Tendencias del hidrógeno como recurso energético

ODS 7: Garantizar el acceso a una energía asequible, segura, sostenible y moderna.

Arturo Peñas Jiménez

Ingeniero de Minas

Seglar Claretiano

Las distintas fuentes de producción de hidrógeno se han clasificado según un código de colores. El llamado hidrógeno “verde”, que es el más limpio, se produce mediante la electrólisis del agua alimentada por energías renovables. Este método ideal es costoso, por lo que la mayor parte del hidrógeno producido en el mundo se genera mediante un proceso más económico llamado reformado con vapor, que utiliza gas natural como materia prima y genera CO2 a partir de la reacción del metano con el agua. Se trata de hidrógeno “gris”, que no contribuye a la mitigación del cambio climático porque su obtención sigue requiriendo de combustibles fósiles. Sin embargo, el hidrógeno “gris” puede transformarse en hidrógeno “azul” cuando el CO2 generado es capturado por las tecnologías de almacenamiento de carbono (CCUS). De hecho, el más común es el “azul” que se extrae del gas natural. Actualmente, sólo el 2% del hidrógeno del mundo es “verde”, pero únicamente el 0,1% proviene de la electrólisis del agua.

Recientemente han aparecido publicaciones en la revista “Science“ que nos hablan del hidrógeno “dorado” que conduciría a emisiones negativas y que limpiarían la atmósfera. Investigadores del Instituto de Tecnología Química del CSIC y de la Universidad Politécnica de Valencia anunciaron en la primavera de 2022 que habían creado un generador de hidrógeno “dorado”. Basado en cerámica protónica, siendo escalable y modular. Es decir, que podía fabricarse a distintos tamaños para satisfacer la demanda. En concreto, se trata de un reactor electrificado para obtener hidrógeno de forma más sostenible y eficiente energéticamente utilizando 36 membranas cerámicas individuales en un generador escalable y modular que produce hidrógeno a partir de electricidad, y diversos combustibles con una pérdida de energía casi nula.

El combustible puede ser amoníaco, gas natural, biogás u otras moléculas con hidrógeno. El proyecto ha permitido escalar un reactor electrificado hasta alcanzar una producción de alrededor de medio kilo de hidrógeno presurizado al día mediante electro-compresión, con una elevada pureza y máxima eficiencia energética, por encima del 90%. Otra ventaja es que el CO2 generado no se emite a la atmósfera sino que se transforma en una corriente presurizada para su licuación y transporte para su posterior utilización o almacenamiento, permitiendo así la descarbonización. El siguiente paso será poner en práctica lo aprendido y escalarlo para generar hidrógeno dorado a escala industrial.

Otra vía, también apuntada en la citada revista, sería la de obtener hidrógeno “natural” (geológico) directamente de los recursos del subsuelo. Contrariamente a la sabiduría convencional, pueden existir grandes reservas de hidrógeno natural en todo el mundo, como el petróleo y el gas, pero no en los mismos escenarios. Los investigadores dicen que las reacciones agua-roca en las profundidades de la Tierra generan continuamente hidrógeno, que se filtra a través de la corteza y, a veces, se acumula en trampas subterráneas. Podría haber suficiente hidrógeno natural para satisfacer la creciente demanda mundial durante miles de años, según un modelo del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) diseñado en octubre de 2022 en una reunión de la Sociedad Geológica de América.

En Bourakébougou (Malí) la Chapman Petroleum en 2012 y bajo la dirección de Denis Brière analizó lo que salía de un pozo seco perforado para agua, concluyendo que era gas con un 98% hidrógeno. Esto fue algo extraordinario pues se pensaba que no podía darse en la naturaleza.

Tras la experiencia maliense se ha disparado el número de publicaciones sobre hidrógeno “natural“. Han aparecido docenas de empresas emergentes, muchas de ellas en Australia, que están adquiriendo derechos para explorar en la busca de hidrógeno. En 2019 se completó en Estados Unidos el primer pozo de hidrógeno en Nebraska. El entusiasmo por el hidrógeno natural ha surgido cuando ha aumentado el interés por un combustible limpio y libre de carbono. Los gobiernos lo están impulsando como una forma de combatir el calentamiento global, esfuerzos que se han galvanizado cuando Rusia invadió Ucrania el año pasado, desencadenando una búsqueda apresurada, especialmente en Europa, de alternativas al gas natural ruso.

Por el momento, todo el hidrógeno comercial tiene que ser fabricado, ya sea de forma contaminante, mediante el uso de combustibles fósiles, o de una manera costosa, mediante el uso de electricidad renovable. El hidrógeno natural, si forma reservas considerables, podría estar allí para ser tomado, dando a los perforadores experimentados en la industria del petróleo y el gas una nueva perspectiva respetuosa con el medio ambiente.

El hidrógeno natural puede ser no solo limpio, sino también renovable. Se necesitan millones de años para que los depósitos orgánicos enterrados y comprimidos se conviertan en petróleo y gas. Por el contrario, el hidrógeno natural siempre se produce de nuevo, cuando el agua subterránea reacciona con minerales de hierro a temperaturas y presiones elevadas. En la década transcurrida desde que comenzaron los pozos de extracción de hidrógeno en Malí, los flujos no han disminuido. Todavía es temprano para el hidrógeno natural. Los científicos no entienden completamente cómo se forma y migra y, lo más importante, si se acumula de una manera comercialmente explotable.

Nos encontramos con problemas de almacenamiento, junto con la falta de tuberías y de sistemas de distribución. Los tanques presurizados agregan peso y costes. Licuar hidrógeno requiere enfriarlo a -253 ° C, generalmente un gasto descalificador.

Brière dice que la extracción en Malí, que se beneficia de pozos poco profundos de hidrógeno casi puro, podría ser tan barata como 50 centavos por kilogramo. Ian Munro, CEO de Helios Aragón, empresa emergente que busca hidrógeno en las estribaciones de el Pirineo español dice que sus costos de equilibrio podrían terminar entre 50 y 70 centavos.

Para guiar la toma de decisiones, los responsables políticos, los administradores de recursos, las compañías de exploración y los inversores necesitarán información sobre el alcance de estos potenciales recursos. Sin embargo, en estos momentos las incertidumbres asociadas con la generación, migración, acumulación y preservación de H2 en el subsuelo hacen imposible determinar con precisión estos recursos.

Según Geoffrey Ellis (US Energy Resources Program), a pesar de las incertidumbres, algo sabemos de la presencia y el comportamiento del H2 en el subsuelo. Se pueden hacer inferencias adicionales sobre esta presencia del H2 empleando los conocimientos adquiridos en los estudios de migración, acumulación y preservación de fluidos relacionados con recursos geológicos como petróleo, energía geotérmica, gases nobles, etc. Estos factores se pueden combinar para proporcionar más luz sobre la posible magnitud de los recursos geológicos de H2 en bajo el subsuelo.

Se ha desarrollado un modelo preliminar para evaluar estos recursos utilizando un enfoque de balance de masa. Las entradas del modelo incluyen el flujo superficial, la eficiencia de captura, el tiempo de residencia en trampas y el consumo biótico y abiótico de H2.

Se supone que la Tierra se encuentra actualmente en estado estacionario con respecto al flujo de H2 desde el subsuelo a la atmósfera. El consumo de hidrógeno de esta producción futura de H2 se modela en función de la producción histórica de gas natural. Los resultados del modelo estocástico indican una probabilidad superior al 98% de que la producción geológica de H2 satisfaga al menos el 50% de la producción de H2 verde pronosticada para el año 2100.

Además, este modelo indica que el tiempo de residencia de H2 en los reservorios y el flujo anual de H2 a la atmósfera son los factores que más influyen en estos potenciales recursos, mientras que los efectos del consumo biótico y abiótico de H2 tienen poco efecto. Estos resultados proporcionan un marco inicial y sugieren que están justificadas nuevas investigaciones para evaluar estos potenciales recursos del H2 natural.

Arturo Peñas Jiménez