¿Qué es el hidrógeno verde y por qué lo necesitamos?

Ha llegado el momento de aprovechar el potencial del hidrógeno para desempeñar un papel clave a la hora de abordar los desafíos energéticos críticos. Los éxitos recientes de las tecnologías de energía renovable y los vehículos eléctricos han demostrado que la política y la innovación tecnológica tienen el poder de construir industrias globales de energía limpia.

El hidrógeno está emergiendo como una de las principales opciones para almacenar energía de fuentes renovables con combustibles basados ​​en hidrógeno que potencialmente transportan energía de fuentes renovables a largas distancias, desde regiones con abundantes recursos energéticos hasta áreas hambrientas de energía a miles de kilómetros de distancia.

El hidrógeno verde se presentó en una serie de compromisos de reducción de emisiones en la Conferencia Climática de la ONU, COP26, como un medio para descarbonizar la industria pesada, el transporte de carga de larga distancia, el transporte marítimo y la aviación. Tanto los gobiernos como la industria han reconocido que el hidrógeno es un pilar importante de una economía neta cero.

Green Hydrogen Catapult, una iniciativa de las Naciones Unidas para reducir el costo del hidrógeno verde, anunció que casi duplicará su objetivo para electrolizadores verdes de 25 gigavatios establecidos el año pasado a 45 gigavatios para 2027. La Comisión Europea ha adoptado un conjunto de medidas legislativas propuestas para descarbonizar el mercado del gas de la UE facilitando la adopción de gases renovables y bajos en carbono, incluido el hidrógeno, y para garantizar la seguridad energética de todos los ciudadanos de Europa. Los Emiratos Árabes Unidos también están aumentando la ambición, con la nueva estrategia de hidrógeno del país que apunta a tener una cuarta parte del mercado mundial de hidrógeno bajo en carbono para 2030 y Japón anunció recientemente que invertirá $ 3.4 mil millones de su fondo de innovación verde para acelerar la investigación y el desarrollo y promoción del uso del hidrógeno en los próximos 10 años.

Es posible que encuentre los términos 'gris', 'azul', 'verde' asociados al describir las tecnologías de hidrógeno. Todo se reduce a la forma en que se produce. El hidrógeno emite solo agua cuando se quema, pero crearlo puede ser intensivo en carbono. Según los métodos de producción, el hidrógeno puede ser gris, azul o verde y, a veces, incluso rosa, amarillo o turquesa. Sin embargo, el hidrógeno verde es el único tipo que se produce de manera climáticamente neutra, por lo que es fundamental alcanzar el cero neto para 2050.

Le pedimos al Dr. Emanuele Taibi, Jefe de Estrategias de Transformación del Sector Energético de la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA) que explicara qué es el hidrógeno verde y cómo podría allanar el camino hacia las emisiones netas cero. Actualmente trabaja en el Centro de Innovación y Tecnología de IRENA en Bonn, Alemania, donde es responsable de ayudar a los Países Miembros a diseñar estrategias para la transformación del sector eléctrico y actualmente gestiona el trabajo sobre la flexibilidad del sistema eléctrico, el hidrógeno y el almacenamiento como elementos clave. facilitadores de la transición energética. El Dr. Taibi también es cocurador de la plataforma de inteligencia estratégica del Foro Económico Mundial, donde su equipo desarrolló el mapa de transformación del hidrógeno.

Tecnologías de hidrógeno verde

¿Qué lo motivó a desarrollar su experiencia en tecnologías energéticas y cómo contribuye a ello su trabajo en IRENA?

Fue durante mi tesis de maestría. Hice una pasantía en la Agencia Nacional Italiana para la Energía y el Medio Ambiente (ENEA), donde aprendí sobre el desarrollo sostenible y la energía, y el nexo entre los dos. Escribí mi tesis en ingeniería de gestión al respecto y decidí que esta era el área en la que quería centrar mi vida laboral. Avance rápido casi 20 años de experiencia en energía y cooperación internacional, un doctorado en Tecnología Energética y el tiempo que pasé en el sector privado, agencias intergubernamentales y de investigación, actualmente dirijo el equipo de transformación del sector eléctrico en IRENA desde 2017.

Mi trabajo en IRENA es contribuir, con mi equipo y en estrecha cooperación con colegas de la agencia y socios externos como el Foro Económico Mundial, para apoyar a nuestros 166 países miembros en la transición energética, con un enfoque en el suministro de electricidad renovable y su utilizar para descarbonizar el sector energético a través de electrones verdes y moléculas verdes como el hidrógeno y sus derivados.

¿Qué es el hidrógeno verde? ¿En qué se diferencia del hidrógeno 'gris' tradicional y el hidrógeno azul con un alto nivel de emisiones?

El hidrógeno es el elemento más simple y pequeño de la tabla periódica. No importa cómo se produzca, termina con la misma molécula libre de carbono. Sin embargo, las vías para producirlo son muy diversas, al igual que las emisiones de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono (CO2) y el metano (CH4).

El hidrógeno verde se define como el hidrógeno producido al dividir el agua en hidrógeno y oxígeno utilizando electricidad renovable. Este es un camino muy diferente en comparación con el gris y el azul.

El hidrógeno gris se produce tradicionalmente a partir de metano (CH4), dividido con vapor en CO2, el principal culpable del cambio climático, y H2, hidrógeno. El hidrógeno gris también se produce cada vez más a partir del carbón, con emisiones de CO2 significativamente más altas por unidad de hidrógeno producida, tanto que a menudo se denomina hidrógeno marrón o negro en lugar de gris. Actualmente se produce a escala industrial, con emisiones asociadas comparables a las emisiones combinadas del Reino Unido e Indonesia. No tiene valor de transición energética, todo lo contrario.

El hidrógeno azul sigue el mismo proceso que el gris, con las tecnologías adicionales necesarias para capturar el CO2 producido cuando el hidrógeno se separa del metano (o del carbón) y almacenarlo a largo plazo. No es un color, sino una gradación muy amplia, ya que no se puede capturar el 100 por ciento del CO2 producido, y no todos los medios de almacenamiento son igualmente efectivos a largo plazo. El punto principal es que capturando gran parte del CO2, el impacto climático de la producción de hidrógeno puede reducirse significativamente.

Hay tecnologías (es decir, la pirólisis de metano) que prometen altas tasas de captura (90-95 por ciento) y almacenamiento efectivo a largo plazo del CO2 en forma sólida, potencialmente mucho mejor que el azul que merecen su propio color en el " taxonomía de hidrógeno arcoíris", hidrógeno turquesa. Sin embargo, la pirólisis de metano aún se encuentra en una etapa piloto, mientras que el hidrógeno verde se está expandiendo rápidamente en función de dos tecnologías clave: energía renovable (en particular, de energía solar fotovoltaica y eólica, pero no solo) y electrólisis.

A diferencia de la energía renovable, que es la fuente de electricidad más barata en la mayoría de los países y regiones en la actualidad, la electrólisis para la producción de hidrógeno verde debe aumentar significativamente y reducir su costo al menos tres veces durante la próxima década o dos. Sin embargo, a diferencia de la CCS y la pirólisis de metano, la electrólisis está disponible comercialmente en la actualidad y puede obtenerse demúltiples proveedores internacionales en este momento.

Soluciones de energía de hidrógeno verde

¿Cuáles son los méritos de las soluciones de transición energética hacia una economía de hidrógeno 'verde'? ¿Cómo podríamos hacer la transición a una economía de hidrógeno verde desde donde estamos actualmente con hidrógeno gris?

El hidrógeno verde es una pieza importante de la transición energética. No es el próximo paso inmediato, ya que primero debemos acelerar aún más el despliegue de electricidad renovable para descarbonizar los sistemas de energía existentes, acelerar la electrificación del sector energético para aprovechar la electricidad renovable de bajo costo, antes de finalmente descarbonizar los sectores que son difíciles de electrificar. como la industria pesada, el transporte marítimo y la aviación, a través del hidrógeno verde.

Es importante tener en cuenta que hoy producimos una cantidad significativa de hidrógeno gris, con altas emisiones de CO2 (y metano): la prioridad sería comenzar a descarbonizar la demanda de hidrógeno existente, por ejemplo, reemplazando el amoníaco del gas natural con amoníaco verde.

Estudios recientes han provocado un debate sobre el concepto de hidrógeno azul como combustible de transición hasta que el hidrógeno verde se vuelva competitivo en costos. ¿Cómo se volvería competitivo el hidrógeno verde frente al hidrógeno azul? ¿Qué tipo de inversiones estratégicas deben ocurrir en el proceso de desarrollo de tecnología?

El primer paso es proporcionar una señal para que el hidrógeno azul reemplace al gris, ya que sin un precio por la emisión de CO2, no existe ningún argumento comercial para que las empresas inviertan en sistemas complejos y costosos de captura de carbono (CCS) y almacenamientos geológicos de CO2. Una vez que el marco es tal que el hidrógeno bajo en carbono (azul, verde, turquesa) es competitivo con el hidrógeno gris, entonces la pregunta es: ¿deberíamos invertir en CCS si el riesgo es tener activos varados, y cuándo será verde más barato que azul.

La respuesta, por supuesto, diferirá dependiendo de la región. En un mundo neto cero, un objetivo con el que cada vez más países se comprometen, las emisiones restantes del hidrógeno azul tendrían que compensarse con emisiones negativas. Esto tendrá un costo. Paralelamente, los precios del gas han sido muy volátiles últimamente, dejando el precio del hidrógeno azul altamente correlacionado con el precio del gas y expuesto no solo a la incertidumbre del precio del CO2, sino también a la volatilidad del precio del gas natural.

Sin embargo, para el hidrógeno verde, podríamos ser testigos de una historia similar a la de la energía solar fotovoltaica. Es intensivo en capital, por lo tanto, debemos reducir el costo de inversión, así como el costo de inversión, mediante la ampliación de la fabricación de tecnologías renovables y electrolizadores, al tiempo que creamos una toma de bajo riesgo para reducir el costo de capital para las inversiones en hidrógeno verde. Esto conducirá a un costo estable y decreciente del hidrógeno verde, en oposición a un costo volátil y potencialmente creciente del hidrógeno azul.

Las tecnologías de energía renovable ya alcanzaron un nivel de madurez que permite la generación competitiva de electricidad renovable en todo el mundo, un requisito previo para la producción competitiva de hidrógeno verde. Sin embargo, los electrolizadores todavía se implementan a una escala muy pequeña, y necesitan una escala de tres órdenes de magnitud en las próximas tres décadas para reducir su costo tres veces.

Hoy, la cartera de proyectos de hidrógeno verde está en camino de reducir a la mitad el costo del electrolizador antes de 2030. Esto, combinado con grandes proyectos ubicados donde se encuentran los mejores recursos renovables, puede llevar a que el hidrógeno verde competitivo esté disponible a escala en los próximos {{1 }} años. Esto no deja mucho tiempo para que el hidrógeno azul, que todavía se encuentra en la etapa piloto, pase de la escala piloto a la comercial, implemente proyectos complejos (por ejemplo, el almacenamiento geológico de CO2 a largo plazo) a escala comercial y a un costo competitivo, y recupere las inversiones realizadas en el próximos 10-15 años.

Varios gobiernos ahora han incluido tecnologías de combustible de hidrógeno en sus estrategias nacionales. Dadas las crecientes demandas para la transición hacia la descarbonización de la economía y las tecnologías habilitadoras con mayores tasas de captura de carbono, ¿cuál sería su consejo para los responsables políticos y los encargados de tomar decisiones que están evaluando los pros y los contras del hidrógeno verde?

Necesitaremos hidrógeno verde para alcanzar cero emisiones netas, en particular para la industria, el transporte marítimo y la aviación. Sin embargo, lo que necesitamos con más urgencia es:

1) eficiencia energética;

2) electrificación;

3) crecimiento acelerado de la generación de energía renovable.

Una vez logrado esto, nos quedamos con ca. El 40 por ciento de la demanda debe descarbonizarse, y aquí es donde necesitamos hidrógeno verde, bioenergía moderna y uso directo de energías renovables. Una vez que aumentemos aún más la energía renovable para descarbonizar la electricidad, estaremos en condiciones de expandir aún más la capacidad de energía renovable para producir hidrógeno verde competitivo y descarbonizar sectores difíciles de reducir con un costo adicional mínimo.

¿Dónde ve la evolución de las tecnologías energéticas relacionadas con el hidrógeno para 2030? ¿Podríamos anticiparnos a los vehículos comerciales propulsados ​​por hidrógeno?

Vemos la oportunidad de una rápida adopción de hidrógeno verde en la próxima década donde ya existe la demanda de hidrógeno: descarbonización de amoníaco, hierro y otros productos básicos existentes. Muchos procesos industriales que usan hidrógeno pueden reemplazar el gris por verde o azul, siempre que el CO2 tenga un precio adecuado o se implementen otros mecanismos para la descarbonización de esos sectores.

Para el transporte marítimo y la aviación, la situación es ligeramente diferente. Los combustibles directos, basados ​​en hidrógeno verde pero esencialmente idénticos al combustible para aviones y al metanol producido a partir del petróleo, se pueden usar en aviones y barcos existentes, con ajustes mínimos o nulos. Sin embargo, esos combustibles contienen CO2, que tiene que ser capturado de alguna parte y añadido al hidrógeno, para ser liberado nuevamente durante la combustión: esto reduce pero no resuelve el problema de las emisiones de CO2. Los combustibles sintéticos se pueden implementar antes de 2030, si existen los incentivos adecuados para justificar el costo adicional de las emisiones reducidas (no eliminadas).

En los próximos años, los barcos pueden cambiar a amoníaco verde, un combustible producido a partir de hidrógeno verde y nitrógeno del aire, que no contiene CO2, pero se necesitarán inversiones para reemplazar motores y tanques, y el amoníaco verde es actualmente mucho más caro que gasolina.

Los aviones de hidrógeno (o amoníaco) están más lejos, y serán esencialmente aviones nuevos que tendrán que diseñarse, construirse y venderse a las aerolíneas para reemplazar los aviones propulsados ​​por combustible para aviones existentes, lo que claramente no es factible para 2030: en este sentido, los aviones verdes El combustible, producido con una combinación de hidrógeno verde y bioenergía sostenible, es una solución que se puede implementar a corto plazo.

En conclusión, las principales acciones para acelerar la descarbonización de aquí a 2030 son 1) la eficiencia energética 2) la electrificación con energías renovables 3) la rápida aceleración de la generación de energía renovable (que reducirá aún más el ya bajo costo de la electricidad renovable) 4) la ampliación de la energía renovable , bioenergía moderna, necesaria, entre otras cosas, para producir combustibles verdes que requieran CO2 5) descarbonización de hidrógeno gris con hidrógeno verde, lo que aumentaría la escala y reduciría el costo de la electrólisis, haciendo que el hidrógeno verde sea competitivo y esté listo para una mayor escalar en la década de 2030, hacia el objetivo de alcanzar cero emisiones netas para 2050.

El Foro Económico Mundial apoya desde hace mucho tiempo la agenda de hidrógeno limpio desde 2017, habiendo ayudado, entre otras cosas, con la creación del Consejo de Hidrógeno, el establecimiento de un Desafío de Innovación de hidrógeno en asociación con Mission Innovation y la creación, junto con el Comisión de Transiciones Energéticas, de la plataforma Mission Possible para ayudar a la transición de sectores difíciles de reducir a cero emisiones netas para 2050. Lea más sobre la Iniciativa Aceleración del Hidrógeno Limpio aquí.