A actualidade do hidróxeno

Presente ou futuro?

Elo preciso para a transición

Non é a primeira vez que o hidróxeno se posiciona para irromper no panorama enerxético global. O seu uso como fonte de enerxía comezou nas primeiras décadas do século XIX, utilizado como gas de iluminación e para inflar globos aerostáticos. 

Posteriormente, cando a perspectiva e preocupación polo esgotamento das enerxías fósiles (estimación do “peak oil”) lideraba as análises estratéxicas ao redor da enerxía, as dúas primeiras ondas de hype do hidróxeno se correlacionan temporalmente coas crises do petróleo (1973 e 1979), e centrábanse no hidróxeno como alternativa para os combustibles convencionais.

Hoxe en día, soa a voz de alarma polo exceso de emisións derivadas dos recursos fósiles e a súa repercusión, cada vez máis visible, no cambio climático, as persoas e o medio. A neutralidade climática é o obxectivo marcado por xa máis de 100 países para 2050 (incluíndo a UE, ou países fortemente emisores como China ou EE.UU.) e pasa pola descarbonización de todos os sectores da nosa economía: é un obxectivo ambicioso nun contexto no que a demanda de enerxía primaria segue aumentando exponencialmente (e o sector da enerxía é responsable de máis do 44% das emisións!).

Neste contexto, vivimos actualmente a terceira onda de hype do hidróxeno, do que se espera un rol significativo na transición enerxética en curso por varias razóns:

• É o único combustible que non xera dióxido de carbono durante a súa utilización, ofrecendo a posibilidade de descarbonizar múltiples sectores (mobilidade ou enerxía).

• Existen reservas a priori inesgotables, en canto é xerado por fontes renovables.

• Emerxe como solución de aproveitamento dos excedentes de enerxías renovables, e ao tempo favorece a descarbonización da demanda enerxética non facilmente electrificable (calor, mobilidade pesada).

• As cores do hidróxeno

O hidróxeno é o elemento químico máis simple (un protón e un electrón) e o máis abundante do universo, aínda que non o atopamos de forma libre no noso planeta senón formando compostos (como a auga ou o metano), polo que se require aplicar tecnoloxía específica e enerxía para a súa obtención. En condicións normais atópase en forma diatómica gas (H2) e, aínda que posúe máis densidade enerxética másica (enerxía por unidade de masa) que os combustibles tradicionais, é un gas moi lixeiro (densidade volumétrica 0.09 kg/Nm3), polo que se requiren grandes volumes para o seu almacenamento. Este punto determina o balance enerxético de toda a súa cadea de valor (produción, distribución, consumo).

Existen diferentes tipos de hidróxeno, que se clasifican segundo o proceso de produción e a fonte de enerxía utilizada.

O metano contido no gas natural é a materia prima máis común utilizada na produción industrial de hidróxeno (tanto puro como en forma de syngas) a través do proceso de reformado de vapor. Esta forma de hidróxeno, derivada de combustibles fósiles, tamén se coñece como hidróxeno gris, e conleva a emisión de CO2 resultante do proceso (5.5 t CO2 por t de H2 producida). Se o CO2 emitido é captado (proceso CCS) o hidróxeno así xerado denomínase azul.

O hidróxeno verde, libre de emisións, correspóndese actualmente só co 0,3 por cento do total, e xérase a través de electrólise da auga con enerxía eléctrica renovable, como a fotovoltaica ou eólica. O hidróxeno verde é un dos elementos vertebradores da descarbonización.

Figura 1. Producción de Hidróxeno. Datos 2020. (Outros inclúe: 1.9% com subproducto de proceso de produción de cloro, 0.4% SMR con CCS, 03% electrolisise EERR, 0.1% gasificación carbón con CCS).

Demanda global actual e futura de hidróxeno

Baixo o Escenario de Compromisos Anunciados (ECA) da AIE estímase unha demanda global de ao redor de 300 toneladas de hidróxeno a metade de século, e de aproximadamente 520 toneladas no ano 2070, comparativamente á actual demanda anual de 70 toneladas, para satisfacer principalmente o sector de refino e produción de fertilizantes (amoníaco).

Figura 2. Perspectiva evolución demanda de hidróxeno (escenario ECA de la AEI)

O sector que experimentará o maior auxe na súa demanda é o do transporte, contabilizando máis de 100 toneladas anuais en 2050, tanto para a mobilidade directa (pila de combustible) como para a síntese de e-fuels.

En Europa, dentro do sector industrial, espérase unha redistribución na demanda de aquí a 2050, marcada pola irrupción do hidróxeno no sector do aceiro (estimada prospectivamente en 123 TWh/ano) e a case total desaparición da demanda en refinerías.

Figura 3. Evolución da distribución da demanda do hidróxeno para o sector industrial en Europa.

Expectativas de produción de hidróxeno verde

Para cumplir cos obxectivos de descarbonización fixados, na actualidade estanse a apostar dende as entidades supranacionais en favorecer a prodición do hidróxeno verde, e na creación dunha infraestructura adecuada que permita substituír en gran medida o gas natural.

A nivel global, actuamente cóntase cunha capacidade total de electrólise de 200 MW, e a planta de produción máis grande xenera 8 t/día de hidróxeno. Anunciáronse recentemente uns 350 proxectos de electrólise para a a xeración de hidróxeno verde, que producirían no ano 2030 uns Mt, fronte aos 12MtH2 que proxecta o escenario ECA fronte aos 30 MtH2 que se corresponden ao escenario aínda máis ambicioso de Cero Emisións Netas (CEN).

En Europa, Francia lidera a previsión de instalación de capacidade de electrólise en 2030 (6.5GW), seguida por Alemania e Italia. En España prevese unha capacidade total de 4 GW de acordo cos escenarios de políticas e compromisos anunciados. Se se considera un escenario optimizado de custo de produción de hidróxeno, que asume un maior despliegue de enerxía fotovoltaica e eólica, os valores de capacidade anunciados poderían verse multiplicados por un factor 10.

Figura 4. Forecast de capacidade e consumo en Europa en 2030.

Costes prospectivos na produción de hidróxeno

Unha das barreiras que hai que vencer para reducir o gap entre a produción de hidróxeno verde proxectada coa demanda prospectiva necesaria para cumprir os obxectivos de descarbonización é o seu custo de xeración.  

Na maior parte do mundo, a produción de hidróxeno gris é a opción máis barata, oscilando segundo o prezo do gas entre 0.5 e 1.7 €/kg. O custo nivelado de hidróxeno verde sitúase entre 3 e 8 €/kg, representando o custo da electricidade renovable un 50-90% do total (segundo custo de xeración eléctrica e horas de dispoñibilidade).

Figura 5. LCOE en Europa basado en PV en 2020.

Os factores que se espera reduzan a brecha de custo de produción do hidróxeno gris e verde a futuro son a baixada de prezo da electricidade renovable, a diminución de custos de equipos a medida que o despregamento de tecnoloxía avanza (electrólise) e o custo de emisión de CO2. 

Ademais, a mellora tecnolóxica que redunde nunha maior eficiencia de produción (incluíndo o rendemento global do equipo ou BoP, non só o stack de electrólise) modificará o impacto do custo de electricidade sobre o prezo nivelado.  Aínda que co despregamento masivo das enerxías renovables, a dispoñibilidade de enerxía excedentaria a baixo custo resultará nunha baixada de prezo de produción de electrolisis, a maior parte dos escenarios proxectados que permiten baixar de 3 €/kg de hidróxeno contemplan a operación continua (instalación de EERR dedicadas a xeración de hidróxeno).

A maiores dos custos de produción, é importante considerar os custos de transporte e distribución do hidróxeno. Aínda que a canalización é o medio de transporte máis directo, a conversión de gasodutos existentes é un reto desde o punto de vista técnico.

O hidróxeno pode almacenarse á súa vez como gas comprimido, en forma líquida ou por medio de portadores de hidróxeno orgánico líquido (como o metanol ou outras moléculas aromáticas) e o amoníaco. Estímase que o transporte de hidróxeno líquido sexa a opción máis custosa, aínda que a regasificación nas terminais de importación tería custos significativamente máis baixos que o craqueo de amoníaco.

Figura 6. Forecast de prezos do Hidróxeno verde en 2030 según ruta de transporte e método.