Hidrógeno verde, el «gas del futuro»
Cuando el hidrógeno se quema, deja agua. Aunque como gas no es denso, en peso el hidrógeno es tres veces más denso en energía que el queroseno. El hidrógeno es también el elemento más abundante en el universo y el H2 puede producirse por electrólisis aplicando una corriente eléctrica al agua. La electricidad a su vez se puede generar a partir del viento y el sol. Entonces, para una sociedad que está casada con la combustión en tantas dimensiones de la vida, si queremos seguir quemando gas para calentar nuestros hogares y conducir nuestros vehículos e incluso para generar energía, se presenta la pregunta: ¿es el hidrógeno «verde» un camino hacia una transición energética en la que todo debe cambiar, para que todo siga igual?
Ya hace ciento cincuenta años, Julio Verne promocionó el hidrógeno como un posible combustible. A fines de la década de 1960, GM mostró su electrovan impulsado por una celda de combustible de hidrógeno. En las décadas de 1990 y 2000, la economía del hidrógeno volvió a estar de moda. El presidente Bush y el gobernador Schwarzenegger eran fanáticos. Pero una y otra vez, la gran revolución del hidrógeno no se materializó. H2 comenzó a adquirir la reputación de ser el combustible que tenía el futuro más brillante y siempre lo tendría.
Pero la historia no es el destino. Y nuestros tiempos son diferentes. Mientras que, anteriormente, el hidrógeno se promocionaba como una alternativa a la gasolina. La urgencia de la agenda climática y el impulso por el cero neto ha ampliado su papel. El hidrógeno verde ya no se considera solo como un sustituto improbable de la gasolina. Se promociona como la navaja suiza de la transición energética, adecuada para aplicaciones en la industria, el transporte, la agricultura, el uso doméstico y para el propio sector energético.
En los últimos años, una gran coalición de intereses corporativos se ha reunido detrás del hidrógeno verde. El Hydrogen Council, lanzado en Davos en enero de 2017, se ha convertido en una matriz corporativa masiva asesorada por la consultora de primer nivel McKinsey, launched at Davos in January 2017, has grown into a massive corporate array advised by top tier consultancy McKinsey.
Los gobiernos de Estados Unidos, la Ue (Unión Europea), Reino Unido, Canadá, India y Japón han iniciado en los últimos 12 meses importantes programas de apoyo al hidrógeno. Dentro de los primeros 12 meses de la presidencia de Biden, el Departamento de Energía lanzó un «Disparo a la Tierra» dedicado a reducir drásticamente el costo por unidad de hidrógeno. La Ley de Reducción de la Inflación ofrece subsidios para la producción de hidrógeno verde, que en el mejor de los casos suman $3 por kg de hidrógeno, suficiente para transformar la economía de la industria.
El canciller alemán Olaf Scholz ha llamado al hidrógeno “el gas del futuro” y prometió “un gran auge”. El primer ministro de Japón, Fumio Kishida, ha declarado que «cambiar y desarrollar una sociedad del hidrógeno es fundamental para lograr la descarbonización». Frans Timmermans, vicepresidente ejecutivo de la Ue para el Acuerdo Verde Europeo, cree que el «hidrógeno oscila». Jacob Rees Mogg, brevemente Secretario de Estado de Energía del Reino Unido este año, llamó al hidrógeno «la bala de plata».
Y el negocio ha reaccionado. Grandes planes presupuestados en cientos de miles de millones de dólares se promocionan en todo el mundo. Una compilación reciente encontró que los proyectos de hidrógeno actualmente en discusión totalizaron una cifra asombrosa. El Consejo del Hidrógeno y la AIE se conforman de forma más modesta con una cifra de 500 GW para 2050. Actualmente, la clasificación combinada de todos los electrolizadores de hidrógeno en funcionamiento en todo el mundo es inferior a 1 GW.
La exageración en torno al hidrógeno es indicativa de la forma en que la transición energética se ha transformado, algunos dirían que ha mutado, en una carrera política industrial con cientos de miles de millones en subsidios, mercados numerados en miles de millones y enormes porciones de la estructura económica en juego. La buena noticia es que la inversión finalmente está aumentando a un nivel realmente significativo. Bloomberg contó $ 1.1 billones para la transición energética en 2022.
Este aumento en el gasto es una buena noticia, pero lo que está menos claro es la dirección del viaje. Esto no tiene por qué ser visto como algo malo. Sería ingenuo imaginar que un proceso tan complejo como la transición energética pueda planificarse con décadas de antelación desde arriba hacia abajo. Los gobiernos, las empresas, los productores y los consumidores están todos embarcados en un proceso de experimentación y aprendizaje. Y, por su decisión, con un peso muy desigual, están creando hechos sobre el terreno, que si no son irreversibles, sí implican un compromiso a largo plazo.
Mientras que la expansión de la capacidad solar y eólica y el despliegue de vehículos eléctricos y la infraestructura de carga son relativamente poco controvertidos y dominan el número hasta la fecha. No se puede decir lo mismo del hidrógeno. El hidrógeno puede quemarse de manera relativamente limpia y producir electricidad a través de celdas de combustible, pero dado que el hidrógeno debe producirse mediante la aplicación de energía, el proceso es intrínsecamente ineficiente. ¿Por qué no simplemente aplicar la electricidad que está utilizando para producir hidrógeno a la tarea en cuestión?
Los miembros de la coalición del hidrógeno son todos obviamente titulares de intereses petroquímicos y de combustibles fósiles que buscan un puente hacia la nueva era. Si se realizan, sus ambiciosos proyectos de hidrógeno pueden sobrecargar el suministro disponible de energía verde, con poco beneficio real. Al desviar la energía limpia que tanto se necesita, los proyectos vanidosos de hidrógeno verde pueden incluso ralentizar la transición energética. Y los regímenes de subsidios que se están implementando podrían perpetuarse a sí mismos. Como advirtieron recientemente Gernot Wagner y Danny Cullenward “el hidrógeno podría convertirse en el próximo etanol de maíz”, una criatura de subsidios ruinosamente ineficiente y perjudicial para el medio ambiente que es demasiado grande para matarla.
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Lo que el hidrógeno expone es que todavía existe una gran incertidumbre sobre muchos parámetros básicos del futuro bajo en carbono, sobre las tecnologías que emergerán como dominantes, la probable estructura de precios y los patrones de oferta y demanda de materiales clave y otros insumos. Como informó la Agencia Internacional de Energía en un útil resumen:
El Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático SR1.5 incluye 90 escenarios individuales que tienen al menos un 50% de posibilidades de limitar el calentamiento en 2100 a 1,5 °C (IPCC, 2018)… 18 de estos escenarios tienen un sector de energía con cero CO2 neto y emisiones de procesos industriales en 2050. Como deja claro el resumen de la AIE, estos 18 escenarios difieren sustancialmente en los parámetros básicos, incluso en la participación de la energía eólica y solar en la combinación de energía final.
En tres cuartas partes de los escenarios de cero neto evaluados por el IPCC y la IEA, el hidrógeno juega un papel relativamente específico. Pero en una minoría de ellos, incluido el influyente informe de la AIE, su participación en el consumo de energía final es mucho más prominente.
Si miras debajo de los titulares, incluso entre las líneas del Consejo del Hidrógeno, es obvio un grado de incertidumbre y vacilación. De los proyectos de $ 320 mil millones en discusión, solo $ 29 mil millones, menos del diez por ciento del total, están totalmente comprometidos y en construcción. Esta cobertura tiene consecuencias. Como advierten impacientes defensores del hidrógeno como la AIE, pone en duda la capacidad de cumplir con los ambiciosos objetivos de producción para 2030.
Las incertidumbres en la ecuación del hidrógeno están tanto en el lado de la demanda como en el de la oferta. Las grandes cifras de capacidad requeridas para 2050 se obtienen sumando todos los usos imaginables de hidrógeno, muchos de los cuales son discutibles e incluso polémicos.
La más antigua de las causas a las que se asocia el hidrógeno es el transporte. De hecho, el primer automóvil impulsado por un motor de combustión interna fue un carruaje sin caballos ideado por el inventor suizo de Rivaz en 1807. Funcionaba con hidrógeno almacenado en un globo.
Hoy en día, Toyota es un caso atípico en la industria del automóvil al permanecer fuertemente comprometido con la tecnología de celdas de combustible de hidrógeno, a diferencia de los vehículos eléctricos que funcionan con baterías.
En los Juegos Olímpicos de 2021, los visitantes fueron transportados por Tokio en vehículos Toyota impulsados por hidrógeno. Puede resultar ser su canto del cisne. Hyundai también sigue apostando por el hidrógeno. Pero el costo de la tecnología y la falta de infraestructura de abastecimiento de combustible hace que sea muy improbable que alguna vez desafíen la revolución impulsada por baterías en los vehículos de motor. El área donde las celdas de combustible de hidrógeno pueden encontrar un lugar en la carretera es en camiones pesados. Toyota tiene una sociedad de trabajo con Kenworth para producir grandes plataformas impulsadas por celdas de combustible. Han sobrevivido a las pruebas en el Puerto de Los Ángeles, uno de los centros de transporte más importantes del mundo, y ahora se están implementando en todo el país. En el Reino Unido, Ford está probando vehículos pesados alimentados con hidrógeno con Ocado, la tienda de comestibles en línea.
En los cielos, Airbus persigue la aviación propulsada por hidrógeno. Está desarrollando múltiples prototipos que usan combustión de hidrógeno y celdas de combustible para impulsar vuelos de largo alcance. Airbus espera tener bancos de prueba volando para 2025, seguidos de prototipos y verdaderos aviones comerciales de cero emisiones para 2035. Safran, un fabricante de motores francés proveedor de Airbus, ha confirmado que está buscando energía de hidrógeno para aviones comerciales. Tan prometedor como puede ser, la verdadera pregunta es por qué Airbus rechazaría los biocombustibles de alto rendimiento como una alternativa más barata y obvia.
Maersk, el gigante naviero, es otro miembro del club del hidrógeno. Recientemente anunció que, como primer gran paso para descarbonizar su flota, obtendrá 6 millones. toneladas por año de metanol verde por año para 2030. Maersk está forjando asociaciones con el gobierno español, entre otros, para garantizar esos enormes suministros. Pondrá en servicio una flota de 19 buques capaces de funcionar con metanol verde entre 2023 y 2025 y ya ha anunciado un total de siete asociaciones estratégicas para asegurar los volúmenes necesarios para satisfacer las demandas de estos buques iniciales.
Fuera del transporte, el entusiasmo más reciente por el hidrógeno es el acero verde. Esto es prometedor, de hecho, muchos lo consideran indispensable. El hidrógeno aparece en estos prototipos no como combustible para calentar altos hornos gigantes como todavía lo hacen el carbón y el gas, sino como un agente reductor para transformar químicamente el mineral de hierro. La calefacción se realiza con electricidad verde. El problema es la escala y la eficiencia y concertar una industria global gigante. Hasta el momento, 20 de los 19 experimentos con acero verde están en Europa y Europa está lejos de ser el centro de la industria siderúrgica mundial, que ahora gira en torno a China. Además, las escalas de energía necesarias son abrumadoras. Como señala Leigh Collins, la planta siderúrgica promedio de la Ue necesitaría la friolera de 1,2 GW de electrolizadores y 4,5 GW de energía solar para descarbonizarse. Esa es más capacidad de hidrógeno verde de la que existe actualmente en el mundo.
Otro de los favoritos es la idea de utilizar hidrógeno como reserva de energía a largo plazo. La intermitencia es el principal desafío de la conversión a la generación de electricidad renovable. Las baterías son la solución obvia a corto plazo. Pero no pueden mantener la carga durante un período de meses para compensar las fluctuaciones estacionales. En Utah y en otros lugares, se están preparando cuevas de sal gigantes para recibir grandes volúmenes de hidrógeno producido durante los períodos pico de viento y sol. Sin embargo, la pregunta, dado el costo de las instalaciones de electrolizadores, esi tendrá sentido mantener la capacidad de producción de hidrógeno en reserva para el aumento estacional de la energía renovable. El hidrógeno almacenado nunca será competitivo con el gas producido a partir de operaciones continuas bien administradas y, ¿la existencia de sacas de reserva distorsionará el mercado para los productores regulares?
La idea más descabellada y que suscita más escepticismo es la apuesta de la industria del gas por ver al hidrógeno como sustituto del gas natural en aplicaciones domésticas. Como informa Emily Pontecorvo de Grist, la industria del gas natural está librando una feroz acción de retaguardia para proteger su enorme inversión en la red al presentar el hidrógeno como un gas limpio del futuro. Aparte de la enorme tarea de mejorar las tuberías de millones de hogares, la economía del hidrógeno verde es terrible en comparación con las propiedades casi mágicas de los intercambiadores de calor que enfrían y calientan.
Si deja a un lado a los escépticos y suma todos estos usos potenciales, llega al escenario de 500 GW para el hidrógeno verde promocionado por la AIE y el Consejo del Hidrógeno. Tal vez, como era de esperar, la AIE agradece al Consejo del Hidrógeno por su aporte. Si lees a Michael Liebreich, llegas a una conclusión muy diferente. Incluso ha reunido los grados de exageración del hidrógeno en un gráfico práctico.
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A la sensación especulativa de la discusión sobre el hidrógeno se suma el hecho de que, de hecho, el hidrógeno nunca se ha producido a escala por hidrólisis. La capacidad global total es inferior a 1 GW. Simplemente no sabemos si algo de eso se puede hacer.
Lo que lo sustenta son dos asunciones cornucopianas. Gracias a los enormes avances logrados en la energía solar y eólica, parece realista creer en los milagros de reducción de costos. Las curvas de aprendizaje y aprender haciendo están a la orden del día. Cuanto antes empieces, mejor.
Actualmente tenemos menos de un GW de capacidad de electrolizadores instalados en total, en todo el mundo. Para 2050 los planes prevén 500 GW, suficiente para suministrar hidrógeno verde para cubrir todos los sectores difíciles de abatir. Eso es mucha instalación y, por lo tanto, se promete, muchos ahorros de costos.
La historia de los paneles solares y las turbinas eólicas ofrece un ejemplo prometedor de la rapidez con que pueden progresar las tecnologías de energía renovable. Pero como subraya Danny Cullenward, el hidrógeno es menos un artilugio que un sistema y el desarrollo de los sistemas es extremadamente complejo y difícil de predecir.
La segunda suposición cornucopia es que, una vez instalado, habrá suficiente electricidad verde renovable para alimentar esta enorme flota de electrolizadores. Según algunos modelos, una flota de 500 GW de electrolizadores consumiría no menos del 30 por ciento de toda la electricidad generada para 2050. De hecho, en el modelo más optimista, la enorme expansión de la demanda de hidrógeno verde se convierte en el motor de una enorme producción de energía renovable.
Los más fervientes defensores del hidrógeno añaden una suposición adicional. La mejor manera de reducir costos no es simplemente impulsar la escala máxima, sino combinar esto con el comercio. Claramente, hay algunas partes del mundo que tendrán costos excepcionalmente bajos para la energía renovable. Presumiblemente, la lógica más obvia sería procesar hidrógeno en amoníaco y fertilizante en, por ejemplo, Namibia, antes de exportarlo. Pero el Consejo del Hidrógeno prefiere imaginar que el H2 se comercializa como el petróleo.
Japón ha llevado a cabo experimentos con el envío de H2, pero decir que el potencial para el comercio de hidrógeno no se ha probado es una exageración. Sin embargo, ya están en marcha debates elaborados sobre los posibles cambios en el equilibrio de poder global si surgen nuevos centros de producción de hidrógeno verde. A menos, por supuesto, que la escala gigante de los subsidios del IRA de EU asegure que no son las condiciones naturales sino el tamaño de los recursos fiscales de un estado lo que finalmente es decisivo. La
Asociación para la Transición Energética Justa está destinada a promover el desarrollo del hidrógeno en, por ejemplo, Namibia. Modi y sus compinches oligarcas tienen grandes ambiciones para India como productor de hidrógeno. Los enormes subsidios internos de Estados Unidos crean una montaña que los países en desarrollo deben escalar. Si su amoníaco alguna vez competirá con las «moléculas de la libertad» de Texas es una pregunta abierta.
La preocupación más inmediata, sin embargo, es que producir hidrógeno consume mucha energía y estamos lejos de vivir en un mundo en el que la energía renovable sea abundante y de bajo costo. Por lo tanto, existe un riesgo real de que los grandes proyectos nuevos de hidrógeno puedan desviar la energía limpia de estrategias más eficientes para la descarbonización.
Esta es la razón por la cual la primera línea clave en los debates sobre los nuevos y enormes subsidios al hidrógeno se refiere a la adicionalidad. Primero, la Ue y ahora EU están debatiendo reglas que garantizarán que un aumento en la producción de hidrógeno por hidrólisis no le dé una nueva vida a una red eléctrica sucia. Las preguntas clave son: ¿La planta de hidrógeno añade nueva capacidad verde a la red? ¿Es local a la instalación de hidrógeno para evitar ejercer presión sobre la red? ¿Y está disponible la energía cuando los electrolizadores la necesitan?
El lobby del hidrógeno quiere la máxima flexibilidad en todos los aspectos. Argumenta a favor de acelerar la construcción para obtener efectos de aprendizaje y economías de escala lo más rápido posible. Pero cada concesión agrega más presión sobre la escasa capacidad de energía verde. La Ue llegó a un compromiso en febrero. El Tesoro de los Estados Unidos todavía está trabajando en las reglas
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En el debate sobre el hidrógeno hay un hecho que con demasiada frecuencia pasa desapercibido. La economía del hidrógeno no es hipotética. Nuestras economías, tal como están, ya dependen de la producción de grandes volúmenes de hidrógeno para dos procesos químicos básicos: el procesamiento de petróleo y la producción de fertilizantes.
Para estos fines producimos más de 90 millones de toneladas de hidrógeno al año. Es una industria que vale $ 160 mil millones más o menos. Y debido a que el hidrógeno se obtiene del gas natural y, a veces, del carbón, es un proceso extremadamente sucio. Estos usos del hidrógeno no tienen el glamour de la aviación ecológica o los vehículos de pila de combustible. Pero son imprescindibles y son muy sucios. A nivel mundial, la producción de hidrógeno hoy en día representa emisiones equivalentes a las de una economía como la de Alemania. Estos usos se ubican incluso en la jerarquía del hidrógeno de Liebreich en lo más alto. Para llegar a cero neto, independientemente de los nuevos usos que encontremos para el hidrógeno, este consumo de hidrógeno existente deberá limpiarse.
Eso por sí solo no es un trabajo pequeño. En un país europeo de tamaño medio como el Reino Unido, reemplazar el consumo actual de hidrógeno con hidrógeno verde requeriría una gran parte de la energía renovable generada actualmente y una fuerte inversión en capacidad electrolítica. En cierta medida, esta demanda se verá aliviada por la liquidación de la industria petrolera, que es el principal consumidor de hidrógeno industrial. Pero el resto de la industria química permanece, lo más importante de toda la industria de los fertilizantes sin la cual no podríamos alimentar a los 8 mil millones de habitantes humanos de nuestro planeta.
Visto desde el punto de vista del inversor, es una buena noticia que exista una fuente constante de demanda de hidrógeno en la industria existente. No se especula sobre la necesidad de amoníaco o metanol en la industria. Pero eso no significa que vaya a ser fácil cambiar el hidrógeno verde por el hidrógeno gris que se consume actualmente. Sobre todo hay problemas de ubicación. El hidrógeno industrial se produce in situ en plantas químicas. No se envía como el carbón, el petróleo o el gas natural. Crear un mercado para el hidrógeno verde industrial no es simplemente una cuestión de tecnología. Requiere la creación de un nuevo mercado de productos básicos y una nueva ola de inversión altamente específica.
La gigantesca planta de BASF en Ludwigshafen es un buen ejemplo. Del millón de toneladas de hidrógeno que BASF consume anualmente en sus operaciones en todo el mundo, 250.000 toneladas se producen y consumen actualmente en Ludwigshafen, lo que la convierte en uno de los mayores consumidores del mundo. BASF ahora se esfuerza por construir asociaciones con productores de energía renovable en toda Europa para obtener la energía que necesita para cambiar a la electrólisis. También ha atraído una modesta cantidad de fondos de la Ue para apoyar la etapa piloto de su nueva planta de electrolizadores. Por delante de Europa, los centros gemelos de la industria química del mundo están en China y EU.
China es donde se encuentra la mayor parte de la producción de amoniaco y fertilizantes del mundo. El experimento de producción de fertilizantes verdes más grande del mundo se está llevando a cabo con el entusiasta apoyo de las Naciones Unidas en China (Mongolia Interior) y la participación de institutos de investigación de la Universidad de Tsinghua. Como un informe resume la situación en China:
Se informó que 40 proyectos de amoníaco verde se encuentran en las etapas de desarrollo y aprobación previa. Aparentemente, el país se está saltando el enfoque del amoniaco azul favorecido por otras naciones en Europa y Medio Oriente, e invirtiendo en cambio en proyectos de construcción e investigación de amoniaco verde a gran escala. Una planta en el norte de China, propiedad de Envision Energy, tiene una planta de amoniaco verde de 20.000 t/año actualmente en construcción, a la que seguirá un incremento hasta 300.000 t/año. Fuentes de la industria dijeron que la planta, que funcionará con energía eólica y está ubicada en Mongolia Interior, podría estar lista para comenzar a exportar amoniaco verde a fines de 2024. La región de Mongolia Interior se ha convertido cada vez más en el foco de las instalaciones de hidrógeno y amoniaco que funcionan con energía renovable, durante los últimos meses.
A raíz de esta ola de inversión, es probable que China emerja como un importante exportador de amoniaco verde, pero también como exportador de instalaciones para la producción de amoniaco verde en el resto del mundo. El primero es una cooperación con Marruecos, que se promociona ampliamente como una futura potencia en hidrógeno verde.
Fuera de China y Europa, puede que, de hecho, sean los Estados Unidos y, en particular, Texas los que lideren el impulso del hidrógeno verde que realmente importa. El proyecto de ley de infraestructura bipartidista de 2021 ofreció financiamiento para centros de hidrógeno que describió como “red[es] de productores de hidrógeno limpio, posibles consumidores de hidrógeno limpio e infraestructura conectiva ubicada en las proximidades… que se puede desarrollar en una red nacional de hidrógeno limpio para facilitar una economía de hidrógeno limpio”. De hecho, Texas tiene una extensa red de tuberías de hidrógeno que interconectan estos centros. El IRA se duplicó con enormes subsidios. De todos los lugares del mundo, es probablemente Texas el que ahora ofrece las condiciones más propicias para una construcción verdaderamente rápida de hidrógeno verde.
Reducir la transición energética global de un billón de dólares a proyectos de inversión individuales en Ludwigshafen, Mongolia y Texas puede parecer una equivocación. Y esos proyectos y otros como ellos solo pueden ser el comienzo. Pero como han argumentado Victor Cullenward y Victor Sabel es precisamente de tales redes sectoriales de productores y consumidores de donde emergen las verdaderas soluciones tecnológicas y económicas. Es en este nivel, en este medio de productores y consumidores, donde se producirá el aprendizaje que implica la transición energética, en la práctica situada. ¿Dónde más, sino in medias res?