El mercado del hidrógeno depende totalmente de las aplicaciones que se le den como combustible de sustitución, medio de almacenamiento de energía y como parte de una mercancía global
Eryn Devola*
Ciudad de México, 6 de julio de 2023.— Los programas de descarbonización y sostenibilidad están teniendo un papel relevante en casi todos los procesos, empresas e industrias del mundo. Y este cambio sigue acelerándose, ya sea debido al incentivo financiero de hacer más con menos, a un conjunto creciente de normativas medioambientales o a la presión de los clientes. Aunque hay muchos niveles de respuesta a este reto, la mayoría de las veces se trata de eliminar la combustión de hidrocarburos. Algunas empresas recurren a la electrificación para ser sostenibles y confían en las tecnologías de baterías para satisfacer sus demandas de almacenamiento de energía. De lo que no se habla tanto es del interés por el hidrógeno como combustible de sustitución.
El átomo de hidrógeno es la sustancia más común del universo y ofrece muchas ventajas sobre los combustibles fósiles utilizados hoy en día en la industria aeroespacial, la generación de energía y los procesos industriales. Cuando se utiliza en pilas de combustible, la única emisión es vapor de agua procedente del hidrógeno que vuelve a unirse con el oxígeno de la atmósfera. Además, el hidrógeno tiene la energía específica más alta de todas las fuentes de energía no nucleares, y su combustión es más caliente y eficiente que la de cualquiera de los combustibles alternativos. Incluso puede utilizarse como sustituto directo en algunos procesos con una adaptación mínima. Todo esto es posible a partir de un combustible que puede fabricarse con agua y electricidad. Desgraciadamente, su despliegue a gran escala plantea dificultades. El hidrógeno podría revolucionar nuestros sistemas energéticos, pero antes de que eso ocurra los ingenieros necesitarán las mejores herramientas digitales para eliminar los obstáculos.
Sigue habiendo retos
El primer reto a la hora de utilizar el hidrógeno para el almacenamiento de energía es alcanzar la escala necesaria para fabricar hidrógeno de forma sostenible. Aunque el hidrógeno puede producirse mediante muchos procesos diferentes, la única opción ecológica es hacerlo mediante electrólisis, es decir, separando el hidrógeno del oxígeno haciendo pasar una corriente a través del agua. El proceso más común hoy en día es la reformación del metano mediante vapor, utilizando gas natural como materia prima, pero las emisiones de carbono anulan las ventajas de utilizar hidrógeno en primer lugar. El hidrógeno verde requerirá un aumento masivo de las instalaciones de electrólisis y una abundancia de electricidad renovable para alimentar el proceso.
Con un suministro estable de hidrógeno ecológico, utilizarlo de forma eficaz sigue siendo un gran reto. Es un gas increíblemente inflamable, el elemento con el radio atómico más pequeño, y almacenarlo a presión romperá el tanque de almacenamiento si no se diseña adecuadamente. El despliegue del hidrógeno a la escala necesaria para que tenga impacto requerirá la construcción de infraestructuras y redes logísticas para transportar adecuadamente el combustible allí donde más se necesite.
Cualquiera de estos retos sería suficiente por sí solo, pero el hidrógeno como almacenamiento de energía también sufre el impuesto de los primeros en adoptarlo. Hoy en día hay pocas aplicaciones que puedan utilizar eficazmente el combustible y las que pueden hacerlo se enfrentan a elevados costos derivados de la complejidad de su fabricación y suministro. La solución sencilla es crear un mercado más amplio para el hidrógeno en el lado de la demanda de la ecuación, y muchas empresas han lanzado productos en este sentido, pero llegar hasta ahí requerirá una ingeniería compleja con herramientas digitales completas.
Aplicaciones prometedoras del hidrógeno
El mercado del hidrógeno depende totalmente de las aplicaciones que se le den como combustible de sustitución, medio de almacenamiento de energía y como parte de una mercancía global. La producción de hidrógeno no se ampliará sin una necesidad clara y presente de la demanda del producto. Afortunadamente, hay más de un puñado de tecnologías, productos y procesos preparados para crear esa necesidad.
Generación y almacenamiento de energía
Posiblemente, la industria energética sea la más avanzada en el despliegue del hidrógeno como fuente de energía. Empresas como Siemens Energy, ya fabrican y venden turbinas de gas de combustible flexible a escala de red. Estas enormes turbinas son una iteración de sus diseños para la combustión de gas natural (metano), pero pueden cambiarse al hidrógeno como materia prima con una adaptación mínima. Esta capacidad hace que las turbinas sean valiosas durante el cambio al hidrógeno y a una energía más sostenible. Las empresas de servicios públicos pueden comprar hoy equipos que seguirán funcionando en los próximos años, cuando sea más eficaz utilizar hidrógeno.
Estos dispositivos también servirán para aprender a caracterizar mejor la física de la combustión del hidrógeno. Hemos tenido muchos años para comprender los entresijos de la combustión del metano. Para alcanzar rápidamente ese nivel de comprensión con el hidrógeno, necesitaremos la potencia del gemelo digital para diseñar, simular y validar las mejores turbinas específicas para el hidrógeno. Ya sabemos que el hidrógeno arde más y puede fragilizar los metales de forma similar a las reacciones de oxidación, pero el impacto de estas propiedades en el interior de una turbina de varias toneladas que gira a un elevado número de revoluciones por minuto no está del todo claro. Es probable que el hidrógeno desgaste las piezas más rápidamente, pero la rapidez es una respuesta importante, así como la forma de evitarlo por completo.
La demanda percibida de hidrógeno en el futuro está impulsando la innovación en todo el sector energético. Las instalaciones de gas natural existentes están investigando procesos de reformación con vapor bajo la superficie que dejan subproductos de dióxido de carbono (CO2) en el yacimiento. Y con la aparición de pequeños reactores modulares, el uso de la energía nuclear para producir hidrógeno combustible con un suministro estable es otra conversación creciente entre las empresas energéticas. El hidrógeno como almacenamiento de energías renovables y como combustible derivado de fuentes sostenibles está impulsando el cambio en la cadena de suministro energético.
Transporte
Para los aviones y vehículos terrestres de largo recorrido, así como para los buques marítimos, las ventajas del hidrógeno frente a los combustibles fósiles tradicionales e incluso la electrificación de las baterías son grandes. El transporte en entornos remotos será una aplicación importante del hidrógeno como fuente de energía, pero requerirá más mejoras infraestructurales que la generación de energía para ponerse en marcha. También habrá que tomar algunas decisiones de diseño desde el principio porque hay dos tecnologías que compiten para liberar el potencial de energía química del hidrógeno: la combustión y las pilas de combustible. La combustión libera mucha más energía que las pilas de combustible por kilogramo de hidrógeno, pero la cantidad de calor generada con este método puede desperdiciarse.
El diseño de un coche puede optar por tecnologías de pilas de combustible para alimentar motores eléctricos, mientras que un avión puede elegir la combustión porque puede aprovechar más la energía con motores a reacción. La implantación del hidrógeno en el transporte dependerá de cada aplicación y para encontrar la mejor solución se necesitarán herramientas digitales integrales y una comprensión completa de los requisitos del producto desde las primeras fases del diseño conceptual. Las redes de transporte también están mucho menos centralizadas que las aplicaciones de generación de energía, por diseño, pero siguen haciendo que la infraestructura sea más compleja de desarrollar. Incluso dentro del sector, algunas aplicaciones serán más fáciles con redes más pequeñas. Los aviones tienen muy pocos recorridos en comparación con los automóviles, lo que podría convertirlos en un gran caso de prueba para la transición al hidrógeno si se consigue responder a las grandes preguntas. ¿Combustión o pila de combustible? ¿Cómo almacenar el combustible? ¿Y qué forma tendrá el producto?
Procesos industriales
La tercera aplicación, y posiblemente la más dispar, del hidrógeno en la descarbonización y las prácticas empresariales sostenibles es con los procesos industriales. Muchos procesos utilizados en la fabricación y la construcción modernas requieren fases de alta temperatura. Tradicionalmente, esto se consigue quemando combustibles fósiles, pero a medida que el mundo se descarboniza se necesitan nuevas soluciones. Algunos procesos de fundición de metales y de alta temperatura pueden realizarse con electricidad, pero la eficiencia de los calentadores resistivos de estas soluciones es demasiado baja para la energía requerida. Como en el caso de las turbinas de gas, el hidrógeno puede ser un combustible de sustitución, pero al igual que las redes de transporte, el número de instalaciones que necesitarán acceder al hidrógeno será demasiado grande para la infraestructura actual.
También hay muchas más necesidades de desarrollo para conseguir que algunos de estos procesos sean neutros en carbono que el mero cambio de combustibles. La fabricación tradicional de cemento, por ejemplo, emite dióxido de carbono en dos fases distintas: la primera es durante la fase de cocción en el horno de cemento para crear el clínker (una parte importante de las mezclas de cemento), a partir del combustible fósil quemado. La segunda fase, que no se resuelve utilizando hidrógeno, es que al descomponer la piedra caliza en clínker se liberan dióxido de carbono y otros gases. Aunque no se trata de un problema imposible de resolver en el camino hacia la descarbonización, requerirá una reflexión y un trabajo de ingeniería adicionales para limitar las emisiones de carbono. En el caso del cemento, podría significar reducir el porcentaje de clínker y secuestrar el CO2 que se libera, pero cada aplicación tendrá sus propias complejidades en las que comprender el problema como un sistema de sistemas será de un valor incalculable.
Ampliar las mejores soluciones
La escala lo es todo para que el hidrógeno despegue como corriente energética alternativa. No solo determina la disponibilidad del combustible para desplegarlo en nuevos productos y tecnologías, sino que también crea el incentivo de costo para que más empresas se pasen al hidrógeno. Una turbina de combustible flexible puede utilizar hidrógeno, pero a menos que sea más rentable, las empresas tienen pocos incentivos para hacerlo. Lo mismo puede decirse de cualquier otra tecnología o producto con el que se encuentre el ciudadano de a pie: si los aviones de hidrógeno son demasiado caros, muchos optarán por no volar, dejar de viajar o elegir otro modo de transporte. Y una vez que se alcance cierta escala, las empresas que utilicen hidrógeno tendrán su propio incentivo para hacer que el consumo sea mucho más eficiente, al igual que las decisiones empresariales actuales con respecto a los costos de la energía y los materiales.
Hacer todo esto es mucho más fácil si se trabaja dentro del mellizo digital integral. Las empresas que comienzan con un enfoque de sistema de sistemas y crean un ecosistema industrial conectado deberían disponer de todos los datos que necesitan para tomar las mejores decisiones, creando un negocio exitoso y sostenible. Los ingenieros pueden diseñar, probar y validar soluciones innovadoras en el mundo digital más rápidamente y con menos riesgos. Independientemente de lo que su empresa esté haciendo para crear un mundo más sostenible, mediante el almacenamiento de energía de hidrógeno, el transporte de emisiones cero o la optimización de los productos existentes para que sean más eficientes, un gemelo digital integral puede ayudar a acelerar el cambio hacia la sostenibilidad.
* Vicepresidenta de Sostenibilidad de Siemens Digital Industries
Fotografía: Siemens
