético. Los orígenes y formas de producción del H2 quedan recogidos en este post.

Almacenar hidrógeno: opciones y propuestas

Empecemos con dos tautologías: No todos los días sopla el viento. No a todas horas brilla el sol. Esto deja a las energías renovables (principalmente eólica y fotovoltaica, pero también termosolar) con un serio problema: qué hacemos cuando no hay luz o viento suficiente para generar electricidad.

La molécula de hidrógeno se ha propuesto como una de las múltiples soluciones sobre la mesa para resolver este problema ya que se puede almacenar como gas, licuada o en líquidos orgánicos, como el amoniaco, para posteriormente liberarla para la producción eléctrica.

Sin embargo, todas las opciones energéticas tienen sus problemas y, como se reconoce en la Hoja de Ruta del Hidrógeno Renovable, el H2 posee menor densidad energética que alternativas como el gas natural: a misma capacidad energética, el espacio que ocupa es mucho mayor. Así la cuestión del almacenamiento es aún un obstáculo que derribar.

Se han propuesto alternativas como la creación de depósitos, en el corto plazo, o el uso de almacenamientos geológicos mineros, es decir, yacimientos agotados, por ejemplo de gas natural. Esta vía está aún en fase de investigación, pendiente del desarrollo métodos eficientes y seguros de almacenamiento.

La instrucción progresiva del hidrógeno pasaría inicialmente por su inyección en las redes de gas natural, con las que es compatible hasta unos ciertos porcentajes. A partir de ahí no se descarta en el futuro adecuar dichas redes para transporte de hidrógeno en sustitución del gas natural.

El refino español ofrece, más que una alternativa, una forma complementaria de producción y almacenamiento: Los ecocombustibles son combustibles líquidos bajos en carbono con un potencial energético similar, a los actuales hidrocarburos. La vía que estamos desarrollando en plantas piloto como la de Petronor  es el uso del hidrógeno para producir un tipo ecocombustibles denominado e-fuel (o electro-combustible).

En lugar de tener que desarrollar un sistema logístico nuevo, los ecocombustibles aprovecharían todo el sistema logístico existente para el transporte de combustibles. Así, el hidrógeno se podría transportar como gas o cómo líquido, en camiones cisterna, en botellas tipo bombona o, incluso, en estado sólido. En ese aspecto, el sector va por delante de la Hoja de Ruta, ya que tiene sistemas seguros y consolidados para mover sus productos por todo el territorio.

Para qué usar el hidrógeno

Los usos futuros del hidrógeno que más frecuentemente se han mencionado y debatido en los últimos años son dos: la movilidad y la seguridad del suministro eléctrico, pero también hay que tener en cuenta dos más: su aplicación industrial y su uso en viviendas y edificios. 

Cuando hablamos de movilidad, el hidrógeno se suele relacionar con las pilas de combustible de hidrógeno para autogenerar la electricidad consumida en los vehículos. La ventaja sobre las baterías convencionales estaría principalmente en el tiempo de recarga y la autonomía del vehículo, pero el rendimiento energético es menor que el de un vehículo eléctrico convencional. Aunque esta tecnología está ya desarrollada, su aplicación y uso comercial es aún muy pequeño.

Los ecocombustibles comparten con las pilas de hidrógeno una característica que las baterías no han podido resolver: son aplicables a todos los tipos de transporte, sea ligero o pesado, de carretera, marítimo o aéreo. El atractivo de los ecocombustibles -apenas mencionados en la Hoja de Ruta de MITECO- está, de nuevo, en la posibilidad de emplearse en los vehículos que ya existen: en motocicletas, coches de combustión, camiones, autobuses, trenes diésel, transatlánticos, cargueros, aviones comerciales, tractores, cosechadoras, excavadoras, hormigoneras, grúas o quitanieves, es decir permiten descarbonizar el transporte sin necesidad de renovar la actual flota de vehículos

Aplicado a la seguridad del suministro, el hidrógeno es una pieza fundamental de la integración inteligente del sector energético, ya sea absorbiendo la electricidad excedente en el momento en que se produzca, ya produciendo electricidad cuando las fuentes renovables no puedan cubrir la demanda.

Un uso menos conocido (e imprescindible) del hidrógeno es el industrial. Ya hemos comentado antes que la industria del refino lo emplea en las refinerías para la purificación y transformación del petróleo en distintos materiales (energéticos, petroquímicos y otros).

Para la industria química, es un elemento fundamental en la elaboración de compuestos como amoníaco y metanol, que forman parte de productos como fertilizantes, o plásticos.

La industria metalúrgica podría, además, beneficiarse enormemente del mercado del hidrógeno, tanto en la creación de acero, que necesita unas grandes cantidades de energía que podría aportar el H2, como en la generación de aleaciones, desplazando al carbón.

Por último, se baraja la introducción del hidrógeno en la descarbonización del sector terciario y doméstico. En este caso, no hablamos de generación de electricidad, sino de uso térmico. Si bien es una aplicación que a día de hoy solo encontramos en pequeños proyectos piloto, se contempla como alternativa al gas natural o la electricidad. También se ha planteado en un futuro instalación de pilas de combustible en los hogares para satisfacer conjuntamente la demanda doméstica de electricidad y el calor.

Y en este ámbito los ecocombustibles tienen también su aplicación, como sustitutos del gasoil de calefacción, industrial o doméstico, lo que vuelve a poner sobre la mesa la inmediatez y bajo coste de cambiar de una fuente de energía a otra en las calderas que ya hoy calientan muchas viviendas e industrias en España sin necesidad de que el usuario tenga que hacer inversión adicional alguna.

El hidrógeno de bajas emisiones como paso previo

Los planes de la industria del refino para reducir las emisiones de CO2, recogidos en la Estrategia para la Evolución hacia los Ecocombustibles, tienen un encaje perfecto con los objetivos a corto plazo de la hoja de ruta del MITECO. Como productores y consumidores de hidrógeno, tenemos el potencial de acelerar la madurez tecnológica del hidrógeno renovable y convertirlo en una palanca para la competitividad, la sostenibilidad, la reindustrialización y la reducción de emisiones de CO₂.

Pero no hay que llamarse a engaño. El hidrógeno es una gran oportunidad industrial y de descarbonización, pero hay que tener claro que a día de hoy el hidrógeno renovable, es decir el hidrógeno obtenido principalmente a partir de electricidad solar o eólica, no es una tecnología plenamente desarrollada y, por lo tanto, aún no es competitiva.

Para dar pasos firmes en esa dirección tenemos que empezar por el desarrollo del hidrógeno de bajas emisiones, también llamado azul, en el que se captura el CO2.

Este paso previo es imprescindible porque puede hacer coste eficiente el proceso, cubriendo todos requisitos de reducción de emisiones de CO₂ y competitividad, y porque permite el desarrollo de un mercado del hidrógeno con las miras puestas al 100 % renovable. Esa es la vía elegida por otras grandes economías europeas (Reino Unido, Holanda y países escandinavos) que competirán con un hidrógeno azul barato, al que no debemos renunciar en España, para ser competitivos desde el comienzo en el futuro mercado del hidrógeno.

Se trataría de seguir aquí la misma ruta que se ha trazado para la producción eléctrica: no se puede conseguir un mix eléctrico 100% renovable de la noche a la mañana (entre otras cosas, porque faltan tecnologías de almacenamiento que resulta que el hidrógeno puede solucionar), pero los planes públicos y privados al amparo de los Acuerdos de París van en esa dirección.

El hidrógeno en la producción de combustibles sintéticos

En el sector del refino, la introducción del hidrógeno de bajas emisiones pasa por la instalación de mecanismos de captura del CO₂ dentro de los procesos industriales de creación de hidrógeno. Uno de los usos más interesantes para el dióxido de carbono capturado es la producción de combustibles sintéticos bajos en carbono, que serían uno de los tipos de ecocombustible contemplados en la estrategia de AOP y Fuels Europe.

No es, no obstante, la única aplicación: la introducción de ese CO₂ capturado en los procesos de obtención de materiales no energéticos, como materiales de construcción o policarbonatos, ácido acético, naftas, parafinas, ceras y lubricantes, participando así en la descarbonización de la industria petroquímica y, como consecuencia, en una miríada de productos de nuestra vida cotidiana: gafas, zapatos, ropa, envases, ordenadores, móviles, vehículos, tarjetas de crédito, materiales de escritura y los tan necesarios productos sanitarios.

Los combustibles sintéticos o e-fuels, reproducen de forma artificial lo que hacen las plantas en la naturaleza que, a partir de la luz solar, del agua y del CO2 atmosférico, producen materia orgánica y oxígeno. Una unidad de e-fuels (o electro-combustibles) produce combustible a partir del CO2 atmosférico (o CO2 capturado antes de ser emitido a la atmósfera por un proceso industrial) con el hidrógeno obtenido a partir de la electrólisis del agua mediante energía eléctrica renovable (p.e. solar) produciendo también oxígeno como subproducto. El hidrógeno podría también obtenerse a partir de otros procesos de bajas emisiones (p.e. hidrógeno azul) de forma económica.

El alto grado de desarrollo de estas tecnologías colocan a Europa en una posición inmejorable para ser la potencia mundial en e-fuels, como defiende Fuels Europe .

Como hemos mencionado, la producción de ecocombustibles sintéticos acompañaría no solo al desarrollo de la economía del hidrógeno sino también a la descarbonización de la movilidad y el sector residencial, especialmente en zonas de baja densidad de población como la zona rural española, donde otras alternativas tienen un difícil despliegue por cuestiones de viabilidad económica.

Tendríamos así unos combustibles muy bajos en intensidad de carbono, que se podrían usar en los motores de los vehículos que ya están circulando por la carretera, o en las mencionadas calderas de los edificios, y que habrían retirado CO₂ de la atmósfera para su producción, con lo que las emisiones estarían compensadas en origen.

Con esto se contribuiría a la consecución de objetivos a medio, corto y largo plazo en todas las formas de transporte, desde el automóvil particular a la aviación internacional.

Esta nueva economía de bajas emisiones vendrá también soportada por el desarrollo de nuevas tecnologías de captura de CO2, y también a través de la vía de la compensación, es decir, fomentando desde el refino las soluciones naturales para la reducción del CO2 en la atmósfera, con la reforestación, la creación de acuíferos y el uso de sumideros de CO2 como principales vías de compensación.

Además, el hidrógeno renovable obtenido a partir de biogas u otras materias primas residuales y/o sostenibles en las actuales unidades de hidrógenos de las refinerías sin necesidad de cambio alguno, unido a la tecnología de la captura de CO2 resultaría en emisiones netas negativas. Dicho hidrógeno renovable y con emisiones negativas puede comercializarse para su uso en el transporte, incorporarlo a los combustibles líquido convencionales en las refinerías para reducir sus emisiones o utilizarlo como materia prima para la producción de combustibles sintéticos: e-fuels (electro-combustibles).

Toda tonelada de CO2 que se deja de emitir a la atmósfera, se recicla o se compensa cuenta para conseguir los objetivos de la lucha contra el cambio climático. Da igual, en ese sentido, cómo se consiga, para bien o para mal el problema del CO2 es global y no importa donde se emita o se capture el CO2 siempre que el balance sea cero o negativo.

Todos los criterios a aplicar, sean de racionalidad económica, de neutralidad tecnológica o de protección del medioambiente, están en perfecta armonía con el fin último de la transición energética. Y ahí es donde el refino podría contribuir de manera decisiva al desarrollo del mercado del hidrógeno renovable y de bajas emisiones de CO2 si se deja abierta la puerta a su participación.