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La carrera tecnológica por el hidrógeno verde

18 of April 2022

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Que la innovación reducirá el precio del hidrógeno renovable es un hecho, ya lo hace. La duda está en el cuánto, el cuándo y el salto tecnológico del principal equipo que lo produce: el electrolizador.

La carrera tecnológica por el hidrógeno verde

Que la innovación reducirá el precio del hidrógeno renovable es un hecho, ya lo hace. La duda está en el cuánto, el cuándo y el salto tecnológico del principal equipo que lo produce: el electrolizador.

El hidrógeno verde se produce a escala industrial por electrólisis al aplicar corriente eléctrica a las moléculas de agua para separar el oxígeno del hidrógeno (H2). Es el elemento más abundante del universo, pero tiene la costumbre de ir siempre acompañado a todos lados.

Este proceso de electrólisis se realiza en unos dispositivos especiales llamados electrolizadores y no emite CO2. ¿Entonces es verde? No, para ganarse ese apellido la electricidad que se utiliza en el proceso debe proceder de fuentes renovables, como por ejemplo fotovoltaica y eólica, porque si se genera mediante combustibles fósiles, carbón o gas, impone su huella de carbono al ciclo y el H2 ya no sería verde.

De hecho, el gas natural también se usa para producir directamente hidrógeno mediante la tecnología de reformado con vapor de agua, pero emitiendo CO2, motivo por el que a esta variedad se la denomina "gris". ¿Cómo va la batalla por la cuota de mercado? Según la Asociación Española del Hidrógeno (AeH2), de momento no hay partido: el 95% del hidrógeno se produce con gas natural y solo el 5% a partir de electrólisis. Pero esto va a cambiar en el corto-medio plazo.

¿Qué explica esa gran brecha? El convincente argumento del precio y, por lo tanto, la rentabilidad de la inversión. Aquí difieren los números, algunas organizaciones sectoriales cifran en 4/5 euros el coste de producir 1 kilo del verde mientras la Agencia Internacional de la Energía habla de 6. Pero todas coinciden en la necesidad de bajar hasta al menos 2/3 euros el precio para ser competitivo frente al gris.

Sin embargo, no todo es el precio. El hidrógeno gris se produce con gas natural que en Europa es principalmente importado. La reciente crisis mundial con Rusia hacen replantear alternativas que reduzcan el riesgo de precios y de desabastecimiento. Por tanto, otra ventaja clara del hidrógeno verde, además de su carácter sostenible, es que se produce con energías renovables locales y fortalece la seguridad de suministro.

El hidrógeno gris se produce con gas natural que en Europa es principalmente importado

Volviendo al precio, ¿la diferencia es mucha o poca? Depende de cuándo se consiga; en la transición energética es crucial el factor tiempo. La Unión Europea lo ve factible porque considera el hidrógeno verde una de las claves para descarbonizar su economía, reducir su dependencia energética y mejorar la seguridad de suministro. Y para lograrlo la palanca clave es tecnológica, en toda la cadena de valor, pero especialmente en la producción industrial de electrolizadores y pilas de combustible más eficiente y a gran escala.

"Las pilas de combustible (que convierten el hidrógeno, recombinado con oxígeno del aire, en electricidad para múltiples usos, incluido el estratégico de almacenar energías renovables) y los electrolizadores, sobre todo de óxido sólido o aniónicos, deben desarrollarse para alcanzar el nivel de madurez necesario", apunta Emilio Nieto, director del Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2).

¿Qué es eso del óxido sólido? Uno de los cuatro tipos de electrolizadores. Están los clásicos desde hace más de un siglo, los alcalinos que utilizan una solución electrolítica pero necesitan un sistema de purificación considerable para obtener la calidad requerida, son muy voluminosos, poco flexibles y no utilizan metales preciosos. Los cada vez más populares de membrana polimérica o intercambio de protones (PEM): su producto es de alta pureza, por lo que los sistemas de purificación son mucho más sencillos, son compactos y se adaptan bien a la variedad de fuentes renovables, pero necesitan materiales preciosos, como el platino y el iridio.

Los electrolizadores de membrana de intercambio aniónico (AEM) salen al paso porque no dependen de esos materiales tan caros y tan escasos. Y los mentados de óxido sólido (SOEC) -en vez de una solución líquida usan material cerámico- prometen niveles inéditos de eficiencia.

¿Qué es eso del óxido sólido?

¿Cómo va su competencia interna? Para Javier Brey, presidente de la AeH2, "las cuatro tecnologías evolucionan para reducir el coste de inversión y el consumo de energía". "La alcalina es de momento la más barata, pero la PEM gana terreno, la AEM aspira a aunar las ventajas de las otras dos aunque su estado es menos comercial y SOEC es la menos madura pero puede reducir de forma significativa el consumo de electricidad".

Un ejempo de innovación en esa carrera es María Retuerto, premio L'Oréal-UNESCO a las mujeres científicas y especialista del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en electrólisis PEM que busca nuevos materiales para sustituir a los metales nobles. De hecho, la revista Nature publicó una investigación suya sobre el rutenio.

España está, según Brey, bien posicionada. El país registra patentes y está en la élite con instituciones, centros de investigación y proyectos de I+D compartidos con compañías punteras como Iberdrola, que desarrolla más de 53 iniciativas de innovación abierta.

Además del CSIC, hablamos por ejemplo de Tecnalia, con desarrollos en toda la cadena desde suministro y almacenamiento a electrolizadores que reducen costes y materiales críticos, o el CNH2 y su impresionante despliegue de 13 laboratorios especializados, entre otras infraestructuras.

¿Por qué son tan importantes los electrolizadores? Porque son los elementos clave para la producción de hidrógeno verde, con el simple uso de electricidad renovable y agua. La Agencia Internacional de la Energía Renovable señala la necesidad de fabricar módulos y diseños adaptables a diferentes usos para instalarse en industrias y plantas energéticas.

¿Por qué son tan importantes los electrolizadores?

Ya hay avances en ese sentido. Por ejemplo, en Alemania se está construyendo una factoría que fabricará hasta 10.000 electrolizadores modulares y compactos al mes, con una economía de escala que estrecha costes. Mientras, la multinacional estadounidense Cummins trabaja en la provincia de Guadalajara en la construcción de una de las mayores fábricas de electrolizadores del mundo, capaz de proveer a instalaciones de gran escala y clientes industriales en la Península Ibérica. Estará operativa en 2023 e Iberdrola forma parte de este proyecto.

Por su parte, la Agencia de Energías Renovables Australiana considera que la eclosión de la industria del hidrógeno verde necesita que los precios de los electrolizadores caigan un 75% y los costes de la energía renovable, un 50%.

¿Se conseguirá ese objetivo? Un reciente estudio de Bloomberg insufla optimismo por la parte del precio de la electricidad, factor determinante por encima de la eficiencia de los electrolizadores: siempre que se mantenga el apoyo político adecuado a la innovación, producir hidrógeno verde será un 85% más barato en 2050 gracias al abaratamiento de las renovables. Según Martin Tengler, especialista de la consultoría, esa bajada "reescribiría completamente el mapa energético y al menos el 33% de la economía mundial podría funcionar con energía limpia sin pagar ni un céntimo más que por los combustibles fósiles".

¿Se puede ahorrar mucho más en electrolizadores? Con evolución tecnológica, desde luego. Es el objetivo de algunos procesos de tintes futuristas como la fotoelectrólisis o fotoelectrocatálisis, también con investigaciones españolas detrás. Esta técnica, que unifica en un solo dispositivo electrolizador y paneles solares, recibe directamente la radiación solar a través de un componente fotoactivo para generar las cargas eléctricas que separan el hidrógeno y el oxígeno del agua. Se habla de madurez comercial más o menos en 2030.

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