Materias Críticas en la Cadena de Valor del hidrógeno renovable

por Sergio Martín | Jun 21, 2024 | Artículo técnico

Durante estos últimos años, el hidrógeno se ha mostrado como una de las alternativas para la descarbonización tanto de la actividad industrial como doméstica. Actualmente, el hidrógeno se produce a través de procesos químicos alimentados por combustibles fósiles, haciendo que esta generación cuente con unas emisiones de gases de efecto invernadero GEI. Existen varias alternativas a la producción de hidrógeno de origen fósil o no renovable como pueden ser el uso de electrolizadores, reactores de fotocatálisis, producción de hidrógeno mediante microorganismos o añadir la captura de carbono (CCS) a la generación de hidrógeno no renovable. Se estima que el hidrógeno renovable, o bajo en emisiones, puede evitar la generación de alrededor de 270 millones de toneladas de CO2 anuales y 90 millones de toneladas en el sector del transporte y movilidad.

Al igual que todos los equipos, aparatos u objetos utilizados de manera cotidiana, los sistemas de generación de hidrógeno también precisan de materias primas para su producción. En este artículo se van a describir los principales materiales utilizados en la cadena de valor del hidrógeno, la criticidad de los mismos y dónde se encuentran los yacimientos y reservas de dichos materiales.

Las materias críticas en la cadena de valor del hidrógeno

Se espera que el sector del hidrógeno renovable, y el obtenido de combustibles fósiles con captura de dióxido de carbono, cuente con un rápido crecimiento en dimensiones de mercado durante los próximos años. Actualmente, la producción de equipos representa una pequeña parte dentro de la extracción mundial de recursos minerales.  Sin embargo, y debido a la escalabilidad que se prevé que alcance el sector, se pueden llegar a generar problemas en materia de escasez de producción y con ello un aumento de los precios.

La cadena de valor del hidrógeno abarca desde la producción del hidrógeno hasta el uso final del mismo. La envergadura del sector hace que existan una gran variedad de tecnologías distintas, con necesidades diferentes en cuanto a requerimientos de materiales necesarios para la fabricación, como pueden ser el níquel, el hierro o el aluminio para los electrolizadores alcalinos y el platino e iridio para los PEM. También es necesario mencionar que para la consecución de una producción de hidrógeno renovable se precisa de energías renovables, como la eólica y solar, que también precisan de materias críticas.

Categoría de los minerales

Los minerales que se vayan mencionando a lo largo del artículo se pueden clasificar en función de su criticalidad y numero de uso. Esta división da lugar a cuatro categorías bien diferenciadas:

  • Minerales de alto impacto (Q2): éstos tienen una gran demanda futura absoluta o relativa en comparación con los niveles de producción existentes, pero están concentrados en pequeño subconjunto de tecnologías.
  • Minerales transversales (Q4): no sufrirán un gran aumento en la demanda, pero sí que serán utilizados en un gran rango de tecnologías.
  • Minerales transversales de alto impacto (Q3): no cumplen con los requisitos de las dos categorías previas. Sí tendrán grandes niveles de demanda en el futuro, pero estará comprendida en tecnologías bajas en carbono.
  • Minerales de medio impacto (Q1): éstos no cumplirán con ninguno de los requisitos previamente mencionados, pero puede que sean usados en tecnologías muy particulares.

Ilustración 1. Diagrama de la división de los minerales.

Fuente: Susana Moreira, Tim Laing. Sufficiency, sustainability, and circularity of critical materials for clean hydrogen. Hydrogen Council. Disponible en: WB-Hydrogen-Report-2022.pdf

Análisis del Hydrogen Council

En al año 2022, el Grupo Banco Mundial en colaboración con el Hydrogen Council realizaron un análisis sobre la criticidad de los materiales en la cadena de valor del hidrógeno, bajo el nombre de “Sufficiency, sustainability, and circularity of critical materials for clean hydrogen”. Según el análisis realizado por el Hydrogen Council, se ha dividido la cadena de valor del hidrógeno en las siguientes tecnologías:

  • Electrolizadores alcalinos (AEL).
  • Electrolizadores de membrana polimérica (PEMEL).
  • Pila de combustibles de intercambio polimérico (PEMFC), diferenciando entre vehículos pesados (HDV) y ligeros (LDV).
  • Reformado con captura de carbono (R+CSS).

A raíz de esta división, se ha llevado a cabo una clasificación en función de los minerales necesarios para cada tipo de tecnología:

Ilustración 2. Minerales necesarios por tecnología.

Fuente: Susana Moreira, Tim Laing. Sufficiency, sustainability, and circularity of critical materials for clean hydrogen. Hydrogen Council. Disponible en: WB-Hydrogen-Report-2022.pdf

En este análisis también se han incluido los minerales necesarios para la producción eléctrica renovable necesaria para alimentar los electrolizadores. Tanto las turbinas eólicas como los paneles fotovoltaicos precisan de cobre, níquel y zinc, y el aluminio es solo necesario en la fabricación de la solar fotovoltaica.

Con la lista de los diferentes minerales utilizados en las distintas tecnologías de la cadena de valor del hidrógeno ya se puede realizar una división del sector en cuatro etapas: producción, distribución y almacenamiento, y consumo.

  • Producción: Como ya se ha comentado anteriormente, la producción se divide en dos tipos de tecnologías de generación, la renovable y la baja en carbono con captura. Dependiendo de la solución utilizada para la producción se utilizarán unos minerales u otros:
    • Para el hidrógeno renovable es necesario enumerar los siguientes materiales como claves para su fabricación: platino, iridio, titanio y cobre para los electrolizadores PEM, y cobre níquel y grafito para los alcalinos.
    • Para el hidrógeno bajo en carbono con captura se precisa de manganeso, cobre, zinc, níquel, titanio, niobio, cromo, tungsteno, molibdeno, cobalto y vanadio.

Dentro de la producción del hidrógeno renovable mediante electrolizadores, la generación de electricidad libre de emisiones de carbono compondrá gran parte de la demanda de los distintos minerales en el año 2050. Esto se debe a que las tecnologías requieren de una gran variedad de minerales para la producción y consumo, pero en volúmenes relativamente pequeños. En la siguiente ilustración se muestra la demanda esperada de minerales en el año 2050.

Ilustración 3. Previsión del volumen de mineral usado para la generación de hidrógeno en el año 2050.

Fuente: Susana Moreira, Tim Laing. Sufficiency, sustainability, and circularity of critical materials for clean hydrogen. Hydrogen Council. Disponible en: WB-Hydrogen-Report-2022.pdf

  • Distribución y almacenamiento: Al igual que el resto de las etapas de la cadena de valor, existen varias opciones tecnológicas para el almacenamiento y la distribución como pueden ser las tuberías, los tanques de almacenamiento con sus respectivos tipos y el almacenaje en cavernas salinas. Cada una de estas soluciones, como es lógico, precisará de distintos materiales.

Para la distribución del gas diatómico se espera que puedan coexistir los actuales gasoductos, a los que habrá que reforzar, y la posible red de tuberías de hidrógeno. Para la construcción de nuevas tuberías se precisará de una gran cantidad de acero de alto grado (X42, X52 y X60). Para tuberías que alberguen hidrógeno en altas concentraciones no se conoce de manera precisa el grado de acero necesario, pero se estima que por cada 2.500 km se necesitarán 4 millones de toneladas de acero. Con esta estimación, la red troncal europea del hidrógeno (39.700 km) necesitará uno 20 millones de toneladas de acero, equivalente al 1 % de la producción global actual.

  • Consumo: El hidrógeno producido se puede utilizar en numerosas aplicaciones y sectores, como pueden ser el automovilístico, producción eléctrica, siderurgia y un largo etcétera. El análisis del Hydrogen Council se centra principalmente en la generación eléctrica estacionaria y móvil, diferenciando entre vehículos ligeros y pesados, mediante el uso de pilas de combustible propulsadas por hidrógeno.

Por ejemplo, las pilas de combustibles PEM utilizan platino como catalizador de la reacción electroquímica y cerio para mejorar la durabilidad de la pila. Este tipo de pilas parece que tendrán un mayor uso en ciertos sectores, por lo que su uso más generalizado puede suponer un aumento en la demanda del cerio y platino. Esta demanda se estima que pueda ser la siguiente en el año 2050:

Ilustración 4. Posible demanda de cerio y platino en el año 2050.

Fuente: Susana Moreira, Tim Laing. Sufficiency, sustainability, and circularity of critical materials for clean hydrogen. Hydrogen Council. Disponible en: WB-Hydrogen-Report-2022.pdf

Demanda Primaria vs Recurso

Es preciso diferenciar entre recurso y reserva. La segunda es donde se tiene la certeza que existe el mineral bajo el suelo. La gran parte de las reservas de minerales críticos en la cadena de valor del hidrógeno serán utilizadas para la construcción de los generadores eléctricos renovables (eólica y solar). A continuación, se muestran la previsión de la cantidad necesaria por la cadena de valor del hidrógeno de los diferentes minerales en 2050 como porcentaje de la demanda global esperada:

Ilustración 5. Demanda de la cadena de valor del hidrógeno como porcentaje de las reservas globales.

Fuente: Susana Moreira, Tim Laing. Sufficiency, sustainability, and circularity of critical materials for clean hydrogen. Hydrogen Council. Disponible en: WB-Hydrogen-Report-2022.pdf

Ilustración 6. Demanda de la cadena de valor del hidrógeno como porcentaje de las reservas.

Fuente: Susana Moreira, Tim Laing. Sufficiency, sustainability, and circularity of critical materials for clean hydrogen. Hydrogen Council. Disponible en: WB-Hydrogen-Report-2022.pdf

La importancia del platino

Se espera un incremento considerable en la demanda de este mineral en la cadena de valor del hidrógeno. En los electrolizadores y pilas de combustible PEM se usa el platino como catalizador para la reacción electroquímica. Este incremento en la demanda se debe al aumento en el uso de tecnología PEM debido a su mejor integración con la variabilidad de las energías renovables, además de ser la tecnología que mejor se acopla a los FCEV. Ésto, aunque no suponga un gran incremento de la demanda, puede aumentar los precios y con ello crear cuellos de botella en el suministro del mineral para el desarrollo de la tecnología.

Para el año 2040 se espera que la demanda primera del mineral caiga debido a diversos factores. Primero, se espera que las pilas de combustibles y los electrolizadores usen menos platino como catalizador y, segundo, se espera una mayor tasa de reciclaje de chatarra haciendo que se precise de una menor minería de platino. Actualmente el platino se utiliza como catalizador en la refinería del petróleo y en los catalizadores de los coches de combustión para la reducción de emisiones. La recuperación de este platino puede ser clave para evitar un aumento de los precios del mineral.

Ilustración 7. Evolución de la demanda de platino en toneladas.

Fuente: Susana Moreira, Tim Laing. Sufficiency, sustainability, and circularity of critical materials for clean hydrogen. Hydrogen Council. Disponible en: WB-Hydrogen-Report-2022.pdf

Economía Circular

El 90 % de la extracción de platinoides corresponde a Sudáfrica y Rusia (70 % y 20 %). Se define como economía circular “a un sistema económico que remplaza el concepto “fin de la vida útil” por la reducción, uso alternativo, reciclaje y recuperación de materiales en producción y procesos de consumo”. Existen tasas de recuperación de los platinoides entre el 50-75 %. 

A lo largo de la cadena de valor del hidrógeno existen varias estrategias aplicables a la economía circular:

  • Eficiencia material, las mejoras reducen las necesidades de insumos materiales.
  • Componentes individuales y las pilas de combustibles pueden repararse o sustituirse sin cambiar productos enteros.
  • Al final de la vida útil, los materiales pueden recuperarse por medio del reciclaje.

En el caso de la tecnología PEM, su contenido en platinoides hace que el reciclaje y la recuperación de materiales sea económicamente atractivo. Sin embargo, debido al pequeño tamaño del mercado, aún no se practica de forma generalizada.

Ilustración 8. Esquema funcional de la cadena de valor de la tecnología PEM

Fuente: Brain Baldassarre. Cicular economy in critical value chains: the case of hydrogen electrolysers and fuel cells. Disponible en: AxtBaldassarreetal-2023.pdf

Como ya se ha comentado, el reciclaje es una pieza clave en la economía circular y el sector del hidrógeno no va a ser menos. Muchos de los materiales que se usarán en la cadena de valor del hidrógeno ya se usan en la actualidad en otras tecnologías y procesos. Es necesario conocer cuáles de estos materiales pueden ser reciclados, lo que depende de la facilidad del reciclaje, la disponibilidad de chatarra y la producción secundaria. Habitualmente, los minerales más caros, como el platino, son lo que poseen un mayor incentivo para ser reciclados. Por otro lado, minerales como el cerio no son utilizados en otros sectores por lo que será importante su reciclado en la propia cadena de valor del hidrógeno.

Ilustración 9. Demanda de minerales por fuente en la cadena de valor del hidrógeno.

Fuente: Susana Moreira, Tim Laing. Sufficiency, sustainability, and circularity of critical materials for clean hydrogen. Hydrogen Council. Disponible en: WB-Hydrogen-Report-2022.pdf

La Unión Europea y la Ley de Materias Primas Críticas

Algunas tecnologías para movilidad y producción de hidrógeno dependen de ciertos metales que podrán encontrar problemas para satisfacer la demanda. Por ejemplo, el grupo de los platinoides se usa en la tecnología PEM y, en cuanto a la alcalina y a la de óxido sólido, se usan minerales como el neodimio, lantano y cerio. Todas las tecnologías precisan de metales estratégicos más comunes como el cobalto, níquel, manganeos y boro.

Por estos motivos, la Comisión Europea ha propuesta la Ley de las Materias Críticas con el objetivo de fijar una estrategia común, así como un marco legislativo seguro para el acceso de estas materias críticas y asegurando de esta manera su disponibilidad y asequibilidad.

Los objetivos que marca la Comisión Europea son un 10%-40%-15% referidos a la extracción, procesamiento y reciclaje respectivamente. También pretende reducir las importaciones a través de un objetivo del 65% en diversificación de las importaciones. Ésto puede suponer un problema ya que, por ejemplo, los platinoides utilizados en la tecnología PEM proceden en su mayoría de Sudáfrica (71% de platino y 93% de iridio).

La Comisión Europea fija un periodo de tres años para que los países miembros creen una legislación a nivel nacional con la que implementar programas que contengan medidas para la mejora de la economía circular, como puede ser el reciclaje de chatarra y otros residuos.

Las materias primas en el mundo

En el año 2017 la Comisión Europea actualizó la lista de materias críticas para la Unión Europea. En ella se enmarcan 26 materias como críticas de un total de 61 metales evaluados. Esta lista de materias críticas es la siguiente:

Ilustración 10. Lista de materias críticas

Fuente: Comisión Europea. Estudio de la revisión de la lista de materias primas críticas. Resumen ejecutivo. Disponible en: CRM list 2017_Executive Summary_Final_ES.pdf

Estos minerales, como es lógico, no comparten una ubicación geográfica, sino que se encuentran alrededor del globo terrestre. Actualmente, China controla el 36,7% de las reservas mundiales de tierras raras seguidas de lejos por Brasil y Vietnam. Aunque China cuenta con yacimientos en explotación de estos minerales, es un gran importador para el tratamiento de este tipo de materias, haciendo que en 2008 el 42,3% de las exportaciones mundiales de tierras raras salieran de China.

Ilustración 11. Distribución de las materias críticas en el mundo

Fuente: Comisión Europea. Estudio de la revisión de la lista de materias primas críticas. Resumen ejecutivo. Disponible en: CRM list 2017_Executive Summary_Final_ES.pdf

Ilustración 12. Tabla detallada con la distribución de materias críticas

Fuente: Comisión Europea. Estudio de la revisión de la lista de materias primas críticas. Resumen ejecutivo. Disponible en: CRM list 2017_Executive Summary_Final_ES.pdf

Conclusiones

Aunque el hidrógeno y su cadena de valor precisen de la utilización de materias críticas, parece que no será una industria intensiva en el uso de estos minerales, ya que se podrán aprovechar ciertos minerales como el platino de otro tipo de tecnologías. De todos modos, debido al rápido crecimiento que se prevé de este tipo de tecnologías será importante por parte de los gobiernos y organismos reguladores planificar de manera correcta la extracción y distribución de estas materias para evitar en la medida de lo posible cuellos de botella entre la producción y la demanda.

También es preciso comentar el gran monopolio que ha adquirido China en muchas de las tierras raras durante los últimos años. Este control sobre numerosos minerales puede suponer una difícil competitividad de la tecnología occidental respecto a la china debido a los posibles aranceles a lo que someta China al resto de países. En resumen, China puede controlar la transición energética en materia de producción de generadores eléctricos renovables y en la cadena de valor del hidrógeno debido al gran control sobre los recursos necesarios para el desarrollo de este tipo de tecnología.