Tecnologías para la producción de hidrógeno – Los colores del hidrógeno

El hidrógeno está ganando tracción rápidamente en los últimos tiempos. Gracias en gran medida a los Fondos de Recuperación Europeos muchas son las empresas que se están embarcando en proyectos que persiguen el uso del hidrógeno a fin de descarbonizar sus actividades. Una de las grandes ventajas que presenta el hidrógeno son las nulas emisiones de dióxido de carbono en su punto de uso final. De hecho, en el caso de emplear el hidrógeno en una pila de combustible la única emisión resultante será agua, mientras que, en el caso de utilizarlo en motores de combustión interna, ciertamente, todavía presentará unas pequeñas emisiones de óxidos de nitrógeno. Por lo tanto, las emisiones de gases de efecto invernadero con el uso del hidrógeno serán nulas o prácticamente nulas en el punto de uso final. Sin embargo, el hidrógeno no es un combustible que se encuentre libre y que se pueda extraer de forma directa de la naturaleza. Por el contrario, el hidrógeno es un vector energético, es decir, su obtención está sujeta a un proceso de producción que requiere una cierta cantidad de energía. De este modo, si bien el uso del hidrógeno no da lugar a emisiones de efecto invernadero, su obtención sí puede tener unas emisiones asociadas en función del proceso seguido, de las fuentes de energía primaria empleadas y del post-procesado. En este punto cabe destacar que el hidrógeno será tan limpio y cero emisiones como lo sea su proceso de obtención, y esto es muy importante. Por ejemplo, de nada servirá sustituir todos los vehículos con motores de combustión interna por su equivalente de pila de combustible si el hidrógeno que se le suministra a dichos vehículos ha sido obtenido por una ruta más contaminante que el uso del propio diésel o gasolina. En función de la fuente primaria de energía empleada para producir el hidrógeno, así como de los procesos de obtención empleados, es posible clasificar el hidrógeno obtenido mediante la asignación de una escala de colores, en lo que se ha dado en llamar los colores del hidrógeno, que si bien no está completamente estandarizada sí que se encuentra muy extendida.

Esquema conceptual de los colores del hidrógeno con las distintas fuentes, procesos, post-procesos y emisiones

Figura 1. Esquema conceptual de los colores del hidrógeno con las distintas fuentes, procesos, post-procesos y emisiones.

La mencionada escala de colores del hidrógeno se encuentra resumida en el esquema sinóptico de la Figura 1. A continuación pasamos a desglosar más en detalle las características, procesos asociados, emisiones y precio nivelados resultante correspondientes a cada uno de los colores del hidrógeno.

Hidrógeno negro/marrón

El hidrógeno negro y marrón es producido a partir de carbón, negro en el caso de ser un carbón bituminoso y marrón en el caso de emplearse lignito, típicamente mediante un proceso de gasificación. Esto da lugar a un gas de síntesis, una mezcla rica en hidrógeno y monóxido de carbono, si bien dependiendo del proceso concreto también puede aparecer dióxido de carbono en cantidades variables. Estos procesos de gasificación son conocidos desde hace tiempo siendo los métodos mediante los que se producía el gas para el alumbrado público a finales del siglo XIX. En la actualidad se emplean para la producción de intermedios, como el hidrógeno, necesarios en los procedimientos de obtención de amoniaco o metanol. Uno de los posibles procesos de gasificación del carbón sigue la siguiente reacción:

Reacción 1: \(\textrm{C}(s) +  \textrm{H}_{2}\textrm{O} (g) \longrightarrow \textrm{H}_{2}(g) + \textrm{CO} (g) \)

El gas de síntesis resultante, denominado en este caso particular gas de agua, se obtiene calentando carbón a alta temperatura (800 °C – 1300 °C), y haciendo pasar vapor de agua a través de él. Normalmente se incorporar una cierta proporción de oxígeno en el reactor (entre el 20 % – 30 % de lo que sería necesario para la combustión completa de todo el carbón) para que tenga lugar un proceso de combustión que permita alcanzar las altas temperaturas necesarias [1].

Con el objetivo de reducir la presencia de monóxido de carbono y aumentar la riqueza en hidrógeno del gas de síntesis suele emplearse una reacción de desplazamiento del gas de agua (water-gas shift reaction en inglés) como sigue:

Reacción 2: \(\textrm{CO} (g) +  \textrm{H}_{2}\textrm{O} (g) \longrightarrow \textrm{H}_{2}(g) + \textrm{CO}_{2} (g) \)

De este modo, pueden alcanzarse concentraciones finales de monóxido de carbono inferiores al 1 %. Aun así, en estos procesos se producen elevadas cantidades de CO2 que suelen ser venteadas a la atmósfera con el consiguiente daño medioambiental. El proceso en su conjunto presenta una eficiencia aproximada del 55 % (con relación a los poderes caloríficos superiores de carbón e hidrógeno) [2], resultando en la necesidad de unos 8 – 17 kg de carbón (dependiendo de si es antracita o lignito respectivamente) para la producción de 1 kg de hidrógeno. Ello da lugar a unas emisiones directas de CO2 asociadas de entre 23 – 30 kg CO2/kg H2 (asumiendo factores de emisiones de CO2 de entre 90 y 115 kg CO2/GJ de energía suministrada [3]). Adicionalmente, las emisiones indirectas debidas a la extracción y cadena de suministro del carbón pueden aportar entre 2.5 y 5.6 kg CO2eq/kg H2 [4], dependiendo notablemente del tipo de minería llevada a cabo para la extracción del carbón. En cuanto al precio de este hidrógeno, con estimaciones de mercado correspondientes al año 2019, el correspondiente coste nivelado del hidrógeno producido de este modo sería de entre 0.85 – 1.65 €/kg H2 [4]. Las emisiones asociadas al hidrógeno negro y marrón así como su coste nivelado pueden  verse de forma gráfica en la Figura 2. Con estos resultados y suponiendo que el consumo de un coche de pila de combustible es de unos 0.95 kg H2/100 km se tendría que dicho vehículo, si bien tendría unas emisiones nulas en su uso, tendría unas emisiones asociadas debidas al origen del hidrógeno empleado de entre 21.9 – 28.5 kgCO2/100 km. A fin de comparación, cabe destacar que el Seat Arona, vehículo más vendido en España en el año 2021, presenta unas emisiones de 11.5 kgCO2/100 km [5]. Por tanto, si el hidrógeno que se fuese a emplear en las estaciones de repostaje de hidrógeno fuese hidrógeno negro o marrón, no se estaría resolviendo el problema medioambiental, es más, se estaría agravando de forma notable. Aun así, en torno al 2% de la producción global de carbón se emplea para la producción de hidrógeno, representando un 18 % del total de hidrógeno producido en el mundo [6], véase Figura 3.

Emisiones equivalentes de dióxido de carbono del ciclo de vida y coste nivelado del hidrógeno negro y marrón

Figura 2. Emisiones equivalentes de dióxido de carbono del ciclo de vida y coste nivelado del hidrógeno negro y marrón. Fuente de los datos: algunos de los datos incluidos en esta figura han sido extraídos de [2,4], mientras que otros han sido estimados directamente.

Hidrógeno gris

Veamos a continuación el hidrógeno gris, el cual hace referencia al hidrógeno producido a partir de gas natural o petróleo mediante procesos de reformado de metano con vapor (steam methane reforming en inglés), reformado autotérmico del gas natural u oxidación parcial de crudo, principalmente.

El reformado de metano con vapor, el proceso más extendido, da lugar nuevamente a un gas de síntesis, en este caso a través de la reacción de metano, en lugar de carbón, con agua como muestra la siguiente reacción:

Reacción 3: \(\textrm{CH}_{4}(g) +  \textrm{H}_{2}\textrm{O} (g) \longrightarrow 3\textrm{H}_{2}(g) + \textrm{CO} (g) \)

Esta es una reacción fuertemente endotérmica que requiere elevadas temperaturas para llevarse a término, hasta 1000 °C. Previo al proceso de reformado es indispensable eliminar las trazas de compuestos de azufre presentes en el gas para evitar el envenenamiento de los catalizadores, siguiendo con un pre-reformado opcional cuyo objetivo es romper los hidrocarburos de cadenas más largas como el butano o el propano de modo que se aumente la riqueza de metano y el proceso sea más eficiente. Tras el reformado suele implementarse como en el caso del carbón una reacción de desplazamiento del gas de agua a fin de aumentar el contenido de hidrógeno y eliminar la presencia de monóxido de carbono, véase la reacción 2. Como puede comprobarse a partir de las reacciones 1 y 2, por cada mol de carbón se producían en total 2 moles de H2 y 1 mol de CO2, sin embargo, en el caso del reformado del metano por cada mol de metano se obtienen 4 moles de H2 y 1 mol de CO2. De este modo, para producir la misma cantidad de hidrógeno el hidrógeno gris lleva asociadas unas menores emisiones de CO2 que el hidrógeno negro o marrón, a nivel estequiométrico.

Estructura de la producción de hidrógeno mundial según la tecnología empleada

Figura 3. Estructura de la producción de hidrógeno mundial según la tecnología empleada. Fuente de los datos: [7]. Elaboración de la figura: propia.

El proceso en su conjunto presenta una eficiencia aproximada del 76 % (con relación a los poderes caloríficos superiores de metano e hidrógeno) [2]. De este modo, para producir 1 kg de hidrógeno se requieren 3.4 kg de metano y se producen unas emisiones asociadas de 9.3 kg de CO2 (incluyéndose en la estimación el CO2 derivado de la producción directa de hidrógeno según las reacciones 2 y 3, y el resultante del proceso de combustión de metano para la generación del calor requerido en la reacción 3). Puede comprobarse como el hidrógeno gris presenta entre 2 y 3 veces menos emisiones por kilogramo de hidrógeno que el hidrógeno negro/marrón. Adicionalmente, el coste nivelado del hidrógeno gris, con estimaciones de mercado correspondientes al año 2019, se situaría en el entorno de 1.19 €/kg H2 [2], véase Figura 4. Sin embargo, hay que tener cuidado con este valor pues el precio del gas natural en Europa ha aumentado enormemente a lo largo del año 2021. De hecho, en el estudio del que se ha obtenido dicho valor se plantea un coste de unos 13 €/MWh de metano [4], pero la realidad actual, como indicó recientemente Marcos Rupérez Cerqueda en LinkedIn [8], es que el precio del gas natural en España se sitúa en el entorno de los 78 €/MWh de metano [9], teniendo en cuenta además un coste por emisiones de CO2 de 86 €/t CO2 [10], el precio actual de 1 kg de hidrógeno producido mediante la ruta gris sería más próximo a los 4.8 €/kg H2. Si bien este no es un coste nivelado, ya que solo se han tenido en cuenta los costes operativos, sí que nos da una idea de la cota inferior del coste del hidrógeno con los precios actuales del gas natural.

Una variable adicional que no se ha tenido en cuenta en el cálculo de las emisiones de CO2 en el caso del reformado del gas natural son las potenciales emisiones asociadas a la cadena de suministro del metano, las emisiones indirectas. En particular, las denominadas emisiones fugitivas de metano aguas arriba del proceso de producción de hidrógeno. Estas emisiones son aquellas causadas por la liberación, ya sea deliberada o involuntaria, de metano durante su proceso de extracción, procesado, transporte o entrega al punto de uso final. En este sentido, se ha estimado que aproximadamente el 2.3 % de todo el metano producido en los Estados Unidos es emitido a la atmósfera en forma de emisiones fugitivas [11]. No hay que olvidar que el potencial de calentamiento global del metano a 100 años es 28 veces superior al del CO2, con lo que las emisiones fugitivas representan un gran perjuicio a nivel medioambiental, desincentivando el uso del gas natural para la producción de hidrógeno. Recientes estudios fijan las emisiones de CO2 equivalente por kilogramo de hidrógeno producido entre 10.1 – 17.2 kg CO2eq/kg H2 cuando se tienen en cuenta las emisiones fugitivas de metano causadas por la cadena de suministro de este compuesto [4]. Un intervalo, este, sensiblemente superior a las emisiones derivadas únicamente del proceso de reformado del gas natural.

Emisiones equivalentes de dióxido de carbono del ciclo de vida y coste nivelado del hidrógeno negro, marrón y gris

Figura 4. Emisiones equivalentes de dióxido de carbono del ciclo de vida y coste nivelado del hidrógeno negro, marrón y gris. Fuente de los datos: algunos de los datos incluidos en esta figura han sido extraídos de [2,4], mientras que otros han sido estimados directamente.

Regresando a la comparativa entre un vehículo de pila de combustible que consuma unos 0.95 kg H2/100 km y el Seat Arona, se tiene que en esta ocasión las emisiones asociadas a la producción de hidrógeno para el vehículo de pila de combustible serán de aproximadamente 8.8 kgCO2/100 km (sin haber tenido en cuenta las potenciales emisiones fugitivas). Estas emisiones si bien son inferiores a las que presenta el Seat Arona (11.5 kgCO2/100 km [5]) no tienen en cuenta las emisiones fugitivas de metano, si bien tampoco están contabilizadas en las emisiones del vehículo tomado como referencia. Por lo tanto, con el uso de hidrógeno gris tampoco parece que pueda resolverse el acuciante problema que nos ocupa en relación con las emisiones de gases de efecto invernadero ya que las mejoras parecen marginales respecto al uso de los actuales combustibles fósiles.

Según datos de 2005, ya un poco anticuados pero que aún siguen tomándose de referencia pues el panorama no ha variado mucho hasta el momento (aunque lo hará en un futuro próximo), el 48 % del hidrógeno producido a nivel mundial se obtiene por reformado del gas natural y otro 30 % por reformado de hidrocarburos complejos [7], véase Figura 3. Por lo tanto, la mayor parte del hidrógeno producido a día de hoy lo es por la vía del reformado del gas natural que como puede verse lleva asociadas unas importantes emisiones de gases de efecto invernadero. En total en el mundo hay instalados unos 300 GW de reformadores orientados a la producción de hidrógeno.

Hidrógeno amarillo

El hidrógeno amarillo es aquel producido mediante electrólisis del agua, proceso que mediante el aporte de energía permite disociar el agua en hidrógeno y oxígeno, empleando directamente la electricidad de la red eléctrica, véase reacción 4. Consecuentemente, este hidrógeno será tan limpio como lo sea el mix eléctrico del país en el que se produzca. Por ejemplo, en países como Noruega en los que prácticamente el 100% de su electricidad procede de fuentes renovables, el hidrógeno amarillo podría considerarse prácticamente nulo en emisiones, véase Figura 4. Por el contrario, en España el hidrógeno producido mediante este proceso sí que tendría asociadas emisiones de efecto invernadero pues como puede verse en la Figura 5, tan solo el 46 % de la electricidad producida en España en 2021 tuvo un origen renovable (incluyéndose nuclear).

Reacción 4: \( \textrm{H}_{2}\textrm{O}(l) \longrightarrow \textrm{H}_{2}(g) + 0.5\textrm{O}_{2}(g) \)

Mapa de Europa con la estructura de la energía renovable sobre la producción total en los países miembros de ENTSO-E. Porcentaje de Renovables/Producción

Figura 5. Estructura de la energía renovable sobre la producción total en los países miembros de ENTSO-E. Porcentaje de Renovables/Producción. Fuente: El sistema eléctrico español 2020, Red Eléctrica de España.

Dependiendo de la tecnología de electrólisis empleada las eficiencias actuales se sitúan en el intervalo 70 – 80 % y se espera que antes de 2030 este valor pueda ascender hasta valores próximos al 85 %. Utilizando el intervalo actual de eficiencias, la producción de 1 kg de hidrógeno requerirá entre 49.2 y 56.3 kWh de energía eléctrica. En 2021 el precio medio de la electricidad en España se situó en 0.253 €/kWh [12] con lo que el precio de 1 kg de hidrógeno ascendería a entre 12.46 – 14.24 €. En este caso el precio del hidrógeno se ve claramente afectado por el precio de la electricidad. Por ejemplo, si hacemos el mismo cálculo con un coste de la electricidad de 0.1115 €/kWh [13], precio medio de la electricidad en España en el año 2019, se obtiene un coste por kilogramo de hidrógeno de entre 5.49 – 6.28 €. Debe tenerse en cuenta que estos costes del hidrógeno no están nivelados, tan solo hacen referencia a los costes operativos sin tener en cuenta los costes de capital en los que se pueden incurrir. Aun así, nos dan una idea bastante aproximada de la dependencia del coste con el precio de la electricidad. 

Falta únicamente por estimar las emisiones. Red Eléctrica de España en su informe para el año 2020 (el último publicado a la fecha de preparación de este artículo) indica que el factor de emisiones correspondiente a la producción de electricidad en España en dicho año fue de 0.1 t CO2eq/MWh [14]. Esto supone que por cada kilogramo de hidrógeno producido mediante la ruta amarilla se dará lugar a unas emisiones indirectas de 4.9 – 5.6 kg CO2eq/kg H2. Como puede verse, valores notablemente inferiores a los derivados de la ruta gris. Además, a medida que aumente la implantación de fuentes renovables en los países, las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas a la producción de hidrógeno amarillo se verán reducidas progresivamente.

En la Figura 6 puede verse una actualización del diagrama de emisiones y coste incorporando el hidrógeno amarillo. Puede verse como las emisiones se reducen sensiblemente respecto al hidrógeno gris debido a la importante presencia de energías renovables en el mix energético español. Por contra, el coste del hidrógeno que es muy dependiente del precio de la electricidad, como en el hidrógeno gris lo era del precio del gas, es notablemente superior al del hidrógeno negro, marrón y gris.

Emisiones equivalentes de dióxido de carbono del ciclo de vida y coste nivelado del hidrógeno negro, marrón, gris y amarillo

Figura 6. Emisiones equivalentes de dióxido de carbono del ciclo de vida y coste nivelado del hidrógeno negro, marrón, gris y amarillo. Fuente de los datos: algunos de los datos incluidos en esta figura han sido extraídos de [2,4], mientras que otros han sido estimados directamente.

Regresando a nuestra comparación con el vehículo de pila de combustible, en caso de que el hidrógeno se hubiese producido por la mencionada ruta amarilla se tendrían unas emisiones asociadas de entre 4.66 y 5.32 kg CO2eq/100 km. Unas emisiones un tercio menores a las derivadas de producir el hidrógeno mediante la ruta gris, todo ello debido a la amplia presencia de energías renovables en el mix eléctrico que se ha tomado de referencia, en este caso el correspondiente a España.

Hidrógeno azul

El proceso de producción del hidrógeno azul discurre por la misma ruta que el hidrógeno gris, pero en lugar de emitir la atmósfera el CO2 derivado de la producción, este pasa por un sistema de captura de carbono para su posterior almacenamiento. De este modo, es posible reducir sensiblemente la cantidad de CO2 emitido en comparación con el hidrógeno gris. Los sistemas de captura de CO2 actuales, basados en aminas o zeolitas, permiten absorber hasta el 90 % de este compuesto. Por lo tanto, seguirán existiendo unas ciertas emisiones directas de gases de efecto invernadero. El CO2 absorbido debe desorberse posteriormente, normalmente mediante el aumento de la temperatura, y comprimirse a unos 110 bar para su posterior almacenamiento, por ejemplo, en cavernas subterráneas. Dado que en este caso se requiere una cantidad de energía extra en el proceso de regeneración del sistema de captura, la eficiencia global del proceso es algo menor a la mostrada en el caso del hidrógeno gris, en torno al 68 %. Por ello, en este caso se requieren 3.76 kg de metano por cada kilogramo de hidrógeno en lugar de los 3.36 kg necesarios en la producción del hidrógeno gris. Ello da lugar a unas emisiones totales de 10.3 kg CO2, de los cuales finalmente son emitidos de forma directa a la atmósfera 1.03 kg CO2, mientras que los restantes 9.27 kg CO2 son absorbidos y almacenados. Por supuesto, en este caso sigue aplicando plenamente la problemática de las emisiones fugitivas de metano en las etapas previas a la producción del hidrógeno, en particular durante su extracción y transporte. Si adicionalmente se contabilizan todo el proceso de suministro del gas natural, las emisiones de gases de efecto invernadero ascenderías a entre 2.97 – 9.16 kg CO2eq/kg H2, véase Figura 7.

En este caso el coste nivelado sería de unos 1.77 €/kg H2, considerando estimaciones de mercado correspondientes a 2019 [2,4]. Pero, como ya se ha mencionado, el precio del gas natural ha aumentado enormemente en el último año en Europa por lo que en la actualidad podríamos encontrarnos con precios superiores a 4.8 €/kg H2. Nuevamente, el precio final del carbón azul está altamente influenciado por el precio vigente del gas natural.

Si se compara con el hidrógeno gris a través de la Figura 7, el hidrógeno azul presenta una novena parte de sus emisiones directas (la diferencia no es tan clara si se suman también las indirectas debido a las emisiones fugitivas de metano) y un coste nivelado bastante similar, de ahí que muchas empresas quieran producir hidrógeno azul. Sin embargo, debe quedar claro que el hidrógeno azul sigue contando con emisiones directa de gases de efecto invernadero además de la problemática de las emisiones fugitivas de metano. En ocasiones se trata de “vender” el hidrógeno azul como un hidrógeno limpio ya que incluye procesos de captura de parte del CO2 generado, pero nada más lejos de la realidad.

Emisiones equivalentes de dióxido de carbono del ciclo de vida y coste nivelado del hidrógeno negro, marrón, gris, amarillo y azul

Figura 7. Emisiones equivalentes de dióxido de carbono del ciclo de vida y coste nivelado del hidrógeno negro, marrón, gris, amarillo y azul. Fuente de los datos: algunos de los datos incluidos en esta figura han sido extraídos de [2,4], mientras que otros han sido estimados directamente.

Regresando a nuestro vehículo de pila de combustible, si el hidrógeno se hubiese producido mediante una ruta azul se tendrían unas emisiones asociadas de 0.98 kg CO2/100 km (sin contabilizar las potenciales emisiones fugitivas de metano en la cadena de suministro del gas natural).

Hidrógeno turquesa

Este es quizás el tipo de hidrógeno menos conocido, haciendo referencia al hidrógeno produciendo mediante pirólisis de combustibles fósiles, fundamentalmente gas natural. La ausencia de oxígeno en el proceso de pirólisis, véase la reacción 5, evita la producción de CO2, dando lugar únicamente hidrógeno y carbono.

Reacción 5: \(\textrm{CH}_{4}(g) \longrightarrow 2\textrm{H}_{2}(g) + \textrm{C} (s) \)

En principio, este es un proceso más simple que el reformado del gas natural del que se derivan el hidrógeno gris y azul. Además, el mayor contenido en hidrógeno de la corriente saliente hace que se requiera un menor post-procesado del hidrógeno producido para lograr un grado comercial, lo cual también podría suponer una ventaja competitiva frente al hidrógeno gris y azul. El contra es que la tecnología necesaria no está completamente madura en lo que a producción de hidrógeno se refiere. Debe tenerse también en cuenta que el carbono producido puede tener un importante valor comercial, de hecho, actualmente es la principal forma de producción del carbon black.

En términos de emisiones, si bien, como puede verse en la reacción 5, la pirólisis no lleva asociadas emisiones de gases de efecto invernadero, depende mucho del proceso seguido para alcanzar las elevadas temperaturas requeridas en el proceso. Si se emplea la combustión directa de metano para alcanzar las elevadas temperaturas necesarias, las emisiones ascenderían en el caso ideal a aproximadamente 1.1 kg CO2/kg H2, aunque diversos estudios han estimado unas emisiones que podrían ascender hasta 2.5 kg CO2/kg H2 en procesos reales. Por el contrario, las emisiones directas podrían considerarse casi nulas si se emplease entre un 30-35 % del hidrógeno producido en un proceso de combustión para poder alcanzar la temperatura necesaria para la pirólisis. Además, diversos estudios determinan que la cadena de suministro del gas natural podría contribuir con unas emisiones de entre 3.26 – 6.44 kg CO2eq/kg H2 [2,4]. Para ello, se ha asumido una eficiencia total del proceso del 53 % relativa a los poderes caloríficos superiores, lo que implica la necesidad de unos 4.8 kg CH4/kg H2.

En cuanto al coste del hidrógeno turquesa, como en el caso del hidrógeno gris y azul está enormemente influenciado por el precio del gas natural y en este caso también por el precio de mercado del carbono producido, véase Figura 8. De este modo, en el caso de precios del gas natural de entre 10.15-21.53 €/MWh se estima un coste nivelado del hidrógeno de entre 1.20 – 1.58 €/kg H2 [4]. Sin embargo, como se ha indicado previamente, el precio actual del gas natural en España se sitúa en el entorno de los 78 €/MWh. Con ello, podríamos tener costes superiores a los 6 €/kg H2. Atendiendo a la Figura 8, parece que el uso del hidrógeno turquesa no presenta unas ventajas medioambientales significativas respecto al hidrógeno azul cuando se tienen en cuenta las emisiones asociadas a toda la cadena de suministro del gas natura.

Emisiones equivalentes de dióxido de carbono del ciclo de vida y coste nivelado del hidrógeno negro, marrón, gris, amarillo, azul y turquesa

Figura 8. Emisiones equivalentes de dióxido de carbono del ciclo de vida y coste nivelado del hidrógeno negro, marrón, gris, amarillo, azul y turquesa. Fuente de los datos: algunos de los datos incluidos en esta figura han sido extraídos de [2,4], mientras que otros han sido estimados directamente.

Hidrógeno rosa

Se denomina hidrógeno rosa a aquel producido mediante electrólisis del agua, como en el caso del hidrógeno amarillo, pero empleando para ello únicamente electricidad procedente de una central nuclear. En el caso del hidrógeno rosa, las emisiones directas de gases de efecto invernadero serán nulas, sin embargo, sí que existirán unas emisiones indirectas derivadas de toda la cadena de suministro. Estas emisiones indirectas se han estimado en el intervalo de 0.47 – 0.96 kg CO2eq/kg H2 [4]. Valor este muy inferior a todos los expuestos hasta el momento. Adicionalmente, en el caso de producción de hidrógeno rosa también debe evaluarse la problemática asociada a la eliminación de los residuos radiactivos, que además de ser un reto técnico, en muchos casos también está sujeta a controversias y reticencias sociales.

En cuanto al coste del hidrógeno obtenido mediante la ruta rosa, este depende, como en todos los casos de sistemas aislados no conectados a la red eléctrica, del coste de capital del electrolizador, del factor de utilización y del coste de la electricidad específica. Claro, estas variables pueden tomar valores muy diversos y en consecuencia el coste resultante del hidrógeno tendrá un intervalo bastante amplio. Así, el estudio que se ha tomado como referencia para este trabajo estimó un coste nivelado del hidrógeno producido a partir de fuentes nucleares por electrólisis en el intervalo 4.39 – 7.23 €/kg H2 [4].

Puede comprobarse en la Figura 9 como la ruta rosa de producción de hidrógeno, si bien presenta las menores emisiones de todas las rutas expuestas hasta el momento, el coste nivelado del hidrógeno resultante es notablemente superior a todas las rutas anteriores a excepción de la amarilla. El panorama podría cambiar si los precios del gas natural persisten en máximos históricos como ha ocurrido a lo largo de 2021. Aun así, los tiempos de ejecución de nuevas centrales nucleares son superiores a la década, de ahí que el hidrógeno rosa no parezca una potencial solución en el corto plazo.

Emisiones equivalentes de dióxido de carbono del ciclo de vida y coste nivelado del hidrógeno negro, marrón, gris, amarillo, azul, turquesa y rosa

Figura 9. Emisiones equivalentes de dióxido de carbono del ciclo de vida y coste nivelado del hidrógeno negro, marrón, gris, amarillo, azul, turquesa y rosa. Fuente de los datos: algunos de los datos incluidos en esta figura han sido extraídos de [2,4], mientras que otros han sido estimados directamente.

Hidrógeno verde

El hidrógeno verde es sin duda del que más se está hablando en estos momentos debido a sus claras ventajas medioambientales. El hidrógeno verde puede obtenerse a partir de una amplia gama de procesos, siendo el mayoritario aquel que permite obtener hidrógeno mediante la electrólisis del agua utilizando para ello electricidad procedente de fuente renovables, fundamentalmente eólica y solar, pero también podría incluirse la hidroeléctrica, maremotriz o hundimotriz. Esta es sin duda la ruta de producción de hidrógeno más atractiva de cara al futuro y que se espera juegue un papel determinante en la transición energética en la que nos encontramos inmersos. Aun así, también se considera hidrógeno verde aquel obtenido a partir de biogás mediante procesos de reformado o a partir de biomasa por procesos de gasificación similares al descrito para la producción de hidrogeno a partir de carbón [15]. Estos procesos realmente producen emisiones de CO2 durante la producción del hidrógeno. Sin embargo, considerando el ciclo completo del biogás y de la biomasa es posible concluir que la producción de hidrógeno mediante estas rutas es nula en emisiones. De hecho, si se empleasen sistemas de captura de carbono a la salida de estos dos procesos, como en el caso del hidrógeno azul, el hidrógeno obtenido sería negativo en emisiones de gases de efecto invernadero ya que en realidad se está eliminando CO2 de la atmósfera de forma efectiva al considerar todo el ciclo de vida del biogás y la biomasa. A pesar del gran interés que presentan estas rutas de producción, en este artículo vamos a centrarnos fundamentalmente en el hidrógeno verde obtenido mediante el uso de energía eólica y solar que es el que a día de hoy parece que jugará un papel más relevante.

Como en el caso del hidrógeno rosa, el hidrógeno verde obtenido por electrólisis empleando energía eólica o solar presenta unas emisiones directas de gases de efecto invernadero nulas, de ahí su enorme atractivo. Ahora bien, este tipo de hidrógeno sí presenta, a día de hoy, unas emisiones indirectas asociadas a toda la cadena de valor de las energías renovables. Sin embargo, cabe destacar que en el futuro estas emisiones indirectas podrán ser abatidas en su mayoría. Así, en uno de los estudios empleado como referencia para este artículo se estiman que las emisiones teniendo en cuenta las emisiones del ciclo de vida estarán comprendidas entre 0.52 – 1.14 kg CO2eq/kg H2 en el caso de emplear eólica como fuente de energía y entre 1.32 – 2.50 kg CO2eq/kg H2 en el caso de emplear solar [4], véase Figura 10. Al emplear eólica las emisiones asociadas al ciclo de vida son muy similares a las derivadas del hidrógeno rosa, mientras que con solar son algo superiores, ello debido a los procesos de fabricación de estas dos tecnologías.

En cuanto al coste del hidrógeno producido por estas rutas ocurre algo similar a lo expuesto con el hidrógeno rosa, depende enormemente del coste de capital del electrolizador, del factor de utilización y del coste específico de la electricidad. En este sentido, con valores de mercado de 2019 se estiman unos costes nivelados para el hidrógeno verde producido a partir de eólica y solar de 4.06-8.81€/kg H2 y 6.25-13.09 €/kg H2 respectivamente [4]. Si bien, con unos costes más actuales, sería posible incluso bajar algo más estos precios llegando al entorno de los 3.3 – 3.5 €/kg H2 en el caso de la eólica, véase Figura 10.

Diagrama comparativo de las principales tecnologías de producción de hidrógeno en términos de emisiones equivalentes de su ciclo de vida y el coste nivelado del hidrógeno producido

Figura 10. Diagrama comparativo de las principales tecnologías de producción de hidrógeno en términos de emisiones equivalentes de su ciclo de vida y el coste nivelado del hidrógeno producido. Fuente de los datos: algunos de los datos incluidos en esta figura han sido extraídos de [2,4], mientras que otros han sido estimados directamente.

Hidrógeno blanco

Para concluir con esta categorización por colores del hidrógeno, cabe mencionar el hidrógeno blanco que hace referencia a aquel que se encuentra libre de forma natural. Como se indicó al inicio del artículo, esto no ocurre en la Tierra, pero sí que se da por ejemplo en las estrellas y de su posible, potencial y futurible uso han dado buena cuenta diversas obras de ciencia ficción.

Conclusiones

En este artículo se han expuesto las principales rutas de producción de hidrógeno asociándolas a sus colores correspondientes. Como queda patente en la Figura 10, el origen del hidrógeno que se utilice en las diversas aplicaciones es de vital importancia, tanto desde un punto de vista económico como medioambiental. En el punto de consumo final todos los tipos de hidrógeno presentarán las mismas emisiones, nulas, pero si se tiene en cuenta todo el ciclo de producción y consumo, unos claramente tendrán unas emisiones de gases de efecto invernadero muy superiores a otros.

Realmente tan solo las emisiones directas del hidrógeno turquesa, rosa y verde son nulas, y en algunos países, según su mix energético, lo podría ser también el hidrógeno amarillo. En el caso del hidrógeno turquesa las emisiones asociadas a la cadena de suministro del gas natural hacen que si se tienen en cuenta todo el ciclo de vida sus emisiones asciendan notablemente quedando como alternativas más ecológicas el hidrógeno rosa y el verde. El hidrógeno rosa por su parte al requerir de energía nuclear presenta una serie de problemáticas sociales al tiempo que los plazos requeridos para la construcción de nuevas centrales nucleares superan la década. Así, el hidrógeno verde parece la principal alternativa de futuro, sus emisiones directas son nulas y las emisiones indirectas se pueden reducir notablemente.

Como puede verse en la Figura 10, en la actualidad las distintas rutas de producción parecen formar un Frente de Pareto entre el factor económico y el factor medioambiental. De este modo, las tecnologías que presentan menores costes son realmente contaminantes, mientras que las que presentan unas mejores características medioambientales todavía cuentan con un coste elevado. Este es el único escollo que le resta al hidrógeno verde para ser la mejor alternativa en cualquiera de las dos vertientes mencionadas, económica y medioambiental. Actualmente es sin duda la mejor solución a nivel medioambiental, resta únicamente lograr equiparar sus costes con los del hidrógeno producido a partir del gas natural, lo cual parece que podría alcanzarse a lo largo de esta década. De hecho, en algunos casos esto podría estar ocurriendo ya debido en gran medida al alza generalizada de los precios del gas natural en Europa. Si bien el precio del gas natural puede que baje en un futuro próximo, parece que no se volverán a alcanzar cotas tan bajas como las que se tuvieron en 2019, de modo que el hidrógeno verde cada vez está más cerca de ser competitivo económicamente con el hidrógeno azul. Adicionalmente, en la actualidad se está llevando a cabo una gran inversión en energías renovables, cuyo coste anual no para de bajar, así como en hidrógeno verde, por lo que independientemente del precio del gas natural el hidrógeno verde continua su reducción de costes. En un futuro, esperemos cercano, el hidrógeno verde será la mejor solución medioambiental y también será rentable desde el punto de vista económico. 

Referencias

[1] Gupta, R. B. (Ed.). (2008). Hydrogen fuel: production, transport, and storage. CRC press.

[2] Al-Qahtani, A., Parkinson, B., Hellgardt, K., Shah, N., & Guillen-Gosalbez, G. (2021). Uncovering the true cost of hydrogen production routes using life cycle monetisation. Applied Energy, 281, 115958.

[3] CO2 Emission Factors for Fossil Fuels, CLIMATE CHANGE 28/2016. K. Juhrich. German Environment Agency.

[4] Parkinson, B., Balcombe, P., Speirs, J. F., Hawkes, A. D., & Hellgardt, K. (2019). Levelized cost of CO2 mitigation from hydrogen production routes. Energy & Environmental Science, 12(1), 19-40.

[5] Mundo SEAT

[6] Muradov, N. (2015). Low-carbon production of hydrogen from fossil fuels. In Compendium of Hydrogen Energy (pp. 489-522). Woodhead Publishing.

[7] Dincer, I., & Acar, C. (2015). Review and evaluation of hydrogen production methods for better sustainability. International Journal of Hydrogen Energy, 40(34), 11094-11111.

[8] LinkedIn Marcos Rupérez Cerqueda

[9] Mibgas

[10] Sendeco2

[11] Alvarez, R. A., Zavala-Araiza, D., Lyon, D. R., Allen, D. T., Barkley, Z. R., Brandt, A. R., … & Hamburg, S. P. (2018). Assessment of methane emissions from the US oil and gas supply chain. Science, 361(6398), 186-188.

[12] Tarifaluzhora

[13] Mipodo

[14] El sistema eléctrico español 2020, Red Eléctrica de España, pag. 39

[15] Noussan, M., Raimondi, P. P., Scita, R., & Hafner, M. (2021). The role of green and blue hydrogen in the energy transition—A technological and geopolitical perspective. Sustainability, 13(1), 298.

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