¿Por qué es el momento adecuado para el hidrógeno?
«El hidrógeno hoy atraviesa un momento sin precedentes. El mundo no debe perder esta oportunidad única de hacer del hidrógeno una parte importante de nuestro futuro energético limpio y seguro».
— Dr. Fatih Birol, Executive Director, International Energy Agency
El énfasis del Dr. Birol en aumentar el uso del hidrógeno como combustible del presente y del futuro, se produce cuando nos enfrentamos a la realidad del cambio climático. Sin lugar a dudas, el planeta se ha estado calentado más que su nivel preindustrial. Según la NASA, la temperatura global ha aumentado 1,818 grados °F (1,01 grados °C) desde 1880 y continúa la tendencia al aumento. El grupo Intergubernamental de especialistas sobre los Cambios Climáticos (IPCC), que incluye a más de 1.300 científicos de Estados Unidos y otros países, predice un aumento de la temperatura de entre 2,5 y 10 grados °F durante el próximo siglo.
En el video abajo, el mapa codificado por colores en la proyección Robinson de la NASA muestra una progresión de las anomalías en la temperatura global de la superficie. Las temperaturas normales se muestran en blanco, las temperaturas más altas de lo normal se muestran en rojo y las más bajas en azul. Las temperaturas normales se calculan sobre el periodo base de 30 años 1951-1980. El cuadro final representa las anomalías de temperatura global de 5 años entre 2017 y 2021. Escala en grados Fahrenheit.
Cuando los líderes mundiales de 195 países se reunieron en París en 2015, hubo un acuerdo sin precedentes para reducir las emisiones de efecto invernadero y mantener el calentamiento global bajo control. Prometieron alcanzar cero emisiones de CO2 para 2050. Luego del evento, se prepararon programas de trabajo, se anunciaron nuevas políticas y se sugirieron alternativas para complementar los combustibles fósiles. Más de 30 países han puesto en marcha programas de incentivo al hidrógeno y más de 500 empresas han fijado sus objetivos para 2050. Hay más de 200 proyectos de hidrógeno activos en todo el mundo.
Qué tiene de único el hidrógeno?
El hidrógeno contiene tres veces más energía por kilogramo que cualquier hidrocarburo (los principales componentes del petróleo y el gas natural) y produce cero emisiones de carbono en el punto de consumo. Si bien el hidrógeno ya estaba llamando la atención por sus beneficios ambientales, un aumento de cerca del 45% en los precios europeos del gas durante los últimos meses ha hecho que el hidrógeno sea competitivo en cuanto a costos con una década de antelación. Se están preparando ambiciosos planes para hacer del hidrógeno un sustituto viable de los combustibles fósiles en la fabricación, el transporte y la calefacción.
Desafíos al trabajar con hidrógeno
El uso del hidrógeno como combustible parece tan atractivo porque al quemarlo sólo se produce agua. Entonces, ¿qué nos impide pasar por completo al uso del hidrógeno? Muchas cosas. El primer desafío proviene del hecho de que tiene menos de un tercio de energía por unidad de volumen en comparación con el gas natural. La baja densidad volumétrica de energía está creando problemas en el uso del hidrógeno como combustible. No sólo eso, sino que hay desafíos en todos los aspectos: producción, almacenamiento, transporte y uso.
Producción: Hidrógeno gris, azul y verde
Actualmente, la mayor parte del hidrógeno se produce mediante el proceso de reformado de metano con vapor (SMR). En este proceso, el gas natural y el vapor se reforman en un catalizador de níquel a unos 850 grados °C. Este proceso tiene un rendimiento de eficiencia más alto (la unidad de entrada requerida para producir una unidad de producción) del 75% al 80%. Sin embargo, esta forma de producir hidrógeno, también conocida como hidrógeno gris, provoca emisiones más elevadas que las derivadas de la simple combustión de combustibles fósiles y, por tanto, sería perjudicial para el medio ambiente.
El proceso de reformado de metano por vapor produce hidrógeno gris.
El hidrógeno azul es un término industrial producido a partir de gas natural y sostenido por la captura y el almacenamiento de carbono. El hidrógeno se etiqueta en azul mediante la captura y el almacenamiento industrial de carbono generado por el reformado de vapor.
El hidrógeno verde se denomina comúnmente de esa forma, ya que no habrá emisiones que afecten negativamente al medio ambiente. Es la mejor alternativa para la sustentabilidad a largo plazo, la llamada electrólisis. En este proceso, el agua se divide en hidrógeno y oxígeno gaseoso haciendo pasar una corriente eléctrica a través de ella. A continuación, se muestra un esquema del proceso de electrólisis.
El proceso de electrólisis puede producir hidrógeno verde.
Para que la electrólisis sea una solución viable para la producción de hidrógeno, necesitamos adoptar energías renovables de bajo costo, como la solar o la eólica. En la actualidad, menos del 5% de todo el hidrógeno producido es hidrógeno verde. La transición del hidrógeno gris aún tardará unas décadas en equiparar el hidrógeno verde con el gris en cuanto a volumen de producción y costo. De acuerdo al informe del Consejo del Hidrógeno, “Hydrogen Decarbonization Pathways: Escenarios de suministro potencial”, se espera que el impuesto aplicado a la producción de hidrógeno gris aumente significativamente, lo que haría que la producción fuera menos accesible.
Almacenamiento y transporte
Actualmente, la mayor parte del hidrógeno se produce en el lugar y es utilizado en el punto de fabricación. El transporte sigue siendo un proceso muy costoso debido a su baja densidad, por lo que su aplicabilidad no está muy generalizada en la actualidad. Sin embargo, hay planes para hacer posible el transporte en forma gaseosa o criogénica o combinarlo con metales y luego transportarlo hasta el lugar de utilización para poder recuperarlo fácilmente. De este modo, el hidrógeno como combustible podría utilizarse en otras aplicaciones en todas las industrias. En la figura siguiente son enumerados los métodos más comunes de almacenamiento.
Métodos convencionales de almacenamiento de hidrógeno.
Sin embargo, hay ciertas características del hidrógeno que deben considerarse durante su almacenamiento y transporte. El hidrógeno es mucho más liviano que los combustibles fósiles, y también es propenso a las fugas. Su elevado límite de inflamabilidad, combinado con los bajos requisitos de energía de ignición y la alta velocidad de la llama, presenta los peligros de autoignición y explosión. Es por eso que necesitamos métodos más modernos, seguros y duraderos para almacenar y transportar el hidrógeno. Esto también debería incluir un menor costo por unidad de masa y métodos más fáciles de manipular.
Desafíos para la utilización del hidrógeno
En principio, el hidrógeno puede utilizarse como combustible en cualquier incinerador o en células de combustible. En las aplicaciones de combustión, se considera un combustible eficiente debido a su mayor velocidad de llama, su mayor límite de inflamabilidad y sus cero emisiones tóxicas. Sin embargo, su más alta temperatura de llama adiabática (la temperatura que resulta de un proceso de combustión completo) y el flashback de la llama suponen grandes desafíos, ya que estas características pueden aumentar la generación de óxidos de nitrógeno (NOx) y reducir la expectativa de vida de las incineradoras. Continúa siendo necesario comprender el complejo comportamiento de la combustión del hidrógeno desde el punto de vista de la seguridad.
En las aplicaciones de células de combustible, emiten cero emisiones, funcionan de forma silenciosa, no ofrecen problemas de carga y tienen un buen rendimiento térmico (hasta el 60%). En general, una combinación de célula de combustible y motor eléctrico (con una eficiencia de alrededor del 45%), podría ser una mejor elección en comparación con los motores diésel de alto rendimiento o las turbinas a gas (ambos también con una eficiencia de alrededor del 45%). Sin embargo, debido a la falta de infraestructuras adecuadas y a la necesidad de tanques de combustible más grandes, las células de combustible no están creciendo a un ritmo tan rápido como nos gustaría.
Representación de un vehículo eléctrico de célula de combustible demostrando cómo el hidrógeno y el oxígeno generan energía eléctrica que es utilizada para alimentar el motor eléctrico y/o la batería.
Cómo la simulación puede ayudar
Para acelerar la adopción del hidrógeno, debemos comprender todos los aspectos de la economía del hidrógeno y su ciclo de vida. Pero, ante todo, debemos estar preparados para aceptar que nuestros conocimientos actuales sobre el ciclo de vida del hidrógeno son más bien teóricos. Tenemos que «canalizar» estos conocimientos en aplicaciones industriales del mundo real. Debemos superar los desafíos antes mencionados por la vía rápida para hacer realidad el potencial del hidrógeno, y las simulaciones son una parte fundamental de esta exploración.
Las simulaciones son fundamentales para evaluar el rendimiento de los dispositivos en las plantas de SMR, analizar el rendimiento de la electrólisis, realizar análisis de seguridad, estudiar el rendimiento de los distintos métodos de almacenamiento, comprender las características de la combustión, etc. El valor de la simulación ya está comprobado para las validaciones virtuales de alta fidelidad. La simulación puede proporcionar insights sobre todos los aspectos del rendimiento que ayudan a tomar decisiones críticas. Es una forma indispensable de distribuir el hidrógeno entre las industrias y la mejor manera de probar y ajustar rápidamente todas las diferentes innovaciones de hidrógeno.
En las últimas décadas, los ingenieros han empezado a utilizar herramientas de simulación para la creación de prototipos virtuales y un proceso de diseño basado en la simulación para el uso del hidrógeno en las incineradoras. Este flujo de trabajo digital comienza antes de que se fabrique el primer prototipo físico, lo que puede ahorrar mucho tiempo y costos. Por ejemplo, la simulación del proceso de combustión del hidrógeno reveló un flashback de la llama, que puede dañar los componentes. Para superar este obstáculo, los ingenieros han simulado la combustión de mezclas de combustible a base de hidrógeno, y los resultados ya son alentadores.
Las simulaciones están ayudando a los ingenieros a derivar la composición de la mezcla que puede evitar condiciones tales como inestabilidades de llama, flashbacks de llama, obstáculos para determinados diseños y condiciones operacionales. También está ayudando a diseñar y evaluar diferentes conceptos de diseño como la micromezcla y la inyección de aire axial para mitigar el rendimiento no deseado.
(Esq.) Ignición exitosa a 250 bar debido a una ruptura. (Der.) Ausencia de ignición a 50 bar.
Otro campo en el que la simulación se utiliza ampliamente, es la previsión de la autoignición del hidrógeno debido a la ruptura repentina de los tanques de almacenamiento. Esto es muy importante para garantizar la seguridad durante la manipulación y el transporte a larga distancia. La figura siguiente muestra una ignición con éxito a 250 bar debido a una ruptura. En un estudio similar, a 50 bar, no se observó ninguna ignición. Estas informaciones ayudan a rediseñar los tanques.
Los ingenieros se basan en la simulación de células de combustible más que en los experimentos reales. Las células de combustible son una tecnología alternativa para aprovechar la energía almacenada en el hidrógeno. Esto es diferente del proceso tradicional de combustión de combustibles, en el que la energía está disponible directamente en forma de energía eléctrica en lugar de energía térmica. Las células de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) son la tecnología más utilizada para aplicaciones de automoción. La confiabilidad de las PEMFC se ve directamente afectada por el contenido de agua, la temperatura y la concentración de especies de gas; por lo tanto, se requiere el conocimiento de los procesos físicos para un mejor diseño y control.
Un modelo de célula de combustible.
La distribución espacial de varios parámetros físicos es difícil de medir mediante experimentos. Sin embargo, las simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) pueden capturar todo el campo de interés en 3D. La figura siguiente muestra la distribución de las corrientes a través de la membrana de la célula de combustible. Se observa una falta de uniformidad de la corriente hacia las extremidades, lo que constituye una visión importante para el diseñador a la hora de mejorar el diseño de la célula de combustible.
Simulación de la distribución de la corriente.
Basándose en la visión de sustentabilidad de algunas de las principales empresas, el hidrógeno se enfrenta a una fuerte competencia en la industria del transporte. El mundo ya ha visto a Toyota lanzar su primer vehículo impulsado por hidrógeno, el Mirai, en 2015. Sin embargo, sólo hay unos 20.000 automóviles impulsados por hidrógeno en todo el mundo, en comparación con los 20 millones de vehículos eléctricos. Airbus ha revelado sus planes de avanzar hacia aviones de hidrógeno con cero emisiones para finales de 2035. También hemos asistido al lanzamiento del primer buque portador de hidrógeno en Japón, y Kawasaki Heavy Industries está obteniendo la primera terminal de recepción de hidrógeno licuado del mundo.
La humanidad ha sufrido muchos altibajos, y cada vez hemos conseguido mejorar enormemente los avances tecnológicos. Esta vez, el desafío es realmente desalentador, ya que el cambio climático como resultado del calentamiento global tiene la capacidad de afectar gravemente a la vida en el planeta tal y como la vemos ahora. Aunque tenemos menos tiempo para corregir nuestros errores, una nueva economía mundial basada en el hidrógeno y apoyada por políticas adecuadas, un aumento de la investigación y el desarrollo, y un enfoque firme en nuestro objetivo general es capaz de alcanzar nuestras metas.
