Acelerar la producción de hidrógeno

El cambio climático avanza más rápido de lo previsto y la transición energética más despacio de lo esperado. Referenzfabrik.H2 pretende acelerar la producción de sistemas de hidrógeno y abrir nuevos campos de negocio para industrias como la del automóvil, en un impulso que Fraunhofer denomina ‘Fit4H2’.

Seis tornillos diminutos, seis tuercas a juego y un montón de rectángulos transparentes, negros y de colores: incluso el montaje de una versión de demostración de una pila de electrolizadores del tamaño de una casa de muñecas no es precisamente un juego de niños. En la sala de formación del Instituto Fraunhofer de Máquinas-Herramienta y Tecnología de Conformado (IWU) de Chemnitz, 20 personas intentan apilar las piezas en un orden lógico y mantenerlas en su sitio. Con resultados dispares: ‘¿Podría sobrar una membrana al final?’.

No, claro que no. Pero tampoco es para tanto. Al fin y al cabo, el taller Fit4H2 de dos días de duración en Fraunhofer IWU consiste en aprender. El objetivo es que la gente se ponga al día sobre la tecnología del hidrógeno. Los participantes proceden de empresas de Alemania, Austria y la República Checa. La mayoría espera encontrar inspiración y conocimientos para explorar nuevos campos de negocio, por ejemplo, porque la inminente interrupción de las tecnologías de combustión exigirá ampliar su cartera de productos, o incluso que toda la empresa cambie de rumbo. Otros ya trabajan en el sector del hidrógeno y ahora buscan formas de optimizar los procesos. Con cinco fábricas de vehículos y motores y 780 proveedores de componentes, maquinaria y servicios del sector de la movilidad, el estado de Sajonia es conocido por su especialización en la industria automovilística. Aquí se concentran unos 95.000 puestos de trabajo en este sector, más del 80% de ellos con proveedores.

“Queremos conocer a fondo la tecnología y los requisitos y retos que plantea”, señala Ulrike Michel-Schneider, durante la rueda de presentación de la jornada. Participa en Fit4H2 con Dušan Poliaček, cuya empresa 1to1design, con sede en Praga, forma parte de un consorcio de investigación germano-checo que trabaja actualmente con Fraunhofer IWU en el desarrollo de una motocicleta propulsada por hidrógeno. El papel de 1to1design en el proyecto Hydrocycle consiste en diseñar una carrocería elegante y ligera, pero con espacio suficiente para albergar un sistema completo de pila de combustible. Con esa misión en mente, Michel-Schneider y Poliaček quieren saber no sólo cómo se estructura una pila de combustible, sino también cuánto se puede reducir su tamaño sin mermar su potencia. A Poliaček, diseñador, le fascina la idea de una moto H2: “Ya hay motos puramente eléctricas, así que ahí no hay mucho margen para la innovación”. También cree que el hidrógeno permitirá disfrutar más de la conducción en distancias más largas. “El hidrógeno puede convertirse en una alternativa importante, incluso para vehículos pequeños”.

El sector del hidrógeno como tecnología de futuro es un tema clave para la Ulrike Beyer, responsable de Referenzefabrik.H2 en Fraunhofer IWU. Para que Alemania, Europa en su conjunto y otros países del mundo puedan cumplir sus compromisos de descarbonización, será necesario un aumento masivo de la producción de energías renovables. “Pero la energía renovable es como la leche fresca: Hay que utilizarla de inmediato o convertirla en un producto más duradero, como el queso”, explica Beyer. “El hidrógeno tiene el potencial de ser el 'queso' del sector de las energías renovables, ayudando a apoyar la transición energética”.

Para que eso ocurra, sin embargo, tendrá que haber un aumento extremo en el volumen de producción de hidrógeno ‘verde’, es decir, hidrógeno producido mediante electrólisis utilizando energía renovable o biomasa. “Pero las tecnologías de H2 aún no están diseñadas para la producción industrial en masa, y siguen siendo demasiado caras”, señala Beyer nada más empezar el taller de formación. Para cambiar esta situación y equiparar el gas a la energía de combustibles fósiles, incluso en términos de precio, Fraunhofer IWU se asoció con el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Producción IPT para crear Referenzfabrik.H2 en 2022 y aportó también el contenido de investigación del Instituto Fraunhofer de Nanosistemas Electrónicos ENAS de Chemnitz.

En su papel de directora de Referenzfabrik.H2, Beyer está especialmente preocupada por el hecho de que tanto los electrolizadores como las pilas de combustible —los dos sistemas clave para generar hidrógeno y reconvertirlo en electricidad— se siguen produciendo en Alemania en volúmenes unitarios demasiado escasos en la actualidad. “Con las energías renovables ganando cada vez más cuota de mercado, la demanda de estas tecnologías se disparará de aquí a 2050”, afirma. La industria necesita hidrógeno por varias razones, como sustituto del gas natural y medio de almacenamiento de la energía renovable necesaria para descarbonizar los métodos de producción. En el sector de la movilidad, se prevé que la demanda de H2 se dispare primero en el segmento del transporte pesado de mercancías, a partir de 2030, y después en la aviación y el transporte marítimo a partir de 2040. Un reciente metaestudio del Instituto Fraunhofer de Investigación en Sistemas e Innovación ISE predice que el hidrógeno representará entre el cuatro y el once por ciento de la demanda total de energía final en todo el mundo en 2050. La estrategia de hidrógeno revisada del gobierno federal alemán postula que entre el 50 y el 70% de la demanda de H2 prevista para 2030 tendrá que satisfacerse mediante importaciones. A menos que la producción nacional pueda acelerar el ritmo.

Predicciones como éstas son una clara “señal para entrar en este mercado”, dice Beyer a los participantes. Al fin y al cabo, pronto habrá “un enorme déficit de tecnologías de producción”, es decir, de electrolizadores y pilas de combustible necesarios para satisfacer la futura demanda. Beyer señala que las numerosas empresas de nueva creación que están surgiendo en el segmento de la tecnología H2 son otra señal de la viabilidad futura de este mercado: “Estamos en los primeros días del desarrollo de la producción”. La red de hidrógeno Fraunhofer cree que la creación de valor anual para los fabricantes alemanes de electrolizadores y pilas de combustible podría alcanzar los 10.000 millones de euros en 2030 y los 32.000 millones en 2050.

Para enlazar con ese tema, el mensaje impreso en los paquetes de caramelos que cada uno de los participantes en la Fit4H2 encontró esperándoles en su sitio es muy sencillo: ‘Impulsar tu creación de valor’. ‘Al 20 para el 27’ es el lema de Referenzfabrik.H2: el objetivo es reducir los costes de producción de los sistemas de hidrógeno al 20% de los actuales para 2027, haciendo competitiva la tecnología del hidrógeno en Alemania. “Esta podría ser una forma de recuperar parte de la creación de valor que perdimos con la energía de las baterías”, afirma Beyer.

‘Llegar a 20 en 27’ es un objetivo ambicioso, pero ante la competencia mundial, una visión aspiracional es lo que cuenta. Por ejemplo, el Departamento de Energía de EE. UU. ha lanzado lo que denomina su programa ‘Hydrogen Shot’ para Estados Unidos, cuyo objetivo es reducir los costes del hidrógeno limpio en un 80%, hasta un dólar por kilogramo, en la próxima década. Para que otros sigan el ritmo, los sectores de la investigación y la industria tendrán que colaborar estrechamente. Referenzfabrik.H2 ya ha incorporado a 25 empresas como socios integrales en la comunidad de la cadena de valor y sigue adelante con su crecimiento. Uno de los socios es el Grupo Schaeffler, proveedor internacional de automoción que ya ha puesto sus miras en una serie de aplicaciones de la tecnología del hidrógeno. Otro es Spreckelmeyer GmbH, una mediana empresa artesanal de Lengerich, ciudad de Renania del Norte-Westfalia, cuya actividad principal es la ingeniería mecánica, la automatización y la robótica. “También necesitamos este espíritu práctico y realista para avanzar en el tema del hidrógeno”, señala Beyer.

Referenzfabrik.H2 está impulsando la introducción en el mercado de tecnologías del hidrógeno fabricadas en Alemania desde dos direcciones. La primera tiene que ver con un proyecto emblemático financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF) llamado H2Giga, en el que ha unido fuerzas con Fraunhofer IWU, IPT, IPA y ENAS y con el Instituto Fraunhofer de Microestructura de Materiales y Sistemas IMWS en el proyecto FRHY para desarrollar soluciones flexibles para la producción en serie de electrolizadores. Estos dispositivos se utilizan para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno mediante la aplicación de energía. Sin embargo, la producción en serie de electrolizadores aún no es competitiva con las tecnologías disponibles.

De ahí los esfuerzos de Referenzfabrik.H2 por dar un golpe de timón: Hy-Ventus, una innovadora pila de electrolizadores apta para la producción industrial a gran escala. Ya en el primer día de formación, Sebastian Melzer, de Fraunhofer IWU, guía al grupo a través de las distintas partes de la pila, incluidas las placas bipolares (BPP) fabricadas a partir de medias placas que se graban y laminan mecánicamente a alta velocidad y luego se sueldan entre sí con un haz de electrones, todo ello mediante un método desarrollado internamente. Las membranas de intercambio de protones, incrustadas en una estructura de película estable, se intercalan entre las BPP mediante capas porosas de transporte (PTL) o capas de difusión de gas (GDL). El suministro de energía se realiza mediante contactos chapados en oro situados en los extremos de la pila. Parece sencillo, pero cuando se les encarga que monten sus propias pilas en miniatura, algunos de los participantes se dan cuenta de que el concepto no acaba de encajar: “¿Dónde van a parar las cosas de oro?”.

Hy-Ventus se está diseñando actualmente a gran escala desde el punto de vista de la fabricación y está previsto que entre en producción industrial en 2025. Y ya va siendo hora: Como señala Melzer, se necesitarán 190 millones de estas pilas para producir 70 millones de toneladas métricas de hidrógeno en todo el mundo de aquí a 2030. En conjunto, las BPP necesarias para ello se extenderían a lo largo de 16.000 campos de fútbol, y colocadas de extremo a extremo, las soldaduras (aproximadamente un metro por BPP) llegarían desde la Tierra hasta la Luna cinco veces.

El segundo campo de investigación de Referenzfabrik.H2 es el de las pilas de combustible, en el que trabaja con financiación del Ministerio Federal Alemán de Industria Digital y Transporte (BMDV) como parte del Plan de Acción Nacional H2GO para la Producción de Pilas de Combustible, un proyecto conjunto de 19 institutos Fraunhofer coordinado por Fraunhofer IWU. Los investigadores de Chemnitz trabajan en diversos temas, entre ellos la mejor manera de producir en grandes cantidades el conjunto de electrodos de membrana (MEA), pieza central de cualquier pila de combustible, para que resulte rentable. Andreas Willert, subdirector del departamento de Funcionalidades Impresas de Fraunhofer ENAS, que presenta los conceptos de maquinaria desarrollados especialmente para ello en la planta piloto, tiene puestas grandes esperanzas en la impresión por chorro de tinta. Uno de los retos consiste en ajustar la viscosidad y la composición del material de recubrimiento de forma que el cabezal de impresión no se atasque y la membrana se recubra uniformemente, y tan rápido que no tenga tiempo de hincharse o abombarse.

Los investigadores de Fraunhofer también están trabajando en las tolerancias de error en el caso de las membranas de electrolisis y pilas de combustible y la producción de placas bipolares. “La activación, es decir, la rotura de una pila, representa actualmente alrededor del cinco por ciento de los costes totales de producción”, explica Sören Scheffler, de Fraunhofer IWU. “Nosotros nos encargamos de eso para la industria, gracias a nuestro laboratorio de ensayos H2”.

Otro objetivo es detectar los parámetros para unas condiciones de producción eficientes. En la actualidad, la industria persigue un enfoque de tolerancia cero, porque incluso un solo MEA defectuoso acorta enormemente la vida útil de toda la pila. Y eso significa muchos residuos, que podrían reducirse si se conocieran las tolerancias de error relevantes de los componentes de la pila. También siguen faltando datos para la simulación digital del proceso de envejecimiento. Scheffler afirma que los investigadores van a ciegas en este aspecto: “Ahora mismo, una pila tiene que funcionar durante 1.000 horas para poder decir con seguridad que puede funcionar durante 1.000 horas”.

Referenzfabrik.H2 está aprovechando la inteligencia colectiva, reuniendo a los sectores de la ciencia, la investigación y la industria con el objetivo de formar una comunidad de cadena de valor que, unida, pueda impulsar el uso de las tecnologías del hidrógeno en Alemania y en toda Europa. Pretenden crear una especie de kit tecnológico reuniendo bloques de construcción para la producción de electrolizadores y pilas de combustible y ofreciéndolos a efectos de transferencia de conocimientos. Un “centro comercial tecnológico” proporciona componentes clave de la pila de forma modular. Y los servicios tecnológicos prestados por los investigadores de Fraunhofer ayudarán a las empresas asociadas a incorporar la experiencia y las infraestructuras existentes a la producción de sistemas de hidrógeno.

Incluso ya hay planes para los especialistas en H2 del mañana: Referenzfabrik.H2 es el patrocinador alemán del Gran Premio H2, puesto en marcha por la empresa checa Horizon Educational. La serie invita a estudiantes de primaria y secundaria a trabajar en equipo para desarrollar velocísimos vehículos en miniatura propulsados por hidrógeno y competir entre sí, primero a escala nacional y luego en competiciones internacionales. El concurso del año pasado se limitó a Sajonia, pero, como señala Katrin Zieger, responsable de comunicación estratégica de Referenzfabrik.H2, “nuestro objetivo declarado es extender el programa Grand Prix a toda Alemania”.

Al fin y al cabo, nunca es demasiado pronto para que los especialistas del mañana se sumen a la idea de ‘Fit4H2’.