El almacenamiento subterráneo de hidrógeno – Gran facilitador de la Transición Energética

El almacenamiento subterráneo de hidrógeno SUH (Underground Hydrogen Storage) se posiciona como una pieza clave en la infraestructura energética descarbonizada del futuro. Su desarrollo es fundamental para el almacenamiento a gran escala de este combustible versátil y limpio que es el hidrógeno renovable.

Actualmente, se están investigando diversas tecnologías para el almacenamiento subterráneo de hidrógeno. Los lugares de investigación son, principalmente, cavernas salinas, acuíferos, depósitos de gas natural agotados y almacenamiento en forma de hidratos. Cada una de estas opciones presenta ventajas y desafíos únicos en términos de capacidad de almacenamiento, seguridad, eficiencia y costes que serán estudiados en este artículo.

La opción del almacenamiento subterráneo de hidrógeno ofrece una prometedora solución de almacenamiento a gran escala y larga duración, que podría equilibrar la oferta y la demanda de energía e integrar el hidrógeno en las infraestructuras energéticas del futuro. Los principales desafíos de este tipo de almacenamiento incluyen las fugas de hidrógeno, el mantenimiento de la pureza y las interacciones geoquímicas.

Caso de estudio de almacenamiento de H₂ en cavernas: Domo de Sal de Etzel (Alemania)

Las cavernas salinas se consideran una de las opciones más prometedoras para el almacenamiento de hidrógeno a gran escala. Su ventaja se centra en la gran capacidad de almacenamiento y su disponibilidad en muchas regiones del mundo. La técnica implica la inyección de hidrógeno comprimido en cavernas subterráneas formadas naturalmente en depósitos de sal. Estas cavernas ofrecen una alta capacidad de almacenamiento y una buena integridad estructural.

En las cavernas de sal subterráneas en la ciudad de Etzel (Ostfriesland, Alemania) la compañía STORAG ​​ETZEL GmbH opera una de las mayores instalaciones de almacenamiento subterráneo de petróleo crudo y gas natural de Europa. Desde la década de los setenta se ha estado almacenando crudo de petróleo, siendo en los noventa el inicio del almacenamiento de gas natural subterráneo.

En el marco del proyecto de investigación y desarrollo H₂CAST Etzel, siendo el centro de investigación alemán DLR el principal impulsor científico del proyecto, se han inyectado grandes cantidades de hidrógeno en este emplazamiento por primera vez en 2024. La principal novedad de este hito fue la simulación de operaciones realistas en cavernas, independientemente de la carencia de una infraestructura centralizada de red de hidrógeno actualmente en Alemania.

En las cavidades creadas artificialmente en el domo salino de Etzel se pueden almacenar hasta 3.900 millones de metros cúbicos de gas natural. Esto representa aproximadamente una sexta parte de la capacidad total de almacenamiento de gas de Alemania.

Estas instalaciones de almacenamiento desempeñan un papel fundamental en el sector energético, garantizando la seguridad del suministro ante las importantes fluctuaciones causadas por las divergencias en la producción, las importaciones y la demanda de electricidad. Esto es especialmente importante para la implementación de un suministro de energía completamente renovable. Los cuellos de botella durante los períodos de fluctuaciones estacionales de la demanda o los períodos de falta de luz natural, cuando los vientos son suaves y escasea la luz solar, limitan gravemente la producción de energía solar y eólica, pudiéndose subsanar eficazmente mediante centrales eléctricas de gas flexible y de rápido control.

Al mismo tiempo, el exceso de electricidad que no puede ser compensado por la red eléctrica puede almacenarse a gran escala mediante la producción de hidrógeno renovable. Es precisamente en este momento cuando los sistemas de almacenamiento de gran volumen y de implementación flexible se convierten en los grandes “facilitadores de la transición energética”.

Desarrollo de una infraestructura de almacenamiento de H₂ en Alemania

Con la aprobación del gobierno alemán, y de la Agencia Federal de Redes, de la implementación de una red principal de H₂ en octubre de 2024, se sentó una base primordial para la aceleración de la economía del hidrógeno en Alemania. Sin embargo, además del desarrollo de una red integral de transporte de hidrógeno para descarbonizar el sector energético alemán, también se necesitan opciones de almacenamiento a gran escala de H₂. Las simulaciones realizadas por el DLR demuestran la importancia de ampliar las opciones de almacenamiento a gran escala en paralelo con la infraestructura de hidrógeno, ya que los déficits o excedentes de hidrógeno no pueden compensarse únicamente mediante los almacenamientos intermedios de hidrógeno en ciertos tramos de la red mediante la variación de la presión de la línea de los gasoductos.

Proyecto de investigación H₂CAST Etzel

El proyecto de almacenamiento de H₂ en cavernas salinas está siendo llevado a cabo por un consorcio de empresas y centros de investigación alemanes como son STORAG ​​ETZEL, DEEP.KBB, Gasunie, la Universidad Tecnológica de Clausthal, SOCON, Hartmann Valves y el Instituto DLR de Sistemas de Energía en Red. El proyecto busca demostrar la viabilidad de adaptar y convertir las cavernas de gas existentes y las instalaciones superficiales asociadas para el almacenamiento subterráneo de hidrógeno.

El consorcio se enfrenta a diversos retos, como por ejemplo qué materiales deberían utilizarse en la perforación de cavernas y en la instalación superficial asociada, o si el hidrógeno puede almacenarse de forma muy eficiente, son solo algunas de los desafíos del proyecto. La conversión de cavernas existentes para el almacenamiento de hidrógeno puede realizarse en menos tiempo que la construcción de nuevas, y además resulta ventajosa desde el punto de vista económico y ecológico. Esto también podría cerrar la brecha prevista entre la demanda y la disponibilidad de almacenamiento, permitiendo la disociación temporal de la producción y la demanda de hidrógeno mediante el almacenamiento provisional.

El proyecto H₂CAST consta de una tubería principal o “production pipe” que une las tuberías exteriores a las cavernas, y a través de la cual se inyecta y extrae hidrógeno. Esta tubería que sellada o soldada contra la tubería exterior mediante un “packer” cementando a la roca y sellando estas tuberías (ver Figura 5).

Entre ambos conductos, se crea un espacio anular de unos pocos centímetros de ancho, comparable a un tanque de doble pared, sobre el recorrido de la tubería de producción de hidrógeno, que se extiende hasta una profundidad de aproximadamente 1 km. Este espacio anular se llena de líquido y forma un sistema de doble barrera contra la roca circundante.

Gracias a un sistema de monitorización especial, incluso cantidades muy pequeñas de hidrógeno pueden recogerse y medirse en el espacio anular si se difunde a través de los sellos.

Adicionalmente, se ha instalado una tubería adicional de menor diámetro en el tramo de la tubería de suministro como tubería de desplazamiento de salmuera. Esto permite extraer la salmuera desplazada cuando la caverna se llena inicialmente con hidrógeno (ver flecha azul Brine de la Figura 5).

Una característica especial del proyecto H₂CAST es que este proceso también puede invertirse. Esto significa que la salmuera del campo de la caverna puede bombearse de vuelta a las cavernas hasta que se llenan casi por completo. El hidrógeno desplazado se transfiere entonces a una de las dos cavernas, que actúa como una «tubería tampón de hidrógeno» para este modo de funcionamiento. Al poder bombearse la salmuera, el volumen de almacenamiento utilizable (volumen de gas de trabajo) para el hidrógeno puede variar y el gas hidrógeno restante puede mantener una presión de soporte, llamada «presión colchón», pudiéndose minimizar ésta al máximo. En las siguientes operaciones de prueba, se podrán probar varios niveles de presión en la caverna.

La tecnología utilizada en este proyecto está sobradamente probada y es segura, en base al almacenamiento de gas natural realizado en estas cavernas durante décadas. Además, todos los elementos individuales utilizados han sido probados por los técnicos en condiciones reales de funcionamiento con hidrógeno en laboratorio.

El principal objetivo del proyecto es probar la idoneidad a largo plazo, y en condiciones reales de funcionamiento, y demostrar que las instalaciones existentes en el campo de la caverna Etzel son aptas para el almacenamiento de hidrógeno sin necesidad de desarrollar nuevos componentes. Esto supondría un enorme impacto económico para una aceleración de la industria del hidrógeno en toda Alemania.

Tras el llenado con el primer tramo de aproximadamente 45 toneladas de hidrógeno, las cavernas se presurizarán con un segundo tramo hasta un total de 90 toneladas de hidrógeno, hasta la presión máxima permitida. La construcción de una instalación de pruebas sobre el suelo comenzará en primavera. Se espera que esto permita la operación del almacenamiento de gas a partir del Q3 de 2025, con las etapas de compresión, secado y purificación del gas, regulación de la presión y medición de la cantidad y la calidad del hidrógeno.

Debido a la alta volatilidad de las energías renovables a lo largo del año, se puede asumir que el almacenamiento de hidrógeno estará sujeto a requisitos de inyección y extracción durante todo el año, que también están sujetos a una dinámica significativa. No se esperan periodos más largos de varias semanas sin inyección, como ocurre con el gas natural, en la operación de estas instalaciones de almacenamiento con hidrógeno. Además, se puede asumir que los flujos volumétricos para el almacenamiento serán mayores en la operación con hidrógeno, ya que este tiene solo aproximadamente un tercio de la densidad energética del gas natural.

Estado actual y siguientes pasos del proyecto H₂CAST Etzel

Tras la conversión de las cavernas piloto y el éxito de las pruebas de fugas a máxima presión de gas el año pasado, STORAG ​​ETZEL ha comenzado a almacenar hidrógeno en las instalaciones de Etzel. Para este 2025, como se ha comentado anteriormente, se prevén inyectar 90 toneladas de hidrógeno, que se realizarán en 200 entregas con camiones cisterna a una presión de 300 bar. Debido al desarrollo de la red principal pendiente, el hidrógeno se suministra actualmente con ayuda de tube-trailers.

La falta de conexión actual a la red principal de H₂ implica que los retos de investigación propuestos sobre el funcionamiento de las cavernas puedan quedar sin respuesta. Por esta razón, se trabaja en la actualidad con un total de dos cavernas, conectadas entre sí en paralelo a través de la instalación de pruebas local sobre el suelo (procesamiento de gas, mediciones, compresión). Esto significa que el hidrógeno se transportará entre las dos cavernas sin necesidad de una conexión por tubería. Esto permitirá modelar de forma realista la producción y el consumo de hidrógeno siempre en una de las cavernas.

Otros proyectos similares y perspectiva en España

El proyecto HyUnder, impulsado por la Comisión Europea,  fue pionero (2012-2016) en el estudio de la viabilidad del almacenamiento a gran escala de hidrógeno en el subsuelo. Es una iniciativa europea centrada en evaluar el potencial del almacenamiento subterráneo de hidrógeno a gran escala en cavernas de sal. Su objetivo principal era determinar la viabilidad del uso del hidrógeno almacenado bajo tierra para equilibrar la red eléctrica y utilizar eficazmente las energías renovables. El proyecto evaluó los aspectos técnicos, económicos y sociales de este método de almacenamiento, considerando su potencial de futura implementación en países como Francia, Alemania, Países Bajos, Rumanía, España y el Reino Unido.

Aunque el almacenamiento de hidrógeno en cavernas salinas es un ámbito relativamente poco explorado, proyectos como el H₂CAST Etzel generan un interés creciente. En Europa, el proyecto de corredor europeo de hidrógeno propuesto por España contempla la construcción de un gran almacén subterráneo en Euskadi, destacado como una infraestructura facilitadora para mantener el flujo del hidroducto y acoplar la producción de hidrógeno proveniente de fuentes renovables. Esto contribuirá al consumo estable de industrias que buscan utilizar hidrógeno para su descarbonización.

Un ejemplo lo aportan los investigadores de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas y Energía de la Universidad Politécnica de Madrid. Estos científicos han realizado un estudio sobre el almacenamiento geológico de hidrógeno verde en el diapiro de Poza de la Sal (Burgos). Este enfoque implica la producción de hidrógeno mediante electrolizadores de hidrógeno. Este aprovecharía el excedente de energía del cercano parque eólico Páramo de Poza.

Otros proyectos que cabe destacar en la Península Ibérica:

• • Proyecto H2SALT. Un consorcio vasco está desarrollando un sistema de gestión integral para el almacenamiento de hidrógeno en una caverna salina, con el objetivo de validar la viabilidad técnico-económica de este sistema para proyectos industriales.

• • Montaña de Sal de Cardona. Se están explorando otras ubicaciones en España para el almacenamiento de hidrógeno en cavernas salinas, como la Montaña de Sal de Cardona en Cataluña.

Conclusiones y beneficios del almacenamiento de hidrógeno en cavernas salinas

Para finalizar, queremos enumerar los principales beneficios de este tipo de almacenamiento a gran escala de hidrógeno:

• • Alta capacidad de almacenamiento

• • Seguridad y eficiencia: la sal tiene propiedades naturales de sellado que reducen el riesgo de fugas y contaminación.

• • Flexibilidad: el hidrógeno puede extraerse a demanda para satisfacer picos de consumo o reinyectarse para almacenar excedentes de energía.

• • Experiencia previa: el almacenamiento de gas natural en cavernas salinas proporciona una base para el desarrollo de la tecnología de almacenamiento de hidrógeno. 

• • Coste competitivo: las cavernas salinas ofrecen una alternativa de almacenamiento de bajo coste a gran escala. 

Las conclusiones expuestas por los investigadores de los proyectos citados anteriormente enfatizan que las cavernas de sal son almacenes subterráneos idóneos para el hidrógeno puro. La conclusión es debida a su buen sello y muy baja permeabilidad. También, porque asegura unas pérdidas mínimas de hidrógeno y un riesgo insignificante de contaminación por impurezas ambientales. Este enfoque emergente destaca la viabilidad y el potencial de las cavernas salinas para contribuir al avance de soluciones de almacenamiento de energía sostenible.

Desde SynerHy se seguirán las conclusiones de las siguientes fases del proyecto H₂CAST Etzel por lo estratégico para el despliegue de la economía del hidrógeno en nuestro continente.