Centros tecnológicos como Leitat, trabajan para superar los desafíos de la producción de H₂ mediante proyectos de I+D

En los últimos años, el hidrógeno (H₂) se ha posicionado como una solución clave para descarbonizar la economía y disminuir las emisiones de CO₂. Para comprender cómo el H₂ puede contribuir a la transición energética hacia una economía más sostenible, este artículo aborda, en primer lugar, qué es el hidrógeno; luego, se explica la economía actual y futura del H₂; y finalmente, se analiza cómo se produce el H₂ renovable, sus principales retos y las principales líneas de investigación y desarrollo.

El H₂ es un gas incoloro, inodoro y no tóxico. A temperatura y presión ambiente, se encuentra en estado gaseoso debido a su bajo punto de ebullición (-253 °C) y es más ligero que el aire. En términos de seguridad, aunque no es venenoso, puede desplazar el oxígeno en espacios confinados, generando riesgos de asfixia e inflamabilidad. Su alto riesgo de arder se debe a su amplio rango de inflamabilidad (entre el 4% y el 74% de concentración en el aire), a que requiere muy poca energía para arder y a que su llama es casi invisible.

El H₂ destaca por su elevado poder calorífico en masa, que es de 120 MJ/kg, más del doble que el metano (50 MJ/kg) y el diésel (43 MJ/kg). Sin embargo, debido a que es un gas muy ligero, su densidad energética por volumen es de solo 11 MJ/m³, significativamente inferior a la del metano y el diésel, que es de 36 MJ/m³. Por esta razón, el H₂ debe comprimirse para aumentar su densidad energética por unidad de volumen.

Actualmente el mercado del H₂ ya existe. En 2023, la producción mundial y, por tanto, la cantidad total utilizada de H₂, estaba alrededor de 97 millones de toneladas (Mt), un 3% más que en 2022. Europa representa un 8% del total mundial, es decir, alrededor de 8 Mt por año. El 64% (62 Mt) del H₂ se produce a partir de gas natural mediante un método llamado reformado con vapor; un 21% (20 Mt) se produce a partir del carbón; un 15% (15 Mt) se obtiene de subproductos industriales; y menos del 1% (0,1 Mt) se produce mediante electrólisis (Figura 1).

Figura 1. Producción de hidrógeno en el año 2023, en millones de toneladas (Mt).

Los costes de producción del H₂ varían según la fuente y el método. Mientras que el H₂ producido mediante reformado con vapor de gas natural tiene un coste de 1-3 €/kg, el precio de producción mediante electrólisis supera los 4 €/kg. Sin embargo, el H₂ producido mediante reformado con vapor de gas natural tiene dos inconvenientes importantes que lo descartan como una opción sostenible. En primer lugar, el gas natural es un combustible fósil y, en segundo lugar, se generan aproximadamente 10 toneladas de CO₂ por cada tonelada de H₂ producido. Por estas razones, este H₂ se denomina 'H₂ gris'.

En algunas instalaciones industriales se han integrado sistemas de captura de CO₂, produciendo lo que se conoce como 'H₂ azul'. No obstante, las instalaciones que capturan y almacenan CO₂ (almacenamiento geológico) son actualmente muy limitadas, y la mayor parte de las 820 Mt de CO₂ que se generan anualmente en la producción de H₂ acaban emitidas en la atmosfera.

Actualmente, y a nivel mundial, los usos principales del H₂ son como reactivo en diversos procesos industriales, como puede ser el refinado de petróleo (43 Mt), la producción de fertilizantes (32 Mt), la producción de metanol (16 Mt) y la producción de acero mediante reducción directa de hierro (6 Mt). El uso del H₂ en movilidad y como combustible en hornos de alta temperatura es todavía muy incipiente.

Una característica importante de la economía y mercado actual del H₂ es que se produce en las instalaciones donde se consume. Y, el que no se produce en las mismas instalaciones se manipula como reactivo, mediante bombonas de gas o tuberías de corta distancia.

Actualmente, estamos inmersos en una transición energética en la que el H₂ puede desempeñar un papel relevante. Además de los usos actuales detallados anteriormente, el H₂ puede ser utilizado como vector energético y combustible para descarbonizar la economía.

El H₂ se empleará, en complementariedad con las baterías, para almacenar grandes cantidades de electricidad, equilibrando la oferta y la demanda en un escenario de alta penetración de energías renovables. También se usará en movilidad, especialmente en vehículos pesados de media y larga distancia (coches grandes, camiones, trenes, etc.). En el sector residencial, el H₂ muy probablemente sustituirá parcial o totalmente al gas natural para la climatización.

Actualmente, la única ruta industrialmente implementada para producir H₂ renovable (o 'H₂ verde') es la electrólisis empleando electricidad de fuentes renovables. Este proceso consiste en separar el agua en hidrógeno y oxígeno mediante electricidad. En 2023, la capacidad instalada de electrolizadores de agua alcanzó los 1,4 GW a nivel mundial, y las proyecciones indican que podría crecer hasta 5 GW para finales de 2024, lo que permitiría producir 1 Mt de H₂ al año. Este dato refleja el gran reto que supone alcanzar el objetivo del plan REPowerEU de producir 10 Mt de H₂ a nivel europeo e importar otros 10 Mt para 2030. A pesar de ello, está claro que la electrólisis será la tecnología clave en el futuro para la producción de H₂ renovable.

Existen varios tipos de electrolizadores: alcalinos (AWEL), de membrana de intercambio de protones (PEMEL), de óxido sólido (SOEL) y de membrana de intercambio de aniones (AEMEL). Los electrolizadores AEMEL y SOEL están en fase de desarrollo y cuentan con pocas instalaciones comerciales. Por su parte, los electrolizadores AWEL y PEMEL son tecnologías maduras y ampliamente implementadas a escala industrial, aunque presentan tres limitaciones principales: en primer lugar, el coste de producción del H₂ supera los 4 €/kg, lo que lo hace económicamente poco competitivo frente al H₂ gris. En segundo lugar, se necesitan más de 50 kWh para producir 1 kg de H₂, lo que equivale a una eficiencia energética muy limitada del 65%. Y, en tercer lugar, actualmente no hay suficiente capacidad industrial para producir el volumen de electrolizadores necesario para alcanzar los objetivos marcados por las autoridades.

Para cumplir los objetivos de la UE de producir 10 Mt de H₂ para 2030, se requeriría instalar más de 50 GW de electrolizadores. A nivel global, alcanzar los objetivos medioambientales implicaría la instalación de 230 GW de electrolizadores entre 2030 y 2050. Estos datos reflejan no solo los grandes desafíos que enfrenta el desarrollo de tecnologías de producción de H₂ renovable, sino también las enormes oportunidades de crecimiento en este mercado, incluyendo la generación de empleo cualificado.

Para superar las limitaciones actuales de la electrólisis, es imprescindible investigar y desarrollar nuevas tecnologías de producción renovable, así como mejorar los componentes de los electrolizadores. Una de las nuevas tecnologías que está más avanzada en cuanto a su desarrollo es la gasificación de biomasa. Esta tecnología está empezando a implementarse a escala industrial y permite producir entre 40 y 190 kg de H₂ por cada tonelada de residuos sólidos o biomasa, con un coste de entre 1 y 3 €/kg, lo que la hace potencialmente competitiva con el H₂ gris.

En el centro tecnológico Leitat, trabajamos para superar los desafíos de la producción de H₂ mencionados anteriormente mediante proyectos de I+D. Un ejemplo es el proyecto H2ENRY, donde junto con otros cuatro centros tecnológicos españoles, desarrollamos tecnologías emergentes e innovadoras que aumenten la eficiencia energética de la producción de H₂ renovable y reduzcan sus costes. Entre las tecnologías desarrolladas en el proyecto H2ENRY se encuentran: sistemas bioelectroquímicos (Figura 2), fermentación oscura, sistemas fotoelectroquímicos, electrólisis de óxido sólido (SOEL). La diversificación del portafolio tecnológico es fundamental para afrontar los retos del sector y poder diversificar la capacidad industrial para alcanzar los objetivos medioambientales marcados.

Otro ejemplo destacado es el proyecto X-SEED, donde se desarrolla un electrolizador capaz de trabajar con agua supercrítica (>374°C; >220 bar) y sin membrana. Estas condiciones de operación en la electrólisis permiten producir H₂ a más de 200 bares de presión, reduciendo así las necesidades de compresión para alcanzar una alta densidad energética. Además, el electrolizador trabaja a 374 °C, lo que disminuye la energía eléctrica necesaria para producir H₂ por debajo de 42 kWh/kg, mejorando significativamente la eficiencia energética. Asimismo, el proyecto busca reducir el uso de materiales escasos y costosos por debajo de 0,3 mg/W, lo que podría abaratar el coste del H₂ por debajo de 3 €/kg (Figura 3). El consorcio del X-SEED, compuesto por Leitat (Coordinador), DTU, SNAM, IDN y PMat, está desarrollando actualmente modelos multifísicos para diseñar el electrolizador que trabaje con agua en condiciones supercríticas. El objetivo de estos modelos es desarrollar un electrolizador que no utilice una membrana para separar el ánodo del cátodo como requieren los electrolizadores tradicionales. En paralelo, durante el primer año de proyecto también se ha desarrollado catalizadores por dos técnicas de síntesis diferentes Continuous Hydrothermal Flow Synthesis y Electrospinning para obtener catalizadores basados en perovskitas tipo LaCoO3, SFMO, etc. y catalizadores basados en óxidos de níquel. Durante el 2025 se fabricarán electrodos a partir de los catalizadores sintetizados y se fabricará la primera celda de electrólisis con estos. Todos los resultados del X-SEED permitirán un impacto en el avance de conocimiento científico, en nuevos catalizadores y electrodos para otras tecnologías de electrólisis, y en incorporar un nuevo electrolizador. Todo esto tiene que contribuir a acelerar el ecosistema del hidrógeno en Europa, apoyando sus objetivos climáticos y liderazgo tecnológico en energía verde.

Para concluir, está claro que el hidrógeno será un elemento clave para la descarbonización, pero hay otros aspectos igualmente importantes. Uno de ellos es reducir la energía que utilizamos, y en este sentido, mejorar la eficiencia de los procesos resulta imprescindible. Otro aspecto crucial es la implementación de energías renovables, como la eólica, solar, hidráulica e incluso la biomasa. En los últimos años, vamos por muy buen camino porque se ha incrementado notablemente la capacidad instalada de energías renovables. Es fundamental continuar en esta dirección, pero siempre en coordinación y respeto con los territorios.