Editoriales y opinión

Revisión de las tecnologías del hidrógeno para la transición energética justa en Colombia

Sep 22, 2023 | Noticias y análisis - Energía y Justicia Climática

Por: Andrés Cabrera Orozco* – columnista invitado, Universidad Nacional de Colombia

La hoja de ruta del hidrógeno en Colombia plantea varios retos y oportunidades. Es imperativo revisar los supuestos y las apuestas tecnológicas que se piensan realizar para que el efecto de las acciones genere el bienestar perseguido, en especial en cuanto a los métodos de generación y las aplicaciones del hidrógeno en el corto y mediano plazo. La implementación de tecnologías cuyo avance es vertiginoso, al igual que las posibles alternativas, obliga a monitorearlas en plazos cortos para no invertir en la dirección equivocada. Especial atención genera el uso del hidrógeno azul como tránsito hacia una tecnología más eficiente, así como la apuesta por la movilidad con pilas de combustible, la cual, en vista de los avances recientes en materia de electrificación, puede ser errada.

En 2019, Colombia lanzó la primera hoja de ruta del hidrógeno en Colombia. En esta se plantea la sustitución del proceso productivo de 150 mil toneladas de hidrógeno que se producen anualmente en el país por la vía del hidrógeno gris (mayoritariamente reforma de metano – MSR). En el documento se propone una sustitución gradual rápida por el proceso denominado hidrógeno azul (reforma de metano más captura y almacenamiento de CO2 – MSR+CCS) a la vez que se propone la sustitución gradual lenta de este último proceso por la producción de hidrógeno verde (electrólisis del agua utilizando energía renovable). Esta estrategia es la misma utilizada por la mayoría de países que han establecido una hoja de ruta.

Para hacer más viable la transición para los inversionistas, la hoja de ruta plantea nuevos usos del hidrógeno. En el corto plazo se plantea la introducción de vehículos livianos propulsados por pilas de combustión. En un mediano plazo se propone la introducción del hidrógeno en el transporte de carga y transporte aéreo. Finalmente, se plantea la exportación del hidrógeno, con lo cual se sustituiría parcialmente el papel protagónico de los combustibles fósiles de la balanza comercial del país. Para finales de 2022, debido al vertiginoso avance en el desarrollo de alternativas energéticas que constituyen la llamada transición energética, se hace pertinente una revisión de los supuestos tecnológicos sobre los cuales se construyó esta hoja de ruta para proponer una primera actualización de la misma a la luz de los últimos avances en aras de maximizar el bienestar de los colombianos priorizando los recursos destinados para la transición.

Usos actuales del hidrógeno en Colombia y en el mundo

Anualmente en el mundo se producen aproximadamente 120 millones de toneladas de hidrógeno, pues se trata de una sustancia esencial para la producción de muchos de los productos que hacen parte de la vida moderna, desde las espumas de los colchones sobre los que dormimos, los combustibles con los que nos transportamos, el calzado que utilizamos, hasta los fertilizantes para la producción de comida que consumimos o que consumen los animales que posteriormente nos comeremos. El hidrógeno está presente de manera indirecta en toda esa producción, pues es insumo básico para los procesos de refinación del petróleo y la elaboración de materiales de partida como el amoniaco y el metanol.

Retos de la producción de hidrógeno

Desafortunadamente, la producción de hidrógeno por las rutas actuales conlleva la producción de aproximadamente diez veces la cantidad de dióxido de carbono que se emite a la atmósfera, pues este se produce en su gran mayoría a partir de gas natural, cuyo componente principal es el metano. De ahí la urgencia que tiene la humanidad de buscar métodos alternativos de producción de hidrógeno para uso como insumo industrial en la producción de estas sustancias de uso diario.

El gran desafío que enfrenta la transición energética, tal como está planteada en la hoja de ruta, es la producción de hidrógeno de una manera ambientalmente amigable. En cuanto al hidrógeno azul, su talón de Aquiles es la captura, transporte y almacenamiento del dióxido de carbono generado (CCS por su sigla en inglés). Esta última tecnología viene desarrollándose hace aproximadamente cincuenta años y existe la amplia percepción de que no ha sido realmente exitosa. Hoy en día existen a escala comercial y en funcionamiento menos de 50 proyectos, de los cuales la mayoría son utilizados específicamente para la recuperación secundaria de hidrocarburos, lo cual pone en tela de juicio su viabilidad económica para la simple captura de CO2, e incluso su efecto positivo para el abatimiento de emisiones.

Existen también estudios recientes en los que se analiza el beneficio real de la CCS para la emisión de dióxido de carbono y se llega a la conclusión de que, en materia de emisiones, es incluso más benéfico quemar el gas natural directamente (hidrógeno gris) debido al elevado costo energético y pérdidas que supone el proceso en general. Vale la pena, sin embargo, anotar que debido a la presión que tienen las naciones industrializadas para reducir su huella de carbono y el hecho de que la producción actual de hidrógeno se realiza en su mayoría por reforma de metano, hay en marcha más de 100 proyectos en estado de planeación y construcción. En otras palabras, el hidrógeno azul es la vía más rápida, si bien no la mejor, para descarbonizar la producción de hidrógeno como insumo. Adicionalmente, el desarrollo de tecnologías novedosas para la captura en las cuales se utiliza sensiblemente menos energía de la requerida por la ruta convencional, podría aumentar significativamente la viabilidad financiera de estos proyectos.

El otro gran desafío que tiene la hoja de ruta es el elevado costo actual de la producción del hidrógeno por vía electrolítica. Similar a la tecnología CCS, la electrólisis del agua para producir hidrógeno es madura a nivel industrial. De hecho, era la ruta de producción de hidrógeno utilizada por la industria petroquímica antes del aprovechamiento del gas natural, que es significativamente más económico. El afán de “desfosilizar” esta industria ha hecho ver el hidrógeno verde como la vía más conveniente. No obstante, en términos reales, es todavía una tecnología costosa y, a menos de que se den avances significativos en el abaratamiento del proceso, de manera análoga a la energía solar fotovoltaica o la eólica, no llegará a ser realmente competitiva.

En el horizonte aparecen nuevas y prometedoras tecnologías que podrían ser más competitivas que el hidrógeno azul y verde y que deberían ser evaluadas en la revisión de la hoja de ruta. Por ejemplo, la pirolisis de metano, en la cual se aprovecha el gas natural sin producir emisiones de CO2 y aprovechando el carbón producido, conocido comúnmente como negro de humo, un proceso conocido por más de 60 años en la industria, es un candidato para descarbonizar el hidrógeno requerido para insumo industrial. Por otro lado, electrolizadores a alta temperatura y nuevamente, versiones mejoradas del hidrógeno azul podrían llegar a ser competitivas.

El hidrógeno como vector energético

Paralelo a esta búsqueda, el hidrógeno es muy interesante como vector energético, pues al quemarlo, a diferencia de los hidrocarburos, produce agua en vez de dióxido de carbono. Es decir que se puede generar energía a partir de hidrógeno sin afectar la atmósfera. Adicionalmente, la energía que libera el hidrógeno al ser quemado es muy superior a la de otros combustibles convencionales como la gasolina o el diésel si se compara en términos de masa, es decir, que un kilogramo de hidrógeno produce más energía que un kilogramo de gasolina, de diésel o de gas natural. Aún más interesante, con hidrógeno se puede generar electricidad sin necesidad de quemarlo en un motor tradicional, pues en una llamada pila o celda de combustible se puede hacer reaccionar hidrógeno con oxígeno del aire para producir electricidad de una manera más eficiente. Es por esto que desde hace ya varias décadas se vienen desarrollando sistemas de generación de electricidad a partir de hidrógeno. 

Desafortunadamente la naturaleza del hidrógeno impone una serie de desventajas que ha limitado su uso como vector energético. La primera es que es un gas con muy baja densidad, lo cual incide en un bajo poder calorífico volumétrico, es decir, que un litro de hidrógeno produce menos energía que un litro de gasolina o un litro de diésel. Para poder resolver este problema y transportarlo de manera rentable es necesario comprimirlo a muy altas presiones (300 a 700 atmósferas) o enfriarlo a bajas temperaturas (-200 °C) para poder mantenerlo en estado líquido. Además de esto, su alta reactividad y pequeño tamaño molecular hace que permee y con el tiempo dañe materiales comúnmente utilizados para almacenar gases. Pese a que la industria petroquímica ha aprendido a sortear estas dificultades a nivel industrial, esto encarece ostensiblemente su uso.

Nuevos usos del hidrógeno

Al ser el hidrógeno un combustible “limpio” se ha buscado introducirlo en la matriz energética para reemplazar combustibles fósiles, especialmente en el sector de la movilidad. Actualmente existen aproximadamente 35.000 vehículos movidos por hidrógeno en el mundo, buena parte de ellos concentrados en el estado de California en Estados Unidos, Japón y Alemania. A estos los acompañan aproximadamente 300 estaciones de servicio concentradas en las mismas regiones, así como aproximadamente 1.000 kilómetros de ductos para transporte de hidrógeno. En cuanto al transporte de carga, se ha vislumbrado el hidrógeno en buses y tractocamiones, pero el número de unidades rodando es mucho menor. Otros usos más exóticos como en trenes, aviones y barcos se están explorando en proyectos demostrativos o a escala piloto.

Competencia con la movilidad eléctrica

Desde que se inició la búsqueda de un reemplazo para los motores diésel y de gasolina, diferentes actores del sector de movilidad han buscado alternativas como son el gas natural, el bioetanol, biodiésel, hidrógeno y vehículos eléctricos. El primero de ellos, el gas natural, ha perdido relevancia, pues si bien conlleva una mejora sustancial en emisiones, no contribuye a descarbonizar el sector. El bioetanol y el biodiésel, por su parte, han logrado una participación sólida en el mercado, pero esta no ha pasado de ser modesta por las discusiones que se generaron sobre el uso del suelo arable para su producción, la competencia por la seguridad alimentaria y limitantes tecnológicas. Existe aún mucha expectativa sobre los biocombustibles de segunda generación, pero estos aún no alcanzan un punto de competitividad económica. Quedan entonces en la competencia por la movilidad del futuro los vehículos eléctricos movidos por pilas de combustible o por baterías (FCEV y BEV por sus siglas en inglés respectivamente). A estos se les debe sumar los vehículos híbridos que están ganando relevancia en el mercado, si bien existe hasta cierto punto un consenso general en que son una medida transitoria.

La carrera por la movilidad se enfoca en muchos factores como la autonomía que pueda tener un vehículo con un determinado combustible, la facilidad de generación y distribución del mismo, así como la facilidad para transformar la infraestructura actual para su introducción. No menos importante está el costo final de la tecnología y el impacto real que pueda tener si se tiene en cuenta el ciclo completo, desde la obtención del vector hasta su uso final.  Una de las principales desventajas del carro eléctrico es la baja autonomía, la cual en términos prácticos ronda los 400 kilómetros actualmente. Este es el principal argumento de los defensores del uso del hidrógeno en este segmento, pues con este combustible se alcanzan autonomías similares a las de los combustibles fósiles. Sin embargo, esta ventaja no compensa las dificultades técnicas del hidrógeno ya mencionadas y que impactan los otros factores a tener en cuenta a la hora de introducir una tecnología nueva.

El problema de la generación, el almacenamiento, la distribución y el tiempo efectivo de recarga del hidrógeno, entre otros, hacen que para muchos el futuro de la movilidad sea claramente eléctrico. Un último y tal vez más importante aspecto en este momento frente a la discusión de la movilidad es que los vehículos eléctricos de baterías y los híbridos han alcanzado una participación en el mercado mucho mayor a los de hidrógeno. Al día de hoy hay aproximadamente siete millones de vehículos eléctricos en el mundo y los productores, pese a los anuncios sobre su entusiasmo por el hidrógeno, vienen introduciendo al mercado cada vez más modelos eléctricos y con cada vez mejores prestaciones en autonomía; incluso, en modelos avanzados se han alcanzado autonomías superiores a los mil kilómetros por recarga con precios cada vez más competitivos.

En cuanto a la movilidad de vehículos de carga y transporte aéreo, la electrificación ha alcanzado hitos importantes en el último año, pues varios productores han presentado ya modelos de camiones con autonomías de hasta 500 kilómetros y estaciones de carga rápida, lo cual los hace muy competitivos. En cuanto a los aviones eléctricos, ya se comienzan a comercializar algunos para distancias cortas y un pequeño número de pasajeros. En este aspecto el hidrógeno está mucho más rezagado, pues los modelos no han alcanzado la etapa comercial. Incluso, ya se han presentado reveses para esta tecnología, ya que proyectos de implementación se han cancelado por su elevado costo en comparación con la opción eléctrica.

Conclusiones

La hoja de ruta del hidrógeno en Colombia plantea varios retos y oportunidades. Es por esto que es imperativo revisar los supuestos y las apuestas tecnológicas que se piensan realizar para que el efecto de las acciones genere el bienestar perseguido, en especial en cuanto a los métodos de generación y las aplicaciones del hidrógeno en el corto y mediano plazo. La implementación de tecnologías cuyo avance es vertiginoso, al igual que las posibles alternativas, obliga a monitorearlas en plazos cortos para no invertir en la dirección equivocada. Especial atención genera el uso del hidrógeno azul como tránsito hacia una tecnología más eficiente, así como la apuesta por la movilidad con pilas de combustible, la cual, en vista de los avances recientes en materia de electrificación, puede ser errada.

Bibliografía

Hoja de ruta para el hidrógeno en Colombia. Descargada de: https://www.minenergia.gov.co/es/micrositios/enlace-ruta-hidrogeno/. Consultado en 9.11.22.

Irena (2019): Hydrogen: A Renewable Energy Perspective https://www.irena.org/publications/2019/Sep/Hydrogen-A-renewable-energy-perspective

https://www.statista.com/statistics/1291480/hydrogen-fueled-road-vehicles-worldwide/. Consultado en 9.11.22

* Andrés Cabrera Orozco es Doctor en Ciencias Naturales de la Universidad de Clausthal en Alemania. Actualmente se desempeña como profesor de la Universidad Nacional de Colombia, especialista en temas de energías alternativas y biomasa. Correo electrónico:ancabrera@unal.edu.co