El hidrógeno está llamado a desempeñar un papel cada vez más importante en los planes de descarbonización de la producción y distribución energética mundial del futuro. Una de sus funciones más importantes es como vector energético, es decir, como transportador de energía desde una fuente de energía primaria hasta el lugar donde se necesita. Una de las principales ventajas del hidrógeno es que cuando se utiliza como combustible, por ejemplo en las pilas de combustible, es muy limpio. El agua es el único residuo y no emite los contaminantes nocivos que se producen en la combustión de los hidrocarburos, por lo que es ideal para su uso en entornos urbanos para el transporte pesado, como los autobuses, y para las instalaciones de producción combinada de calor y electricidad en edificios domésticos y comerciales.

Otra función importante del hidrógeno es su uso como materia prima química; de hecho, la mayor parte de los usos actuales del hidrógeno se dan en las refinerías, en la producción de amoníaco para fertilizantes y en la producción de acero. La Agencia Internacional de la Energía (AIE) cifró en 74 millones de toneladas la producción mundial de hidrógeno ya en el año 2018. En la actualidad, la producción de hidrógeno está dominada (en un 95%) por procesos que utilizan gas natural (metano), lo que supone la emisión de 830 millones de toneladas de dióxido de carbono (CO₂) como subproducto. Por lo tanto, es urgente encontrar formas de descarbonizar la producción de hidrógeno para cumplir los objetivos globales de emisiones de CO₂.

La producción de hidrógeno

Aunque el hidrógeno es abundante en el universo, el hidrógeno libre no se encuentra fácilmente en la Tierra. Aquí se encuentra unido a moléculas, las más abundantes de las cuales son el agua (H₂O) y los hidrocarburos, especialmente el metano (CH₄). De manera que, para obtener hidrógeno libre, estas moléculas deben dividirse aportando energía, que luego puede recuperarse mediante una recombinación con el oxígeno para producir agua. De ahí que se describa el hidrógeno como un vector energético y no como una fuente de energía primaria. 

¿Cómo se puede producir el hidrógeno? Hay muchas rutas que implican diferentes fuentes de energía primaria que pueden ser en forma de luz, calor, energía eléctrica o combinaciones de estas fuentes. Este artículo del blog es demasiado limitado para abarcar todos los métodos de producción de hidrógeno, tanto los que están en uso como los que se están desarrollando, pero sí que abarcará los principales contendientes para su aplicación a gran escala. 

El primer método, y con mucho, el más universal, es el reformado con vapor del gas natural, a menudo conocido como Reformado de Metano con Vapor (SMR). En este caso, el vapor y el gas natural, tratados para eliminar los contaminantes, se calientan juntos a alta presión a ~ 900ºC sobre un catalizador a base de níquel. El resultado es una mezcla de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno conocida como syngas. El syngas se trata posteriormente en una reacción de cambio de gas a agua para producir más cantidad de hidrógeno y dióxido de carbono (véase el recuadro para más detalles). Actualmente, el CO₂ producido se libera a la atmósfera, pero puede utilizarse como subproducto, por ejemplo, en el procesamiento y envasado de alimentos, donde, de nuevo, se libera finalmente a la atmósfera. El proceso de reformado con vapor obtiene el calor necesario para impulsar la reacción de la combustión del gas natural, produciendo más CO₂.

Otra vía para suministrar calor a la reacción de reformado con vapor es un proceso conocido como oxidación parcial del metano, que genera calor a medida que se produce la reacción. La reacción de oxidación parcial puede acoplarse a la reacción de reformado con vapor para crear lo que se conoce como reformado autotérmico (ATR) (véase el recuadro). Al no necesitar calor externo, se trata de un reformado más eficiente y compacto, lo que significa un menor coste y menos emisiones de carbono (véase, por ejemplo, el proceso LCH™ de Johnson Matthey).

Para descarbonizar estos procesos basados en metano, el CO₂ producido debe ser capturado y almacenado en un depósito geológico. Los proyectos de Captura, Uso y Almacenamiento de Carbono (CCUS) implican el bombeo del CO₂ en depósitos geológicos, como los yacimientos agotados de petróleo y gas. Un ejemplo es el desarrollo de la red de hidrógeno HyNet en el noroeste del Reino Unido.

La ruta alternativa que se está promoviendo con fuerza es la producción de hidrógeno mediante la electrólisis del agua, especialmente si se puede utilizar electricidad renovable. Esto se describió en un blog anterior como la producción de hidrógeno verde. Proyectos como GrInHy2.0 tienen como objetivo la producción de hidrógeno verde para su uso como materia prima industrial.

La electrólisis puede ser de agua a baja temperatura mediante electrolizadores alcalinos o PEM o de vapor a alta temperatura mediante electrolizadores de óxido sólido como en el proyecto GrinHy2.0. La electrólisis a alta temperatura es más fácil de integrar en los procesos industriales, especialmente cuando se dispone de calor residual y se pueden obtener eficiencias de proceso muy altas. En la actualidad, sólo el 2% del hidrógeno que se produce en el mundo lo hace por la vía de la electrólisis debido a las limitaciones de los costes, pero esta situación cambiará drásticamente, ya que la tecnología de la electrólisis está siendo objeto de un intenso desarrollo para cumplir los objetivos de emisiones. Un ejemplo de ello es la reciente colaboración entre Iberdrola y Fertiberia para producir hidrógeno verde para la obtención de amoníaco. Iberdrola construirá una planta fotovoltaica (100 MW), una instalación de baterías y un sistema PEM para producir hidrógeno verde por electrólisis a partir de fuentes 100% renovables. El hidrógeno verde se utilizará en la planta de fertilizantes de Fertiberia en Puertollano, convirtiéndose en la primera empresa europea de su sector en desarrollar una experiencia a gran escala en la generación de amoníaco verde.

Los colores del hidrógeno

Todos los procesos de producción de hidrógeno pueden caracterizarse asignando al hidrógeno una etiqueta de color. Aunque el hidrógeno es un gas incoloro, estas etiquetas son de uso común como notación abreviada y se describen a continuación:

• El hidrógeno gris se obtiene mediante el reformado de metano con vapor y el CO2 producido se libera a la atmósfera.
• El hidrógeno azul se obtiene mediante el reformado de metano con vapor, pero el CO2 se captura y almacena en un sistema CCUS, por ejemplo.
• El hidrógeno verde se obtiene mediante la electrólisis del agua (o del vapor) utilizando la electricidad obtenida de una fuente renovable como la eólica o la solar.
• El hidrógeno rosa se obtiene mediante la electrólisis del agua cuando la electricidad procede de la energía nuclear.
• El hidrógeno negro/marrón se obtiene a partir del carbón mediante la gasificación, pero es un proceso muy contaminante ya que se libera CO2 a la atmósfera.

El futuro de la producción de hidrógeno

En un futuro inmediato, la mayor parte del hidrógeno que se produzca se utilizará a nivel industrial y será de color gris, para pasar a ser hidrógeno azul a medida que se vayan desarrollando más proyectos de CCUS. La introducción de tecnologías de electrólisis se está desarrollando rápidamente para satisfacer la necesidad de hidrógeno verde para el transporte y la industria. Lo que está claro es que tendremos que desarrollar y desplegar muchas variantes diferentes de producción de hidrógeno para satisfacer el enorme crecimiento previsto de la demanda mundial.