Aplicaciones del hidrógeno | Hidrógeno

El hidrógeno es versátil y puede utilizarse de varias maneras. Estos múltiples usos pueden agruparse en dos grandes categorías;

1. El hidrógeno como materia prima. Un papel cuya importancia se reconoce desde hace décadas y que seguirá creciendo y evolucionando.
2. El hidrógeno como vector energético que permite la transición energética. El uso del hidrógeno en este contexto ya ha comenzado y está aumentando gradualmente. En el futuro, este campo crecerá de forma espectacular. La versatilidad del hidrógeno y su múltiple utilización es la razón por la que el hidrógeno puede contribuir a descarbonizar las economías existentes. El papel del hidrógeno en el proceso de descarbonización puede resumirse como se muestra en el siguiente gráfico:

Usos establecidos desde hace tiempo – El hidrógeno como materia prima (usos basados en materiales)

En la actualidad, el hidrógeno se utiliza en varios procesos industriales. Entre otras aplicaciones, destaca su uso como materia prima en la industria química, y también como agente reductor en la industria metalúrgica. El hidrógeno es un elemento fundamental para la fabricación de amoníaco, y por tanto de fertilizantes, y de metanol, utilizado en la fabricación de muchos polímeros. Las refinerías, donde el hidrógeno se utiliza para el procesamiento de productos petrolíferos intermedios, son otro ámbito de uso. Así, alrededor del 55% del hidrógeno producido en el mundo se utiliza para la síntesis de amoníaco, el 25% en las refinerías y alrededor del 10% para la producción de metanol. Las demás aplicaciones en todo el mundo representan sólo un 10 % de la producción mundial de hidrógeno.

Amoníaco – Fertilizantes

El compuesto de hidrógeno-nitrógeno más importante es el amoníaco (NH3), también conocido como azano. Técnicamente, el amoníaco se obtiene a gran escala mediante el proceso Haber-Bosch. Este proceso combina el hidrógeno y el nitrógeno directamente por síntesis. Para ello, primero hay que obtener los materiales de partida, el nitrógeno y el hidrógeno. En el caso del nitrógeno, esto se consigue mediante la separación a baja temperatura del aire, mientras que el hidrógeno se origina hoy en día a partir del reformado de vapor del gas natural.

Casi el 90% del amoníaco se destina a la producción de fertilizantes. Para ello, una gran parte del amoníaco se convierte en sales sólidas de fertilizantes o, tras una oxidación catalítica, en ácido nítrico (HNO3) y sus sales (nitratos). Debido a su alta energía de evaporación, el amoníaco también se utiliza en las plantas de refrigeración como refrigerante ecológico y de bajo coste; su nombre técnico es R-717.

Campos industriales

El hidrógeno se utiliza en diversas aplicaciones industriales; entre ellas, la metalurgia (principalmente en la aleación de metales), la producción de vidrio plano (el hidrógeno se utiliza como gas inerte o protector), la industria electrónica (se utiliza como gas protector y portador, en procesos de deposición, para la limpieza, en el grabado, en procesos de reducción, etc.), y aplicaciones en la generación de electricidad, por ejemplo para la refrigeración de generadores o para la prevención de la corrosión en las tuberías de las centrales eléctricas.

La reducción directa del mineral de hierro -es decir, la separación del oxígeno del mineral de hierro utilizando hidrógeno y gas de síntesis- podría convertirse en un proceso industrial importante en la fabricación de acero, ya que en el método tradicional de altos hornos se liberan grandes cantidades de carbono. Mientras que la reducción directa con gas natural está ahora bien establecida en la producción de acero (World Steel Association 2015), los métodos de producción correspondientes basados en el hidrógeno existen hasta ahora solo a escala piloto.

Producción de combustibles

El hidrógeno se utiliza para procesar el petróleo crudo y convertirlo en combustibles refinados, como la gasolina y el diésel, y también para eliminar contaminantes, como el azufre, de estos combustibles.

El uso de hidrógeno en las refinerías ha aumentado en los últimos años por diferentes razones:
(i) las estrictas normativas que exigen un bajo contenido de azufre en el gasóleo,
(ii) el mayor consumo de crudo «pesado» de baja calidad, que requiere más hidrógeno para ser refinado y
(iii) el mayor consumo de petróleo en las economías en desarrollo, como China e India.

Aproximadamente el 75% del hidrógeno que consumen actualmente las refinerías de petróleo en todo el mundo es suministrado por grandes plantas de hidrógeno que generan hidrógeno a partir de gas natural u otros combustibles de hidrocarburos

El hidrógeno es también una importante sustancia básica para producir metanol (CH 3 OH). La producción de metanol (síntesis de metanol) tiene lugar mediante la hidrogenación catalítica del monóxido de carbono.
El metanol puede utilizarse directamente como combustible en motores de combustión interna. También se utiliza en pilas de combustible de metanol directas o, tras su reformado, en pilas de combustible PEM. A partir del metanol se producen aditivos para combustibles, y se utiliza para transesterificar aceites vegetales para formar ésteres metílicos (biodiésel).

Usos iniciales – usos basados en la energía

En el campo de la energía, la mayor parte del hidrógeno se utiliza a través de pilas de combustible (FC). Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que combina hidrógeno y oxígeno para producir electricidad, con agua y calor como subproductos. En su forma más sencilla, una pila de combustible consta de dos electrodos -un ánodo y un cátodo- con un electrolito entre ellos. En el ánodo, el hidrógeno reacciona con un catalizador, creando un ion con carga positiva y un electrón con carga negativa. El protón pasa entonces por el electrolito, mientras que el electrón viaja por un circuito, creando una corriente. En el cátodo, el oxígeno reacciona con el ion y el electrón, formando agua y calor útil.

El hidrógeno en el transporte

El combustible de hidrógeno se considera un buen candidato para contribuir a la descarbonización del sector del transporte por carretera si se produce con fuentes de energía renovables mediante el proceso de electrólisis. En este caso, las principales ventajas de los vehículos eléctricos de pila de combustible son la nula emisión de CO 2 y de contaminantes (la emisión en el tubo de escape es sólo de agua), y la mayor eficiencia de las pilas de combustible en comparación con los motores de combustión interna. Los turismos y los autobuses urbanos, entre otros vehículos, como los equipos de manipulación de materiales, etc, son buenos ejemplos de la nueva tecnología lista para su comercialización masiva en los próximos años.

Las opciones de aplicación del hidrógeno como combustible para la movilidad pueden diferenciarse, en primer lugar, por la forma química o el enlace del hidrógeno y, en segundo lugar, por el convertidor de energía mediante el cual se pone a disposición la energía almacenada en el hidrógeno.

• En el uso directo, el hidrógeno molecular (puro) (H2) es utilizado por los medios de transporte directamente, es decir, sin más conversión, como fuente de energía. En este caso, el hidrógeno puede utilizarse tanto en motores de combustión interna como en pilas de combustible (sistemas de pilas de combustible).
• En el uso indirecto, el hidrógeno se utiliza para producir fuentes de energía finales o se convierte mediante pasos de conversión adicionales en combustibles gaseosos o líquidos que contienen hidrógeno. Estos combustibles PtG (Power-to-Gas) y PtL (Power-to-Liquids) pueden utilizarse a su vez en motores térmicos. El uso en pilas de combustible también sería posible (en algunos casos), utilizando un reformador, pero no es económicamente viable.

Aviación

En la aviación civil, las pilas de combustible alimentadas con hidrógeno se consideran potenciales proveedores de energía para las aeronaves, al igual que lo son desde hace tiempo en la navegación espacial. Así, los módulos de pilas de combustible pueden suministrar electricidad al sistema eléctrico del avión como grupos electrógenos de emergencia o como unidad de potencia auxiliar. Conceptos más avanzados incluyen el arranque del motor principal y la propulsión de la rueda de morro para los movimientos de los aviones comerciales.

Aplicaciones marítimas

Al igual que en la aviación, las pilas de combustible se están probando actualmente como proveedores de energía para el suministro eléctrico de a bordo. En cambio, el uso de pilas de combustible alimentadas con hidrógeno para la propulsión de barcos se encuentra todavía en una fase temprana de diseño o de prueba, con aplicaciones en barcos de pasajeros más pequeños, transbordadores o embarcaciones de recreo. La pila de combustible de baja y alta temperatura (PEMFC) y la pila de combustible de óxido sólido (SOFC) se consideran los tipos de pila de combustible más prometedores para las aplicaciones náuticas (EMSA 2017). Sin embargo, hasta ahora no se ha escalado ninguna pila de combustible para utilizarla en grandes buques mercantes.

Trenes

En las locomotoras eléctricas, la fuerza motriz se suministra a través de conductores de corriente estacionarios (líneas aéreas, carriles conductores) y colectores de corriente en los vehículos. Sin embargo, por razones técnicas, económicas o de otro tipo, no todas las líneas ferroviarias pueden ser electrificadas. Especialmente en las líneas con un bajo volumen de transporte, la elevada inversión inicial necesaria para la electrificación de las líneas no siempre puede justificarse. Además, las líneas aéreas no pueden utilizarse para las maniobras si también se utilizan grúas para el transporte de mercancías. En cambio, en la minería subterránea, los vehículos de tracción tienen que funcionar sin contaminantes atmosféricos.

Los vehículos ferroviarios que utilizan hidrógeno como almacén de energía y fuente de energía pueden ofrecer una alternativa adicional. Los vehículos ferroviarios con pila de combustible combinan la ventaja de un funcionamiento sin contaminantes con la de unos costes de infraestructura bajos, comparables a los del funcionamiento con gasóleo.

Vehículos de manipulación de materiales

Las carretillas industriales con pila de combustible, como las carretillas elevadoras o las carretillas de arrastre (aeropuertos), son especialmente adecuadas para el funcionamiento en interiores, porque no producen emisiones contaminantes locales y sí bajas emisiones de ruido. Los vehículos de pila de combustible tienen ventajas respecto a las carretillas industriales de batería en cuanto al repostaje. En lugar de tener que sustituir la batería, las carretillas pueden repostar en dos o tres minutos.

Ocupan menos espacio y son más baratas de mantener y reparar. Las carretillas industriales de pila de combustible permiten un uso ininterrumpido y, por tanto, son especialmente adecuadas para el funcionamiento de flotas de varios turnos en la manipulación de materiales (FCTO 2014b). En el caso de flotas de carretillas industriales más grandes en funcionamiento de varios turnos, se pueden lograr reducciones de costes (moderadas) en comparación con la tecnología de baterías, y también se puede aumentar la productividad en la manipulación de materiales.

Bus

En términos de transporte por carretera, los autobuses de la red de transporte público son el área de aplicación más probada para el hidrógeno y las pilas de combustible. Desde principios de la década de 1990, varios cientos de autobuses han sido y son operados con hidrógeno en todo el mundo – predominantemente en América del Norte, Europa y cada vez más también en Asia.

Aunque al principio el hidrógeno se seguía utilizando en autobuses con motores de combustión interna, los desarrolladores de autobuses se están concentrando ahora casi por completo en los autobuses eléctricos de pila de combustible (FCEB). Se está promoviendo el uso de pequeñas flotas de FCEB en zonas urbanas como forma de contribuir al desarrollo tecnológico y a la política de aire limpio.
Los autobuses de pila de combustible han alcanzado ya un alto nivel de madurez técnica, aunque todavía no se producen en serie. Debido a su escaso número, hasta ahora han sido mucho más caros, alrededor de 1 millón de euros, que los autobuses diésel estándar, que cuestan alrededor de 250.000 euros. Los costes de mantenimiento también se han reducido significativamente y los tiempos de funcionamiento fiables han aumentado (Hua et al. 2013).

Sin embargo, dependiendo de las cifras de producción anuales, los costes de producción de los FCEB deberían seguir disminuyendo en los proyectos futuros. Se prevé que los costes de producción de los autobuses de 12 metros se reduzcan a unos 450.000 euros (compra de 100 autobuses) en 2020 y a unos 350.000 euros en 2030, con lo que estarán al alcance de los autobuses híbridos diésel.

Los autobuses de pila de combustible modernos obtienen su energía de dos pilas de combustible, cada una con una potencia de aproximadamente 100 kW. También tienen una batería de tracción relativamente pequeña y son capaces de recuperar la energía de los frenos. Además, llevan a bordo entre 30 y 50 kg de hidrógeno comprimido, almacenado en depósitos a presión a 350 bares. Por otro lado, algunos modelos de autobuses eléctricos de batería tienen grandes baterías de tracción y sólo pequeñas pilas de combustible, que se utilizan como extensores de la autonomía.

Los autobuses de pila de combustible tienen ahora una autonomía de entre 300 y 450 km, por lo que ofrecen casi la misma flexibilidad que los autobuses diésel en el funcionamiento diario. Mientras que algunos de los autobuses municipales más antiguos siguen consumiendo más de 20 kg de hidrógeno (en lugar de 40 litros de gasóleo) por cada 100 km, los autobuses de pila de combustible más recientes sólo utilizan entre 8 y 9 kg por cada 100 km, lo que da a los FCEB una ventaja de eficiencia energética de alrededor del 40% en comparación con los autobuses diésel. Para desarrollar el mercado, se han previsto proyectos de demostración con grandes flotas en uso a largo plazo. Se espera que la flota de FCEB en Europa se amplíe de 90 a entre 300 y 400 vehículos para 2020.

Lea más sobre los autobuses de pila de combustible aquí.

Automóviles de pasajeros

Junto con los vehículos eléctricos de batería, los automóviles de pasajeros de pila de combustible impulsados por hidrógeno son la única opción de conducción alternativa de cero emisiones para el transporte privado motorizado. Los primeros turismos de pila de combustible se probaron en los años 60 como proyectos de demostración. El desarrollo de las pilas de combustible recibió un nuevo impulso en los años 90. En la mayoría de los casos, los vehículos de prueba de pila de combustible eran coches reconvertidos que habían sido equipados originalmente con un motor de combustión interna. Sin embargo, los primeros modelos de prueba aún no eran competitivos, ni técnica ni económicamente. Además, hasta hace unos 10 años se seguían probando prototipos con motor de gasolina con hidrógeno como combustible alternativo y de bajas emisiones. Se trataba de vehículos con motores bivalentes modificados, que podían funcionar tanto con gasolina como con hidrógeno. Gracias a este combustible, los motores de combustión interna impulsados por hidrógeno no sólo alcanzan eficiencias algo mayores que en el funcionamiento con gasolina, sino que también emiten niveles mucho más bajos de contaminantes.

Aunque el hidrógeno es un combustible limpio con excelentes propiedades fisicoquímicas, no ha conseguido ser aceptado como combustible para el transporte motorizado por carretera. En el caso de los turismos, la atención se centra ahora casi por completo en las pilas de combustible alimentadas por hidrógeno como fuente de energía motriz.

Ahora se dispone de una gran experiencia práctica con prototipos de turismos con pilas de combustible. Algunos de los principales fabricantes de automóviles están empezando a ofrecer vehículos de producción en serie que ya son tan buenos como los coches convencionales con motor de combustión interna en términos de funcionalidad. Se prevé que el número de coches de pila de combustible que se fabricarán en los próximos años oscilará entre varios cientos y miles de unidades. En la actualidad, prácticamente todos los turismos de pila de combustible están equipados con pilas de combustible PEM, tanto en configuraciones en serie como en paralelo. Los precios de los vehículos de tamaño medio equipados con pilas de combustible siguen siendo muy superiores a los de los turismos con motor de combustión interna, en torno a los 60.000 euros. Con el lanzamiento de la producción en serie de FCEV, se espera que el coste y los precios de los vehículos desciendan sustancialmente.

Las pilas de combustible de los últimos modelos de pila de combustible tienen una potencia de 100 kW o más. En comparación con los coches eléctricos de batería, tienen una mayor autonomía -de unos 400 a 500 kilómetros en la actualidad- con un menor peso del vehículo y tiempos de repostaje mucho más cortos, de tres a cinco minutos. Suelen llevar entre 4 y 7 kg de hidrógeno a bordo, almacenado en tanques de presión a 700 bares.

Más información sobre las estaciones de repostaje

Aplicaciones de energía estacionaria

Las pilas de combustible estacionarias pueden utilizarse para el suministro descentralizado de energía en zonas sin red. El mercado de las aplicaciones de energía de reserva (BUP) es cada vez más importante. Las aplicaciones de respaldo incluyen, en primer lugar, el suministro de energía de emergencia y, en segundo lugar, el suministro de energía ininterrumpida (SAI).

Los grupos electrógenos de emergencia se utilizan para mantener el funcionamiento en caso de cortes de energía prolongados. En estos casos se suele interrumpir (brevemente) la conmutación de la red eléctrica.
Los sistemas de alimentación ininterrumpida, en cambio, se utilizan para proteger los sistemas técnicos altamente sensibles contra las fluctuaciones de la red eléctrica y los cortes de corta duración, a fin de garantizar un funcionamiento continuo. Los campos de aplicación son, en particular, las telecomunicaciones y los sistemas informáticos, como las torres de radio o los centros de procesamiento de datos.

En comparación con las centrales térmicas convencionales, las pilas de combustible tienen un rendimiento eléctrico mucho mayor, de hasta el 60%, incluso en el caso de las centrales pequeñas. Esto es ventajoso desde el punto de vista exergético, ya que se produce mucha electricidad de alto valor y poco calor.

En funcionamiento continuo, las pilas de combustible de reserva se caracterizan por las siguientes ventajas: larga vida útil y de funcionamiento autónomo, bajos costes de mantenimiento debido a la ausencia de piezas móviles y generación de electricidad silenciosa y sin emisiones (locales).

La capacidad de reserva de las pilas de combustible estacionarias varía desde unos pocos kW hasta más de 1 GWe. Las pilas de combustible con salidas eléctricas de baja potencia suelen ser pilas de combustible portátiles, que ofrecen ventajas de peso sobre las baterías recargables y los generadores. En el sector estacionario se utilizan diversos tipos de pilas de combustible, en algunos casos también para refrigeración. Además del hidrógeno, se utilizan como combustibles el metanol, el gas natural y el gas licuado de petróleo.

Energía doméstica

Si, además de la electricidad generada, se utiliza también el calor que se produce, el proceso se denomina cogeneración de calor y electricidad (CHP). Si este tipo de plantas se utilizan en el sector de la calefacción doméstica, también se describen como plantas de microcogeneración o minicogeneración debido a su menor producción.

Las plantas de cogeneración pueden funcionar con dos estrategias: La planta cubre la mayor parte de la electricidad o de la demanda de calor. Si los precios de la electricidad son elevados, resulta adecuado un modo de funcionamiento basado en la electricidad. De este modo, se puede minimizar la compra de electricidad de la red, o bien la electricidad generada por la cogeneración se puede inyectar en la red eléctrica y ser reembolsada.

El calor producido como subproducto de la cogeneración se utiliza para cubrir parte de la demanda de calor de los edificios. El modo de funcionamiento, basado principalmente en la electricidad, da lugar a una baja producción térmica de los sistemas de calefacción con pilas de combustible. El resto de la demanda de calor del edificio se cubre con un sistema de calefacción adicional, por ejemplo, una caldera de condensación. Por este motivo, las pilas de combustible son especialmente adecuadas para edificios con una baja necesidad de calefacción, como los edificios de bajo consumo o casi nulo. En los edificios con una mayor necesidad de calefacción, se utilizan sistemas híbridos de calefacción con pilas de combustible, que incluyen una pila de combustible y una caldera de condensación para cubrir los picos de demanda de calefacción.

Las pilas de combustible estacionarias con una potencia de hasta 10 kWe suelen ser pilas de combustible PEM o SO. El rango de salida típico de la cogeneración para casas y edificios de apartamentos es de 0,7 a 5 kWe. Si los sistemas de pilas de combustible funcionan con gas natural como combustible, se puede utilizar una infraestructura de gas natural existente. Sin embargo, el combustible debe reformarse primero. En el caso de las pilas de combustible PEM, el reformado tiene lugar en el exterior. Debido a las altas temperaturas, el reformado interno es posible en las pilas de combustible SO.

La mayor ventaja de las pilas de combustible sobre los procesos de energía térmica es probablemente la conversión electroquímica directa durante la generación de electricidad y calor y la mayor eficiencia eléctrica asociada. En modo combinado, es decir, eléctrico y térmico, las pilas de combustible pueden alcanzar eficiencias de hasta el 95 %. La eficiencia eléctrica es de hasta el 45 %. Además, los sistemas de pilas de combustible se caracterizan por su alta eficiencia en todos los puntos de carga, son silenciosos, tienen bajos costes de mantenimiento y funcionan (localmente) sin emisiones.