ABC del hidrógeno como nuevo actor energético

octubre 30, 2020

Por Andrés Jaramillo
Director EnergEIA

El pasado 26 de agosto se llevó a cabo el foro “Hidrógeno ¿el vector que consolidará la transición energética?”, organizado por el Cluster de Energía Sostenible y el grupo de investigación EnergEIA de la Universidad EIA. Como parte de la alianza entre estas instituciones, desde hace varios años se han desarrollado foros que permitan a la comunidad entender mejor el escenario energético, sus transformaciones, riesgos y oportunidades. En el foro participaron como panelistas Ana Ángel, representante de la compañía Hinicio; Santiago Acosta, fundador de la empresa Reflejarse; y Tomás de la Calle, ingeniero con amplia experiencia en el sector de petróleo y gas.

Desde hace décadas se conoce de las posibilidades del hidrógeno como un elemento que podría insertarse de manera exitosa en la cadena productiva del sector energético. En la actualidad, algunas condiciones de entorno, que se verán más adelante en este documento, podrían estar creando el escenario adecuado para materializar la incursión de esta tecnología con resultados muy promisorios para el mundo y, desde luego, para Colombia. Tal y como lo señaló el viceministro de energía, Miguel Lotero en la apertura del foro, la incorporación del hidrógeno en el sector energético colombiano, traería beneficios en materia de competitividad, seguridad de abastecimiento energético, y disponer de fuentes energéticas bajas en carbono.

En este artículo se presentan algunas de las principales ideas de los panelistas participantes del foro, complementadas con otras extractadas de recientes publicaciones.

¿Por qué es importante el hidrógeno como elemento energético?

Debido al cambio climático, la humanidad ha buscado fuentes de energía que permitan continuar con un desarrollo progresivo pero sostenible, lo cual obliga a limitar las emisiones de CO2 (se ha estimado que por cada kilogramo de hidrógeno renovable que sustituye uno de hidrógeno convencional, se evita la emisión de nueve kilogramos de CO2 a la atmósfera). El hidrógeno, más que un energético primario (como el gas, el carbón, el agua, el viento o el sol), actúa como un vehículo que puede almacenar la energía producida por estas fuentes primarias, y luego liberarla para convertirla en electricidad o en otros subproductos como, por ejemplo, en fertilizantes que de paso agreguen competitividad a otra cadena productiva tan sensible para el país como es la agroindustria.

El hidrógeno se constituiría entonces en el elemento que ayude a la descarbonización de la industria, ya que podría abastecer de manera confiable necesidades de gran potencia para procesos industriales intensivos en energía, incluso con excedentes derivados de fuentes intermitentes como energía solar o eólica.

Dentro de los efectos inmediatos que podrían obtenerse en la introducción del hidrógeno, están la mejora en la calidad del aire y la competitividad del transporte, pues uno de sus usos iniciales de mayor impacto puede ser la movilidad sostenible de gran tamaño (trenes, buses y camiones). En la actualidad ya se encuentran disponibles de manera comercial, vehículos de marcas muy reconocidas, tanto de carga pesada como de automóviles para uso personal. Vale la pena insistir, como una señal adicional para el caso colombiano, y tal como está sucediendo en otros países, que los sistemas ferroviarios rápidamente usarán hidrógeno haciéndolos muy competitivos y limpios desde el punto de vista de las emisiones de CO2.

Hoy en día la eficiencia de convertir energía primaria en hidrógeno está cercana al 80%, y la eficiencia de convertir hidrógeno en gas es de casi el 60%. Estos valores entregarían eficiencias combinadas de cerca del 50%, que aumentarían los factores de planta de energías renovables no convencionales a niveles de energías muy firmes como la hidráulica o la térmica.

En la actualidad, las tecnologías asociadas al hidrógeno han presentado una importante reducción de costos, lo cual ha hecho visible este elemento como posibilidad energética de mediano plazo. Países como Francia, España o Chile han determinado el desarrollo del hidrógeno como “política de estado”, dándole prioridad a su regulación y señalando fechas para su incorporación definitiva en la cadena del sector energético.

¿Cómo se produce el hidrógeno y por qué se asocia a “colores”?

El hidrógeno como “portador” energético ha sido estudiado desde hace varias décadas, ya que es el elemento químico más abundante del planeta y con gran potencial en estado libre, pero lamentablemente no se encuentra en ese estado. El hidrógeno “puro”, cuando se combina con el oxígeno del aire, libera energía generando solamente vapor de agua como producto de dicha combustión. El hidrógeno puede almacenarse como gas a presión, como líquido o transportarse por tuberías de gas existentes. Este elemento puede ser extraído del agua y de combustibles fósiles (especialmente el gas), y por ello se requiere de una fuente energética primaria para obtenerlo mediante procesos industriales, bioquímicos o electroquímicos.

Al ser consultados sobre los “colores” del hidrógeno, los panelistas del foro ilustraron cómo hoy se desarrollan tres tipos de este portador de energía: el denominado hidrógeno gris que se genera a partir de un reformado del vapor de gas natural sin captura de CO2, que es empleado en varias industrias y puede ser transformado; el hidrógeno azul, que se produce a partir del mismo vapor de gas, pero siguiendo un proceso de captura de ese CO2; y el hidrógeno verde, que es producido por electrólisis del agua a partir de electricidad proveniente de fuentes renovables. Este último proceso no emite CO2, y transforma el agua en moléculas de gases de hidrógeno y oxígeno, usando electricidad producida por fuentes renovables como energía primaria.

¿Cuál es el panorama mundial en cuanto al desarrollo del hidrógeno?

Los panelistas consideran como factores críticos para el desarrollo del hidrógeno que los diferentes países lo incorporen dentro de las políticas públicas e inviertan en proyectos estratégicos que ayuden a su consolidación y a incentivar la inversión por parte del sector privado; y que, tal como sucedió con las energías renovables, se pueda dar una senda que lleve a la reducción paulatina de los costos de las tecnologías.

Al igual que lo sucedido con las tecnologías solar y eólica, los países pertenecientes al G20 que representan el 70% del PIB mundial, ya tienen hojas de ruta desarrolladas para incorporar este elemento en la cadena productiva del sector energético.

Japón es el líder mundial en producción de hidrógeno. Para el año 2030, tiene como objetivo contar con 5,3 millones de instalaciones con pilas de combustible y una producción de 300.000 Tm.

Corea del Sur planea contar para el año 2022 con 310 estaciones de carga para vehículos de hidrógeno, cifra que aumentará hasta 1.200 para 2040. Para ese año, su objetivo es disponer de más de 6 millones de vehículos ligeros impulsados por hidrógeno, 60.000 autobuses y 1.200 vehículos pesados.

China está realizando grandes avances en la investigación de pilas de combustible y tecnologías del hidrógeno, con el objetivo de contar en 2030 con 1 millón de vehículos eléctricos de pila de combustible y con 1.000 estaciones de recarga.

California planeó invertir 20 millones de dólares al año entre 2014 y 2021 para la creación de estaciones de recarga para vehículos de hidrógeno. El objetivo es contar con 94 estaciones para 2023, 200 para 2025 y 1.000 para 2030. Recientemente, se ha construido en California la mayor planta de producción de hidrógeno verde del mundo, que gasificará residuos de papel reciclado para producir hidrógeno verde de forma económica.

Alemania ha tomado la delantera en la Unión Europea con grandes inversiones en la carrera por descarbonizar su economía; es líder europeo en producción y uso de hidrógeno, y prevé una inversión de 300 millones de euros hasta 2023 para apoyar la investigación y el desarrollo de proyectos de hidrógeno verde. Para el año 2025 Alemania planea contar con más de 400 estaciones de recarga para vehículos de hidrógeno y con más de 500.000 vehículos que utilicen esta forma de combustible. Además, pretende disponer para ese año de más de 500.000 instalaciones de cogeneración de pilas de combustible que produzcan, como mínimo, 1.000 MW. Los objetivos de producción de hidrógeno a partir de fuentes renovables en el país germano para 2025 son de 1.500 MW.

Bélgica ha anunciado su intención de desarrollar una economía del hidrógeno en el país, que permita almacenar los excedentes energéticos y avanzar en la reducción de emisiones. Para 2025, contará en el área portuaria de Ostende con una planta de producción de hidrógeno verde.

Francia planea contar para 2028 con 400 estaciones de recarga y con 200.000 vehículos movidos con hidrógeno, además de una cogeneración con pilas de combustible de entre 800 y 1.000 MW. Además, un consorcio europeo con financiación de la Comisión Europea está llevando a cabo un proyecto por el que se construirá una instalación de hidrógeno en Francia. Con este proyecto, se conseguirá obtener hidrógeno por medio de electrólisis y almacenarlo para utilizarlo después junto con el gas natural. Con esto, se conseguirían reducir 65.000 toneladas de emisiones de CO2.

En nuestra región países como Chile, Argentina, Uruguay y Costa Rica están adelantando iniciativas al respecto; tienen desarrollos, principalmente en transporte, y quieren aprovechar su potencial para producir hidrógeno verde.

Aparte de estos grandes desarrollos, muchos países comienzan a girar su mirada de manera acelerada hacia el hidrógeno, proponiendo el desarrollo de planes y propuestas para su incorporación en la industria energética.

¿Cuánto cuesta el hidrógeno como energético?

La producción y distribución de hidrógeno, en particular el verde, no es rentable en este momento frente a otras fuentes primarias como el petróleo o el gas. Sin embargo, con el acelerado desarrollo tecnológico, se espera que esta fuente sea competitiva antes de 2030. Señala Santiago Acosta que un kg de hidrógeno podría alcanzar un valor disruptivo de 4 USD/kg antes de 2025, situación que limitaría las posibilidades de mercado para otros sistemas de almacenamiento de energía, como las baterías de litio, los sistemas de bombeo inverso en centrales hidroeléctricas, almacenamiento en pozos profundos, entre otros.

Según Bloomberg y su portal especializado en energía BNEF (Bloomberg New Energy Finance), el hidrógeno verde cuesta cerca de 3,5 euros por kg y el hidrógeno azul ronda los 2 euros por kg. Este mismo portal ha estimado que ambos tipos de hidrógeno podrían estabilizar su precio alrededor de 2 euros por kg cerca al año 2040. Es de anotar que la masificación y reducción de costos se centra en el hidrógeno verde.

¿Qué situación presenta Colombia frente al hidrógeno?

Hasta el momento en Colombia el hidrógeno ha sido visto como algo remoto, dado que los esfuerzos se han enfocado en los últimos años en la transformación del sector mediante la incorporación de fuentes de energía renovable no convencional a gran escala y de recursos energéticos distribuidos. Sin embargo, en el último año, y dada la dinámica internacional sobre este nuevo jugador, el Ministerio de Minas y Energía ha venido fomentando la discusión sobre el tema; y la UPME y el Ministerio de Ciencia y Tecnología están avanzando en una hoja de ruta del hidrógeno para el sector.

La academia, la industria y los gremios también vienen estudiando el tema, razón por la cual el Consejo Mundial de Energía -WEC- dispone de una activa mesa de hidrógeno de la cual hace parte la Universidad EIA. Es fundamental considerar estas alternativas para el mercado energético y los numerosos sectores en los que tiene impacto, como lo vienen haciendo países cercanos como Chile, que ha logrado un desarrollo del cual debemos aprender como productor reconocido de hidrógeno verde, capital humano en actividades sostenibles, generación de empleos y exportación de energía verde.

¿Qué podemos esperar de este portador energético en el futuro?

Sobre el aspecto “verde”, Santiago Acosta señala que la oportunidad para los nuevos modelos de negocio es evidente, por cuanto los desarrollos tecnológicos permiten en la actualidad producir de manera costo-eficiente hidrógeno gris o azul. Sin embargo, el potencial más promisorio lo representa el hidrógeno verde, por cuanto permite almacenar el excedente generado por energías renovables y de varias formas de energía primaria (electricidad, calor, etc.) sin un impacto frente a las emisiones de CO2.

Los panelistas del foro coinciden en afirmar que esta transformación tiene oportunidades evidentes debido a que necesidades industriales como las altas temperaturas (o frío) y la movilidad masiva, deben seguir progresando, pero requieren opciones energéticas para cumplir con sus cuotas para la descarbonización.

Desde el sector del petróleo y gas, Tomás de la Calle señala que el hidrógeno está en la mira de las compañías petroleras, quienes ven en este vehículo energético un elemento que complementa a los combustibles fósiles y que, posiblemente, irá minando su protagonismo. De todas formas, y aunque sus ventajas son atractivas, el hidrógeno deberá recorrer un camino de adopción frente a la demanda de energéticos, camino que deberá enfrentar barreras culturales, tecnológicas, geopolíticas y del desarrollo mismo de la cadena productiva de este sector.

En síntesis, los panelistas del foro y los moderadores del mismo coinciden en señalar que el desarrollo tecnológico del hidrógeno se encuentra a muy pocos años de alcanzar su nivel competitivo, tanto tecnológico como de disponibilidad industrial costo eficiente. Seguramente, y como lo confirman las últimas estrategias nacionales de los países señalados, el hidrógeno se convertirá en una prioridad en el mediano plazo, de tal manera que se alcancen la seguridad energética y la sostenibilidad que requiere un mundo descarbonizado.

Colombia ha tenido un papel importante en América Latina en el sector energético, lo cual le ha permitido el desarrollo de un mercado eléctrico estable y una sólida cadena productiva (empresas de energía, consultores, constructores, servicios, entre otros). Este desarrollo se ha dado para energéticos convencionales, pero según lo anotado anteriormente, y por la velocidad de los cambios, el país podría perder este liderazgo si no se compromete a recorrer de manera pertinente el camino de transformación que ya se está dando en todo el mundo.

Desde la Universidad EIA confiamos en que el interés mostrado por el gobierno colombiano se traduzca en oportunas y eficaces señales regulatorias y económicas que viabilicen la rápida introducción de este elemento en la cadena del sector energético, obteniendo recursos económicos para el país en los próximos años. Y para ello es necesario que esta prioridad se traduzca en incentivos para la investigación básica y aplicada, que de manera amplia analice las necesidades de desarrollo e incorporación de este elemento de carácter estratégico.

Fuentes complementarias consultadas:

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