Impacto del H2 Renovable en las emisiones de gases de efecto invernadero

El despliegue de hidrógeno renovable se considera una estrategia fundamental para reducir de manera significativa las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en la Unión Europea. Este enfoque se basa en el hecho de que el hidrógeno renovable puede sustituir a fuentes energéticas que son intensivas en carbono, contribuyendo así a una disminución global de las emisiones.

No obstante, existen ciertas preocupaciones acerca del posible impacto que las emisiones de hidrógeno puedan tener en los propios gases de efecto invernadero. Aunque el hidrógeno, cuando se utiliza, no se libera deliberadamente a la atmósfera y no es un gas de efecto invernadero directo —ya que sus moléculas no interactúan con la radiación solar ni con la radiación infrarroja emitida por la Tierra—, las fugas de hidrógeno, así como las emisiones naturales, sí tienen un efecto relevante en la química atmosférica.

Estas pérdidas de hidrógeno en la atmósfera pueden contribuir indirectamente al calentamiento global, debido a las alteraciones que provocan en los procesos químicos que regulan la concentración de otros gases de efecto invernadero. Una reacción química motivada por el hidrógeno podría elevar los niveles atmosféricos de metano (CH₄), uno de los gases más potentes de efecto invernadero, con consecuencias climáticas que durarían décadas.

Impacto potencial del calentamiento global por emisiones de Hidrógeno

El hidrógeno se encuentra en la atmósfera en una concentración aproximada de 0,5 partes por millón en volumen (ppmv), con una vida media estimada entre 1,4 y 2,5 años. El balance atmosférico de hidrógeno, ilustrado en la Figura 1, integra los intervalos correspondientes a las distintas fuentes y sumideros del gas. En dicha figura, las fuentes de hidrógeno se indican en color rojo y los sumideros en verde.

La fuente dominante de hidrógeno en la atmósfera no es una emisión directa, sino que es el resultado de reacciones de oxidación química de otros compuestos liberados a la atmósfera. En particular, la fotooxidación del metano y los hidrocarburos no metánicos (NMHC) genera aproximadamente 40 Mt de hidrógeno por año (29-51 Tg yr-1). Las principales fuentes directas de emisiones de hidrógeno a la atmósfera son los combustibles fósiles (14-20 Tg yr-1), principalmente de procesos de combustión asociados con el transporte, la quema de biomasa (9-20 Tg yr-1) y la fijación de nitrógeno tanto en la tierra como en los océanos (6-12 Tg yr-1).

Otras fuentes que actualmente no están incluidas en la mayoría de los modelos son fuentes geológicas (0-31 Tg yr-1), siendo la mayor contribución probablemente originada por la filtración de hidrógeno de reservorios subterráneos, y las pérdidas industriales de hidrógeno. Asumiendo una tasa de pérdida del 10%, la mejor estimación actual de la tasa máxima potencial promedio de emisiones, la contribución de las emisiones de hidrógeno de la industria actual de hidrógeno es de 8 Tg yr-1. Sumando todas las fuentes, se cree que la producción total de hidrógeno es de 60-140 Tg yr-1, siendo las emisiones antropogénicas directas responsables de aproximadamente el 15%. El principal sumidero de hidrógeno es la absorción por el suelo. El proceso es impulsado por bacterias y representa más del 75 % de la eliminación total. La magnitud del sumidero del suelo está modulada por la temperatura y la humedad del suelo y la actividad de los organismos que consumen hidrógeno.

Modelo de Paulot

El modelo de Paulot et al. simula la evolución histórica de las fuentes de hidrógeno, como se muestra en la Figura 2. Desde 1900 hasta hoy, las fuentes han aumentado un 65% principalmente por actividades humanas, debiéndose a emisiones directas e indirectas. El modelo indica que la estabilización alrededor de 1980 se debió a la disminución del hidrógeno emitido por el transporte, aunque las fuentes indirectas siguieron aumentando; sin embargo, este resultado no ha sido confirmado por observaciones. La producción química corresponde a reacciones atmosféricas naturales que generan hidrógeno.

Las concentraciones de hidrógeno en la atmósfera no son uniformes en todo el mundo. Las concentraciones sobre los continentes en el hemisferio norte son mucho más bajas que las del hemisferio sur. Esto se debe a la mayor superficie de tierra en el hemisferio norte, lo que confirma el papel de los suelos como el principal sumidero de hidrógeno.

Gas de efecto invernadero indirecto

La molécula de hidrógeno no es un gas de efecto invernadero directo, ya que la falta de un momento dipolar impide la absorción de radiación infrarroja. Sin embargo, el hidrógeno actúa como un gas de efecto invernadero indirecto. Todos los efectos indirectos de gases de efecto invernadero del hidrógeno son impulsados por su oxidación en la atmósfera, que afecta la vida útil de otros gases de efecto invernadero en la atmósfera. Además de las emisiones directas de hidrógeno, pueden emitirse gases de efecto invernadero no inherentes al H₂ a lo largo de la cadena de valor del hidrógeno renovable: desde las emisiones de CO₂ para producir el hormigón y el acero utilizados en la infraestructura, pasando por la electricidad para alimentar los electrolizadores, hasta las emisiones asociadas con el transporte y uso del hidrógeno.

Al mismo tiempo, una economía de hidrógeno puede reducir las emisiones de metano gracias a una menor demanda de combustibles fósiles.

La comunidad científica coincide en que un aumento en la concentración de hidrógeno en la atmósfera conduce indirectamente a un calentamiento del planeta. El gas hidrógeno reacciona fácilmente en la atmósfera con la misma molécula responsable de descomponer el metano, por lo que, si las emisiones de hidrógeno exceden cierto umbral, esa reacción probablemente conducirá a la acumulación de metano en la atmósfera, con consecuencias climáticas durante décadas.

El problema se reduce a una molécula pequeña y difícil de medir conocida como radical hidroxilo (OH). A menudo denominado «el detergente de la troposfera», el radical hidroxilo desempeña un papel fundamental en la eliminación de gases de efecto invernadero como el metano y el ozono de la atmósfera.

Cómo medir el impacto potencial del calentamiento global por emisiones de Hidrógeno

A continuación, se enuncian brevemente diferentes métricas para estimar el impacto potencial del calentamiento global de las emisiones de hidrógeno.

Global Warming Potential (GWP)

Si se compara el efecto del forzamiento radiativo (flujo neto de energía radiativa que llega a la superficie de la Tierra) del H₂ con relación al del CO₂ durante un periodo de tiempo de referencia, como pueden ser a 100 y 20 años de una emisión, se utilizan las métricas WPG₁₀₀ y WPG₂₀ para el cálculo del potencial calentamiento global durante un periodo de tiempo. La diferencia entre los valores de GWP₁₀₀ y GWP₂₀ se puede explicar por las diferentes longevidades del CO₂ y las especies involucradas con la perturbación del hidrógeno. El hidrógeno y el metano tienen longevidades más cortas en la atmósfera (aproximadamente 2 y 12 años, respectivamente) que el CO₂, del cual se tarda varios cientos de años en ser removido de la atmósfera por procesos naturales. Estas métricas se suelen utilizar para escenarios de cálculo de emisiones puntuales y no continuas de hidrógeno.

En la Figura 4 se puede comprobar el aumento de masa atmosférica y potencia radiativa durante el paso de los años de la emisión de metano, hidrógeno y CO₂.

Otras métricas

Otro método para evaluar el impacto del calentamiento global de un gas es tener en cuenta el efecto de las emisiones continuas y sostenidas en el tiempo. Cuando se consideran las emisiones sostenidas, el forzamiento radiativo acumulado del hidrógeno durante 100 años es significativamente mayor (aproximadamente el doble) que el GWP₁₀₀ evaluado a partir de un pulso de emisiones de un año. Aunque la corta vida útil del hidrógeno eventualmente llevaría a una concentración estable más alta de H₂ en la atmósfera (a diferencia de una concentración de CO₂ en aumento), el mayor forzamiento radiativo indirecto causado por la oxidación del H₂ conduce a un efecto de calentamiento mayor en relación con el CO₂ que cuando se utiliza una métrica basada en emisiones de pulso (es decir, GWP).

Impacto potencial del calentamiento global – Escenario de despliegue de la economía del H2

El despliegue global de una futura economía de hidrógeno puede alterar el balance radiativo de la atmósfera no solo a través de las emisiones de hidrógeno, sino también por todos los gases de efecto invernadero directos e indirectos emitidos a lo largo de la cadena de valor.

El hidrógeno puede producirse a partir de una amplia variedad de fuentes y usarse en una amplia gama de aplicaciones, con cadenas de valor que contienen diferentes combinaciones de tecnologías de suministro, manejo y demanda. Los diferentes procesos de producción, las opciones de transporte y distribución, así como la variedad de usos finales, han asociado algunas pérdidas de hidrógeno que constituyen fuentes potenciales adicionales de hidrógeno en la atmósfera.

Las emisiones de hidrógeno pueden resultar de una liberación no intencionada (por ejemplo, ocurrencias normales como un venteo de seguridad no planeado, rupturas o fallos de componentes), de liberaciones operativas como eventos de despresurización o de características de diseño que típicamente resultan en liberaciones muy pequeñas (por ejemplo, permeación a través de las paredes de los recipientes, sellos, etc.). Las liberaciones de hidrógeno pueden ocurrir en cualquier etapa de la cadena de valor del hidrógeno.

Air Liquide estima unas pérdidas potenciales de hidrógeno en la atmósfera combinando los datos de pérdidas de hidrógeno con la demanda esperada de hidrógeno. Estiman que para 2050, el hidrógeno perdido en la atmósfera representaría aproximadamente el 2% (es decir, 13 Mt) de todo el hidrógeno producido. Esto significa un aumento de aproximadamente el 10% de las fuentes generales de hidrógeno en la atmósfera. El aumento de las pérdidas de hidrógeno de 2030 a 2050 se debe al uso esperado de hidrógeno licuado después de 2030. Las pérdidas promedio estimadas por Air Liquide para 2050 son significativamente más bajas que las estimadas en un informe reciente del Center on Global Energy Policy de la Universidad de Columbia, donde se estima un rango de tasa de pérdida de entre 2.9% (caso de bajo riesgo) y 5.6% (caso de alto riesgo) para la economía del hidrógeno en 2050.

Resultados de investigaciones

Los primeros modelos sobre el impacto climático de reemplazar combustibles fósiles por hidrógeno difieren según las suposiciones y extrapolaciones de los investigadores.

Resultado investigación

Los resultados de investigación en términos de GWP relativo H₂/CH₄ por unidad de energía, considerando la potencia calorífica y eficiencia de los combustibles, además de las emisiones de la combustión del CH₄ (CO₂) y los efectos sinérgicos favorables de sustitución de una alternativa energética por otra (en la medida que el efecto del H₂ está asociado al ciclo de eliminación del CH₄ en la atmósfera). Así, la Figura 6 siguiente resume los datos de GWP del H₂ (tomando como referencia el metano); su potencia calorífica (PCI), que es más del doble para el H₂ (por unidad de masa) que para el CH₄; los rendimientos energéticos, que pueden ser también mejores con H₂ en la medida que pueda utilizarse en dispositivos más eficientes ( pilas de combustible); los porcentajes de fugas, que se han supuesto comparables pues -aunque el H₂ es más ligero- podrían más que compensarse con precauciones especiales relativas a manipulación y seguridad; las emisiones de combustión que son nulas para el H2 pero no con gas natural (calculadas con los pesos moleculares CO₂/CH₄ = 44/16 = 2,75); y, finalmente, el GWP del CH₄ (CO₂ eq).

Con todo lo cual es fácil estimar el verdadero potencial de efecto invernadero (comparativo) del H₂ frente al CH₄ en términos de energía servida equivalente (gCO₂/MJ), sin más que realizar los siguientes cálculos y cambios de unidades:

Todos los planteamientos y cálculos muestran la relevancia de interpretar con rigor los resultados científicos, que evite llegar a conclusiones parciales inadecuadas o en algún caso también interesadas. En este caso, los resultados refuerzan la importancia del H₂ para contribuir -por sus características materiales, ambientales y minimizando pérdidas- a una transición energética sostenible, de la mano de las energías renovables, la eficiencia energética y participación de la demanda.

Aunque se necesita una mayor profundidad de investigación para mejorar la precisión de las estimaciones que se presentan en la actualidad, los resultados muestran claramente la importancia de prevenir y minimizar las pérdidas de hidrógeno a lo largo de la cadena de valor del hidrógeno para reducir el impacto climático de una economía del hidrógeno. Un mejor monitoreo y cuantificación de la concentración de hidrógeno en la atmósfera permitirían una mejor evaluación del impacto ambiental de la economía del hidrógeno y la prevención de futuras emisiones.

Conclusiones

A continuación, algunas conclusiones que queremos destacar desde SynerHy:

• • Las emisiones de hidrógeno a la atmósfera impactan la vida útil de otros gases de efecto invernadero, principalmente metano, ozono y vapor de agua, aumentando indirectamente la temperatura de la superficie de la Tierra.

• • Se espera que las emisiones de hidrógeno a la atmósfera de la cadena de valor del hidrógeno por parte de las empresas gasistas que proveen el gas estén en el rango del 1 al 5% del hidrógeno entregado, con un valor promedio del 2% para 2050.

• • Aunque no será climáticamente neutra, una economía baja en carbono y, en particular, una economía de hidrógeno renovable reduciría significativamente el impacto del calentamiento global en comparación con una economía de combustibles fósiles.

• • Las estimaciones de las emisiones de hidrógeno industrial y su impacto en el calentamiento global están sujetas a un alto nivel de incertidumbre. Las incertidumbres se deben principalmente a la falta de datos de monitoreo.