Hidrógeno – Importancia y explicación del espectro de color

El hidrógeno molecular (H2) es un compuesto gaseoso de amplio uso industrial. Esta sustancia se emplea en procesos de refinación del petróleo como el cracking (rompimiento de moléculas grandes para formar compuestos más ligeros), la producción de amoniaco, la hidrogenación de aceites y grasas (para la producción de margarina), entre otros. No obstante, sus usos de mayor interés en la actualidad están relacionados con la reducción de la huella de carbono de las industrias.

Algunas de las maneras en la que el uso de hidrógeno molecular puede reducir las emisiones de carbono de una industria es mediante la sustitución de combustibles fósiles y agentes reductores contaminantes por esta sustancia. El primer uso es el más sencillo: se usa hidrógeno en los procesos de calentamiento, hornos, y calderas en lugar de combustibles tradicionales; lo cual elimina las emisiones directas (alcance 1) de dióxido y monóxido de carbono, pues la combustión del hidrógeno sólo genera vapor de agua.

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Por otra parte, su uso como agente reductor es de gran interés para la industria siderúrgica, para la cual se ha desarrollado el proceso de transformación de los óxidos de hierro presentes en los minerales a hierro de reducción directa (DRI, por sus siglas en inglés), el cual puede ser transformado en acero en un horno de arco eléctrico. Esto es, el uso de hidrógeno como agente reductor emitiría sólo vapor de agua como resultado de la operación; en contraste, el método tradicional que involucra el uso de altos hornos, en el cual el agente reductor es el monóxido de carbono, es un proceso que genera grandes cantidades de CO2.

Vistos los posibles beneficios de la adopción del hidrógeno molecular en las industrias, es importante remarcar que no todas las fuentes de esta sustancia son ambientalmente amigables. Como consecuencia, se ha desarrollado un espectro de colores que clasifica los tipos de hidrógeno de acuerdo con su proveniencia. De manera física, el hidrógeno es un gas incoloro sin importar su proveniencia.

Hidrógeno verde

El hidrógeno verde es el método ideal de obtención de esta sustancia. Para la producción de esta variedad del combustible se hace a través de la electrólisis del agua, un proceso el cual usa energía eléctrica para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno molecular. Para producir el hidrógeno verde es un requisito que la energía eléctrica usada provenga de fuentes renovables como la energía eólica o los paneles solares (National Grid, 2024).

Actualmente, es el tipo de hidrógeno de menor producción. En Estados Unidos, ocupa menos del 1% de la producción total de este gas (MIT Climate Portal Writing Team, 2024). Además, aunque tiene la menor huella de carbono de entre todos los tipos de hidrógeno, el hidrógeno verde no está libre de impacto ambiental. La pequeña huella de carbono del hidrógeno verde (menos de 1 kg de dióxido de carbono equivalente por kilogramo de hidrógeno) proviene de fuentes indirectas relacionadas con la manufactura de los equipos de generación de la energía eléctrica, el reactor de electrólisis, el transporte del gas hidrógeno, entre más actividades de la cadena de valor (MIT Climate Portal Writing Team, 2024).

Además, otro uso del hidrógeno verde que ha despertado gran interés de las industrias es su empleo para el almacenamiento de energía. Es importante saber que la energía generada por fuentes renovables es intermitente y puede que se generen déficits o excedentes de energía en ciertos tiempos del día o por temporadas. Por ejemplo, en temporadas de altos vientos, los aerogeneradores pueden producir más electricidad de lo que necesita la red; lo que puede llevar a sobrecargas y apagones en la red eléctrica. Entonces, los excedentes de generación pueden ser aprovechados por los generadores de hidrógeno verde para elaborar este gas y almacenarlo para su eventual uso como energético; ya sea que se queme en plantas termoeléctricas o que se emplee en baterías de celdas de hidrógeno (Schrotenboer, Veenstra, Broek, & Ursavas, 2022).

Actualmente, se considera que este método de producción es caro en comparación con el hidrógeno gris y el azul. No obstante, el desarrollo de nuevos electrolizadores más accesibles hará que el costo de producción del hidrógeno verde baje sustancialmente (MIT Climate Portal Writing Team, 2024).

Hidrógeno gris

El hidrógeno gris es producido mediante el reformado con vapor, una serie de reacciones en la que se usa vapor de agua para convertir hidrocarburos en hidrógeno y dióxido de carbono (Marchant, 2021). En la actualidad, el 95% del hidrógeno se produce de esta manera, usando metano (CH4) como fuente (MIT Climate Portal Writing Team, 2024). Las reacciones que se llevan a cabo en este proceso son la de reformado con vapor simple y el desplazamiento del gas de agua (water-gas shift, en inglés); las cuales se muestran a continuación junto con la reacción global de la operación.

Ya que se genera dióxido de carbono como subproducto, la generación de hidrógeno por este método tiene una amplia huella de carbono de alrededor de 12 kg de CO2 equivalente por cada kilogramo de H2 generado (MIT Climate Portal Writing Team, 2024).

Hidrógeno azul

Diagrama de un sistema de captura de CO2 en el mar

Este tipo de hidrógeno tiene el mismo método de producción que el hidrógeno gris, con la modificación que el dióxido de carbono generado es capturado. Este tipo de tecnología reduce la huella de carbono del proceso tradicional de producción del hidrógeno; aunque su efectividad resulta controversial.

Por un lado, Shell, una empresa petrolera multinacional, asegura que su tecnología de elaboración de hidrógeno azul junto con el uso de un solvente propio para el lavado de los gases generados logra una captura del 99% del dióxido de carbono generado por la producción del hidrógeno (Shell, 2024). Además, los datos promedio de las emisiones de este método de elaboración arrojan una huella de carbono de entre 3 y 5 kilogramos de CO2 equivalentes por cada kilogramo de hidrógeno (MIT Climate Portal Writing Team, 2024).

Por otro lado, analistas del Instituto para la Economía de la Energía y Análisis Financiero (IEEFA, por sus siglas en inglés) aseguran que el impacto ambiental del hidrógeno azul está subestimado, ya que se usa el Potencial de Calentamiento Global (GWP, en inglés) a 100 años de las emisiones fugaces de metano. Los autores de este reporte argumentan que es más correcto usar el GWP a 20 años; por lo que la huella del hidrógeno azul en realidad sería de entre 10.5 y 11.4 kg de CO2 equivalente por kilogramo de H2 (Schliessel & Juhn, 2023). Por lo tanto, sería aún más beneficioso para el medio ambiente que se destinara un mayor presupuesto a la producción de hidrógeno verde que a la de hidrógeno azul (Diab, Fulcheri, Hessel, Rohani, & Frenklach, 2022).

Hidrógeno rosa

El hidrógeno rosa es similar al hidrógeno verde, solo que la energía eléctrica es suministrada por plantas de energía nuclear. Entonces, también es una fuente de hidrógeno baja en emisiones de dióxido de carbono equivalentes, pero con un impacto ambiental mayor al del hidrógeno verde (Marchant, 2021).

Hidrógeno turquesa

Este tipo de gas hidrógeno es producida mediante la pirólisis de hidrocarburos; notablemente, metano. La reacción que se lleva a cabo en este proceso es la descomposición con calor del metano, la cual produce hidrógeno molecular y carbón elemental en forma de negro de carbón (un polvo fino de este elemento) (Diab, Fulcheri, Hessel, Rohani, & Frenklach, 2022). La ecuación de la reacción química es la siguiente:

La principal huella ecológica de este proceso de fabricación de hidrógeno proviene de la fuente del calor suministrado a la reacción y del uso que se le de al carbón sólido generado como subproducto. Si la energía térmica aportada proviene de combustibles fósiles, y el carbón sólido resultante es usado como combustible, la huella de carbono del hidrógeno turquesa aumenta sustancialmente (Diab, Fulcheri, Hessel, Rohani, & Frenklach, 2022). Como resultado, si se quiere emplear esta herramienta como una alternativa sostenible, es necesario emplear fuentes de calor que tengan una huella de carbono reducida (tal como las energías renovables) y asegurarse que el negro de carbón producido no es usado como combustible posteriormente.

Hidrógeno blanco

Se han encontrado yacimientos naturales de hidrógeno en el subsuelo. La extracción de este gas de la tierra generaría una huella de carbono mínima: sólo las emisiones de la cadena de valor y la operación de extracción. Por lo tanto, este tipo de hidrógeno sería una fuente sostenible de este material. No obstante, hasta el momento no se cuenta con capacidad para aprovechar estos yacimientos de hidrógeno terrestre (National Grid, 2024).

Conclusión

En conclusión, el hidrógeno es un gas que es empleado en procesos de diferentes sectores industriales; por lo cual es una sustancia importante para las empresas alrededor del mundo. Existen diversos tipos de hidrógeno, clasificados por colores según su método de producción y la huella de carbono que estas operaciones tienen. Actualmente, la mayor parte del hidrógeno provienen de procesos de producción que generan emisiones considerables de dióxido de carbono. No obstante, se espera que con el desarrollo de electrolizadores más eficientes y accesibles, la producción del hidrógeno verde (sin emisiones directas) aumente y el precio de este disminuya.

Referencias;

Diab, J., Fulcheri, L., Hessel, V., Rohani, V., & Frenklach, M. (2022). Why turquoise hydrogen will Be a game changer for the energy transition. International Journal of Hydrogen Energy, 25831-25848.

Marchant, N. (2021). Grey, blue, green – why are there so many colours of hydrogen? Retrieved from World Economic Forum: https://www.weforum.org/agenda/2021/07/clean-energy-green-hydrogen/

MIT Climate Portal Writing Team. (2024). How clean is green hydrogen. Retrieved from MIT Climate Portal: https://climate.mit.edu/ask-mit/how-clean-green-hydrogen

National Grid. (2024). The hydrogen color spectrum. Retrieved from National Grid: https://www.nationalgrid.com/stories/energy-explained/hydrogen-colour-spectrum

National Subsea Centre. (2024). The Hydrogen Colour Spectrum Explained. Retrieved from National Subsea Centre: https://www.nationalsubseacentre.com/news-events/news/2024/march/the-hydrogen-colour-spectrum-explained/

Schliessel, D., & Juhn, A. (2023). Blue hydrogen: Not clean, not low carbon, not a solution. Retrieved from Institute for Energy Economics and Financial Analysis: https://ieefa.org/resources/blue-hydrogen-not-clean-not-low-carbon-not-solution

Schrotenboer, A., Veenstra, A., Broek, M., & Ursavas, E. (2022). A Green Hydrogen Energy System: Optimal control strategies for integrated hydrogen storage and power generation with wind energy. Renewable and Sustainable Energy Reviews.

Shell. (2024). Blue Hydrogen Production. Retrieved from Refining Technologies: https://www.shell.com/business-customers/catalysts-technologies/licensed-technologies/refinery-technology/shell-blue-hydrogen-process.html