hidrógeno

verde

 

¿qué es el 
hidrógeno verde?

El hidrógeno, ampliamente utilizado en diversas industrias como insumo de producción, también tiene el potencial de convertirse en una fuente de energía clave para un futuro sostenible. Aunque es uno de los elementos más abundantes en la naturaleza, no se encuentra en estado puro, lo que hace necesario extraerlo a partir de otros compuestos.
Tradicionalmente, su obtención se ha basado en fuentes fósiles como el gas natural, un proceso que genera emisiones significativas de dióxido de carbono (CO₂).

Reformado de metano con vapor

El proceso de obtención de hidrógeno a partir de gas natural (contiene principalmente metano) es conocido como reformado de metano con vapor (en inglés Steam Methane Reforming). En este proceso, se aplica vapor de agua a alta temperatura (700-1000°C) y alta presión (3-25 bar) a una fuente de metano (como el gas natural) en presencia de un catalizador, obteniéndose una mezcla de hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO):

CH4 + H2O (+ calor) → CO + 3H2

Reacción de desplazamiento gas-agua

En una segunda etapa (conocida en inglés como water-gas shift reaction), el vapor de agua y el monóxido reaccionan en presencia de un catalizador, obteniéndose dióxido de carbono y más hidrógeno:

CO + H2O → CO2 + H2 (+ pequeña cantidad de calor)

Finalmente, en un proceso de adsorción por cambio de presión, se extrae el dióxido de carbono de la mezcla, obteniendo hidrógeno en estado casi puro.

Sin embargo, existe una alternativa sostenible: el hidrógeno verde, producido a través de un proceso llamado electrólisis, que utiliza electricidad generada por fuentes renovables para separar las moléculas de agua (H₂O) en hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂). Este método no emite gases de efecto invernadero, posicionándose como una solución limpia y amigable con el medio ambiente.

La electrólisis es un proceso electroquímico que utiliza electricidad para descomponer las moléculas de agua (H₂O) en sus componentes básicos: hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂). Este método, ampliamente utilizado en la producción de hidrógeno verde, se realiza en un dispositivo llamado electrolizador, que consta de tres elementos principales: el ánodo, el cátodo y un electrolito.

Etapas del proceso de electrólisis:

  1. Aplicación de corriente eléctrica:

Se aplica una corriente continua a través del electrolizador, con el ánodo (polo positivo) y el cátodo (polo negativo) conectados a una fuente de energía eléctrica. Si esta electricidad proviene de fuentes renovables como paneles solares o turbinas eólicas, se garantiza un proceso limpio y sostenible.

  1. Reacciones electroquímicas:
  • En el ánodo (polo positivo):

Ocurre una reacción de oxidación en la que las moléculas de agua liberan electrones y se descomponen en oxígeno y protones (H⁺).

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻

  • En el cátodo (polo negativo):

Los protones (H⁺) se reducen al ganar electrones (e⁻) provenientes de la corriente eléctrica, formando hidrógeno molecular (H₂).

4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂

  1. Separación de productos:

El hidrógeno generado en el cátodo se captura como gas, mientras que el oxígeno producido en el ánodo se libera como subproducto. Ambos gases se separan utilizando membranas selectivas dentro del electrolizador para evitar la mezcla.

  1. Uso de un electrolito:

El electrolito facilita la conducción de iones dentro del sistema y puede variar según el tipo de electrolizador:

  • Electrolizadores alcalinos: Usan una solución de hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH) como electrolito. Generalmente, son menos eficientes que los PEM o SOEC. Sin embargo, son robustos y económicos, lo que los hace ideales para aplicaciones de bajo costo inicial.
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  • Electrolizadores de membrana de electrolito polimérico (PEM): Utilizan una membrana sólida que permite el paso de protones, ofreciendo alta eficiencia y respuesta rápida. Ofrecen respuesta rápida a fluctuaciones de electricidad renovable. Tienen un diseño compacto y logran una alta pureza del hidrógeno producido.
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  • Electrolizadores de óxido sólido (SOEC): Operan a altas temperaturas y usan cerámicas como electrolito, logrando mayor eficiencia en condiciones específicas, pues las altas temperaturas de operación permiten reducir la energía eléctrica necesaria. Pueden integrarse con fuentes de calor residual industrial para mejorar aún más su eficiencia. Su aplicación está principalmente en entornos industriales donde existen fuentes de calor residual, como fábricas de acero, plantas químicas, producción de combustibles sintéticos y amoniaco. Están en fase de desarrollo o pre comercial.

Eficiencia energética:

Depende de la calidad de la electricidad y la tecnología del electrolizador. Actualmente, la eficiencia promedio es del 60-80% basadas en el poder calorífico superior (PCS). Los electrolizadores más eficientes suelen ser los electrolizadores de óxido sólido (SOEC) y algunos de los modelos más avanzados de electrolizadores PEM bajo condiciones específicas. Los SOEC se pueden mover en un rango de 80-90% de eficiencia. Los PEM oscilan entre el 65-75%, mientras que los alcalinos entre 60-70%.

¿Cómo se produce el hidrógeno verde?

Una forma sostenible de obtener hidrógeno, sin generar emisiones de gases de efecto invernadero, es a través del agua. Este proceso, conocido como electrólisis, utiliza electricidad para dividir las moléculas de agua (H₂O) en sus dos componentes principales: hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂).

2H2O + electricidad → 2H2 + O2

Cuando la electricidad proviene de fuentes renovables, como la eólica, la solar o la biomasa, el hidrógeno producido es completamente limpio y se conoce como hidrógeno verde.

¿Cómo funciona una planta
de producción de hidrógeno verde?

El proceso de producción de hidrógeno verde puede ser resumido en 6 partes:

1. Generación de energía renovable

La generación de energía a partir de fuentes renovables corresponde a la obtenida a partir de proyectos que aprovechen la energía de fuentes como el viento (energía eólica), el sol (energía solar) y la biomasa (bioenergía)
1.1 Energía Solar

La energía solar se obtiene a partir de la radiación electromagnética del sol. Las tecnologías actuales permiten aprovecharla de diversas maneras, destacándose tres enfoques principales: solar fotovoltaica, solar termoeléctrica de concentración y solar térmica para agua caliente sanitaria.

1.1.1 Energía Solar Fotovoltaica

Esta tecnología utiliza celdas solares como semiconductores para transformar la radiación solar en energía eléctrica en forma de corriente continua.


Características principales:

  • Uso de paneles fotovoltaicos que contienen celdas con materiales semiconductores.
  • Predominancia de celdas de silicio policristalino por su alta eficiencia.
  • Aplicaciones: Generación de electricidad en diversos sectores.

 

1.1.2 Energía Solar Termoeléctrica de Concentración

Funciona mediante la reflexión y concentración de los rayos solares en un fluido que absorbe el calor, generando vapor que impulsa turbinas para producir electricidad.

 

Características principales:

  • Operación a altas temperaturas (400 °C a 600 °C).
  • Tecnologías comunes: torre concentradora, colectores o platos parabólicos, y reflectores Fresnel lineales.
  • Aplicaciones: Generación de electricidad a gran escala.

 

1.1.3 Energía Solar Térmica para Agua Caliente Sanitaria

Consiste en un depósito y un panel solar con un circuito donde circula un fluido (agua) que absorbe energía térmica para su uso doméstico.

Características principales:

  • Uso en sistemas de baja temperatura (hasta 180 °C).
  • Aplicaciones como agua caliente sanitaria, calefacción y calentamiento de piscinas.
  • Factores que Afectan la Eficiencia
  • La generación de energía mediante tecnologías solares depende de:

Factores que Afectan la Eficiencia

La eficiencia en la generación de energía solar depende de varios factores:

  • Condiciones climáticas: La nubosidad y la disponibilidad de radiación solar son determinantes.
  • Inclinación de los rayos solares: Depende de la posición del sol respecto a la tierra.
1.2 Energía Eólica

La energía eólica se genera a partir de la energía cinética del viento mediante aerogeneradores, que convierten este movimiento en electricidad. Las instalaciones pueden clasificarse en función de su ubicación y conectividad.

1.2.1 Características de la Instalación

  • En tierra firme (on-shore):
    • Ubicadas en llanuras, mesetas o áreas montañosas con vientos constantes.
    • Menor costo inicial y fácil mantenimiento.
    • Mayor impacto visual y acústico en áreas habitadas.
    • Limitaciones por variabilidad del viento y restricciones geográficas.
  • En el sector oceánico (off-shore):
    • Instaladas en el mar, donde los vientos son más constantes y veloces.
    • Mayor eficiencia gracias a aerogeneradores más grandes y robustos.
    • Diseñadas para resistir condiciones adversas como oleaje, salinidad y corrosión.
    • Mayor complejidad y costos en instalación, mantenimiento y conexión a la red.
    • Uso de tecnologías avanzadas como plataformas flotantes o estructuras fijas al lecho marino.

1.2.2 Conectividad a la Red

  • Centrales conectadas a la red eléctrica (on-grid):
    • Integradas al sistema eléctrico nacional o regional, permitiendo la distribución de energía.
  • Centrales no conectadas (off-grid):
    • Operan de manera independiente para abastecer áreas aisladas.
    • Suelen incorporar sistemas de almacenamiento (baterías) para garantizar un suministro continuo.

Factores que Afectan la Eficiencia

  • Condiciones climáticas: Nubosidad, velocidad y dirección del viento, y disponibilidad de radiación solar.
  • Diseño de las instalaciones: Orientación, inclinación y altura óptima para maximizar el aprovechamiento de los recursos.
  • Ubicación geográfica: Las características del terreno o del entorno marítimo influyen directamente en la producción de energía.
1.3 Energía Biomasa

La bioenergía se genera a partir de la biomasa. Biomasa es toda aquella materia orgánica disponible en forma sostenible como son cultivos energéticos, desechos agrícolas y agroindustriales, desechos forestales y madereros, desechos animales, residuos sólidos urbanos y los provenientes del tratamiento de aguas servidas, domésticas e industriales.

Procesos de Conversión de Biomasa en Energía

  1. Conversión Térmica: Consiste en quemar biomasa para generar calor, que a su vez se utiliza para producir electricidad o vapor. Los procesos más comunes son:
    • Combustión directa: Quema de biomasa seca para generar calor.
    • Gasificación: Conversión de biomasa en gas combustible mediante calentamiento en un ambiente controlado de oxígeno.
    • Pirólisis: Descomposición térmica en ausencia de oxígeno, produciendo biocarbón, bioaceite y gases combustibles.

Producción de Biocombustibles Líquidos

  • Bioetanol: Generado a partir de la fermentación de azúcares presentes en cultivos como maíz y caña de azúcar.
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  • Biodiésel: Producido a partir de aceites vegetales o grasas animales mediante transesterificación.
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  • Aplicaciones: Combustibles para transporte y generación de electricidad.

Producción de Biogás

  • Proceso: Se obtiene mediante la digestión anaeróbica, en la cual microorganismos descomponen la materia orgánica en ausencia de oxígeno, generando un gas rico en metano (CH₄) y dióxido de carbono (CO₂).
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  • Fuentes principales: Rellenos sanitarios, plantas de tratamiento de aguas residuales y digestores agrícolas.
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  • Usos: Electricidad, calefacción y como combustible vehicular cuando se convierte en biometano.
2. Suministro eléctrico a la planta
El suministro eléctrico de una planta de hidrógeno verde debe ser diseñado para garantizar estabilidad, confiabilidad y sostenibilidad, ya que estas características impactan directamente en el funcionamiento de los electrolizadores y en la eficiencia general de la producción de hidrógeno verde.
  • Estabilidad eléctrica: clave para un funcionamiento óptimo de los electrolizadores
    • Evitar fluctuaciones de voltaje:

Los electrolizadores requieren un suministro constante de electricidad para operar dentro de rangos específicos. Fluctuaciones pueden reducir su eficiencia, incrementar el desgaste y provocar interrupciones.

  • Impacto en la calidad del hidrógeno:

Las variaciones en el suministro afectan la pureza del hidrógeno producido, especialmente en tecnologías como PEM.

  • Energías variables y almacenamiento:

En proyectos que dependen de fuentes renovables (solar o eólica), las baterías son fundamentales para estabilizar la electricidad, compensando las variaciones en la generación.

  • Confiabilidad: asegurar la continuidad operativa
    • Minimizar tiempos de inactividad:

Los electrolizadores operan de manera más eficiente en ciclos continuos. Paradas frecuentes debido a interrupciones en el suministro incrementan costos y reducen la vida útil del equipo.

  • Respaldo energético:

En sistemas off-grid, es necesario contar con soluciones adicionales como microturbinas o almacenamiento energético para evitar interrupciones en momentos de baja generación.

  • Sostenibilidad: reducir costos y maximizar el rendimiento
    • Uso de energías renovables:

Al utilizar electricidad de bajo costo y sin emisiones, el hidrógeno verde se produce de manera competitiva y alineada con objetivos climáticos.

  • Optimización del costo energético:

Una planta bien diseñada evita puntas de demanda que aumenten los costos operativos y el precio del hidrógeno producido.

  • Integración con la red:

En sistemas on-grid, una conexión estable permite complementar la generación renovable y manejar excedentes de energía de manera eficiente.

El suministro, además, puede provenir de una configuración on-grid, off-grid o una combinación de ambas.

  • Proyectos On-grid

La planta se conecta a la red eléctrica pública para abastecerse de electricidad, que puede provenir de fuentes renovables (solar, eólica, hidráulica, biomasa) o una combinación de éstas. Esta configuración permite un acceso continuo a electricidad, incluso cuando las fuentes renovables locales no están generando energía. Esto ofrece también la posibilidad de aprovechar tarifas diferenciadas o contratos específicos de suministro con electricidad renovable certificada.

  • Proyectos Off-grid

La planta opera de manera autónoma utilizando electricidad generada localmente a partir de fuentes renovables, sin depender de la red eléctrica pública. Tiene la ventaja de un mayor control sobre la generación y el costo de la electricidad. Además, se eliminan los riesgos asociados con cortes de red o fluctuaciones externas.

Como limitación, depende de las condiciones climáticas locales (variabilidad solar y eólica) y, por lo tanto, requiere sistemas de almacenamiento y gestión de energía más avanzados para garantizar la continuidad del suministro.

Estabilización del suministro eléctrico
En plantas off-grid que dependen de fuentes de energía variables, como la solar y la eólica, es fundamental contar con soluciones de estabilización que permitan mantener una operación continua del electrolizador. Para esto, se requiere el uso de baterías que permiten almacenar el excedente de electricidad generada durante períodos de alta producción para usarla cuando la generación renovable disminuye. Así, ayudan a mitigar las fluctuaciones en la generación de energía, asegurando un suministro constante al electrolizador.

Tecnologías más comunes de baterías:

  • Batería de iones de litio: Ofrecen alta densidad energética y rápida respuesta.
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  • Baterías de flujo redox: se destacan por una mayor vida útil y capacidad para grandes sistemas de almacenamiento.

Otros factores a considerar:

  • Fuentes de respaldo: En sistemas off-grid, puede ser necesario incluir fuentes de respaldo, como microturbinas a gas renovable (como biogás, gas de síntesis o hidrógeno), para garantizar la continuidad operativa en casos extremos.
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  • Gestión inteligente de energía: Sistemas de gestión que optimicen el uso de electricidad en función de la generación disponible, el costo de la energía y las demandas del electrolizador.
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  • Infraestructura de transmisión: En proyectos on-grid, la conexión debe incluir transformadores y líneas de transmisión capaces de manejar la capacidad requerida por la planta.
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  • Integración con la red: Si la planta tiene excedentes de energía (por ejemplo, en momentos de baja producción de hidrógeno), éstos pueden inyectarse a la red.
3. Suministro de agua
El suministro de agua es un componente clave en una planta de hidrógeno verde, ya que el agua es uno de los insumos principales (junto con la electricidad renovable) para el proceso de electrólisis y se utiliza también para la refrigeración de los electrolizadores.

A continuación, se describe el proceso desde la fuente hasta su uso final:

  • Fuente de agua: La selección de la fuente de agua depende de la ubicación de la planta y la disponibilidad de recursos.

    • Agua potable: Fuente común en áreas urbanas o industriales.
    • Agua subterránea: Extraída de pozos en zonas rurales.
    • Agua de superficie: De ríos, lagos o embalses cercanos.
    • Agua de mar: En plantas costeras, aunque requiere un proceso de desalinización previo.

La elección de la fuente influye en el tipo y nivel de tratamiento requerido para cumplir con los estándares del electrolizador.

  • Tratamiento de agua para electrólisis: El agua utilizada en los electrolizadores debe ser de alta pureza para evitar daños en los equipos y mantener la eficiencia del proceso.

Esto implica:

  • Pretratamiento:
    • Filtración: Eliminación de partículas sólidas y sedimentos.
    • Ablandamiento: Reducción de la dureza del agua (calcio y magnesio).
    • Desalación (si es necesario): En el caso de agua de mar, se utiliza osmosis inversa o destilación para eliminar las sales.

  • Purificación avanzada:
    • Desionización: Eliminación de iones disueltos utilizando resinas de intercambio iónico o sistemas de electrodesionización (EDI).
    • Remoción de gases disueltos: Para evitar corrosión en los electrolizadores.
    • Producción de agua ultrapura: Garantiza la máxima eficiencia y durabilidad de los equipos.

  • Requerimientos de agua para enfriamiento

Además de la electrólisis, la planta requiere agua para sistemas de enfriamiento que disipen el calor generado por:

  • Electrolizadores: Especialmente en tecnologías como PEM y alcalinas que operan a temperaturas moderadas (50-80 °C).
  • Compresores: En el caso de hidrógeno gaseoso a alta presión.

Opciones de sistemas de enfriamiento:

  • Ciclo abierto: Agua extraída y descargada de vuelta al cuerpo natural (con tratamiento previo si es necesario).
  • Ciclo cerrado: Uso de torres de enfriamiento o intercambiadores de calor para recircular el agua, reduciendo el consumo.
  • Volumen total de agua requerido

El requerimiento estequiométrico (balance exacto a nivel molecular) es de 9 litros de agua para producir 1 kg de hidrógeno.

Sin embargo, también se requiere agua para enfriar equipos clave del proceso.

[Estudio IEA]

4. Electrólisis
La electrólisis es el proceso central en una planta de hidrógeno verde. Utiliza electricidad de fuentes renovables para dividir moléculas de agua (H₂O) en hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂). Este método garantiza un hidrógeno limpio y sostenible, libre de emisiones de carbono, cuando se alimenta con energía renovable.

La reacción química básica es:

2H2O 2H2+ O2

4.1 ¿Cómo funciona un electrolizador?

Un electrolizador realiza la electrólisis a través de reacciones electroquímicas en sus componentes principales:

  • Ánodo (Electrodo positivo):
    • Superficie donde se libera oxígeno (O₂) al oxidar las moléculas de agua.
  • Cátodo (Electrodo negativo):
    • Superficie donde se genera hidrógeno (H₂) al reducir los iones transportados por el electrolito.
  • Electrolito:
    • Medio conductor (líquido o sólido) que facilita el transporte de iones entre el ánodo y el cátodo.
  • Separador o membrana:
    • Barrera física que permite el paso de iones mientras mantiene separados los gases generados (H₂ y O₂).
  • Stack de celdas:
    • Conjunto de celdas apiladas que permite escalar la producción de hidrógeno.

4.2 Tipos de electrolizadores

  • Electrolizador Alcalino (ALK)

Los electrolizadores alcalinos utilizan un electrolito líquido compuesto por hidróxido de potasio (KOH) o sodio (NaOH). Los electrodos de acero inoxidable recubiertos con níquel están separados por un diafragma de dióxido de zirconio (ZrO₂), que actúa como barrera entre el hidrógeno y el oxígeno.

  • Características principales:
  • Pureza del hidrógeno: Hasta 99.9 %.
  • Densidad de corriente: Opera en un rango de 0.2-0.8 A/cm².
  • Durabilidad: Vida útil superior a 30 años.
  • Limitaciones:
  • Mayor resistencia óhmica debido a diafragmas gruesos.
  • Respuesta más lenta a variaciones en el suministro eléctrico en comparación con otras tecnologías.
    • Electrolizador de Membrana de Electrolito Polimérico (PEM)

Los PEM emplean una membrana de ácido perfluorosulfónico (PFSA), como Nafion®, que transporta protones (H⁺) desde el ánodo hasta el cátodo. Los electrodos de titanio recubiertos con platino (cátodo) e iridio (ánodo) están diseñados para soportar ambientes altamente oxidativos.

Características principales:

  • Pureza del hidrógeno: Hasta 99.99 %.
  • Densidad de corriente: Hasta 2.0-2.3 A/cm².
  • Presión: Funciona a presiones de hasta 70 bar.
  • Eficiencia: Baja resistencia gracias a la delgada membrana (0.127-0.254 mm).

Limitaciones:

  • Costos más elevados debido al uso de metales nobles como platino e iridio.
  • Sensible a las impurezas del agua, que pueden dañar la membrana y los

4.2.3 Electrolizadores de óxido sólido (SOEC)

Los electrolizadores de óxidos sólidos (SOEC) operan a altas temperaturas (700-850 °C) y utilizan un electrolito cerámico compuesto por itria-estabilizada zirconia (YSZ). Los electrodos están diseñados específicamente para soportar estas condiciones extremas: el ánodo está hecho de perovskitas basadas en lantano y manganeso (LSM), y el cátodo combina níquel y cerámica (Ni-YSZ).

  • Características principales:
    • Pureza del hidrógeno: Alta pureza en condiciones controladas.
    • Eficiencia energética: Alta eficiencia al aprovechar el calor residual.
    • Versatilidad: Permite la co-electrólisis de agua y dióxido de carbono (CO₂) para producir gas de síntesis.
    • Reversibilidad: Puede operar como celda de combustible para generar electricidad a partir de hidrógeno.
  • Limitaciones:
      • Degradación acelerada debido a ciclos térmicos y problemas de sellado.
      • Actualmente limitado a proyectos piloto a pequeña escala (kW), aunque algunos alcanzan 1 MW.

5. Acondicionamiento
El acondicionamiento del hidrógeno es una etapa esencial en su manejo y preparación dentro de una planta de producción de hidrógeno verde. Este proceso incluye varias subetapas, como la compresión, purificación, secado y enfriamiento, necesarias para adaptar el hidrógeno a los estándares de pureza, presión y estado físico requeridos para su transporte, almacenamiento y uso final.
  1. Compresión
    Incrementa la presión del hidrógeno producido para facilitar su transporte y almacenamiento.
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  2. Purificación
    Elimina impurezas como oxígeno, dióxido de carbono y vapor de agua, asegurando un hidrógeno puro. Algunos de los métodos comunes: Adsorción por cambio de presión (PSA) y Membranas de separación.
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  3. Secado
    Remueve la humedad residual para evitar corrosión y garantizar compatibilidad con equipos sensibles.
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  4. Enfriamiento
    Reduce el calor generado durante la compresión, estabilizando el hidrógeno para su manipulación segura.

6. almacenamiento

El almacenamiento de hidrógeno es una etapa crucial dentro de su manejo en una planta de producción. Permite conservar el hidrógeno para su transporte, distribución y uso

6.1 Almacenamiento físico de hidrógeno

Los métodos de almacenamiento físico son los más maduros y los más utilizados. Se hace una distinción entre el almacenamiento a alta presión, el almacenamiento de hidrógeno criogénico o licuado y una mezcla de estos métodos denominados crio-comprimido o híbrido.

6.1.1 Almacenamiento de hidrógeno comprimido a alta presión, CGH2
El almacenamiento de hidrógeno comprimido consiste en incrementar su presión para reducir su volumen, facilitando así su transporte y conservación. Los tanques diseñados para almacenar hidrógeno comprimido se clasifican en cuatro tipos principales según los materiales y diseños empleados.
  • Tanque Tipo I: Los tanques Tipo I están fabricados completamente de acero o aluminio sin costuras, ofreciendo una presión máxima de hasta 200 bar. Aunque son robustos y económicos, su peso elevado y baja capacidad gravimétrica (alrededor del 1%) los hacen más adecuados para aplicaciones estacionarias o en laboratorios, donde la movilidad no es un factor crucial.
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  • Tanque Tipo II: En el caso de los tanques Tipo II, se utilizan materiales metálicos reforzados con fibra de vidrio o carbono, lo que permite soportar presiones de hasta 700 bar. Estos tanques, aunque más ligeros que los Tipo I, aún resultan demasiado pesados para su uso en vehículos, pero son ideales para el almacenamiento de alta presión en plantas de hidrógeno y otras aplicaciones estacionarias.
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  • Tanque Tipo III: Los tanques Tipo III combinan un núcleo metálico interno, generalmente de aluminio o acero, con un recubrimiento de fibra de carbono. Este diseño permite soportar presiones de hasta 700 bar mientras reduce significativamente el peso en comparación con los Tipos I y II. Su mayor capacidad gravimétrica los hace adecuados para vehículos pesados, como camiones y autobuses, y aplicaciones avanzadas de almacenamiento estacionario.

 

  • Tanque Tipo IV: Los tanques Tipo IV eliminan casi por completo el uso de metales, utilizando un forro interno de plástico reforzado con fibras de carbono. Estos tanques son ultraligeros y ofrecen una densidad gravimétrica de hidrógeno de hasta el 11.3%. Aunque son más costosos debido al uso intensivo de fibra de carbono, son ideales para vehículos ligeros, como automóviles.

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Hidrógeno líquido (LH₂)

El almacenamiento en forma líquida implica enfriar el hidrógeno hasta alcanzar su punto de licuefacción a -253 °C, lo que reduce considerablemente su volumen y permite almacenar grandes cantidades en un espacio reducido. Esta opción es ideal para el transporte a largas distancias o para el almacenamiento centralizado en grandes volúmenes. No obstante, el proceso de licuefacción requiere un elevado consumo energético y el uso de tanques criogénicos especializados para mantener las bajas temperaturas y minimizar las pérdidas por evaporación.

 

Almacenamiento de hidrógeno crio-comprimido, CcH2

El almacenamiento de hidrógeno crio-comprimido combina las propiedades de los sistemas de hidrógeno gaseoso comprimido y almacenamiento de hidrógeno licuado. Este sistema está desarrollado para minimizarla pérdida por ebullición del almacenamiento de hidrógeno licuado, al mismo tiempo que conserva una mayor densidad de energía del sistema. El hidrógeno se almacena en un tanque aislado que puede aceptar temperaturas criogénicas (20 K) y alta presión (al menos 300 bar) a temperatura ambiente. El hecho de que el tanque sea capaz de soportar altas presiones permite mayores aumentos de presión antes de que el hidrógeno se evapore. Dichos recipientes a presiones criogénicas prolongan significativamente el tiempo antes de comenzar las pérdidas por evaporación cuando están en funcionamiento y, por lo tanto, aumentan la autonomía de almacenamiento.

6.2 Almacenamiento de H2 basado en materiales

El almacenamiento basado en materiales es una alternativa innovadora en desarrollo, que busca superar las limitaciones del almacenamiento físico. Este enfoque utiliza sustancias sólidas, líquidas o superficies para retener el hidrógeno mediante reacciones químicas, absorción o adsorción. Los medios de almacenamiento de hidrógeno basados en materiales se pueden dividir principalmente en cuatro clases: sistemas de almacenamiento de hidruro, portadores de hidrógeno líquido orgánico, adsorción superficial e hidrógeno químico

Cadena de valor
del H2V

La cadena de valor del hidrógeno verde

La cadena de valor del hidrógeno verde comprende todas las etapas necesarias para transformar fuentes de energía renovable en un insumo clave para la descarbonización de múltiples sectores económicos. A continuación, se indican las principales fases:

1. Producción

El hidrógeno verde se genera mediante un proceso llamado electrólisis del agua, donde la molécula de agua (H₂O) se separa en hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂) utilizando electricidad proveniente de fuentes renovables como la energía eólica, solar, hidráulica o biomasa. Este método es completamente libre de emisiones, lo que lo diferencia de otras formas de producción basadas en combustibles fósiles.

En esta etapa, se utilizan electrolizadores, que son equipos especializados que convierten la electricidad en un recurso químico aprovechable. La eficiencia energética de este proceso y el costo de la electricidad renovable son factores clave para su competitividad económica.

2. Almacenamiento

El hidrógeno producido necesita ser almacenado de manera eficiente y segura, lo que puede realizarse en tres formas principales:

  • Gaseoso: Comprimido a altas presiones (200-700 bares) en tanques especializados.
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  • Líquido: Enfriado a temperaturas extremadamente bajas (-253°C) para aumentar su densidad energética.
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  • Químico: Almacenado en portadores como amoniaco o hidruros metálicos, que facilitan su transporte a largas distancias.

La selección del método de almacenamiento depende del uso final y de las necesidades logísticas del proyecto.

3. Transporte y distribución

Para que el hidrógeno verde llegue desde los centros de producción hasta los puntos de consumo, se utilizan diferentes medios de transporte:

  • Tuberías dedicadas: Eficientes para distancias cortas y para grandes volúmenes.
  • Camiones cisterna: Ideales para transporte terrestre flexible.
  • Buques especializados: Utilizados para la exportación internacional, generalmente en forma de amoniaco o hidrógeno líquido (experimental).

En esta etapa, es fundamental minimizar las pérdidas energéticas y garantizar la seguridad en todo el proceso.

4. Aplicaciones finales

El hidrógeno verde es un recurso versátil que puede sustituir a los combustibles fósiles en múltiples sectores:

  • Industria: Utilizado como fuente de energía y materia prima en la elaboración de productos reducidos en carbono como acero verde, fertilizantes, productos químicos, combustibles sintéticos, entre otros.
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  • Transporte pesado: Una alternativa limpia para camiones, trenes, barcos e incluso aviones, donde las baterías eléctricas tienen limitaciones por peso o autonomía.
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  • Generación de energía: Sirve como medio de almacenamiento de energía renovable, asegurando el suministro cuando no hay sol o viento.

Derivados del
hidrógeno verde

El hidrógeno verde, producido mediante electrólisis del agua utilizando energía renovable, es un pilar fundamental en la transición hacia una economía descarbonizada. Este hidrógeno puede transformarse en diversos derivados que amplían sus aplicaciones y facilitan su integración en diferentes sectores industriales. A continuación, se profundiza en algunos de los principales derivados del hidrógeno verde:

Amoníaco Verde

El amoníaco verde se produce combinando hidrógeno verde con nitrógeno extraído del aire a través del proceso Haber-Bosch, que opera a altas presiones y temperaturas en presencia de un catalizador. Este compuesto es esencial en la fabricación de fertilizantes y productos químicos. Además, el amoníaco verde está ganando relevancia como combustible alternativo en el transporte marítimo y en la generación de energía, debido a que su combustión no emite dióxido de carbono. También se considera un portador eficiente de hidrógeno, facilitando su almacenamiento y transporte.

Metanol Verde

El metanol verde se obtiene a partir de la reacción del hidrógeno verde con fuentes de carbono no fósiles, como el dióxido de carbono capturado de la atmósfera o biomasa. Este alcohol es un componente versátil utilizado como materia prima en la industria química para la producción de plásticos, adhesivos y solventes. En el sector energético, el metanol verde se perfila como un combustible limpio para el transporte marítimo y terrestre, contribuyendo a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Su estado líquido a temperatura ambiente facilita su almacenamiento y distribución.

  • Combustibles Sintéticos: Mediante procesos como la síntesis de Fischer-Tropsch, el hidrógeno verde puede combinarse con monóxido de carbono para producir combustibles líquidos sintéticos, que pueden sustituir a los combustibles fósiles en motores de combustión interna, reduciendo significativamente las emisiones contaminantes. 
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  • Dimetil Éter (DME): Este compuesto, derivado del metanol, se utiliza como combustible en aplicaciones domésticas e industriales. El DME producido a partir de hidrógeno verde ofrece una alternativa limpia al gas licuado de petróleo (GLP), con menores emisiones de partículas y óxidos de nitrógeno.
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  • Combustibles para Aviación (SAF): El hidrógeno verde puede ser un componente clave en la producción de combustibles sostenibles para la aviación, contribuyendo a la descarbonización de un sector con altas emisiones y difícil de electrificar.

La diversificación en la producción de estos derivados del hidrógeno verde no solo promueve la sostenibilidad ambiental, sino que también impulsa la innovación tecnológica y la independencia energética, posicionando al hidrógeno verde como un vector energético esencial en el futuro cercano.