El uso de hidrógeno como combustible vehicular presenta una serie de ventajas y desventajas que deben ser consideradas para evaluar su viabilidad y sostenibilidad. A continuación, se exploran diversos aspectos relacionados con esta tecnología emergente.
Usos Domésticos del Hidrógeno
El hidrógeno tendrá usos domésticos, aunque no necesariamente sea difundido en todas las regiones y hogares. Lo que se ha visto en Europa y Asia, lugares en que el uso de este combustible está más desarrollado, es que el hidrógeno es usado por el público general en 2 aplicaciones principales.
- Una es el uso de vehículos particulares a hidrógeno, de los cuáles hay hoy modelos comerciales Hyundai, Toyota y Honda, los que son cargados por sus usuarios en estaciones de servicio de acceso público, como una gasolinera convencional, y pueden ser estacionados en cualquier lugar de la ciudad.
- El otro uso es el de reemplazo de gas natural o el Gas Licuado de Petróleo (GLP) en aplicaciones como calderas y cocinas residenciales, ya sea parcialmente como mezcla hidrógeno-gas o reemplazando 100% por hidrógeno.
Competitividad del Hidrógeno Frente a la Electrificación Directa
No siempre tendrá sentido económico o técnico utilizar hidrógeno en reemplazo de la electricidad directa como solución energética limpia. En diversos procesos, como en autos compactos urbanos o en calefacción residencial en ciudades sin redes de gas, la electrificación directa de los usos podría ser significativamente más competitiva que el hidrógeno. Por otro lado, en casos como transporte pesado de recorridos de larga distancia, el hidrógeno se proyecta como más competitivo.
En general, el hidrógeno es una solución limpia conveniente cuando ya existe infraestructura instalada de transporte y distribución y cuando se requiere una densidad energética muy alta (mucha energía en poca masa o volumen).
Implicaciones de la Instalación de una Planta de Hidrógeno
En general una planta de producción de hidrógeno tiene una huella territorial baja, pues son equipos relativamente compactos. Por ejemplo, un estudio determinó que una planta de electrólisis de 1 GW de capacidad ocuparía entre 8 y 17 hectáreas (1 hectárea equivale aproximadamente a una cancha de fútbol). Con esa planta se podría suplir aproximadamente 3 veces la demanda actual de hidrógeno (gris) de ENAP en Chile.
Además del terreno para la planta misma, se requiere el suministro de agua y de electricidad, además de una forma de transportar el hidrógeno producido hacia su punto de consumo.
Costos de Producción del Hidrógeno Verde
Depende de varios factores, como la tecnología escogida, el costo del suministro eléctrico y el uso que se le quiera dar (por ejemplo, no es lo mismo el hidrógeno usado para producir metanol que para cargar un vehículo, pues este último requiere ser presurizado). En general, estudios y reportes públicos estiman un costo de producción actual entre 4 y 5,5 USD/kgH2 verde en Chile. Como referencia, un costo de producción de 1,5 USD/kgH2 hace que el hidrógeno verde se vuelva competitivo contra el hidrógeno gris de gas natural.
Riesgos Asociados al Hidrógeno
El hidrógeno es un combustible, por lo que -como cualquier otro combustible- tiene que ser manejado, almacenado y utilizado con precauciones y estándares adecuados. Es una sustancia inflamable (“prende fuego”), aunque no es tóxica para el humano o la fauna y no es corrosivo con los materiales.
En el mundo se utilizan aproximadamente 70 millones de toneladas de hidrógeno al año, por lo que hay bastante experiencia acumulada en su uso seguro. Estudios sí han identificado desafíos en Chile en regular sus nuevos usos y su uso por usuarios no expertos. En particular para el caso de estaciones de servicio y vehículos a hidrógeno, se han dado efectivamente explosiones en circunstancias específicas, aunque se han mejorado las tecnologías para gestionar los riesgos que en ese momento se dieron. Por otra parte, la vasta mayoría de las estaciones de servicio y vehículos han operado por varios años sin incidentes.
Impacto Ambiental del Vapor de Agua
Si bien el vapor de agua tiene capacidad de producir efecto invernadero, hoy no adquiere importancia porque su concentración es relativamente constante. Sin embargo, frente a una economía global del hidrógeno, aumentaría la emisión de vapor de agua y podría tener efectos globales y locales.
Se ha descartado un aumento del efecto invernadero por el uso de hidrógeno verde en diversas aplicaciones por dos razones:
- No se está agregando masa de agua al ciclo hidrológico, puesto que se utiliza agua líquida que se evaporaría eventualmente (lo que difiere, por ejemplo, de usar agua de un glaciar o de la Antártica, pues esto introduce nueva masa de agua al ciclo hidrológico).
- La masa de agua que utilizará cíclicamente la economía del hidrógeno es relativamente mucho más pequeña que diversos otros procesos humanos y naturales. Como referencia, las emisiones de vapor de agua por uso de hidrógeno verde como energético al 2050 podrían equivaler al 0,03% del vapor presente en la atmósfera.
Se puede, puesto que el vapor de agua emitido es agua pura, por lo que su condensado podría ser utilizado para volver a producir hidrógeno verde. Sin embargo, existe un desafío práctico en múltiples aplicaciones: atrapar de manera eficiente el vapor de agua producido.
Impacto Socioeconómico
En primer lugar, que se crearán nuevos empleos calificados. Estos empleos se concentrarán no solo en la producción de hidrógeno verde, sino también en la construcción de las plantas de energía renovable que provean su electricidad, en la infraestructura necesaria para su transporte y almacenamiento y en todos los servicios que existen en torno a una industria de este tipo: desde servicios generales de limpieza y seguridad, hasta servicios especializados de informática, recambios tecnológicos y mantenimientos.
El segundo impacto relevante es el aumento en la calidad de salud del público general por la reducción de contaminantes emitidos en el uso de combustibles fósiles para diversas aplicaciones. Por ejemplo, un camión que utiliza petróleo diésel emite contaminantes durante su operación, como material particulado, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre, hidrocarburos volátiles, entre otros. Todos estos compuestos tienen un impacto directo en la salud de la población cercana -el impacto y efectos dependerán de la concentración, tiempo de exposición y otras variables-.
En todas las regiones existirán impactos por esta transformación energética, en mayor o menor medida. Ciertas regiones, como las de la zona norte del país o las del sur, se perfilan como potenciales zonas de producción a gran escala por su gran potencial de producción de energía renovable (ya sea solar u eólica, en estos casos). En otras regiones, se dará el caso de que se utilice mucho hidrógeno en diversas aplicaciones.
Sinergias con la Infraestructura de Gas Natural
Existe una sinergia natural entre la industria del hidrógeno verde y la infraestructura de gas, pues se puede mezclar en cierta fracción con gas natural sin requerir cambios relevantes e incluso la utilización completa de hidrógeno podría permitir la reutilización de una parte de la infraestructura. Además, el hidrógeno experimentará una integración gradual a los sistemas energéticos y el gas natural seguirá siendo parte relevante del consumo energético por varios años más.
Por último, una sinergia adicional es que el capital humano y las capacidades técnicas adquiridas localmente pueden reconvertirse de manera directa para participar de la industria del hidrógeno.
Rol del Estado y el Mercado
Estado y mercado juegan roles complementarios en la transición energética. En particular para el hidrógeno verde, se espera que los privados tengan un rol preponderante en desarrollar proyectos, tecnología, investigación e inversiones en general. Por otra parte, el Estado tiene un rol mínimo de regular este nuevo energético en sus dimensiones de seguridad y ambiental.
En términos de mercado no se ha percibido una necesidad de regular precios o producciones, como sí lo es el mercado eléctrico, por ejemplo, pues el hidrógeno no tiene condiciones de monopolio natural ni barreras de entrada significativamente grandes como para reducir la competencia en este futuro mercado. Al igual que para el desarrollo del mercado, Estado y mercado tienen roles complementarios.
Los actores privados tendrán un rol protagónico en innovar y desarrollar nuevas soluciones para generar nuevos negocios verdes y resolver necesidades propias del contexto local de Chile. El Estado está también llamado a apoyar soluciones con menor grado de madurez y que estén alineadas con los objetivos de política pública. Este rol ya se ha activado y se ha visto en -por ejemplo- los consorcios público-privados de desarrollo tecnológico de CORFO que están impulsando soluciones de hidrógeno para el sector minero.
Transporte Marítimo de Hidrógeno
El transporte marítimo de hidrógeno es un tema en constante desarrollo a nivel internacional, tanto por sus aspectos económicos, como tecnológicos. Existen 3 familias de soluciones para la exportación de largas distancias:
- Licuefacción del hidrógeno y su transporte como líquido criogénico.
- “Carga” de hidrógeno en moléculas orgánicas -como el tolueno- que luego lo “descarguen” en su puerto de destino.
- Conversión del hidrógeno a otro vector, como amoniaco o metanol, el que puede ser usado en su destino directamente o ser transformado “de vuelta” a hidrógeno.
Vehículos Eléctricos a Hidrógeno (FCEV)
A nivel global, la cantidad de vehículos eléctricos a hidrógeno (FCEV) existentes son considerablemente menores respecto de los eléctricos a baterías (BEV) o híbridos enchufables (PHEV). Según el Global Electric Vehicle Outlook de la Agencia Internacional de Energía (IEA, por su sigla en inglés), hacia fines del 2017 habían del orden de 7.200 unidades. Luego, en el 2018 el parque de FCEV aumentó en un 56% alcanzando la cifra de 11.200 unidades, mientras que a fines del 2019 ya habían 25.210 unidades (GEVO, 2020).
Entre los principales actores mundiales que se encuentran impulsando esta tecnología, se destaca China, Estados Unidos (especialmente en California), Canadá, Japón, Corea, Alemania, y otros países en su mayoría de Europa. Estos se han enfocado primeramente en vehículos livianos, y ya se encuentran implementando flotas para buses de transporte público y camiones interurbanos, debido a la gran autonomía que otorga el hidrógeno al transporte y a sus múltiples beneficios para combatir el cambio climático.
Estos países están invirtiendo fuertemente en el uso de FCEV para buses y camiones, donde hacia el 2017 habían 250 unidades según la IEA. Sin embargo, ya existen proyecciones y declaraciones de algunos de estos países que por sí sola superan esta cifra, como el caso de USA que al 2025 señala tener 350 buses a hidrógeno, mientras que Japón debiera tener 100 buses operando el año 2020. La Unión Europea espera tener en operación 9.000 unidades hacia el año 2025, mientras que Corea ha declarado unos 2.000 buses a hidrógeno en el 2022.
La infraestructura de carga es una limitante para el despliegue masivo de los FCEV. Al 2017 habían en el mundo 330 estaciones de recarga de hidrógeno vehicular, concentrados principalmente en Japón y Estados Unidos. Hacia el 2018 ya habían 380 estaciones, mientras que hacia fines del 2019 ya habían 470 estaciones (GEVO, 2020).
Desarrollo de la Tecnología de Celdas de Combustible de Hidrógeno (HFCS)
El uso de hidrógeno en la electromovilidad es la alternativa tecnológica que se perfila como el complemento a las tecnologías de vehículos eléctricos a baterías, dado que otorga mayor autonomía y es una solución factible técnica y económicamente para transporte de carga y transporte interurbano.
Debido a la fácil capacidad de almacenamiento de combustible y dado que es considerada energía limpia, la tecnología de celdas de combustible de hidrógeno (HFCS del inglés hydrogen fuel cell stack) se han utilizado ampliamente como fuente de energía en micro redes y también en aplicaciones móviles.
Aunque las HFCS y sus aplicaciones han sido objeto de estudio en las últimas décadas, dado que son sistemas complejos, mucho de lo que se investigue respecto a este tema puede considerarse como una innovación y dar origen a publicaciones de alto impacto. En electromovilidad, una aplicación con HFCS debe adaptarse a los cambios rápidos de carga y variación de parámetros de operación.
Para alcanzar un rendimiento satisfactorio, el comportamiento del sistema de HFCS y su interacción con los otros subsistemas, por ejemplo los equipos auxiliares o sistema de electrónica de potencia, debe ser modelado y controlado en forma adecuada.
Si bien las HFCS cuentan con una serie de ventajas respecto a las aplicaciones con baterías, tanto en lo que respecta a velocidad de recarga y concentración de energía (autonomía), también cuentan con desventajas operacionales que complejizan la aplicación. Una de las principales desventajas es la respuesta dinámica, debido a esta característica es que se debe utilizar en conjunto con otras fuentes de energía o acumuladores de rápida operación (supercapacitores o baterías).
Tal como se mencionó, en la práctica, una celda de combustible de hidrógeno requiere de la presencia de otros elementos auxiliares, tales como circuitos para suministrar el gas, los compartimientos de ánodo y cátodo, un sistema de humidificación de gas, un sistema de refrigeración ya que la reacción es exotérmica, entre otros dispositivos.
Dado que en una aplicación de vehículo eléctrico, la HFCS debe ser capaz de aceptar cargas eléctricas de variaciones rápidas y poco predecibles, y teniendo en consideración que la HFCS está limitada por la compleja dinámica relacionada con el balance de masa y los equilibrios térmicos dentro y fuera de la pila, todo sistema alimentado por una celda de combustible de hidrógeno debe tener una batería o supercondensador y una interfaz basado en electrónica de potencia capaz de gestionar la energía entre las distintas unidades y la carga.
Por otra parte, y dado que las HFCS se utilizan principalmente para alimentar sistemas integrados, como vehículos de transporte, se debe prestar especial atención a la eficiencia del sistema de propulsión, es decir, a la eficiencia del conjunto formado entre fuentes, unidades de almacenamiento, motor de propulsión y electrónica de potencia.
Modos de Operación de un Sistema de Propulsión con HFCS
Existen diferentes modos de operación para un sistema de propulsión con HFCS:
- Modo híbrido: En esta condición, la energía fluye entre la bomba de calor, las baterías y los supercondensadores según las condiciones de uso. Este flujo de energía será controlado a través de leyes de optimización energética. Las diferentes fuentes de energía se usarán no solo por separado sino también en forma simultánea en base a un criterio de utilización de cada una de ellas.
- Modo carga: Durante proceso de frenado, se recupera parte de la energía cinética de las ruedas. Esta energía se acumula en alguna unidad de almacenamiento, unidad que se conecta al motor mediante electrónica de potencia personalizada para esta tarea. Para cumplir con estas tareas, se deben desarrollar estrategias adecuadas de gestión de energía de la HFCS, por ejemplo, para cargar acumuladores de dinámica rápida cuando el automóvil está funcionando a velocidades constantes.
Ejemplos de Iniciativas Público-Privadas
Existen además grupos consolidados de asociaciones público - privadas cuya finalidad es impulsar el hidrógeno en el transporte, entre ellas H2Mobility en Alemania, H2Korea en Corea del Sur, Japan H2 Mobility (JHyM) de Japón, entre otras.
- Alemania (H2Mobility): Un grupo de seis empresas (Air Liquide, Daimler, Linde, OMV, Shell and TOTAL) conformaron el joint venture H2Mobility, con la finalidad de desarrollar una red de estaciones de carga. Los socios de H2Mobility firmaron un acuerdo de colaboración en conjunto con el gobierno alemán, comprometiéndose ambas partes a invertir 400 millones de euros para financiar infraestructura de distribución.
- Corea del Sur (H2Korea): A través de la iniciativa H2Korea, se ha construido una relación entre diferentes instituciones públicas y privadas, tanto a nivel nacional como internacional (Rusia y países de Europa). El gobierno de Corea del Sur ha desarrollado un Road Map de Hidrógeno en el cual se han declarado metas hasta el año 2040, definiendo una posición estratégica como líder a nivel mundial en esta materia.
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