El hidrógeno es el elemento químico más abundante de nuestro planeta, se encuentra presente en el 75% de la materia. Sin embargo, nunca lo encontramos aislado, sino en compañía de otros elementos químicos como el oxígeno formando agua, o el carbono formando compuestos orgánicos, como los hidrocarburos. El hidrógeno es sumamente ligero, almacenable y no genera emisiones de gases de efecto invernadero cuando es utilizado, de ahí a que sea un buen candidato como combustible. Pero no es una fuente de energía primaria, sino un vector energético, es decir que es necesario utilizar diversos procesos para su generación.
De cara al futuro cercano y la descarbonización de la matriz energética casi obligatoria a la que se deben enfrentar las principales economías del globo, la electrificación y el uso de las tecnologías del hidrógeno aparecen en escena como los principales actores en esta transición energética que tendrá lugar a nivel global, y que transformará a la sociedad cambiando nuestra forma de vincularnos con el medio ambiente.
Las tecnologías del hidrógeno representan una vanguardia en el campo de la energía y la sostenibilidad, ofreciendo soluciones innovadoras para abordar los desafíos relacionados con la producción y el consumo de energía. Hoy en día nos encontramos en etapas tempranas de desarrollo de varias tecnologías asociadas a la generación, transporte; usos y conversión del hidrógeno, quedando mucho camino por recorrer en investigación, desarrollo e innovación en este campo científico. En EnergyLab trabajamos activamente en todas estas etapas, desde la generación de conocimiento científico, su aplicación y validación tecnológica en entornos reales de aplicación. Sin duda, el hidrógeno se ha convertido en un recurso clave en la transición hacia un futuro energético más limpio y sostenible.
El hidrógeno puede ser producido a partir de una variedad de fuentes, incluyendo la electrólisis del agua utilizando energía renovable, como la solar o la eólica, o a través de procesos de reformado de gas natural con captura y almacenamiento de carbono. El hidrógeno generado se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones, desde la generación de energía eléctrica, hasta el transporte y la industria manufacturera (acero, química, agrícola, vidrio, etc.). Es importante destacar que existen diferentes tipos de hidrógeno, clasificados según su método de producción y su nivel de emisiones de carbono, y se distinguen por colores, lo que ayuda a identificar su origen y su impacto ambiental. Los principales tipos de hidrógeno son:
- Hidrógeno Gris: Este tipo de hidrógeno se produce a partir de gas natural a través del proceso de reformado con vapor, que conlleva emisiones de dióxido de carbono. Es el método de producción más común en la actualidad, pero su uso prolongado no es sostenible debido a su contribución al cambio climático.
- Hidrógeno Azul: Similar al hidrógeno gris, el hidrógeno azul se produce a partir de gas natural, pero con la diferencia de que las emisiones de carbono se capturan y almacenan, lo que reduce significativamente su impacto ambiental. Es una opción más sostenible en comparación con el hidrógeno gris.
- Hidrógeno Verde: El hidrógeno verde es producido mediante la electrólisis del agua utilizando energía renovable, como la solar o la eólica. Es considerado el tipo de hidrógeno más limpio y sostenible, ya que no genera emisiones de carbono durante su producción. Es fundamental en la búsqueda de una economía del hidrógeno verdaderamente sostenible y baja en carbono.
Estos diferentes colores de hidrógeno reflejan el compromiso con la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y la transición hacia una economía más limpia, y el hidrógeno verde será sin duda el vector energético clave para alcanzar la descarbonización del planeta y los objetivos marcados para 2050 en la lucha contra el cambio climático.
Además de los diferentes tipos de hidrógeno, es fundamental comprender los dispositivos y tecnologías que permiten su producción, almacenamiento y aprovechamiento eficiente. Entre estos dispositivos, los electrolizadores y las pilas de combustible juegan un papel crucial en la economía del hidrógeno verde.
Los electrolizadores son dispositivos que utilizan energía eléctrica para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. La aplicación de un potencial eléctrico rompe los enlaces entre los átomos de oxígeno e hidrógeno produciendo estos elementos de forma libre en estado gaseoso. La diferencia de potencial eléctrico aplicada es la que determina la eficiencia de estos dispositivos.
Entre los tipos más destacados se encuentran:
Electrolizadores de Membrana de Intercambio Protónico (PEM)
Estos electrolizadores emplean una membrana de intercambio de protones para separar el hidrógeno y el oxígeno del agua. Son conocidos por su eficiencia y capacidad de respuesta rápida, lo que los hace ideales para aplicaciones donde se requiere una producción dinámica de hidrógeno, como el sector del transporte.
Electrolizadores de Membrana de Intercambio Aniónico (AEM)
Similar a los electrolizadores PEM, los AEM utilizan una membrana de intercambio aniónico para la separación de los gases. Aunque aún están en desarrollo, los electrolizadores AEM muestran potencial para reducir costos y mejorar la durabilidad en comparación con los PEM.
Electrolizadores de Óxido Sólido (SOEC)
Estos dispositivos operan a altas temperaturas y utilizan óxidos sólidos como electrolitos para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. A pesar de su complejidad y requisitos de operación, los electrolizadores SOEC tienen la ventaja de utilizar calor residual y ser compatibles con fuentes de energía de alta temperatura, como la energía solar concentrada. Se ha demostrado ampliamente que la eficiencia de estos dispositivos es mucho más elevada que cualquiera de los métodos convencionales (AEM, PEM, etc.).
Por otro lado, las pilas de combustible (FC) son dispositivos que convierten la energía química del hidrógeno en electricidad y calor de manera eficiente y limpia. Existen dos tipos principales de pilas de combustible, que son:
Pilas de Combustible de Óxido Sólido (SOFC)
Estas pilas de combustible utilizan óxidos sólidos como electrolitos y operan a temperaturas elevadas. Son altamente eficientes y adecuadas para aplicaciones estacionarias, como la generación de energía distribuida y sistemas de cogeneración.
Pilas de Combustible de Membrana de Intercambio de Protones (PEMFC)
Las pilas de combustible PEMFC emplean una membrana de intercambio de protones como electrolito y operan a temperaturas más bajas que las SOFC. Son ideales para aplicaciones móviles y portátiles como los vehículos de hidrógeno, debido a su rápida respuesta y alta densidad de potencia.
Todos estos dispositivos y tecnologías representan la base de la infraestructura del hidrógeno, permitiendo su producción eficiente, almacenamiento y utilización en una variedad de aplicaciones industriales, comerciales y residenciales. Su continua evolución y desarrollo son fundamentales para avanzar hacia un futuro energético más sostenible y descarbonizado.
Desde EnergyLab investigamos estas tecnologías de producción y almacenamiento de hidrógeno verde con el objetivo de desarrollar metodologías eficientes y sostenibles que permitan transferir estos conocimientos al tejido empresarial y la industria, mejorando así los procesos de generación y conversión de energía limpia, accesible y con bajo coste.
La transición hacia una economía basada en el hidrógeno genera importantes retos y desafíos técnicos, regulatorios, económicos y de desarrollo de mercado, y aunque en la actualidad no hay una producción suficiente de hidrógeno verde por su alto coste de equipamiento, la situación ya está cambiando gracias al abaratamiento de las energías renovables en estos últimos años. En este contexto, los gobiernos e instituciones comienzan a comprometerse con los objetivos de 2050, y la Unión Europea ya identifica al hidrógeno verde como un combustible clave en este periodo de descarbonización, siendo el desarrollo de sus tecnologías de producción una prioridad.
