Fabricar hidrógeno hoy en día es un negocio bastante sucio. Pero eso está cambiando a medida que más empresas buscan formas de descarbonizar la economía.
Un enfoque cada vez más popular es aplicar fuentes de energía renovables a la centenaria electrólisis para separar las moléculas de hidrógeno -el elemento más abundante del universo- de sus enlaces con el oxígeno.
Un electrolizador separa el agua en oxígeno e hidrógeno, lo que es lo contrario de una pila de combustible, que utiliza agua y electricidad para separar el hidrógeno y el oxígeno, creando vapor de agua como única emisión. En un electrolizador, el agua es empujada a través de una pila con electricidad. Esto separa los átomos de hidrógeno y oxígeno.
La producción de hidrógeno sin emisiones está atrayendo incentivos federales y estatales a niveles nunca vistos. Es un buen augurio para los vehículos eléctricos de pila de combustible. Especialmente para los camiones de larga distancia, que podrían recorrer hasta 1.000 millas con un solo llenado de hidrógeno líquido. Todavía no estamos ahí, pero el potencial es mayor que nunca.
Las empresas apuestan por la electrólisis
Las empresas están aprovechando las perspectivas. La división New Power de Cummins Inc. espera obtener 3.000 millones de dólares de ingresos anuales con los electrolizadores de aquí a 2030. El proveedor de automóviles de primer nivel Robert Bosch tiene previsto invertir hasta 591 millones de dólares en componentes de electrolizadores para finales de la década. Los fabricantes alemanes ThyssenKrupp y Siemens Energy ya fabrican electrolizadores.
Los camiones eléctricos de pila de combustible esperan penetrar en el mercado estadounidense en pequeñas cantidades para la segunda mitad de la década. Incluso en los siete mercados europeos más maduros, no alcanzarán el costo total de propiedad de los camiones diésel antes de 2030, según un estudio del Consejo Internacional de Transporte Limpio (ICCT), organización sin ánimo de lucro.
Pero los electrolizadores que utilizan energía renovable -solar y eólica-, junto con generosos incentivos, podrían igualar el costo del reformado de metano por vapor (SMR por sus siglas en inglés), que representa más del 95% de la producción mundial de hidrógeno.
La producción de un kilo de hidrógeno por SMR cuesta alrededor de 1,50 dólares. Con un crédito fiscal a la producción y energía de bajo costo, el precio de la electrólisis podría bajar de unos 5 dólares por kilogramo.
“Estamos en la cúspide en la que realmente vamos a ver un gran impulso, en parte impulsado por el proyecto de ley de infraestructuras, así como por la Ley de Reducción de la Inflación”, dijo Alex Savelli, director gerente de Cummins/Américas para las tecnologías del hidrógeno. “Pero a medida que la industria trabaje para aumentar su escala, se verá que los costos estarán a la par o serán más competitivos que el hidrógeno gris”.
Tecnología centenaria
La electrólisis se descubrió en 1800, el mismo año en que Alessandro Volta inventó la pila eléctrica. Otros químicos probaron a conectar sus polos en un recipiente con agua. Comprobaron que la corriente fluía a través del agua, separando el hidrógeno y el oxígeno en los electrodos, según el Grupo Iberdrola, promotor mundial de energías renovables.
Se necesita mucha electricidad para la electrólisis, por lo que es cara. Para contener los costos es necesario tener acceso a electricidad barata, como el acuerdo que Nikola Corp. cerró con el Servicio Público de Arizona para comprar electricidad generada por energía solar a 2 céntimos por kilovatio hora. El precio medio es el doble, según Savelli.
Un sistema completo de electrolizadores incluye la pila, las bombas, la electrónica de potencia, un separador de gases y otros componentes, como los depósitos de almacenamiento.
Aprovechar los conductos existentes
La electrólisis probablemente no sustituirá a la SMR, en la que las altas temperaturas provocan una reacción entre el gas natural y el vapor para producir monóxido de carbono e hidrógeno, el llamado hidrógeno gris. Pero los electrolizadores que producen hidrógeno verde a partir de fuentes de energía renovables podrían funcionar en las mismas tuberías, hasta cierto punto.
“Una de las cosas que se pueden hacer es aprovechar la infraestructura de los gasoductos de gas natural”, dijo Savelli.
Es posible mezclar hasta un 20% de hidrógeno. Más que eso requeriría reutilizar el gasoducto porque la corrosión se produce por la presencia de demasiado hidrógeno.
“Creo que es necesario que ambas tecnologías se desarrollen en el futuro y ver qué pasa”, dijo Salim Youssefzadeh, director general de WattEV, que investigó la producción de hidrógeno antes de optar por construir una infraestructura de baterías eléctricas de alta potencia en California.
“Quizá haya diferentes áreas en las que el hidrógeno sería más económico, ya sea en el transporte de mercancías de larga distancia o en alguna otra área.
Cummins se apunta
El trabajo de Cummins en electrolizadores recibió un impulso incidental con la compra de la canadiense Hydrogenics por 290 millones de dólares en septiembre de 2019.
“El objetivo principal era el acceso a la tecnología de células de combustible y la tecnología PEM [membrana de intercambio de protones] que tenían”, dijo Savelli a FreightWaves. “También estaban en el negocio de los electrolizadores. Pero el punto principal para nosotros eran las pilas de combustible”.
Hydrogenics ayudó a Cummins a lanzar trenes de pasajeros con pilas de combustible con Alstom en Alemania. Pero las perspectivas de fabricar hidrógeno verde encajan con el objetivo de la empresa Destination 2050 de neutralidad de carbono en todos sus productos.
El hidrógeno se utiliza en las refinerías para eliminar el azufre de la gasolina y en la industria química para producir fertilizantes y amoníaco. Volvo Construction Equipment emplea el hidrógeno para fabricar acero sin fósiles para sus camiones.
Tres tipos de electrolizadores
Cummins fabrica tres tipos de electrolizadores: alcalino, PEM y el más incipiente electrolizador de óxido sólido. Para los camiones, los electrolizadores PEM son los que tienen más sentido, dijo Savelli.
“Una de las cosas más importantes que hemos podido hacer con algunos de nuestros motores es aumentar la densidad de potencia porque hemos pasado de los sistemas de combustible mecánicos a los electrónicos”, explicó. “Con la electrólisis PEM, la densidad de potencia que se puede obtener con una huella más pequeña es casi análoga”.
Como productor de hidrógeno, Cummins podría suministrar su motor de combustión interna alimentado con hidrógeno previsto para 2027. Ya cuenta con dos grandes instalaciones: una de Air Liquide en Quebec (Canadá), y otra más grande de PEM alimentada por energía solar en Juno Beach (Florida), con Florida Power & Light. La planta consta de cinco electrolizadores capaces de producir 10,8 toneladas de hidrógeno al día.
También está añadiendo la producción de electrolizadores en una instalación existente en Minnesota.
“Queremos estar tanto en el lado de la producción de hidrógeno como en el de la ayuda al consumo”, dijo Savelli. “Y el consumo puede ser con pilas de combustible o con un motor ICE de hidrógeno”.
Los fabricantes difieren en sus planteamientos para fabricar hidrógeno
La producción de hidrógeno mediante electrolizadores y otros métodos ha formado parte del plan de negocio del fabricante de camiones eléctricos Nikola desde el principio.
La empresa conjunta de Volvo con Daimler Truck, llamada cellcentric, deja la producción de hidrógeno en manos de otros.
“No necesitamos entrar en ese campo nosotros mismos”, dijo Lars Stenqvist, vicepresidente ejecutivo de tecnología de camiones del grupo Volvo. “No tenemos mucha opinión sobre los electrolizadores para la producción de hidrógeno”.
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