Hidrógeno derivado de la electrólisis: el combustible más versátil

Cuando se trata de la generación y distribución de energía, el hidrógeno será cada vez más importante. No solo almacenará la energía del exceso de electricidad generado por las plantas eólicas y solares, sino que también servirá como combustible para los automóviles. Además, se puede combinar con dióxido de carbono producido de forma renovable para fabricar una materia prima para la producción de plásticos.

¡Qué desperdicio! En el norte de Alemania, el viento sopla, pero muchos rotores en los parques eólicos cercanos están inmóviles. “Hasta el 20 por ciento de las veces, los sistemas de viento en la costa del Mar del Norte tienen que estar apagados; de lo contrario, producirían más energía de la necesaria en un momento dado ", dice Erik Wolf, un experto en productos de la División Electrólisis de Siemens.


“Esto indica un desafío central asociado con las energías renovables: la producción fluctúa a medida que cambian las condiciones climáticas. En otras palabras, el suministro no se basa en la demanda, como es el caso de las centrales eléctricas convencionales ". Según los informes de monitoreo de la Agencia Federal de Redes de Alemania, la red eléctrica alemana ya no puede guardar un aumento anual de gigavatios de energía eólica. En el 2009, Alemania produjo aproximadamente 74 gigavatios-hora (GWh) de energía eólica; en el 2010 esa cifra alcanzó los 127 GWh, en el 2011 fue de 420 GWh y en el 2012 fue de 385 GWh. Estas cifras explican por qué las turbinas eólicas a menudo permanecen inactivas durante una tormenta y por qué las centrales eléctricas más antiguas, que funcionan con carbón y con altas emisiones de dióxido de carbono, se vuelven a conectar a la red en días de calma, circunstancias que se están volviendo más frecuentes a medida que Alemania produce una mayor parte de su energía del viento y del sol. Según el Gobierno Federal de Alemania, el país espera satisfacer aproximadamente el 50 por ciento de su demanda total de energía con energías renovables para el año 2030, y alcanzar el 80 por ciento de dichas fuentes para el 2050. Estos objetivos no se pueden cumplir sin sistemas de almacenamiento masivo de energía: sistemas capaces de capturar el exceso de energía cuando los vientos son intensos y luego enviarlos a la red cuando la demanda es alta. 

"Para enfrentar los desafíos futuros de un sistema de energía basado en energías renovables, necesitaremos una variedad de tecnologías de almacenamiento adecuadas para todo, desde períodos de segundos u horas hasta períodos de días o semanas a largo plazo", dice Katherina Reiche, Secretaria Parlamentaria de Estado del Ministerio Federal de Medio Ambiente de Alemania. Y Alemania ciertamente no está sola. Muchos otros países que ahora están avanzando hacia un mayor uso de fuentes de energía renovable también deberán aumentar sus redes eléctricas con sistemas de almacenamiento. "Estamos involucrados en discusiones detalladas en este momento en varios lugares, por ejemplo, en Dinamarca, Francia y Canadá", agrega Wolf.

 

Y cuando se trata de almacenar la energía producida por el exceso de electricidad, la electrólisis jugará un papel clave. Aquí, el agua se descompone en oxígeno y gas de hidrógeno por medio de una corriente eléctrica. A una presión de 200 bares, la densidad de energía del gas de hidrógeno es comparable a la de una batería de iones de litio. De este modo, grandes cantidades de gas podrían almacenarse en las cavernas subterráneas y domos de sal del tipo utilizado por los proveedores de gas natural como reservorios, o en la red de gas natural existente, que puede alojar hasta el cinco por ciento de hidrógeno sin dificultad. En términos puramente matemáticos, este último podría transportar 130 teravatios-hora de energía eléctrica en forma de hidrógeno, lo que representa casi un cuarto del consumo de energía de Alemania por año.

 Almacenamiento subterráneo

En días tranquilos o nublados, el gas de hidrógeno podría recuperarse de las cavernas y, por ejemplo, quemarse en una planta de energía de ciclo combinado que impulsa un generador eléctrico para producir electricidad. Por el momento, por supuesto, no hay turbinas que puedan quemar hidrógeno puro, pero a partir del 2018 podrían convertirse en una realidad. Por ejemplo, Siemens se está preparando meticulosamente para el desarrollo de turbinas de gas que pueden usar hidrógeno como combustible.  Aunque aproximadamente la mitad de la energía producida por el viento se perdería durante la electrólisis y la combustión subsiguiente en una turbina de gas, los molinos de viento ya no tendrían que apagarse debido a la sobrecapacidad.

 

Un electrolizador de 60 megavatios podría convertir el excedente de energía producido por un gran parque eólico. Además, el problema de la producción de energía fluctuante se resolvería. “En Alemania, dependiendo de la naturaleza del expectante consumo de energía, necesitaremos un máximo de 400 reservorios de cavernas para hidrógeno con un volumen de aproximadamente 500,000 metros cúbicos cada uno. En la actualidad, también se podrían utilizar 200 de estos depósitos de gas natural ", dice Wolf


“El máximo de 60 teravatios-hora de energía que podría almacenarse en estas instalaciones corresponde a aproximadamente el diez por ciento de la demanda anual de Alemania. Eso sería suficiente para atraer a los consumidores durante periodos relativamente largos de baja producción de energía eólica o solar”. Dos pequeñas cavernas de hidrógeno en el Reino Unido y en Estados Unidos han estado en operación durante años. Estas instalaciones han demostrado que esta forma de almacenamiento es segura. Los expertos esperan que una planta de almacenamiento de hidrógeno típica cueste entre 10 y 30 millones de euros.


Las empresas de servicios públicos también deben invertir en plantas de gas y electrólisis, que normalmente requieren una inversión de entre 50 y 700 millones de euros, dependiendo de la producción de la planta.

Queremos reducir drásticamente las emisiones de CO2. Así que estamos construyendo y desarrollando nuevas tecnologías eficientes de centrales eléctricas y operando más y más parques eólicos " 
Dr. Sebastian Bohnes, Departamento de Investigación de RWE Power, de Alemania.

Las compañías eléctricas ven un gran potencial en la tecnología del hidrógeno 

“Hoy, las velocidades de las turbinas eólicas se aceleran, principalmente debido a cuellos de botella en la red eléctrica. Los esfuerzos para expandir el uso de energías renovables podrían llevar a un rápido aumento de las sobrecapacidades. La electrólisis ofrece una forma interesante de almacenar, en forma de gas de hidrógeno, la electricidad que no se puede usar de inmediato ". Esto presupone que los electrolizadores que producen el gas fuente de electricidad tienen la capacidad de reaccionar rápidamente al suministro fluctuante de energía. Hasta ahora, los sistemas, que tienen un tiempo de reacción de unos pocos minutos, han sido demasiado lentos.

Fábrica Flexible de Hidrógeno 

Por años, investigadores de Siemens Corporate Technology han estado puliendo una tecnología de electrólisis alternativa que es mucho más flexible. En su electrolizador, una membrana de intercambio de protones (PEM por sus siglas en inglés) separa los dos electrodos en los que se forman el oxígeno y el hidrógeno, en contraste con la tecnología convencional de electrólisis alcalina. "Este electrolizador PEM reacciona en milisegundos y puede manejar fácilmente tres veces su potencia nominal por un tiempo. En otras palabras, incluso si hay un fuerte aumento en la generación de energía, puede hacer uso del exceso de energía sin ninguna dificultad ".

 

La tecnología PEM de Siemens ya está lo suficientemente madura como para salir del laboratorio y pasar a aplicaciones prácticas. Sobre la base de investigación de un electrolizador de investigación con una potencia nominal de diez kilovatios (kW) e instalaciones de prueba iniciales con un rendimiento máximo de 300 kW, el equipo de electrólisis ahora está trabajando en su segunda generación de productos: un electrolizador de presión que tendrá una potencia nominal de 1,25 megavatios (MW) y una potencia máxima de 2,1 megavatios. En julio del 2015, tres sistemas de electrólisis con una potencia combinada de hasta 6 MW estarán en servicio en un proyecto de investigación en Mainz, Alemania. El hidrógeno que producen a partir de fuentes de energía renovable se integrará en la red eléctrica de gas como medio de almacenamiento de energía. Se utilizará para procesos industriales y se suministrará a una estación de distribución de hidrógeno para vehículos con celdas de combustible. Como resultado, el hidrógeno no tendrá que ser transportado a las estaciones a través de camiones cisterna, ya que se producirá en el sitio. En el futuro, se podría producir hidrógeno para los vehículos de celdas de combustible en la estación de servicio.

Gracias a esta nueva generación de electrolizadores, los costos anteriores de la producción de hidrógeno, que ascendieron a más de € 10.000 por kilovatio de carga instalada, podrían reducirse a menos de € 2.000 por kilovatio. Las mejoras adicionales en diseño reducirán los costos a menos de € 900 por kilovatio para el 2018, a más tardar. Para entonces, se espera que la tercera generación de electrolizadores de Siemens pueda albergar hasta 100 MW, convirtiendo así el exceso de electricidad generada por el viento en hidrógeno en grandes cantidades. Un electrolizador de 60 a 90 megavatios sería suficiente para convertir el excedente de energía de un gran parque eólico.

 

Esto destaca una de las principales ventajas del hidrógeno: su versatilidad. Se puede volver a convertir en electricidad, puede impulsar automóviles o se puede "metanizar", un proceso en el que el hidrógeno reacciona con el dióxido de carbono para formar metano, el principal componente del gas natural. De este modo, la energía del hidrógeno podría almacenarse en la infraestructura de distribución de gas existente. Pero también podría usarse para calentar o conducir vehículos a gas. "La metanización es una buena idea, en principio", dice Wolf, el experto de Siemens. “Pero el proceso es solo neutral en carbono, si tanto el H2 como el CO2 provienen de una fuente renovable, como una planta de biomasa. Y no hay que olvidar que la conversión de hidrógeno en metano también requiere energía, por lo que, en términos de energía, siempre es más efectivo usar hidrógeno directamente ".

El Equipo Gaseoso de Ensueño

Esta fase de ampliación añadirá más de un gigavatio a la red eléctrica local antes del 2019. Permitiendo que la potencia instalada del Sistema Interconectado Nacional de Bolivia aumente aproximadamente un 50 %. Las centrales proveerán un suministro eléctrico seguro a la población del país, sentando así las bases para exportaciones futuras.

 

Se prevé que la generación eléctrica en Bolivia alcance 14,2 TWh (casi el doble del nivel actual) en 2026. Esto hará que la exportación eléctrica de Bolivia iguale la demanda interna antes del 2025. El objetivo último de la nación es abastecer a sus países limítrofes y convertirse en el polo energético de América del Sur.

 

Como parte de su compromiso de apoyar a Bolivia en sus esfuerzos por electrificar a su creciente población, Siemens está construyendo un nuevo y moderno centro de servicio y formación. Está diseñado para proveer servicios tradicionales y digitales especializados con alta tecnología de Siemens a clientes energéticos de Bolivia y Sudamérica. Siemens está invirtiendo más de 23 millones de $ en las dependencias, que darán empleo a unas 130 personas.

El hidrógeno no solo es un portador de energía perfecto, sino también una materia prima importante para la industria química, que actualmente se obtiene casi exclusivamente del gas natural.


Por un lado, el objetivo debe ser producir hidrógeno a través de energía renovable a aproximadamente el mismo costo que su producción a partir del gas natural. Por otro lado, el hidrógeno (H2) podría formar un verdadero equipo de ensueño con el gas de efecto invernadero: el dióxido de carbono. El uso de CO2 para la producción de productos químicos en combinación con energías renovables es el tema de un proyecto de investigación que Siemens, RWE, Bayer Technology Services, Bayer MaterialScience y otros diez socios lanzaron en el 2010.  Conocido como CO2RRECT (Reacción de CO2 usando energías regenerativas y tecnologías catalíticas), el proyecto tuvo un valor de € 18 millones y fue financiado con € 11 millones del Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania.

 

La idea básica detrás del proyecto CO2RRECT es que el monóxido de carbono (CO), que es un producto intermedio importante de la industria química, y que tradicionalmente se ha obtenido de fuentes de energía fósil, podría producirse a partir de dióxido de carbono e hidrógeno, con el agua generada como producto de desecho. "Esta reacción tiene lugar utilizando catalizadores especiales que Bayer está desarrollando con socios de la comunidad científica", dice Daniel Wichmann de Bayer, director y líder del proyecto CO2RRECT. "Con un catalizador diferente, también es posible producir ácido fórmico, que también es un ingrediente básico importante para la química orgánica".

 

El factor crucial en todo esto es que el CO2 y el H2 deben estar disponibles en cantidades suficientes, y eso fue responsabilidad de los socios del proyecto Siemens y RWE. En el estado alemán de Renania del Norte-Westfalia, la compañía energética RWE opera una central eléctrica de lignito en Niederaußem, que está equipada con un sistema de gases de combustión que elimina el CO2 de las emisiones de la central eléctrica. El gas se pone posteriormente a disposición de los investigadores que están estudiando la utilización del CO2.

 

Como parte de este trabajo, uno de los contenedores de electrólisis de Siemens se instaló en Niederaußem a fines de 2012 y se probó en condiciones reales. Los perfiles de carga específicos de la red y las características de consumo de los parques eólicos reales fueron simulados y transferidos a la electrólisis como una curva de rendimiento. La simulación fue un éxito. La electrólisis cumplió con las demandas dinámicas que se le impusieron y produjo seis toneladas de hidrógeno en el curso del proyecto, para fomentar un mayor uso del material.

Del CO2 a los Plásticos

En Leverkusen, Bayer y su socio Invite construyeron una planta de prueba cuya apertura se programó para el 2014. En el sitio de prueba, el CO2 y el H2 reaccionan para formar el CO. Si el proceso es efectivo, el CO generado de esta manera podría eventualmente ser utilizado a escala industrial, por ejemplo, para la producción rentable de isocianatos. Estos compuestos orgánicos se pueden usar como materia prima para el poliuretano, que se encuentra en todo, desde automóviles y muebles hasta en aislamientos. "Con la planta de prueba, queremos demostrar que la producción de hidrógeno fluctuante se puede combinar con los procesos constantes que necesita la industria química", dice Wichmann.

 

CO2RRECT se completó con éxito a fines del 2013. Hasta ahora, las empresas químicas y los productores de energía se han beneficiado de sus resultados. Los operadores de plantas de energía pueden hacer un buen uso del CO2 extraído, en lugar de simplemente almacenarlo bajo tierra. También evitan gastos por certificados de emisiones. Los fabricantes de plásticos, a su vez, reducen su dependencia del petróleo. Y finalmente, el clima también se beneficia. "A través del proceso CO2RRECT y los refinamientos continuos de esta tecnología, es posible evitar la producción de varios millones de toneladas métricas de emisiones de CO2 por año en Alemania", dice Bohnes. "Y eso sería equivalente de uno a un dos por ciento de las emisiones totales de dióxido de carbono de Alemania".

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