La cadena de valor del hidrógeno está formada por todas las etapas involucradas en la producción, almacenamiento, transporte y uso del hidrógeno como fuente de energía basada en el empleo del hidrógeno como vector energético. Estas etapas se pueden dividir en cuatro categorías principales.

Las etapas de la cadena de valor del hidrógeno

Producción

La producción de hidrógeno se puede llevar a cabo de varias maneras. La forma más común es a través de la reforma de gas natural, que implica la producción de hidrógeno a partir de gas natural. También se puede producir hidrógeno a través de la electrólisis del agua, la biomasa y otros recursos renovables. En la producción de hidrógeno también se pueden utilizar técnicas avanzadas, como la pirolisis y la gasificación, que convierten materiales sólidos y líquidos en hidrógeno.

Distribución

Una vez que se ha producido el hidrógeno, se debe transportar a los lugares donde se utilizará. El hidrógeno se puede transportar por tuberías, camiones cisterna y buques tanque. Además, también se pueden utilizar sistemas de distribución y almacenamiento en el lugar, como tanques criogénicos y sistemas de almacenamiento de hidruros metálicos, para garantizar que haya una cantidad suficiente de hidrógeno disponible cuando sea necesario.

Almacenamiento

El almacenamiento de hidrógeno es un desafío debido a sus propiedades físicas. El hidrógeno se puede almacenar como gas comprimido, hidruros metálicos, líquido criogénico o en sistemas de almacenamiento de baterías de hidrógeno. Cada método tiene sus ventajas y desventajas en términos de eficiencia, capacidad y costo.

Aplicaciones

El hidrógeno se utiliza como fuente de energía en aplicaciones como calefacción, transporte, producción de energía eléctrica y fabricación industrial. También tiene otras aplicaciones específicas, como en la industria alimentaria, y la producción de amoníaco.

Las caracteristicas del hidrógeno

El hidrógeno (H2) es el elemento más abundante del universo, aunque no se presenta en su estado puro. Se encuentra disponible formando compuestos químicos como agua e hidrocarburos, por lo que existen distintos procesos para su producción (extracción).

Es el gas más liviano de todos y se caracteriza por ser incoloro, inodoro, insípido, asfixiante, altamente inflamable y no tóxico. La tabla 1 detalla sus principales propiedades técnicas.

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Cada año se producen unos 120 millones de ton/año de hidrógeno en el mundo, y la tendencia es muy ascendente. La mayor parte proviene de un proceso de reformado con vapor de metano y gasificación de carbón, debido a su grado de contaminación se denomina hidrógeno gris. La tendencia actual es a producir un hidrógeno libre de emisiones con origen en energías renovables, y se conoce como hidrógeno verde.

El coste de fabricación de hidrógeno

El coste de fabricación varía en función de la tecnología empleada. En la tabla 2 se indican las etapas de este proceso con sus respectivas reacciones.

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El proceso más prometedor en la producción de hidrógeno es mediante la electrólisis del agua dentro de un dispositivo electroquímico llamado electrolizador de hidrógeno.

La electrólisis contempla la descomposición de las moléculas que conforman el agua (H2 y O2) mediante la aplicación de una corriente eléctrica a través de 2 electrodos sumergidos: uno negativo (ánodo) en que aparecerá el hidrógeno y otro positivo (cátodo) que captará el oxígeno.

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La electrolisis en la cadena de valor del hidrógeno

La electrólisis tiene una eficiencia de conversión eléctrica (kWh a kg de H2) que va entre un 60% y 70%, lo que se traduce en un consumo aproximado de 50 a 60 kWh de energía eléctrica para producir 1 Kg de H2. Como subproducto, se producen 8 a 10 Kg de O2 por cada 1 Kg de H2. Estos datos pueden cambiar en función del tipo de electrolizador, del material de ambos electrodos y de su eficiencia.

El almacenamiento en la cadena de valor de hidrogeno

Un aspecto destacado en la cadena de valor del hidrógeno es el almacenamiento. Los ingenieros de hidrogeno trabajan para optimizarlo y lograr mejores técnicas que sean más compactas, ligeras y seguras.

Este gas tiene una baja densidad energética por unidad de volumen; por lo tanto, se requiere considerar avanzados métodos para almacenarlo y aumentar su densidad energética.

El almacenamiento del hidrógeno puede ser en forma gaseosa, líquida, sólida o mediante portadores orgánicos.

Almacenamiento en formas físicas

El metodo más empleado para el almacenamiento de hidrógeno son los tanques, donde se puede almacenar gas a presión o hidrógeno líquido.

El gas a presión es la modalidad más típica y en la que existe mayor experiencia. El gas se comprime a mínimo 200 atm (p= 15,6 kg/m3) y se envasa. Se debe tener en cuenta el costo energético de la compresión del hidrógeno.

Por su temperatura de ebullición el hidrógeno se almacena a -293 °C y a 1 atm, donde alcanza una mayor densidad energética. El consumo energético para licuar el hidrógeno es muy grande (13,3 kWh/kg).

Otro metodo en desarrollo y con gran futuro es la inyección en red de gas natural. Como ya existe la red de gas y su infraestructura, es una forma muy rentable de almacenar grandes cantidades de hidrógeno.

El almacenamiento en cavernas es otra opción. Una formación geológica subterránea puede cumplir con las medidas necesarias para el almacenamiento.

Almacenamiento de hidrógeno en sólidos

Los materiales sólidos pueden combinarse con el hidrógeno en una reacción reversible, como el carbono, los hidruros recargables y químicos. Esta alternativa tiene como beneficio el potencial de menor volumen de hidrógeno y la mayor eficiencia energética.

Almacenamiento de hidrógeno en compuestos orgánicos

Otra opción de almacenamiento es mediante los compuestos orgánicos insaturados. Estos se pueden almacenar grandes cantidades de hidrógeno en su cadena química para luego ser extraído según las necesidades. Ejemplos son el amoniaco (NH3) y el metanol (CH3OH).

La distribución en la cadena de valor del hidrógeno

El hidrógeno se transporta principalmente mediante camiones, en estado gaseoso comprimido o líquido, dependiendo del volumen que se requiere mover. Los métodos actuales son:

Contenedores de gas comprimido

La forma típica de transportar grandes volúmenes de H2 es utilizando varios cilindros o tubos de gas presurizados que se agrupan en camiones llamados remolques tubulares (tube trailer). Como se puede apreciar en la foto adjunta, estos tubos se colocan dentro de un marco protector, de forma horizontal o vertical dependiendo del tamaño de los tubos.

Estos tubos suelen ser de acero y poseen un peso neto muy alto. Por ello, las nuevas tecnologías buscan utilizar materiales más ligeros para lograr un transporte más eficiente.

A pesar de poder comprimir el gas a altas presiones (hasta 500 bares, p=33 kg/m3), la densidad sigue siendo relativamente baja, lo que obliga a ocupar un volumen importante al momento de transportarlo.

Transporte líquido

Como alternativa, el hidrógeno se puede transportar en estado líquido en camiones, trenes y barcos.

La densidad del H2 en estado líquido es de 70,79 Kg/m3; es decir, prácticamente el doble de la obtenida a través de un proceso de compresión (33 Kg/m3).

Esta importante diferencia en las densidades, más los costos asociados a llevarlo en estas condiciones (enfriamiento o compresión), hacen que resulte más rentable trasladar el hidrógeno en forma líquida. Para eso, debe ser cargado en tanques criogénicos aislados a -252 °C.

El consumo de energía asociado al enfriamiento del H2 (licuefacción) es de 12 a 13,3 kWh/kg, es decir, lleva añadido un costo relevante, mucho mayor al de la compresión (2,3 a 3 kWh/kg).

Hidroductos

El transporte en tuberías es la opción más rentable y segura. Sin embargo, requiere una alta inversión inicial, lo cual se puede compensar con grandes volúmenes de hidrógeno.

El uso del hidrógeno

No tiene mucho sentido volver a producir energía eléctrica a partir del hidrógeno, siendo que se consumió ésta misma para producirlo (hidrólisis), salvo en aquellos casos donde no es posible transportarla.

Una opción es utilizarlo como combustible y fuente de calor en calderas y hornos para generar energía térmica.

La gran ventaja del hidrógeno sobre los combustibles fósiles tradicionales es que los productos de la combustión están compuestos principalmente por H2O, N2 y O2 (no existe presencia de CO2).