¿Qué nos viene a la mente cuando decimos "el hidrógeno es como un vector energético"? La respuesta rápida es el hidrógeno gaseoso; un combustible de combustión limpia que, cuando se combina con oxígeno en una pila de combustible, produce calor y electricidad con sólo vapor de agua como subproducto.

Sin embargo, el gas H2 no es el único vector energético basado en el hidrógeno considerado para la transición energética. De hecho, una de las principales ventajas del hidrógeno como vector energético es su flexibilidad.

En general, cuando hablamos del hidrógeno como vector energético, nos referimos al hidrógeno almacenado como gas o líquido (hidrógeno criogénico). Sin embargo, hay que considerar otras formas de hidrógeno para diferentes aplicaciones. De hecho, para el hidrógeno existe toda una gama de soluciones de almacenamiento de energía, que se distinguen por diferentes parámetros de capacidad, tiempos de almacenamiento de energía, tiempo de carga y descarga y, por supuesto, precios de instalación. 

El hidrógeno y los combustibles de hidrógeno, como el amoníaco (NH3), presentan varias ventajas en comparación con otras formas de sistemas de almacenamiento de energía. Por ejemplo, el hidrógeno y otros vectores de hidrógeno permiten almacenar una media de energía de hasta 1.000 MW durante varias semanas o varios meses. Aún más, algunos estudios han demostrado que, con bajas pérdidas, el hidrógeno vector puede almacenar energía hasta un año. 

Sólo para contextualizar, en el caso de la tecnología de las baterías, la energía puede almacenarse, por término medio, durante sólo unos minutos a unos días, como mucho, unas semanas, y sólo en un rango de 10 MW; y, por poner otro ejemplo, la energía térmica proporciona un almacenamiento medio del orden de sólo 100 MW en un rango de sólo unos pocos días. Por lo tanto, la gran capacidad del hidrógeno para almacenar energía a largo plazo es una de sus ventajas más importantes, especialmente en términos de seguridad energética.

Por otro lado, el hidrógeno gaseoso tiene una baja densidad energética por volumen en comparación con los combustibles fósiles, lo que lleva a la necesidad de unidades de almacenamiento excepcionalmente grandes. Para superar este inconveniente, se puede adoptar una de las siguientes estrategias para almacenar cantidades suficientes de hidrógeno: i) almacenamiento a alta presión, ii) almacenamiento a muy baja temperatura (criogénico), o iii) sustancias que contengan gran cantidad de moléculas de hidrógeno. 

Sin embargo, ¿cuál es la más conveniente? La respuesta a esta pregunta debe explicarse en función de la aplicación: ¿estacionaria o móvil? 

El almacenamiento de hidrógeno para aplicaciones estacionarias incluye el almacenamiento in situ en el punto de producción o de uso, y normalmente se utiliza para la generación de energía estacionaria.

Por su parte, el almacenamiento de hidrógeno para aplicaciones móviles se utiliza en medios de transporte como automóviles, camiones, trenes, aviones o barcos. 

¿Por qué es importante conocer esta diferenciación? Esencialmente por el peso y el volumen. No cabe duda de que otras razones, como la seguridad, desempeñan un papel, pero el peso y el volumen son los principales factores a la hora de elegir el método de almacenamiento del hidrógeno. 

Aquí resumiremos algunas de las formas más investigadas, aparte del hidrógeno gaseoso y el hidrógeno criogénico, para almacenar hidrógeno.

Como el agua, pero no potable. 

El almacenamiento de hidrógeno mediante líquidos que lo contienen puede clasificarse en dos categorías: líquido de base orgánica y líquido de base no orgánica.

Los líquidos orgánicos que contienen hidrógeno son esencialmente hidrocarburos; por ejemplo, la gasolina o el gasóleo son líquidos que contienen hidrógeno. Sin embargo, si hablamos de vectores energéticos de hidrógeno verde, los vectores energéticos líquidos no deben ser de origen fósil. Así, aunque el gasóleo se considere un vector energético de hidrógeno, sólo puede considerarse un combustible ecológico si el gasóleo se ha preparado mediante rutas ecológicas (por ejemplo, sintetizado con hidrógeno procedente de la electrólisis). 

Otros líquidos que contienen hidrógeno son el metanol, el etanol, el isopropanol o el ácido fórmico, pero, de nuevo, para contribuir positivamente a la transición energética, estos vectores no pueden obtenerse de origen fósil.

Los alcoholes de bajo peso molecular y los ácidos pequeños (como el ácido fórmico) pueden prepararse a partir de la captura de CO2 e hidrógeno verde utilizando fuentes renovables con el potencial de cero emisiones netas de carbono.  Son líquidos en condiciones atmosféricas, tienen baja toxicidad y son fáciles de almacenar.  Todos estos atributos los hacen excepcionalmente adecuados para el sector del transporte sin necesidad de grandes cambios en la infraestructura para su almacenamiento, distribución y uso final. 

He aquí algunos ejemplos reales de proyectos industriales relacionados con la producción y utilización de líquidos que contienen hidrógeno. La planta de conversión de CO2 en metanol George Olah, situada en Svartsengi (Islandia), produce actualmente 5 millones de litros/año de metanol renovable mediante la captura y conversión de hasta 5600 toneladas de CO2/año. Carbon Recycling International también ha diseñado una planta de producción de e-metanol en Finnfjord (Noruega). La planta utilizará CO2 capturado de las emisiones de la planta de ferrosilicio de Finnfjord e hidrógeno generado a partir de la electrólisis del agua como materia prima para la producción de e-metanol. 

Recientemente, Maersk ha firmado un protocolo marco con el gobierno de España sobre oportunidades de producción de combustibles ecológicos a gran escala. El objetivo del proyecto es suministrar hasta 2 millones de toneladas anuales de e-metanol producido a partir de hidrógeno verde y captura de CO2, que se utilizará en buques de larga distancia capaces de funcionar con e-metanol.

Estos combustibles líquidos que contienen hidrógeno pueden utilizarse directamente en pilas de combustible para alimentar aparatos electrónicos, para respaldar las redes eléctricas o en el transporte. Las pilas de combustible de metanol directo EFOY Pro y las pilas de combustible SIQENS Ecoport son generadores de energía para una amplia gama de aplicaciones industriales fijas y móviles (por ejemplo, telecomunicaciones, ocio o vigilancia).  Y también, en 2016, Nissan, desarrolló un prototipo de vehículo propulsado por bioetanol. En este caso, el etanol se transforma primero en hidrógeno, que luego se utiliza para generar la electricidad que alimenta el coche.

Entre los combustibles líquidos no orgánicos que contienen hidrógeno, el amoníaco (NH₃) es el principal candidato. Contiene un 17% de hidrógeno en peso, que puede extraerse mediante descomposición catalítica térmica o electrooxidación. Alternativamente, el NH3 puede oxidarse directamente en pilas de combustible sin necesidad de un reactor separado. 

La densidad energética del NH₃ (12,7 MJ/L) es incluso superior a la del hidrógeno líquido (8,5 MJ/L). Además, el amoníaco puede almacenarse a una temperatura de -33 °C, que requiere mucha menos energía, que los -253 °C del hidrógeno líquido almacenado criogénicamente. Además, el amoníaco también es menos inflamable que el hidrógeno. Por último, dado que ya se producen 200 millones de toneladas métricas de NH3 al año, ya existe una amplia infraestructura de almacenamiento y transporte de amoníaco. 

En la actualidad, esta cantidad de amoníaco se produce de forma primaria mediante el proceso Haber-Bosch, de 100 años de antigüedad y gran consumo energético, que no es compatible con la transición energética porque utiliza H2 procedente del craqueo térmico del metano y altas temperaturas de síntesis.

Sin embargo, están surgiendo nuevas alternativas más ecológicas que permitirán utilizar el amoníaco como vector energético líquido. Como ejemplo, y probablemente el proyecto más ambicioso, está la planta de síntesis de amoníaco que se ubicará en la costa del Mar Rojo de Arabia Saudí. Una planta fotovoltaica aprovechará el sol durante el día, mientras que las turbinas capturarán los vientos nocturnos, para generar 4 GW de electricidad para las plantas de electrólisis del agua. A continuación, el hidrógeno se introducirá en una planta Haber-Bosch tradicional para producir 1,2 millones de toneladas anuales de NH₃.

Yara, uno de los mayores productores de amoníaco del mundo, tiene previsto producir 75.000 t de NH3 al año, en su planta de amoníaco de Sluiskil (Países Bajos), utilizando hidrógeno procedente de la electrólisis del agua. Estos electrolizadores funcionarían con 100 MW de energía procedente de un nuevo parque eólico marino.

Hoy en día, el amoníaco representa la mejor opción para el transporte de larga distancia; en concreto, para trenes y barcos. Un ejemplo de ello es el proyecto ShipFC, financiado por la UE y cuyo objetivo es desarrollar, instalar y probar buques de larga distancia propulsados por pilas de combustible de amoníaco.

En el CIC energiGUNE, nuestros investigadores son pioneros en el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías para la producción y utilización de combustibles líquidos que contengan hidrógeno verde.

Hidruros de hidrógeno: el polvo energético

Los hidruros metálicos son una forma alternativa de almacenar hidrógeno a bajas presiones en un sólido. El almacenamiento de hidrógeno a baja presión es factible porque las moléculas de hidrógeno están unidas químicamente dentro de la estructura del compuesto metálico. Los sistemas de almacenamiento de hidruros metálicos suelen funcionar a 10-40 bares, es decir, 20 veces menos que los sistemas típicos de almacenamiento de hidrógeno a alta presión.  

El tamaño de los sistemas de almacenamiento de hidruros metálicos viene determinado por la aplicación específica que se necesite. 

Sin embargo, uno de los principales inconvenientes de los hidruros metálicos es su peso. La capacidad de almacenamiento de los hidruros metálicos es de unos 1,5 kg de H2 (o 50 kWh) por cada 100 kg de material compuesto de hidruros metálicos. Aunque este valor de la capacidad de almacenamiento de energía de los hidruros metálicos es bajo en comparación con otros sistemas de almacenamiento de hidrógeno, es comparable a la capacidad energética de una batería estándar de iones de litio de un Tesla Model 3 (50 kWh).

El otro inconveniente de los hidruros metálicos es la complejidad del sistema de almacenamiento y utilización. En primer lugar, los hidruros deben almacenarse bajo nitrógeno o argón y protegerse del agua. En segundo lugar, mientras que los combustibles líquidos, como los alcoholes o el amoníaco, pueden utilizarse directamente como combustibles en las pilas de combustible, los hidruros metálicos requieren un paso de activación para la liberación del hidrógeno de la estructura. Cuando se necesita el hidrógeno, se promueve su desorción mediante un paso de calentamiento (50 - 100°C). Este paso de desorción impulsado por la temperatura es inconveniente para la aplicación en automoción, en particular durante los pasos de aceleración y desaceleración. 

Otras alternativas a la desorción por temperatura incluyen la activación por contacto del hidruro con la humedad del agua. En este caso, cuando se necesita hidrógeno, el hidruro se mezcla con aire de humedad controlada, y la reacción resultante produce hidrógeno de gran pureza. Aunque la cinética de liberación es rápida, esta reacción requiere que el agua se transporte a bordo por separado, lo que añade peso y complejidad a la aplicación de transporte.

Aunque la utilización de hidruros metálicos para el almacenamiento de hidrógeno en el transporte supone un reto, no es imposible y los hidruros metálicos están ocupando su espacio en el almacenamiento estacionario y la electrónica portátil. Por ejemplo, Hydrostik es una cómoda solución de almacenamiento de hidrógeno para alimentar sus dispositivos impulsados por hidrógeno. GKN hydrogen ha puesto en marcha diferentes proyectos que demuestran la viabilidad del almacenamiento de hidrógeno a corto y largo plazo en hidruros metálicos para aplicaciones estacionarias.

Más allá de los retos técnicos, actualmente los métodos de almacenamiento de hidrógeno no cumplen los objetivos de coste propuestos por el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). Reducir el coste del almacenamiento de energía es esencial para el pleno despliegue de la economía del hidrógeno. Algunos de los problemas de coste se resolverán explorando nuevos materiales o desarrollando procesos de síntesis más eficientes. Además, la ampliación y la producción en serie de estas tecnologías contribuirán significativamente a la reducción del coste.

En conclusión, destacamos que la tecnología de almacenamiento de hidrógeno ha avanzado mucho. Tenemos que seguir investigando en todas direcciones para encontrar el mejor sistema para cada aplicación. Al final, el objetivo de conseguir sociedades realmente descarbonizadas dependerá del método de almacenamiento de hidrógeno más adecuado para cada aplicación. La capacidad de escoger y elegir el mejor método de almacenamiento de hidrógeno se basará no sólo en los requisitos técnicos, sino también en su viabilidad económica.