Economía del hidrógeno
Utilizar hidrógeno para descarbonizar más sectores
El hidrógeno tiene el mayor potencial para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero cuando se utiliza en la producción química, las refinerías, el transporte marítimo internacional y la fabricación de acero [1].

La economía del hidrógeno es un término general que se utiliza para describir el papel que puede desempeñar el hidrógeno junto con la electricidad baja en carbono para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero . El objetivo es reducir las emisiones allí donde no se encuentran disponibles soluciones limpias más baratas y energéticamente eficientes. [2] En este contexto, la economía del hidrógeno abarca la producción de hidrógeno y su uso de formas que contribuyan a la eliminación gradual de los combustibles fósiles y a limitar el cambio climático .

El hidrógeno se puede producir por varios medios. La mayor parte del hidrógeno producido hoy en día es hidrógeno gris , elaborado a partir de gas natural mediante reformado de metano con vapor (SMR). Este proceso representó el 1,8% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero en 2021. [3] El hidrógeno con bajas emisiones de carbono , que se produce mediante SMR con captura y almacenamiento de carbono ( hidrógeno azul ), o mediante electrólisis del agua utilizando energía renovable ( hidrógeno verde ), representó menos del 1% de la producción. [4] Prácticamente la totalidad de los 100 millones de toneladas [5] de hidrógeno producido cada año se utiliza en la refinación de petróleo (43% en 2021) y la industria (57%), principalmente en la fabricación de amoníaco para fertilizantes y metanol . [6] : 18, 22, 29 

Para limitar el calentamiento global , generalmente se prevé que la futura economía del hidrógeno reemplace el hidrógeno gris con hidrógeno bajo en carbono. A partir de 2024, no está claro cuándo se podría producir suficiente hidrógeno bajo en carbono para eliminar gradualmente todo el hidrógeno gris. [7] Los futuros usos finales son probablemente en la industria pesada (por ejemplo, procesos de alta temperatura junto con electricidad, materia prima para la producción de amoníaco verde y productos químicos orgánicos , como alternativa al coque derivado del carbón para la fabricación de acero ), el transporte de larga distancia (por ejemplo, el transporte marítimo y, en menor medida, aviones y vehículos pesados ​​​​de mercancías propulsados ​​​​por hidrógeno ) y el almacenamiento de energía a largo plazo. [8] [9] Otras aplicaciones, como vehículos ligeros y calefacción en edificios, ya no forman parte de la futura economía del hidrógeno, principalmente por razones económicas y ambientales. [10] [11] El hidrógeno es difícil de almacenar, transportar en tuberías y usar. Presenta problemas de seguridad ya que es altamente explosivo y es ineficiente en comparación con el uso directo de electricidad . Dado que hay cantidades relativamente pequeñas de hidrógeno con bajo contenido de carbono disponibles, los beneficios climáticos se pueden maximizar al usarlo en aplicaciones más difíciles de descarbonizar. [11]

A partir de 2023, [actualizar]no existen alternativas reales al hidrógeno para varios procesos químicos en los que se utiliza actualmente, como la producción de amoníaco para fertilizantes . [12] Es probable que el costo del hidrógeno con bajo contenido de carbono o sin emisiones de carbono influya en el grado en que se utilizará en materias primas químicas, aviación y transporte marítimo de larga distancia y almacenamiento de energía a largo plazo. Los costos de producción del hidrógeno con bajo contenido de carbono o sin emisiones de carbono están evolucionando. Los costos futuros pueden verse influenciados por los impuestos al carbono , la geografía y la geopolítica de la energía, los precios de la energía, las opciones tecnológicas y sus requisitos de materia prima. Es probable que el hidrógeno verde experimente las mayores reducciones en el costo de producción con el tiempo. [13] La Iniciativa Hydrogen Hotshot del Departamento de Energía de los EE. UU. busca reducir el costo del hidrógeno verde a $ 1 por kilogramo durante la década de 2030. [14]

Historia y objetivos

Orígenes

El concepto de una sociedad que utiliza el hidrógeno como principal medio de almacenamiento de energía fue teorizado por el genetista JBS Haldane en 1923. Anticipándose al agotamiento de las reservas de carbón de Gran Bretaña para la generación de energía, Haldane propuso una red de turbinas eólicas para producir hidrógeno y oxígeno para el almacenamiento de energía a largo plazo a través de la electrólisis , para ayudar a abordar la producción variable de energía renovable . [15] El término "economía del hidrógeno" en sí fue acuñado por John Bockris durante una charla que dio en 1970 en el Centro Técnico de General Motors (GM). [16] Bockris lo vio como una economía en la que el hidrógeno, respaldado por la energía nuclear y solar , ayudaría a abordar la creciente preocupación por el agotamiento de los combustibles fósiles y la contaminación ambiental, al servir como portador de energía para usos finales en los que la electrificación no era adecuada. [2] [17]

La Universidad de Michigan propuso una economía del hidrógeno para resolver algunos de los efectos negativos del uso de combustibles de hidrocarburos en los que el carbono se libera a la atmósfera (como dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados, etc.). El interés moderno en la economía del hidrógeno se remonta a un informe técnico de 1970 de Lawrence W. Jones , de la Universidad de Michigan, [18] en el que se hizo eco de la doble lógica de Bockris de abordar la seguridad energética y los desafíos ambientales. A diferencia de Haldane y Bockris, Jones sólo se centró en la energía nuclear como fuente de energía para la electrólisis, y principalmente en el uso del hidrógeno en el transporte, donde consideraba la aviación y el transporte de mercancías pesadas como las principales prioridades. [19]

Evolución posterior

Oportunidades de liderazgo tecnológico en las cadenas de valor del hidrógeno verde según la Agencia Internacional de Energías Renovables en 2022 [20] : 55 

El aumento de la atención al concepto de economía del hidrógeno durante la década de 2000 fue descrito repetidamente como una exageración por algunos críticos y defensores de las tecnologías alternativas, [21] [22] [23] y los inversores perdieron dinero en la burbuja . [24] El interés en el portador de energía resurgió en la década de 2010, en particular con la formación del Consejo Mundial del Hidrógeno en 2017. Varios fabricantes lanzaron al mercado automóviles con celdas de combustible de hidrógeno, y fabricantes como Toyota, Hyundai y grupos industriales en China habían planeado aumentar la cantidad de automóviles a cientos de miles durante la próxima década. [25] [26]

El alcance global del papel del hidrógeno en los automóviles se está reduciendo en relación con las expectativas anteriores. [27] [28] A fines de 2022, se habían vendido 70.200 vehículos de hidrógeno en todo el mundo, [29] en comparación con 26 millones de vehículos eléctricos enchufables . [30]

Las perspectivas de principios de la década de 2020 sobre la economía del hidrógeno comparten el énfasis de las perspectivas anteriores en la complementariedad de la electricidad y el hidrógeno, y el uso de la electrólisis como pilar de la producción de hidrógeno. [8] Se centran en la necesidad de limitar el calentamiento global a 1,5 °C y priorizar la producción, el transporte y el uso de hidrógeno verde para la industria pesada (por ejemplo, procesos de alta temperatura junto con la electricidad, [31] materia prima para la producción de amoníaco verde y productos químicos orgánicos, [8] como alternativa al coque derivado del carbón para la fabricación de acero ), [32] el transporte de larga distancia (por ejemplo, el transporte marítimo, la aviación y, en menor medida, los vehículos pesados) y el almacenamiento de energía a largo plazo. [8] [9]

Mercado actual del hidrógeno

La producción mundial de hidrógeno se valoró en más de 155 mil millones de dólares estadounidenses en 2022 y se espera que crezca más del 9 % anual hasta 2030. [33]

En 2021, se produjeron 94 millones de toneladas (Mt) de hidrógeno molecular ( H 2 ). [34] De este total, aproximadamente una sexta parte fue como subproducto de los procesos de la industria petroquímica . [4] La mayor parte del hidrógeno proviene de instalaciones de producción dedicadas, más del 99% de las cuales proviene de combustibles fósiles, principalmente a través del reformado con vapor de gas natural (70%) y la gasificación del carbón (30%, casi todo en China). [4] Menos del 1% de la producción dedicada de hidrógeno es baja en carbono: reformado de combustibles fósiles con vapor con captura y almacenamiento de carbono , hidrógeno verde producido mediante electrólisis e hidrógeno producido a partir de biomasa . [4] Las emisiones de CO 2 de la producción de 2021, con 915 MtCO 2 , [35] ascendieron al 2,5% de las emisiones de CO 2 relacionadas con la energía [36] y al 1,8% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. [3]

Prácticamente todo el hidrógeno producido para el mercado actual se utiliza en la refinación de petróleo (40 Mt H 2 en 2021) y la industria (54 Mt H 2 ). [6] : 18, 22  En la refinación de petróleo, el hidrógeno se utiliza, en un proceso conocido como hidrocraqueo , para convertir fuentes pesadas de petróleo en fracciones más ligeras adecuadas para su uso como combustibles. Los usos industriales comprenden principalmente la producción de amoniaco para fabricar fertilizantes (34 Mt H 2 en 2021), la producción de metanol (15 Mt H 2 ) y la fabricación de hierro de reducción directa (5 Mt H 2 ). [6] : 29 

Producción

El gas hidrógeno se produce mediante varios métodos industriales. [37] Casi la totalidad del suministro actual de hidrógeno del mundo se crea a partir de combustibles fósiles. [38] [39] : 1  La mayor parte del hidrógeno es hidrógeno gris elaborado mediante reformado de metano con vapor . En este proceso, el hidrógeno se produce a partir de una reacción química entre vapor y metano , el principal componente del gas natural. La producción de una tonelada de hidrógeno mediante este proceso emite entre 6,6 y 9,3 toneladas de dióxido de carbono. [40] Cuando se utiliza la captura y almacenamiento de carbono para eliminar una gran fracción de estas emisiones, el producto se conoce como hidrógeno azul . [41]

Por lo general, se entiende que el hidrógeno verde se produce a partir de electricidad renovable mediante la electrólisis del agua. [42] [43] Con menor frecuencia, las definiciones de hidrógeno verde incluyen el hidrógeno producido a partir de otras fuentes de bajas emisiones, como la biomasa . [44] La producción de hidrógeno verde es actualmente más cara que la producción de hidrógeno gris, y la eficiencia de la conversión de energía es inherentemente baja. [45] Otros métodos de producción de hidrógeno incluyen la gasificación de biomasa , la pirólisis de metano y la extracción de hidrógeno subterráneo . [46] [47]

A partir de 2023, menos del 1% de la producción de hidrógeno dedicada es baja en carbono, es decir, hidrógeno azul, hidrógeno verde e hidrógeno producido a partir de biomasa. [48]

Metanol verde

El metanol verde es un combustible líquido que se produce a partir de la combinación de dióxido de carbono e hidrógeno ( CO2 +3H2 → CH3OH +H2O ) bajo presión y calor con catalizadores . Es una forma de reutilizar la captura de carbono para reciclar . El metanol puede almacenar hidrógeno de forma económica a temperaturas y presiones exteriores estándar , en comparación con el hidrógeno líquido y el amoníaco que necesitan utilizar mucha energía para mantenerse fríos en su estado líquido . [49] En 2023, el Laura Maersk fue el primer buque portacontenedores en funcionar con combustible de metanol. [50] Las plantas de etanol en el medio oeste son un buen lugar para la captura de carbono puro para combinarlo con hidrógeno para producir metanol verde, con abundante energía eólica y nuclear en Iowa , Minnesota e Illinois . [51] [52] Mezclar metanol con etanol podría hacer que el metanol sea un combustible más seguro de usar porque el metanol no tiene una llama visible a la luz del día y no emite humo, y el etanol tiene una llama amarilla clara visible. [53] [54] [55] La producción de hidrógeno verde con una eficiencia del 70% y una eficiencia del 70% en la producción de metanol a partir de eso sería una eficiencia de conversión de energía del 49% . [56]

Usos

Algunos usos proyectados a mediano plazo, pero los analistas no están de acuerdo [57]
El combustible de hidrógeno requiere el desarrollo de una infraestructura específica para su procesamiento, transporte y almacenamiento.

El hidrógeno se puede utilizar como combustible de dos maneras distintas: en pilas de combustible que producen electricidad y mediante combustión para generar calor. [58] Cuando el hidrógeno se consume en pilas de combustible, la única emisión en el punto de uso es vapor de agua. [58] La combustión de hidrógeno puede provocar la formación térmica de emisiones nocivas de óxidos de nitrógeno . [58]

Industria

En el contexto de limitar el calentamiento global , es probable que el hidrógeno bajo en carbono (en particular el hidrógeno verde ) desempeñe un papel importante en la descarbonización de la industria. [59] El combustible de hidrógeno puede producir el calor intenso necesario para la producción industrial de acero, cemento, vidrio y productos químicos, contribuyendo así a la descarbonización de la industria junto con otras tecnologías, como los hornos de arco eléctrico para la fabricación de acero. [31] Sin embargo, es probable que desempeñe un papel más importante en el suministro de materia prima industrial para una producción más limpia de amoníaco y productos químicos orgánicos. [59] Por ejemplo, en la fabricación de acero , el hidrógeno podría funcionar como un portador de energía limpia y también como un catalizador bajo en carbono que reemplaza al coque derivado del carbón . [32]

El imperativo de utilizar hidrógeno bajo en carbono para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero tiene el potencial de remodelar la geografía de las actividades industriales, ya que las ubicaciones con potencial de producción de hidrógeno apropiado en diferentes regiones interactuarán de nuevas maneras con la infraestructura logística, la disponibilidad de materia prima y el capital humano y tecnológico. [59]

Transporte

Gran parte del interés en el concepto de economía del hidrógeno se centra en los vehículos de hidrógeno , en particular los aviones . [60] [61] Los vehículos de hidrógeno producen significativamente menos contaminación del aire local que los vehículos convencionales. [62] Para 2050, el requerimiento energético para el transporte podría ser cubierto entre un 20% y un 30% por hidrógeno y combustibles sintéticos . [63] [64] [65]

Es probable que el hidrógeno utilizado para descarbonizar el transporte encuentre sus mayores aplicaciones en el transporte marítimo , la aviación y, en menor medida, en los vehículos pesados ​​de transporte de mercancías, mediante el uso de combustibles sintéticos derivados del hidrógeno, como el amoníaco y el metanol , y la tecnología de pilas de combustible. [8] El hidrógeno se ha utilizado en autobuses de pila de combustible durante muchos años. También se utiliza como combustible para la propulsión de naves espaciales .

En el Escenario de Cero Emisiones Netas 2022 (NZE) de la Agencia Internacional de la Energía , se prevé que el hidrógeno represente el 2% de la demanda energética ferroviaria en 2050, mientras que se espera que el 90% de los viajes en tren estén electrificados para entonces (frente al 45% actual). El papel del hidrógeno en el ferrocarril probablemente se centraría en las líneas que resultan difíciles o costosas de electrificar. [66] El NZE prevé que el hidrógeno satisfaga aproximadamente el 30% de la demanda energética de camiones pesados ​​en 2050, principalmente para el transporte de mercancías pesadas de larga distancia (y la energía eléctrica de las baterías representa alrededor del 60%). [67]

Aunque el hidrógeno se puede utilizar en motores de combustión interna adaptados , las pilas de combustible, al ser electroquímicas , tienen una ventaja de eficiencia sobre los motores térmicos. Las pilas de combustible son más caras de producir que los motores de combustión interna comunes, pero también requieren combustible de hidrógeno de mayor pureza que los motores de combustión interna. [68]

En el segmento de vehículos ligeros de carretera, incluidos los turismos, a finales de 2022 se habían vendido en todo el mundo 70.200 vehículos eléctricos de pila de combustible, [29] en comparación con 26 millones de vehículos eléctricos enchufables. [30] Con el rápido aumento de los vehículos eléctricos y la tecnología y la infraestructura de baterías asociadas, el papel del hidrógeno en los automóviles es minúsculo. [27] [28]

Equilibrado y almacenamiento del sistema energético

El hidrógeno verde , obtenido a partir de la electrólisis del agua , tiene el potencial de abordar la variabilidad de la producción de energía renovable. La producción de hidrógeno verde puede reducir la necesidad de reducir la energía renovable durante períodos de alta producción de energía renovable y almacenarse a largo plazo para generar energía durante períodos de baja producción. [69] [70]

Amoníaco

Una alternativa al hidrógeno gaseoso como portador de energía es unirlo con nitrógeno del aire para producir amoníaco, que puede licuarse, transportarse y usarse fácilmente (directa o indirectamente) como combustible limpio y renovable . [71] [72] Entre las desventajas del amoníaco como portador de energía están su alta toxicidad, la eficiencia energética de la producción de NH3 a partir de N2 y H2 , y el envenenamiento de las celdas de combustible PEM por trazas de NH3 no descompuesto después de la conversión de NH3 a N2 .

Edificios

Numerosos grupos industriales (redes de gas, fabricantes de calderas de gas ) a lo largo de la cadena de suministro de gas natural están promoviendo calderas de combustión de hidrógeno para calentar espacios y agua, y aparatos de hidrógeno para cocinar, para reducir las emisiones de CO2 relacionadas con la energía de los edificios residenciales y comerciales. [73] [74] [11] La propuesta es que los usuarios finales actuales de gas natural canalizado pueden esperar la conversión y el suministro de hidrógeno a las redes de gas natural existentes , y luego cambiar los aparatos de calefacción y cocina, y que no hay necesidad de que los consumidores hagan nada ahora. [73] [74] [11]

Una revisión de 32 estudios sobre la cuestión del hidrógeno para calentar edificios, independientemente de los intereses comerciales, encontró que los beneficios económicos y climáticos del hidrógeno para calentar y cocinar generalmente se comparan muy mal con el despliegue de redes de calefacción urbana , la electrificación de la calefacción (principalmente a través de bombas de calor ) y la cocina, el uso de energía solar térmica , calor residual y la instalación de medidas de eficiencia energética para reducir la demanda de energía para calor. [11] Debido a las ineficiencias en la producción de hidrógeno, el uso de hidrógeno azul para reemplazar el gas natural para calefacción podría requerir tres veces más metano , mientras que el uso de hidrógeno verde necesitaría dos o tres veces más electricidad que las bombas de calor. [11] Las bombas de calor híbridas, que combinan el uso de una bomba de calor eléctrica con una caldera de hidrógeno, pueden desempeñar un papel en la calefacción residencial en áreas donde la actualización de las redes para satisfacer la demanda eléctrica máxima de otra manera sería costosa. [11]

El uso generalizado de hidrógeno para calentar edificios implicaría mayores costos del sistema energético, mayores costos de calefacción y mayores impactos ambientales que las alternativas, aunque un papel de nicho puede ser apropiado en contextos y geografías específicos. [11] Si se implementa, el uso de hidrógeno en edificios aumentaría el costo del hidrógeno para aplicaciones más difíciles de descarbonizar en la industria y el transporte. [11]

Bio-SNG

A partir de 2019, [actualizar]si bien es técnicamente posible la producción de gas de síntesis a partir de hidrógeno y dióxido de carbono a partir de bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS) mediante la reacción de Sabatier, está limitada por la cantidad de bioenergía sostenible disponible: [75] por lo tanto, cualquier bio-SNG producido puede reservarse para la producción de biocombustible de aviación . [76]

Seguridad

Un ingeniero de la NASA barre una zona con una escoba de maíz para encontrar la ubicación de un incendio de hidrógeno. El hidrógeno arde con una llama casi invisible.

El hidrógeno plantea una serie de peligros para la seguridad humana, desde posibles detonaciones e incendios cuando se mezcla con el aire hasta ser un asfixiante en su forma pura, libre de oxígeno . [77] Además, el hidrógeno líquido es un criógeno y presenta peligros (como la congelación ) asociados con líquidos muy fríos. [78] El hidrógeno se disuelve en muchos metales y además de filtrarse, puede tener efectos adversos sobre ellos, como la fragilización por hidrógeno , [79] lo que lleva a grietas y explosiones. [80]

El hidrógeno es inflamable cuando se mezcla incluso en pequeñas cantidades con aire ordinario. La ignición puede ocurrir con una proporción volumétrica de hidrógeno a aire tan baja como 4%. [81] Además, el fuego de hidrógeno, aunque es extremadamente caliente, es casi invisible y, por lo tanto, puede provocar quemaduras accidentales. [82]

Infraestructura de hidrógeno

Tuberías de hidrógeno

Una infraestructura de hidrógeno es la infraestructura de transporte de hidrógeno por tuberías, puntos de producción de hidrógeno y estaciones de hidrógeno para la distribución, así como la venta de combustible de hidrógeno , [83] y, por lo tanto, un requisito previo crucial antes de una comercialización exitosa de la tecnología de celdas de combustible . [84]

Planta de gasificación de hidrógeno para Belinka Perkemija  [sl] , 2015

La infraestructura de hidrógeno consistiría principalmente en el transporte industrial de hidrógeno por tuberías y estaciones de servicio equipadas con hidrógeno. Las estaciones de hidrógeno que no estuvieran situadas cerca de una tubería de hidrógeno se abastecerían a través de tanques de hidrógeno, remolques de tubos de hidrógeno comprimido , remolques de hidrógeno líquido , camiones cisterna de hidrógeno líquido o producción in situ especializada.

Los oleoductos son la forma más barata de transportar hidrógeno a largas distancias en comparación con otras opciones. El transporte de gas hidrógeno por tuberías es una práctica habitual en las grandes refinerías de petróleo, porque el hidrógeno se utiliza para hidrocraquear combustibles a partir del petróleo crudo. La AIE recomienda que se utilicen los puertos industriales existentes para la producción y los gasoductos existentes para el transporte, así como la cooperación y el transporte marítimo internacionales. [85]

Corea del Sur y Japón , [86] que a partir de 2019 carecen de interconectores eléctricos internacionales , están invirtiendo en la economía del hidrógeno. [87] En marzo de 2020, se inauguró el Campo de Investigación de Energía de Hidrógeno de Fukushima en Japón, que afirma ser la instalación de producción de hidrógeno más grande del mundo. [88] Gran parte del sitio está ocupado por un conjunto solar ; la energía de la red también se utiliza para la electrólisis del agua para producir combustible de hidrógeno. [89]

Almacenamiento

Tanque de hidrógeno líquido en el Centro Espacial Kennedy de la NASA

Existen varios métodos para almacenar hidrógeno . Estos incluyen enfoques mecánicos como el uso de altas presiones y bajas temperaturas, o el empleo de compuestos químicos que liberan H 2 según la demanda. Si bien varias industrias producen grandes cantidades de hidrógeno, la mayoría se consume en el sitio de producción, en particular para la síntesis de amoníaco . Durante muchos años, el hidrógeno se ha almacenado como gas comprimido o líquido criogénico , y se ha transportado como tal en cilindros, tubos y tanques criogénicos para su uso en la industria o como propulsor en programas espaciales. El desafío general es el punto de ebullición muy bajo del H 2 : hierve alrededor de 20,268 K (−252,882 °C o −423,188 °F). Lograr temperaturas tan bajas requiere gastar una energía significativa.

Aunque el hidrógeno molecular tiene una densidad energética muy alta en términos de masa, en parte debido a su bajo peso molecular , como gas en condiciones ambientales tiene una densidad energética muy baja en términos de volumen. Si se va a utilizar como combustible almacenado a bordo de un vehículo, el gas hidrógeno puro debe almacenarse en una forma densa en energía para proporcionar una autonomía de conducción suficiente. Debido a que el hidrógeno es la molécula más pequeña, se escapa fácilmente de los contenedores. Considerando las fugas, el transporte y los costos de producción, el hidrógeno podría tener un potencial de calentamiento global a lo largo de 100 años (GWP100) de 11,6. [90]

Centrales eléctricas

Xcel Energy va a construir dos plantas de energía de ciclo combinado en el Medio Oeste que pueden mezclar un 30% de hidrógeno con gas natural. [91] La planta de energía Intermountain se está renovando para convertirla en una planta de energía de gas natural/hidrógeno que también puede funcionar con un 30% de hidrógeno y está previsto que funcione con hidrógeno puro para 2045. [92]

Costos

El uso más extendido del hidrógeno en las economías implica la necesidad de inversión y costos en su producción, almacenamiento, distribución y uso. Por lo tanto, las estimaciones del costo del hidrógeno son complejas y deben hacer suposiciones sobre el costo de los insumos energéticos (típicamente gas y electricidad), la planta y el método de producción (por ejemplo, hidrógeno verde o azul), las tecnologías utilizadas (por ejemplo, electrolizadores de membrana de intercambio alcalino o de protones ), los métodos de almacenamiento y distribución, y cómo los diferentes elementos de costo podrían cambiar con el tiempo. [93] : 49–65  Estos factores se incorporan en los cálculos de los costos nivelados del hidrógeno (LCOH). La siguiente tabla muestra una gama de estimaciones de los costos nivelados del hidrógeno gris, azul y verde, expresados ​​en términos de dólares estadounidenses por kg de H 2 (cuando los datos se proporcionan en otras monedas o unidades, se utiliza el tipo de cambio promedio a dólares estadounidenses en el año dado, y se supone que 1 kg de H 2 tiene un valor calorífico de 33,3 kWh).

Método de producciónNotaCosto actual (2020-2022)Costo proyectado para 2030Costo proyectado para 2050
Hidrógeno gris (sin incluir el impuesto al carbono)
Agencia Internacional de Energía [94]Costos de 2022 estimados para junio, cuando los precios del gas alcanzaron su punto máximo a raíz de la invasión rusa a Ucrania2021: 1,0–2,5––
2022: 4,8–7,8
Moto acuática [95]2021: 1,2–2,4
Hidrógeno azul
Agencia Internacional de Energía [94]Costos de 2022 estimados para junio, cuando los precios del gas alcanzaron su punto máximo a raíz de la invasión rusa a Ucrania2021: 1,5–3,0––
2022: 5,3–8,6
Gobierno del Reino Unido [96]Autonomía en función del precio del gas.2020: 1,6–2,71.6–2.71.6–2.8
PRESENTACIÓN DE PEDIDOS [97]2022: 2,8–3,5--
Comisión de Transiciones Energéticas [93] : 28 2020: 1,5–2,41.3–2.31.4–2.2
Hidrógeno verde
Agencia Internacional de Energía [94]Las estimaciones para 2030 y 2050 utilizan energía solar en regiones con buenas condiciones solares.2021: 4,0–9,0<1,5<1.0
2022: 3,0-4,3
Gobierno del Reino Unido [96]Uso de electricidad de red, específica del Reino Unido; el alcance depende del precio de la electricidad y de la tecnología y el coste del electrolizador2020: 4,9–7,94.4–6.64.0–6.3
Uso de electricidad renovable que de otro modo estaría restringida, específica del Reino Unido; el alcance depende de la tecnología del electrolizador y del coste2020: 2,4–7,91.7–5.61,5–4,6
IRENA [98]2020: 2,2–5,21.4–4.11.1–3.4
PRESENTACIÓN DE PEDIDOS [97]Fuente señala que el costo de producción del H2 verde ha caído un 60% desde 20102022: 3,0–6,0
Lazareto [99]2022: 2,8–5,3
Moto acuática [95]2021: 3,5–9,51.8–4.81.2–2.4
Comisión de Transiciones Energéticas [93] : 28 2020: 2,6–3,61.0–1.70,7–1,2

El rango de estimaciones de costos para los métodos de producción de hidrógeno disponibles comercialmente es amplio. A partir de 2022, el hidrógeno gris es el más barato de producir sin un impuesto sobre sus emisiones de CO2 , seguido del hidrógeno azul y verde. No se anticipa que los costos de producción de hidrógeno azul disminuyan sustancialmente para 2050, [96] [93] : 28  se puede esperar que fluctúen con los precios del gas natural y podrían enfrentar impuestos al carbono por emisiones no capturadas. [93] : 79  El costo de los electrolizadores disminuyó en un 60% entre 2010 y 2022, [97] antes de aumentar levemente debido a un aumento en el costo del capital . [24] Se proyecta que su costo disminuirá significativamente hasta 2030 y 2050, [100] : 26  reduciendo el costo del hidrógeno verde junto con la caída del costo de la generación de energía renovable. [101] [93] : 28  Es más barato producir hidrógeno verde con el excedente de energía renovable que de otro modo se vería limitado , lo que favorece a los electrolizadores capaces de responder a niveles de energía bajos y variables . [100] : 5 

Un análisis de Goldman Sachs de 2022 anticipa que el hidrógeno verde a nivel mundial alcanzará la paridad de costos con el hidrógeno gris para 2030, o antes si se aplica un impuesto global al carbono sobre el hidrógeno gris. [13] En términos de costo por unidad de energía, el hidrógeno azul y gris siempre costará más que los combustibles fósiles utilizados en su producción, mientras que el hidrógeno verde siempre costará más que la electricidad renovable utilizada para producirlo.

Los subsidios para la producción de hidrógeno limpio son mucho mayores en los EE. UU. y la UE que en la India. [102]

Ejemplos y programas piloto

Un Mercedes-Benz O530 Citaro propulsado por pilas de combustible de hidrógeno, en Brno , República Checa .

La distribución de hidrógeno para el transporte se está probando en todo el mundo, particularmente en EE. UU. ( California , Massachusetts), Canadá , Japón, la UE ( Portugal , Noruega , Dinamarca, Alemania ) e Islandia .

Un indicador de la presencia de grandes infraestructuras de gas natural ya instaladas en los países y en uso por los ciudadanos es el número de vehículos a gas natural presentes en el país. Los países con mayor cantidad de vehículos a gas natural son (en orden de magnitud): [103] Irán , China , Pakistán , Argentina , India , Brasil , Italia , Colombia , Tailandia , Uzbekistán , Bolivia , Armenia , Bangladesh , Egipto , Perú , Ucrania , Estados Unidos . Los vehículos a gas natural también se pueden convertir para funcionar con hidrógeno .

También en algunos hogares particulares se pueden encontrar plantas de micro-CHP con pilas de combustible , que pueden funcionar con hidrógeno u otros combustibles como gas natural o GLP. [104] [105]

Australia

El Departamento de Planificación e Infraestructura de Australia Occidental operó tres autobuses de pila de combustible Daimler Chrysler Citaro como parte de su prueba de autobuses de pila de combustible de energía de transporte sostenible para Perth en Perth. [106] Los autobuses fueron operados por Path Transit en las rutas de autobús público regulares de Transperth. La prueba comenzó en septiembre de 2004 y concluyó en septiembre de 2007. Las pilas de combustible de los autobuses utilizaban un sistema de membrana de intercambio de protones y se abastecían con hidrógeno crudo de una refinería de BP en Kwinana, al sur de Perth. El hidrógeno era un subproducto del proceso industrial de la refinería. Los autobuses se reabastecieron en una estación en el suburbio de Malaga, en el norte de Perth.

En octubre de 2021, la primera ministra de Queensland, Annastacia Palaszczuk, y Andrew Forrest anunciaron que Queensland albergará la planta de hidrógeno más grande del mundo. [107]

En Australia, la Agencia Australiana de Energías Renovables (ARENA) ha invertido 55 millones de dólares en 28 proyectos de hidrógeno, desde investigación y desarrollo en sus primeras etapas hasta ensayos e implementaciones en sus primeras etapas. El objetivo declarado de la agencia es producir hidrógeno por electrólisis a 2 dólares el kilogramo, según anunció el Ministro de Energía y Emisiones Angus Taylor en una Declaración de Tecnología de Bajas Emisiones de 2021. [108]

unión Europea

Entre los países de la UE que ya cuentan con un sistema de gasoductos de gas natural relativamente grande se incluyen Bélgica , Alemania , Francia y los Países Bajos . [109] En 2020, la UE lanzó su Alianza Europea del Hidrógeno Limpio (ECHA). [110] [111]

Francia

El hidrógeno verde se ha vuelto más común en Francia. En 2019 se estableció un Plan de Hidrógeno Verde de 150 millones de euros que exige construir la infraestructura necesaria para crear, almacenar y distribuir hidrógeno, así como para utilizar el combustible para impulsar sistemas de transporte locales como autobuses y trenes. El Corredor H2, una iniciativa similar, creará una red de instalaciones de distribución de hidrógeno en Occitania a lo largo de la ruta entre el Mediterráneo y el Mar del Norte. El proyecto del Corredor H2 recibirá un préstamo de 40 millones de euros del BEI . [112] [113]

Alemania

El fabricante de automóviles alemán BMW lleva años trabajando con hidrógeno. [ quantify ] . [114] El gobierno alemán ha anunciado planes para realizar licitaciones para 5,5 GW de nuevas plantas de energía a gas preparadas para hidrógeno y 2 GW de "modernizaciones integrales preparadas para H2" de centrales eléctricas de gas existentes a finales de 2024 o principios de 2025 [115]

Islandia

Islandia se ha comprometido a convertirse en la primera economía del mundo basada en el hidrógeno para el año 2050. [116] Islandia se encuentra en una posición única. En la actualidad, [ ¿cuándo? ] importa todos los productos derivados del petróleo necesarios para alimentar sus automóviles y su flota pesquera . Islandia tiene grandes recursos geotérmicos, tanto que el precio local de la electricidad en realidad es inferior al precio de los hidrocarburos que podrían utilizarse para producir esa electricidad.

Islandia ya convierte su excedente de electricidad en bienes exportables y sustitutos de los hidrocarburos. En 2002 produjo 2.000 toneladas de gas hidrógeno por electrólisis, principalmente para la producción de amoníaco (NH3 ) para fertilizantes. El amoníaco se produce, transporta y utiliza en todo el mundo, y el 90% de su coste es el coste de la energía para producirlo.

Ninguna de estas industrias sustituye directamente a los hidrocarburos. Reykjavík , Islandia, tenía una pequeña flota piloto de autobuses urbanos que funcionaban con hidrógeno comprimido [117] y se están realizando investigaciones para alimentar la flota pesquera del país con hidrógeno (por ejemplo, a cargo de empresas como Icelandic New Energy ). Para fines más prácticos, Islandia podría procesar petróleo importado con hidrógeno para ampliarlo, en lugar de reemplazarlo por completo.

Los autobuses de Reykjavík forman parte de un programa más amplio, HyFLEET:CUTE, [118] que opera autobuses propulsados ​​por hidrógeno en ocho ciudades europeas. Los autobuses HyFLEET:CUTE también se utilizaron en Pekín (China) y Perth (Australia) (véase más abajo). En la isla noruega de Utsira se está llevando a cabo un proyecto piloto que demuestra la economía del hidrógeno . La instalación combina la energía eólica y la energía del hidrógeno. En los períodos en los que hay un excedente de energía eólica, el exceso de energía se utiliza para generar hidrógeno por electrólisis . El hidrógeno se almacena y está disponible para la generación de energía en períodos en los que hay poco viento. [ cita requerida ]

India

Se dice que la India está adoptando el hidrógeno y el H-CNG debido a varias razones, entre ellas el hecho de que ya se está implementando un despliegue nacional de redes de gas natural y el gas natural ya es un combustible importante para vehículos. Además, la India sufre una contaminación atmosférica extrema en las zonas urbanas. [119] [120] Según algunas estimaciones, se proyecta que casi el 80% del hidrógeno de la India será ecológico, impulsado por la disminución de los costos y las nuevas tecnologías de producción. [121]

Sin embargo, actualmente la energía del hidrógeno se encuentra apenas en la etapa de investigación, desarrollo y demostración (ID+D). [122] [123] Como resultado, el número de estaciones de hidrógeno puede ser aún bajo, [124] aunque se espera que pronto se introduzcan muchas más. [125] [126] [127]

Polonia

El Ministerio de Clima y Medio Ambiente (MKiŚ) está planeando abrir las primeras estaciones de servicio de hidrógeno y pronto convocará concursos para 2 o 3 estaciones de servicio de hidrógeno, según el viceministro polaco de este ministerio, Krzysztof Bolesta. [128]

Arabia Saudita

Arabia Saudita, como parte del proyecto NEOM , busca producir aproximadamente 1,2 millones de toneladas de amoníaco verde al año, comenzando la producción en 2025. [129]

En El Cairo, Egipto, el sector inmobiliario saudí financia un proyecto de rascacielos alimentado por hidrógeno. [130]

Pavo

El Ministerio de Energía y Recursos Naturales de Turquía y la Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial crearon el Centro Internacional de Tecnologías de Energía del Hidrógeno (ONUDI-ICHET) en Estambul en 2004 y estuvo en funcionamiento hasta 2012. [131] En 2023, el Ministerio publicó una Estrategia y Hoja de Ruta de Tecnologías del Hidrógeno. [132]

Reino Unido

El Reino Unido inició un programa piloto de pilas de combustible en enero de 2004; el programa hizo funcionar dos autobuses de pilas de combustible en la ruta 25 de Londres hasta diciembre de 2005, y cambió a la ruta RV1 hasta enero de 2007. [133] La Expedición del Hidrógeno está trabajando actualmente para crear un barco propulsado por pilas de combustible de hidrógeno y utilizarlo para circunnavegar el mundo, como una forma de demostrar la capacidad de las pilas de combustible de hidrógeno. [134] En agosto de 2021, el Gobierno del Reino Unido afirmó que era el primero en tener una Estrategia del Hidrógeno y elaboró ​​un documento. [135]

En agosto de 2021, Chris Jackson renunció a su cargo de presidente de la Asociación de Hidrógeno y Pilas de Combustible del Reino Unido, una asociación líder de la industria del hidrógeno, alegando que las compañías petroleras del Reino Unido y Noruega habían inflado intencionalmente sus proyecciones de costos para el hidrógeno azul con el fin de maximizar los futuros pagos de apoyo tecnológico por parte del gobierno del Reino Unido. [136]

Estados Unidos

Varias empresas automovilísticas nacionales de Estados Unidos han desarrollado vehículos que utilizan hidrógeno, como GM y Toyota. [137] Sin embargo, a febrero de 2020, la infraestructura para el hidrógeno estaba subdesarrollada, excepto en algunas partes de California. [138] Estados Unidos tiene su propia política de hidrógeno . [ cita requerida ] Una empresa conjunta entre NREL y Xcel Energy está combinando energía eólica y energía de hidrógeno de la misma manera en Colorado. [139] Hydro en Terranova y Labrador está convirtiendo el actual sistema de energía eólica-diésel en la remota isla de Ramea en una instalación de sistemas de energía híbridos eólico-hidrógeno . [140] Cinco centros de estaciones de bombeo que se entregan a camiones pesados ​​​​de H2 en Texas. [141] Hydrogen City construida Green por Hydrogen International (GHI), para abrir en 2026. [142]

En 2006, se puso en marcha el proyecto de infraestructura de Florida. [143] La primera empresa de transporte público en Orlando, Ford Motor Company, anunció la instalación de una flota de vehículos Ford E-450 propulsados ​​por hidrógeno. [144] [145] Se construyó un sistema móvil de hidrógeno líquido en Titusville. [146] [147] En el condado de Okeechobee se puso en funcionamiento una instalación piloto de hidrógeno limpio de FPL. [148]

Un proyecto piloto similar en la isla Stuart utiliza energía solar , en lugar de energía eólica , para generar electricidad. Cuando hay un exceso de electricidad disponible después de que las baterías están completamente cargadas, se genera hidrógeno por electrólisis y se almacena para la producción posterior de electricidad mediante una pila de combustible. [149] Estados Unidos también tiene un gran sistema de gasoductos natural ya en funcionamiento. [109]

Vietnam

La Asociación de Energía de Vietnam ha incluido el apoyo a la hidrogenación verde. [150] La empresa australiana de energía limpia Pure Hydrogen Corporation Limited anunció el 22 de julio que ha firmado un memorando de entendimiento con el transporte público de Vietnam. [151]

Véase también

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Fuentes

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Economía del hidrógeno.
Wikiquote tiene citas relacionadas con Economía del hidrógeno .
  • Alianza Internacional para la Economía del Hidrógeno
  • Hidrógeno. Agencia Internacional de la Energía. 2022
  • Asociación Europea del Hidrógeno
  • Calculadora en línea de costes de producción y transporte de hidrógeno verde
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