Métodos de almacenamiento y transporte de hidrógeno

“Hidrógeno a 1,5 €/kg” es posiblemente el slogan más repetido por políticos, fabricantes y empresas en cuanto al hidrógeno en los últimos dos años. El motivo está claro y es que ese es el precio al cual el hidrógeno renovable pasaría a ser competitivo con los combustibles fósiles en gran parte de las aplicaciones.

Sin embargo, esta comparación no deja de ser ciertamente injusta y una vez profundizamos en los análisis vemos que dista mucho de la realidad. ¿La razón? estos 1,5 €/kgH₂ no son más que el precio de producción del hidrógeno, y están muy lejos del coste real de entrega al consumidor final en el tiempo y forma que éste lo requiere.

Y es que el desafío en el sector del hidrógeno no se encuentra principalmente en cómo producimos el hidrógeno o a qué precio, sino en cómo lo almacenamos, cómo lo transportamos y cómo lo entregamos al cliente final. Ahí está la chicha en los próximos años.

Lo cierto es que almacenar y transportar hidrógeno no es nada nuevo. La industria lleva años comprimiéndolo o licuándolo para un transporte y almacenamiento a nivel industrial. Además, algunos de los portadores de hidrógeno más sonados como el amoníaco, el metanol o los portadores orgánicos líquidos (LOHC), ya llevan décadas hidrogenando moléculas para formar dichos compuestos con fines industriales muy alejados de lo que es el transporte y almacenamiento de energía en forma de hidrógeno, que es lo que se espera de ellos en los próximos años.

Por tanto, no andamos escasos de posibilidades, pero para hacer una transición de forma óptima, será necesario conocer las ventajas e inconvenientes de cada una de las alternativas para permitir el movimiento y la entrega del hidrógeno de la forma más eficiente y menos costosa posible.

Así pues, exploremos los principales métodos que esperamos ver los próximos años en nuestros sistemas energéticos:

1. Hidrógeno comprimido

Quizás el método más conocido y más utilizado hasta el momento. El hidrógeno se puede comprimir para almacenar a diferentes presiones (Desde 30 hasta 1.100 bar) en función del usuario final o de los requerimientos de espacio, simplemente por la acción de un compresor y de tanques de almacenamiento. Aquí será muy importante saber cuál es el usuario final para evitar desperdiciar energía en compresiones innecesarias, aunque también será importante hacer una optimización en el número de tanques a instalar puesto que a menos presiones, más tanques serán necesarios para almacenar una misma cantidad de hidrógeno. Debido a la baja densidad del hidrógeno, los primeros pasos de la compresión (hasta los 30 bar) son muy costosos energéticamente, por lo que los electrolizadores que ya entregan el gas a presión suelen ofrecer ventajas en los casos en los cuales hay que comprimir dicho hidrógeno.

Para transportar el hidrógeno en forma comprimida, se utilizan los conocidos como tube trailers. Camiones porta tanques que ya hoy en día son muy recurrentes y visibles en las carreteras. Actualmente, muchos de estos camiones se utilizan para entregar hidrógeno a consumidores más pequeños y generalmente trabajan a presiones de 200 bar y con cilindros metálicos. En los próximos años se podrá transportar el hidrógeno por carretera hasta a presiones de 634 bar, en comparación con los 500 bar máximos de hoy en día cuando se recurre a tanques de composite.

Otra alternativa será la de utilizar tuberías para el transporte del gas. Las tuberías son ideales tanto para largas como para cortas distancias, pero requieren de grandes cantidades de hidrógeno para ser amortizadas, por lo que no se espera que sean instaladas masivamente en estos primeros años de desarrollo del hidrógeno.

2. Hidrógeno líquido

Cuando hablamos de almacenar y transportar, por supuesto hablamos de aumentar la densidad volumétrica del componente. Portar más con menos. ¿Y cuál es el método naturalmente posterior a la compresión? Exacto, la licuefacción del gas.

El hidrógeno en estado líquido es mucho más denso que en estado gaseoso (70 kg/m3), lo que implica el almacenaje en menos espacio o el transporte en menos viajes. Además, los propios tanques de almacenamiento son mucho más baratos de lo que sería el hidrógeno comprimido. Hasta aquí todo parecen ventajas, pero en esto del hidrógeno… ¡siempre hay un pero! Y en este caso las desventajas se encuentran en las grandes inversiones requeridas para licuar el hidrógeno y sobre todo… los altos costes energéticos que implica rebajar la temperatura de un elemento hasta los -253 °C a los que este gas pasa a estado líquido. Este gasto de energía se encuentra hoy en día en torno a 10-12 kWh/kgH₂, lo que implica que aproximadamente un tercio de la energía contenida en el hidrógeno se consume en este proceso. Hay optimismo y varias empresas y estudios proponen consumos tan bajos como 6 kWh/kgH₂, eso sí, para grandes plantas de aproximadamente 50 toneladas de hidrógeno por día. No obstante, este número todavía está muy lejos de los 2,19 kWh/kgH₂ requeridos teóricamente para alcanzar esta temperatura (varía en función de las condiciones de la corriente de gas a la entrada).

Hay un fenómeno particularmente interesante en este proceso, y que complica particularmente las cosas en esto del hidrógeno, y es el efecto Joule-Thomson. Según este efecto, los gases cuando se expanden en condiciones normales, experimentan un cambio en su temperatura. Por lo general, al expandirse, los gases se enfrían, sin embargo, el hidrógeno, y en su tónica habitual, no sigue este efecto y cuando lo expandimos, se calienta. Esto sucede siempre que el hidrógeno se encuentra por encima de los -73 °C, lo que se conoce como temperatura de inversión, una vez por debajo de esta temperatura el hidrógeno ya se enfría al expandirse, y así alcanzamos los -253 °C. Hasta los -73 °C, el hidrógeno se enfría mediante el intercambio de calor con otros fluidos que sí rebajan su temperatura al expandirse.

El hidrógeno líquido tendrá un futuro asegurado, tanto en el transporte intercontinental como en la movilidad (camiones, autobuses y aviones). Sin embargo, las necesidades de escala, hacen que sea una apuesta arriesgada hoy en día. Personalmente, creo que el primero que se decida a hacerlo en un país, marcará un antes y un después en el sector. No es casualidad que los que saben de esto (Alemania o USA) estén haciendo esfuerzos de investigación e inversión en este método. Hay ya un barco (Suiso Frontier) en pruebas para transportar hidrógeno líquido. Sus dueños (Kawasaki heavy Industries) deben estar satisfechos con los resultados, porque han solicitado ya los permisos para construir un barco de 11.200 toneladas de hidrógeno líquido (con 130 veces más capacidad que el Suiso Frontier).

3. Amoníaco

El amoníaco es posiblemente la opción favorita para el transporte intercontinental. El motivo es muy entendible, y es que es una molécula tremendamente densa energéticamente, que puede portar más hidrógeno por unidad de volumen que el propio hidrógeno líquido y que además se puede mantener en estado líquido sin grandes esfuerzos, bajando su temperatura simplemente hasta -33°C o aumentando su presión hasta los 10 bar. Este compuesto se produce hoy en día a través del proceso Haber-Bosch, que ha sido fundamental para el desarrollo de la agricultura durante los últimos 100 años y que es enormemente conocido.

Además, pensemos en los grandes proyectos que se plantean a nivel global, África, Australia, Brasil, Chile… las grandes distancias que separan a estas ubicaciones de los puntos de consumo llevan a considerar qué tipo de método de transporte utilizar, aquí se observa una gran ventaja y es que el nitrógeno se obtiene del aire, por lo que no habrá escasez de materia prima en ningún lugar del planeta.

Otro punto positivo para el amoníaco es que ya existe una infraestructura y una metodología para manejarlo, por lo que los sistemas energéticos tendrían una adaptación más sencilla al mismo. Por otro lado, se piensa en poder utilizarlo como portador, es decir, que al llegar al punto de consumo, el hidrógeno se pueda separar del nitrógeno, consumiéndolo en su forma pura. No obstante, parece que el amoníaco podría tener consumos suficientes (generación de energía, propulsión de barcos, o usos ya actuales) como para instalar unidades de “cracking” que obliguen a hacer más inversiones y a asumir mayores pérdidas energéticas en la reconversión.

La desventaja principal del amoníaco, al igual que en el resto de los portadores de hidrógeno, es que las etapas de conversión y reconversión implican altos costes de inversión así como energéticos, que afectan negativamente al coste del hidrógeno entregado. Una buena integración con sistemas del entorno, permitiría utilizar el calor excedente en el proceso Haber-Bosch o aportar calor externo en la unidad de cracking, permitiendo mejorar las eficiencias de la cadena de suministro de este compuesto.

4. Portadores orgánicos líquidos

Los portadores orgánicos líquidos son compuestos aromáticos que pueden hidrogenarse y deshidrogenarse sin descomponerse y de un modo cíclico. Son compuestos muy utilizados hoy en día en la industria y que podrían adquirir un nuevo valor en los próximos años gracias a la posibilidad de funcionar como esponjas que absorben el hidrógeno y lo expulsan donde y cuando les es requerido. Estos compuestos son derivados del petróleo que, tanto hidrogenados como deshidrogenados, son líquidos y estables a temperatura ambiente, y que pueden almacenar hidrógeno por largos periodos de tiempo. Estos portadores tienen la ventaja añadida de que se puede utilizar la misma infraestructura que se utiliza hoy en día para el transporte de productos petrolíferos, dándole a estos una segunda vida en una economía sostenible. Sin embargo, las desventajas es que requerir de procesos de hidrogenación y deshidrogenación implica inversiones y gastos energéticos que implican mayores costes en el hidrógeno final. Además, cuando planteamos este tipo de soluciones, siempre habrá que pensar en cadenas logísticas cerradas y es que el portador que se entrega hidrogenado, debe retornarse deshidrogenado, para que así el productor de hidrógeno tenga un compuesto en el que almacenar y transportar su molécula, por tanto, bien los camiones o bien los barcos, siempre irían llenos de producto, y estarán obligados a hacer viajes de ida y vuelta, lo que afecta también a la rentabilidad del transporte.

5. Metanol

Este producto tendrá un gran papel en el futuro del sector del hidrógeno sin ninguna duda. El metanol se puede producir combinando CO₂ y agua, a través de una reacción de desplazamiento de agua-gas. En función de las temperaturas y los catalizadores, se produce metanol o por ejemplo metano sintético, que no incluimos en este informe por considerarlo menos interesante que sus homólogos.

El metanol, es otro producto que ya tiene un uso industrial hoy en día, pero que además ofrece un gran abanico de posibilidades en el sector energético para el almacenamiento estacional de energía, para la generación de energía eléctrica en grandes cantidades, para la generación de calor en industria (sustituto del fueloil) e incluso como combustible para el transporte, destacando el caso de los barcos, pero también los vehículos de combustión interna donde hoy en día (sobre todo en China) ya hay vehículos con un 100% de metanol en sus depósitos.

Además, el metanol será la base para muchos de los combustibles avanzados que veremos en el futuro, por lo que parece más que justificado el desarrollo de plantas de producción de metanol sintético a partir de H₂. ¿El problema? Esto solo tendrá sentido si disponemos de una fuente de CO₂ en el entorno.

Aquí dejamos un gráfico que muestra las diferentes densidades energéticas, volumétricas y gravimétricas de los métodos de almacenamiento y transporte de hidrógeno:

Esperamos que os haya interesado este pequeño resumen de las diversas formas de almacenar y transportar el hidrógeno. Los usos finales, así como la disponibilidad de recurso en origen, determinarán que método es más adecuado. En @SynerHy hacemos estudios que permiten tomar decisiones de inversión a la hora de analizar cómo exportar o importar hidrógeno renovable. Si estáis interesados no dudéis en poneros en contacto.