Comprenda los distintos colores del hidrógeno, más allá del verde

Con su capacidad para revolucionar sectores como el transporte y la generación de energía, el hidrógeno es una fuente emergente y en gran parte inexplorada para el aprovechamiento energético. Si bien la combustión de hidrógeno no genera emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), su huella ambiental a lo largo de su ciclo de vida depende de todos los procesos involucrados en su producción y consumo, los cuales varían significativamente en función las fuentes de energía empleadas.

Estas variaciones han dado lugar a un sistema de clasificación por colores, que distingue los diferentes tipos de hidrógeno y sus implicaciones en términos de sostenibilidad. El hidrógeno verde es el referente mundial en cuanto a las cero emisiones netas, pero su escalabilidad debe hacer frente a importantes desafíos en cuanto a infraestructura y eficiencia. La electrólisis del agua mediante energía nuclear produce hidrógeno rosa y mantiene un ciclo de vida neutro en carbono, aunque su dependencia de la energía nuclear suscita otras inquietudes. Los métodos de producción de hidrógeno azul y turquesa permiten obtener un cierto equilibro entre la viabilidad económica y la sostenibilidad. En cambio, el hidrógeno negro, marrón y gris inclinan la balanza hacia la asequibilidad, ofreciendo una alternativa más económica frente a las opciones más ecológicas.

El hidrógeno negro y el hidrógeno marrón provienen principalmente del carbón y se obtienen mediante gasificación, un proceso de varios pasos en el que el carbón reacciona con oxígeno y vapor a altas temperaturas para producir gas de síntesis. Se trata de una mezcla de gases, uno de los cuales es el hidrógeno. 

El hidrógeno negro se crea mediante la combustión de carbón bituminoso, que es denso y se considera de alta calidad. El hidrógeno marrón, por el contrario, se produce a partir de lignito, una versión más joven y menos compactada, con un mayor contenido de humedad y una menor densidad energética. 

En términos de impacto ambiental, la producción de hidrógeno negro y marrón es bastante similar y ambos métodos son relativamente eficientes. No obstante, su dependencia de combustibles fósiles sin captura de carbono puede reducir algunos de los beneficios en materia de sostenibilidad que se asocian con la energía obtenida a partir del hidrógeno.

La gasificación del carbón se inicia con la pulverización y el tratamiento del carbón para eliminar las impurezas y, a continuación, se llevan a cabo los siguientes pasos.

1. Secado y pirólisis (desvolatilización)

En esta fase inicial, el carbón debe calentarse para eliminar la humedad y la materia volátil, y para descomponerlo en otros elementos y materiales. El secado se lleva a cabo a aproximadamente 200 °C (392 °F), seguido de una pirólisis que tiene lugar a temperaturas de entre 300 °C (572 °F) y 700 °C (1292 °F). Durante la pirólisis, las moléculas de carbón más grandes se descomponen en productos gaseosos más pequeños, principalmente metano (CH_4),), hidrógeno (H₂), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO₂), y alquitrán.

2. Combustión

Una parte del carbón (C) es carbonilla, el residuo sólido de la pirólisis, y reacciona con gases volátiles y oxígeno (O₂) en una reacción de combustión controlada. Esta reacción exotérmica genera el calor necesario para que tengan lugar las reacciones de gasificación posteriores. Se produce tanto una combustión completa como parcial, creándose gases de dióxido de carbono y monóxido de carbono.

C + O₂ → CO₂ (Combustión completa)
2C + O₂ → CO (Combustión parcial)

3. Reacciones de gasificación

La gasificación hace reaccionar el carbón restante con vapor (H₂O) y oxígeno a altas temperaturas de 1200-1500 °C (2192-2732 °F) en un entorno reductor, generando hidrógeno y otros gases. Las principales reacciones de gasificación son: 

Reacción agua-gas: C + H₂O ⇌ CO + H₂ (Endotérmica)
Reacción de Boudouard: C + CO₂ ⇌ 2CO (Endotérmica)   

Estas reacciones producen gas de síntesis, una mezcla formada principalmente por monóxido de carbono e hidrógeno, junto con dióxido de carbono y otros gases traza.

4. Metanización

En algunos casos, se emplea un paso adicional llamado metanización para aumentar el contenido de metano del gas de síntesis. A veces se le denomina E-metano cuando se utilizan hidrógeno verde y CO₂ o CO₂ capturado directamente del aire (DAC). Este proceso implica la reacción del monóxido de carbono con hidrógeno en presencia de un catalizador:

CO + 3H₂ ⇌ CH₄ + H₂O (exotérmica)

5. Limpieza y mejora del gas de síntesis

El gas de síntesis crudo contiene impurezas que deben eliminarse antes de utilizarlo. Este proceso de limpieza normalmente implica:

• La eliminación de polvo, en la que se emplean técnicas de separación física para eliminar partículas. 
• La eliminación de azufre, proceso a través del cual se eliminan los compuestos como (H₂S) mediante la depuración con aminas o procesos similares. 
• Eliminación del dióxido de carbono, en la que el CO₂ se captura, almacena o se utiliza en otros procesos industriales.

6. Separación y tratamiento del hidrógeno

El paso final consiste en separar el hidrógeno de la mezcla de gas de síntesis purificado. Este paso puede llevarse a cabo mediante diversos métodos, siendo los dos más habituales:

• La adsorción por oscilación de presión, en la que se utilizan materiales adsorbentes para capturar el monóxido de carbono de forma selectiva, obteniendo hidrógeno purificado. 
• Separación por membrana, en la que que se emplean membranas especializadas que permiten el paso del hidrógeno a la vez que retienen otros gases.

El hidrógeno gris, el hidrógeno más utilizado en la industria, se obtiene a través del reformado de metano con vapor (SMR) y el reformado autotérmico (ATR). Ambos métodos utilizan hidrocarburos como materia prima, principalmente metano, siendo el gas natural la fuente utilizada con mayor frecuencia.

Obtención de gas natural y extracción de hidrógeno

El gas natural es inodoro e incoloro que se encuentra principalmente bajo la superficie terrestre, cerca yacimientos de petróleo. Formado durante millones de años a partir de la descomposición de materia orgánica bajo un calor y una presión intensos, esta versátil fuente de energía es una piedra angular de la sociedad moderna y se utiliza para en hogares, industrias y para producir electricidad. Asimismo, también se utiliza como materia prima para obtener diversos compuestos que acaban transformándose en productos finales, como telas sintéticas, anticongelantes, pinturas, materiales de embalaje, champús, lociones y fertilizantes.

Este gas se encuentra en formaciones rocosas porosas y permeables llamadas reservorios, a menudo atrapados debajo de capas de roca impermeable que impiden que se escape. Estos reservorios pueden encontrarse bajo tierra firme cerca de la costa o en alta mar, debajo del fondo marino. La búsqueda de gas natural requiere llevar a cabo estudios geológicos sofisticados, obtener imágenes sísmicas y realizar perforaciones exploratorias para encontrar reservas ocultas. Una vez identificado un posible yacimiento, se inicia el proceso de extracción, a menudo empleando una combinación de tecnologías adaptadas a las condiciones geológicas específicas del lugar.

El método de extracción empleado con mayor frecuencia consiste en perforar un pozo en el yacimiento, creando así un conducto para que el gas atrapado pueda fluir hacia la superficie. Este flujo suele estar impulsado por la presión natural del propio reservorio. A medida que se extrae el gas, la presión suele disminuir, lo que obliga a utilizar técnicas de elevación artificial para mantener la producción, como bombas o compresores.

Una vez en la superficie, el gas natural extraído, que a menudo contiene impurezas como vapor de agua, arena y otros gases, se somete a diferentes procesos de purificación y tratamiento. Estos pasos son cruciales para eliminar impurezas, separar componentes valiosos y preparar el gas para poder utilizarlo. A continuación, el gas natural procesado se transporta a través de gasoductos o en formato comprimido (GNC) o licuado (GNL) en buques cisterna especializados a consumidores de todo el mundo. 

El hidrógeno gris es el tipo de hidrógeno más utilizado debido a la abundante disponibilidad de gas natural. Además, el SMR y el ATR son menos intensivos en carbono que la gasificación de carbón, por lo que son preferibles al hidrógeno negro y marrón. El hidrógeno azul lleva los procesos de SMR y ATR un paso más allá al incorporar la captura, el transporte y el almacenamiento de carbono, si bien con unos gastos operativos significativos. 

Aunque el objetivo final en la cadena de valor del hidrógeno es la transición a sistemas de energía totalmente renovable, la mezcla de hidrógeno con gas natural en las centrales eléctricas existentes ofrece una solución temporal. A fin de que este proceso sea exitoso, es necesario medir el caudal con precisión y disponer de una instrumentación de análisis de gases en tiempo real que garantice una mezcla de gases uniforme. El hidrógeno también puede incorporarse en los suministros de gas natural residenciales y comerciales en concentraciones de hasta el 20 %, en función de las regulaciones de cada país.

Esto permite reducir las emisiones, ya que la combustión del hidrógeno es más limpia que la del gas natural. Mientras que los electrodomésticos solo pueden utilizar una mezcla de hidrógeno con gas natural de hasta un 20 %, las turbinas de gas empleadas en las centrales eléctricas pueden quemar mezclas mucho mayores, alcanzando incluso un 100 % de hidrógeno en los modelos más recientes.

Las estrategias basadas en la combinación de gases permiten una transición gradual hacia fuentes de energía más limpias sin necesidad de reemplazar de inmediato toda la infraestructura existente, reduciendo así la urgencia de realizar grandes inversiones de capital en nuevas centrales eléctricas y conductos.

El éxito de esta estrategia depende en gran medida de la fuente de hidrógeno utilizada. Si bien la mezcla de hidrógeno gris, marrón o negro tiene un impacto ambiental limitado debido a las emisiones generadas durante su producción, el uso de hidrógeno verde, obtenido a partir de fuentes renovables, reduce significativamente las emisiones generales de gases de efecto invernadero (GEI) y contribuye así los objetivos de cero emisiones netas.

A medida que avanza la revolución energética del hidrógeno, es fundamental entender los diversos tipos de hidrógeno, así como sus métodos de producción y el impacto ambiental que generan. Aunque el hidrógeno verde es el objetivo a perseguir para lograr las cero emisiones netas, el hidrógeno bajo en carbono, así como el negro, el marrón y el gris, son cruciales para hacer posible el avance en infraestructuras, investigación y diversificación energética.

A medida que la humanidad deba hacer frente al cambio climático en las próximas décadas, garantizar la continuidad y la sostenibilidad del suministro eléctrico hará necesario diversificar las fuentes de energía utilizadas. Si bien aún quedan varios obstáculos por superar, el hidrógeno promete ser un vehículo limpio, versátil y sostenible.