En esta segunda parte hablaremos de los esfuerzos y medidas que se están llevando a cabo tanto a nivel global como nacional en el sector público y privado para facilitar la consolidación del hidrógeno como componente esencial de la transformación energética necesaria para cumplir con las exigencias del Acuerdo de Paris de 2015.
Pero antes de revisar los asuntos de tipo legal y fiscal que pueden coadyuvar a la consolidación de la economía del hidrógeno, creo conveniente que nos adentremos en terreno de la investigación y desarrollo de las tecnologías que han venido impulsando una transición energética que vaya más allá de la energía solar fotovoltaica o eólica y más allá de los automóviles eléctricos basados en baterías.
Los mayores avances tecnológicos que se han dado en la última década relacionados con el hidrógeno como portador de energía limpia están relacionados con su producción, así como con las aplicaciones disponibles para los consumidores.
También hay avances en transmisión, distribución y almacenamiento del H2, pero nuestro foco será la producción y el consumo.
Empecemos por los desarrollos tecnológicos que acaparan el mayor interés: los asociados a las aplicaciones que los clientes industriales y de consumo final tienen disponibles hoy en día.
Según la Agencia Internacional de Energía (IEA por sus siglas en inglés) el sector de transporte fue responsable de la emisión del 24.64 % del CO2 producido por los combustibles basados en carbono durante el 2018.
Estamos hablando de unas 8.258 millones de toneladas de CO2 (Mtco2). De estos, 6.090 correspondieron al sector de transporte por carretera.
En el transporte vía autos particulares, taxis, buses y camiones, la tecnología utilizada, cuando de hidrógeno se trata, es la del Vehículo Eléctrico de Celda de Combustible (Fcev por sus siglas en inglés).
Como se puede intuir, estos vehículos hacen uso de un motor eléctrico, pero en lugar de aquellos que usan baterías como fuente de energía (BEV) y que son los autos eléctricos más conocidos, los Fcev usan un banco de celdas de combustible.
La celda, en lugar de tener que ser recargada con energía eléctrica, es "tanqueada" con hidrógeno. En términos simples, una Celda de Combustible (CC) es un dispositivo que usa como elementos de entrada el hidrógeno y el oxígeno, y entrega a la salida, después de una reacción química, energía eléctrica, calor y agua.
Con ayuda del siguiente gráfico podemos detallar un poco más el funcionamiento de la CC, que está compuesta de dos placas huecas (ánodo y cátodo) en las que se introducen los respectivos gases, el hidrógeno en el ánodo y el oxígeno en el cátodo. Las placas están separadas por una membrana de intercambio de protones (PEM, por sus siglas en inglés) electrolítica.
En el ánodo se cuenta con un catalizador que se encarga de separar las moléculas de H2 en electrones y protones. Inmediatamente después la PEM atrae los protones y los pasa al cátodo donde se encuentra el oxígeno, quedando aislados los electrones en el ánodo. Así, el ánodo queda con una carga negativa y el cátodo con una positiva, por lo que si se coloca un cable conductor entre ellos se generará un flujo de corriente eléctrica.
En el cátodo se producirá la reacción química del hidrógeno con el oxígeno, que producirá finalmente agua y calor.
Pero como la idea es que la energía eléctrica producida por la celda sirva para alimentar al motor eléctrico y a otros componentes del vehículo, en el circuito hemos incorporado el motor correspondiente.
Con esta breve descripción, más el gráfico ilustrativo, hemos tratado de dar una explicación simple para hacer las cosas más comprensibles. En realidad el sistema es mucho más complejo. Por ejemplo los motores que se usan son típicamente de corriente alterna, por lo que habría que incorporar un conversor DC/AC, entre otras cosas.
El creciente interés a nivel global en desarrollar el mercado de las CC y el de sus distintas aplicaciones, incluidas aquellas relacionadas con sectores diferentes al del transporte, no solo está motivado por los compromisos del Acuerdo de París, sino por las siguientes ventajas inherentes a esta tecnología:
La cantidad de Fcev a nivel mundial viene creciendo de forma significativa en años recientes. Del 2018 al 2019 el crecimiento fue de 94.65 % y del 2019 al 2020 el número de Fcev creció 38.05 %, según el Programa de Colaboración de Tecnología Avanzada de Celdas de Combustible de la IEA.
No obstante, de acuerdo con el mismo documento, la cantidad de Fcev existentes al cierre de 2020 fue de tan sólo 34.804 a nivel global, distribuidos por continente así:
Una cifra cercana a 35 mil Fvec es ínfima si se le compara con el total de vehículos rodando en el mundo en el 2020. Estamos hablando de menos del 0.005 %.
La explicación es que, aunque la tecnología de CC fue desarrollada por William Grove hacia 1842, el despliegue industrial y comercial de los Fcev solamente se inició hasta el año 2008 con la introducción del Honda FCX Clarity (aunque hubo prototipos en funcionamiento antes de este año).
Podría decirse entonces que la tecnología de vehículos basados en CC está en su temprana infancia. A pesar de ello, son muchos los países que han hecho compromisos para apoyar decididamente la tecnología usada en los Fcev. De esta manera ha de esperarse que el mercado de Fcev crezca de manera significativa.
Pero hoy en día los Fcev simplemente son más caros que los vehículos de combustión interna, que los BEV o que los híbridos. El solo hecho de que muchas celdas de combustible utilizan platino como su catalizador las hace muy costosas.
Por fortuna, gracias a la ciencia de materiales, ha habido interesantes avances en la tecnología para CC, algunos aplicables a la industria automotriz. Se han introducido distintos tipos de electrolitos y de catalizadores. Dentro de los primeros, además de mejoras a la tecnología PEM, se han empezado a utilizar electrolitos alcalinos (AFC), de ácido fosfórico (Pafc), de carbonato fundido (Mcfc) o de elementos cerámicos conocidos como Sofi.
Dentro de los segundos, además del platino, se están utilizando catalizadores basados en níquel, plata, cobre o cobalto. La tecnología Sofc se usa muchas veces en combinación con catalizadores LaMnO3/LaCoO3 (basados en el raro elemento lantano, combinado con óxidos de manganeso o cobalto).
Al respecto, llama poderosamente la atención una publicación del 2018 de investigadores de la Universidad de California, en colaboración con científicos de la Universidad de Stanford, en la revista Small.
Allí anunciaron un nuevo catalizador que puede ser usado en combinación con electrolitos PEM. El nuevo catalizador está formado por nanofibras de carbono porosas e incrustadas en un compuesto hecho de un metal relativamente abundante, como es el cobalto ¡100 veces más barato que el platino!
No obstante, los desarrollos tecnológicos pueden no ser suficientes en la promoción de la oferta y demanda de los Fcev, sobre todo en las etapas tempranas en que nos encontramos. Se necesita de la ayuda estatal.
Tal como sucedió en los primeros años del nuevo milenio, cuando los vehículos BEV recibieron subsidios estatales -que en muchos países aún se mantienen- los Fcev también requieren de una política de subsidios para que sean comercialmente viables. Obviamente estos subsidios no deben ser indefinidos. En la medida en que las economías de escala y la tecnología lo permitan, los subsidios podrán ir desmontándose paulatinamente.
Hoy en día, dentro de los países que están otorgando subsidios a los Fcev se encuentran Estados Unidos, Japón, España, Austria, Dinamarca, Suecia, Suiza, Canadá, Alemania, Bélgica, Francia, Reino Unido, Holanda, China y Corea del Sur, entre otros.
Aunque hay compromisos importantes y ambiciosos en todos estos países con la economía del hidrógeno y los Fcev, Corea del Sur es el que más impulso está dando a esta nueva industria. Para el año 2040 espera tener 6.2 millones de Fcev distribuidos así: 5.9 millones de vehículos particulares, 60 mil buses, 120 mil taxis y 120 mil camiones. Además piensa contar para entonces con 12 mil estaciones de tanqueo de hidrógeno, según el reporte "The Hydrogen Economy South Korea" del departamento de comercio internacional del Reino Unido.
Pero la economía del hidrógeno no se limita al transporte por carretera. Las celdas de hidrógeno ya se están usando en el transporte marítimo, aeronáutico y ferroviario. En los dos primeros casos, por ahora, se han desarrollado prototipos. Respecto al tercer caso, en Alemania ya se encuentran en operación trenes que usan CC y Japón iniciara operaciones de este tipo de trenes en el 2024.
Adicionalmente a las soluciones existentes para el transporte, hay varias aplicaciones del hidrógeno (directas o vía CC) que ya se han desarrollado o que bien se encuentran en desarrollo. Algunos ejemplos son:
Generación de Energía Eléctrica. Varias empresas de energía eléctrica a nivel global están integrando a gran escala sistemas de CC con capacidades del orden de decenas de MW. También hay ya en desarrollo, plantas eléctricas de respaldo para viviendas y edificios que usan CC.Calefacción y Cocción. El gas natural (GN) usado en calentadores y estufas hoy en día ha encontrado poca competencia en las últimas décadas. No obstante, el hidrógeno se ha convertido en una opción viable en tiempos recientes, inicialmente mezclado con el GN (usando blending) y luego como único combustible.Manejo de Carga. El uso de celdas de hidrógeno en montacargas se está volviendo muy popular dadas sus claras ventajas. Según el Global Hydrogen Review 2021 de la IEA, este año solamente los Estados Unidos finalizará con más de 40 mil montagargas basados en CC. Son ideales para el manejo de carga en las bodegas por ser silenciosos, no contaminantes y durar 2 turnos de 8 horas cada uno, sin reabastecimiento.
En relación con la última de estas aplicaciones, hay que decir que montacargas como manejadores de contenedores, se están empezando a usar en los puertos, donde tienen el potencial de hacer sinergia con los camiones basados en CC que llegan y salen de éstos, así como con los buques cargueros que empezarán a usar CC en el corto plazo. Por tanto, contar con plantas de producción de hidrógeno en los complejos portuarios puede ayudar muchísimo a la eficiencia operacional y económica del nuevo modelo energético basado en hidrógeno.
Habíamos visto en la primera parte de esta entrega que el hidrógeno también se enfrentaba con importantes desafíos del lado de su producción, toda vez que la misma se lleva a cabo hoy en día emitiendo, en el proceso de extracción, una gran cantidad de CO2.
Las otras opciones existentes -la hidrólisis y la captura del CO2 que emana de los métodos tradicionales- aunque considerablemente menos contaminantes, son más costosas.
Por limitaciones de espacio no podemos ahondar en el método de captura, almacenamiento y utilización del carbono (Ccus por sus siglas en inglés), pero sí podemos decir que las plantas equipadas con Ccus capturan hasta el 90 % del CO2, y nuevas tecnologías en desarrollo se acercarán al 100 % según el Global CCS Institute.
En el caso de la electrólisis se han venido desarrollando tecnologías combinadas que son una gran esperanza para la mejora de la eficiencia y la disminución del costo de producir hidrógeno usando este método. Al igual que sucede con las CC, la tecnología de electrólisis usa materiales de alto costo. No obstante cuando se integran varias tecnologías, se aumenta la eficiencia y se disminuyen los costos. A continuación mostramos un ejemplo de ello.
En el gráfico de abajo se pueden ver tres tipos de tecnologías que usan concentración de luz solar, las cuales combinan estrategias tecnológicas. De izquierda a derecha encontramos un concentrador solar de haz descendente (desarrollado por Wahaj Investment LLC), un concentrador solar de disco parabólico (desarrollado por la École Polytechnique Fédérale de Lausana y comercializado por SoHHytec), y por último, un concentrador solar que usa espejos móviles controlados por un sistema de inteligencia artificial de la empresa Heliogen.
La concentración de la luz solar permite, en todos estos casos, obtener temperaturas en el punto de concentración que oscilan entre 800 y mil grados centígrados. Y resulta que la electrólisis a alta temperatura es económicamente más eficiente que la electrólisis tradicional a temperatura ambiente porque parte de la energía se suministra en forma de calor, que es más barato que la electricidad. Por otro lado, desde el punto de vista electroquímico, la reacción de la electrólisis es también más eficiente a temperaturas más altas.
En la aproximación de Heliogen, la energía térmica producida puede, también, ser utilizada directamente en procesos industriales (en metalurgia por ejemplo) o mineros, puede emplearse para calentar gases que luego alimenten una turbina para que un generador produzca energía eléctrica (decenas o cientos de MW según Heliogen), una parte de la cual alimentaría un gran electrolizador para producir hidrógeno 100 % limpio. Es decir que en este esquema no se requeriría de energía eléctrica proveniente de la eólica o fotovoltaica como insumo.
Al unir los avances en la tecnología de la electrólisis (en la que, al igual que en las CC, se están usando nuevos y más económicos materiales), con la utilización de agua a alta temperatura (vapor) y la integración con otras tecnologías como las descritas, la producción de hidrógeno tiene el camino prácticamente despejado.
Más arriba habíamos anticipado que no dedicaríamos mucho espacio a estos temas.
Quizás vale la pena mencionar que el desafío común que tienen es el relacionado con la dificultad de transmitir, almacenar y distribuir el hidrógeno, dada su baja densidad energética volumétrica (Megajulios por litro -MJ/L-).
Esto se ha venido subsanando de la siguiente forma:
Para terminar hay que decir que, comparada con otros países, Colombia está en una fase incipiente respecto de la transición energética. Pero lo positivo es que existe el convencimiento de que el hidrógeno es una de las rutas más importantes para llegar a ella, tanto así que este año sucedieron tres eventos trascendentales: La sanción de la Ley 2099 de 2021 -o Ley de transición energética-, la presentación de la hoja de ruta del hidrógeno (HdR) en Colombia por parte del Presidente Duque y la creación de la Asociación Colombiana de Hidrógeno (ACH).
Revisando los distintos documentos, son muchísimos más los elementos positivos que allí se encuentran, que lo que pueda ser objeto de alguna crítica. No obstante, debo hacer las siguientes observaciones:
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