¿Cómo se produce el hidrógeno?

A medida que la industria incorpora fuentes de energía sostenibles en la lucha contra el cambio climático, el hidrógeno emerge como una alternativa limpia y versátil a los combustibles fósiles. Sin embargo, para aprovechar el potencial de este combustible es necesario desarrollar e implementar métodos de producción eficientes, rentables y ambientalmente responsables. 

El alto coste del hidrógeno por unidad de energía, en comparación con los combustibles fósiles convencionales, sigue siendo uno de sus principales inconvenientes que obstaculiza su uso generalizado. Es por ello que los créditos fiscales y otros incentivos gubernamentales han sido cruciales para impulsar el desarrollo de la economía del hidrógeno, ya que ayudan a compensar el coste de su producción y uso. 

Hoy en día, el hidrógeno puede obtenerse mediante diversos métodos, cada uno de los cuales varía en cuanto a su viabilidad técnica, financiera y medioambiental. En esta página se proporciona una descripción general de los métodos de producción de hidrógeno más habituales, así como de algunos métodos experimentales que todavía se encuentran en fase de desarrollo. 

El hidrógeno ofrece diferentes ventajas técnicas interesantes como vector energético, como por ejemplo:

• Alto contenido energético por unidad de masa en comparación con los combustibles convencionales 
• Potencial de no generar emisiones de carbono en el lugar donde se utiliza al ser consumido en una pila de combustible 
• Ausencia de degradación de la energía cuando se almacena a largo plazo, una ventaja significativa en comparación con las baterías 
• Versatilidad en diversas aplicaciones, incluido el transporte y el almacenamiento de energía.

Sin embargo, la adopción generalizada del hidrógeno en la industria todavía debe hacer frente a desafíos significativos, principalmente relacionados con su infraestructura y coste.

Comparado con la gasolina sin plomo, el hidrógeno tiene una alta densidad energética por masa, pero no por volumen. En términos de masa, el hidrógeno tiene una densidad energética aproximadamente tres veces superior a la de la gasolina, lo que lo hace muy atractivo para aplicaciones en las que el peso es crucial, como el transporte de larga distancia.

Sin embargo, su baja densidad volumétrica requiere soluciones adicionales de almacenamiento, como por ejemplo la presurización, para obtener hidrógeno gaseoso o la licuefacción mediante técnicas criogénicas. Si bien estos métodos incrementan la densidad del hidrógeno, también aumentan la complejidad operativa y requieren un consumo adicional de energía para mantener el hidrógeno en su estado controlado, lo que requiere disponer de infraestructuras especializadas. Asimismo, dada su naturaleza inflamable y su propensión a generar fugas debido al pequeño tamaño de sus moléculas también es necesario establecer estrictos protocolos de seguridad a lo largo de toda la cadena de valor. 

El hidrógeno gris, el hidrógeno más utilizado en la industria, se obtiene a través de dos procesos termoquímicos principales: el reformado de metano con vapor (SMR) y el reformado autotérmico (ATR).

Tanto el SMR como el ATR utilizan hidrocarburos como materia prima, por lo general gas natural, el cual está formado principalmente por metano (CH₄). En el SMR, este metano se precalienta y se combina con vapor a alta temperatura (H₂O) en presencia de un catalizador dentro de una unidad de reformado. En el ATR se introduce vapor y un volumen controlado de gas oxígeno (O₂) dentro de la unidad de reformado, lo que provoca la combustión. A diferencia del SMR, el ATR no requiere calor externo para llevar a cabo el proceso de reformado de metano. 

Bajo condiciones extremas de temperatura en cualquiera de los procesos, el catalizador facilita la disociación de las moléculas de metano y agua en la unidad de reformado, rompiendo sus enlaces químicos. Este proceso de craqueo térmico produce una corriente de gas que contiene el hidrógeno deseado, junto con monóxido de carbono y trazas de dióxido de carbono. Los gases de carbono suelen quedar retenidos en lechos adsorbentes justo después del reformador, mientras que el hidrógeno fluye a través de la cámara para ser almacenado y utilizado posteriormente cuando sea necesario. 

En las aplicaciones en las que se libera dióxido de carbono a la atmósfera, el hidrógeno producido es conocido como "hidrógeno gris". Si, en cambio, el CO₂ se secuestra, el hidrógeno se denomina "azul".

El método de reformado ATR es más eficiente desde el punto de vista energético que el SMR, ya que no necesita una fuente de calor externa. Además, la dosificación controlada de oxígeno en la unidad de reformado reduce significativamente la producción de monóxido de carbono, generando una corriente de dióxido de carbono más pura que la obtenida mediante SMR. Esto lo hace especialmente adecuado para producir hidrógeno azul. Sin embargo, el ATR es más complejo de monitorizar y controlar, especialmente en lo que respecta a la combustión, un proceso que plantea importantes inquietudes en cuanto a la seguridad. 

La viabilidad ambiental del hidrógeno azul depende de la eficacia y la escalabilidad de las tecnologías de captura y almacenamiento de carbono (CCS), que aún se encuentran en continua investigación y desarrollo.

El hidrógeno turquesa se produce mediante la pirólisis del metano, un proceso en el que el gas natural se calienta a temperaturas extremas (superiores a 900 °C o 1652 °F), descomponiéndose en hidrógeno gaseoso y carbono sólido. El subproducto de carbono en estado sólido se captura con mayor facilidad que en su forma gaseosa.

Cuando el calor utilizado para llevar a cabo la pirólisis proviene de fuentes renovables, como la solar o la geotérmica, el hidrógeno turquesa se convierte en una opción aún más limpia y sostenible. Aunque este método de producción muestra un gran potencial, aún se encuentra en sus fases iniciales, por lo que es necesario demostrar la viabilidad de su uso a una mayor escala y garantizar que el carbono capturado pueda almacenarse de manera permanente.

El hidrógeno verde es considerado el estándar por excelencia de hidrógeno sostenible, ya que se obtiene a partir de energías renovables como la solar, eólica o hidroeléctrica, mediante la electrólisis del agua.

La electrólisis es un proceso que divide las moléculas de agua (H₂O) en hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂) utilizando energía eléctrica. Un electrolizador está formado por dos electrodos (un ánodo y un cátodo) y un electrolito, que es una solución conductora que facilita el flujo de iones entre los electrodos. 

Al fluir electricidad de corriente continua a través del sistema, se produce una reducción en el cátodo, que capta electrones. Esto atrae aniones cargados negativamente del electrolito para ocupar el vacío dejado por los electrones captados por el cátodo. La oxidación se produce en el ánodo, liberando electrones y haciendo que los cationes cargados positivamente del electrolito migren hacia este. 

En el cátodo, los átomos de hidrógeno (H+) cargados positivamente ganan electrones y forman gas hidrógeno. Simultáneamente, en el ánodo, las moléculas de agua pierden electrones, liberando gas oxígeno y reponiendo los iones de hidrógeno que se mueven hacia el cátodo. 

El resultado neto es la separación del agua en moléculas de gas hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno verde se almacena, mientras que el oxígeno puede liberarse a la atmósfera sin generar ningún tipo daño. 

Asimismo, el hidrógeno verde permite aprovechar de manera sostenible el exceso de energía renovable disponible, almacenándola para abastecer la red en momentos de mayor demanda. A diferencia de la energía almacenada en baterías, la energía almacenada en hidrógeno no se degrada con el tiempo, lo que la hace especialmente útil para el almacenamiento de energía estacional o a largo plazo.

Sin embargo, las leyes de la termodinámica establecen que la energía requerida para llevar a cabo la electrólisis en la producción de hidrógeno es superior a la energía obtenida del producto final. Las estimaciones actuales del Laboratorio Nacional de Energía Renovable sugieren que la electrólisis tiene una eficiencia del 70-80 %, lo que implica que una parte de la energía renovable empleada en el proceso se encuentra disponible como energía potencial del hidrógeno producido.

Además, la infraestructura de los electrolizadores se encuentra en una etapa temprana y es necesario desarrollarla de forma significativa y mejorar la eficiencia antes de poder ampliar su uso a gran escala. 

Existen métodos menos habituales para producir hidrógeno, como, por ejemplo, la división fotocatalítica del agua mediate energía nuclear, así como diversos procesos biológicos y bioquímicos.

Producción de hidrógeno mediante energía nuclear
La electrólisis impulsada por energía nuclear es una opción emergente para producir hidrógeno a gran escala y sin liberar carbono. Se conoce como el "hidrógeno rosa" y todavía se está desarrollando. Las plantas de energía nuclear, al operar de forma continua, proporcionan una fuente de energía estable para la producción de hidrógeno y eliminan así los problemas de intermitencia que conllevan las energías renovables. No obstante, la inquietud de la población en relación a la seguridad nuclear, la gestión de residuos y el riesgo de proliferación son un obstáculo para su implementación.

División fotocatalítica del agua
Aprovechando directamente la energía solar, este proceso emplea materiales semiconductores que absorben la luz del sol para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno sin necesidad de electricidad. Cuando los fotones inciden en un semiconductor fotocatalizador, excitan a los electrones, que proporcionan la energía para iniciar una reacción química, imitando la fotosíntesis en las plantas.

Aunque aún falta mucho para poder implementar este método a gran escala, es necesario llevar a cabo más investigaciones para desarrollar materiales fotocatalíticos rentables. Sin embargo, los ensayos preliminares muestran que su eficiencia es mucho mayor que la de la electrólisis convencional alimentada por electricidad. 

Producción biológica y bioquímica de hidrógeno 
Otro método emergente para producir hidrógeno utilizable en el futuro es la biofotólisis. Este proceso aprovecha la fotosíntesis de algas y cianobacterias para generar hidrógeno a partir de reservas de agua. Además, las reacciones enzimáticas pueden catalizar la producción de hidrógeno a partir de biomasa o agua. 

Aunque estos métodos son actualmente experimentales, explorar los límites y posibilidades de la producción de hidrógeno es esencial para fortalecer la economía del hidrógeno como una vía eficiente y viable para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero generadas por la industria. 

Para producir y utilizar hidrógeno de manera eficaz, es esencial tener en cuenta los factores financieros, técnicos y ambientales que faciliten la toma de decisiones informadas. El perfeccionamiento y la proliferación de diversos métodos de producción de hidrógeno aumentarán su viabilidad en numerosas aplicaciones. 

Si bien actualmente los métodos más empleados para producir hidrógeno gris son el SMR o el ATR, los incentivos fiscales gubernamentales están fomentando la producción del hidrógeno azul, en el cual se utilizan tecnologías de captura de carbono para reducir el impacto ambiental. El hidrógeno verde, obtenido por electrólisis mediante energías renovables, ofrece una solución más sostenible. No obstante, su escalabilidad y rentabilidad aún dependen del desarrollo de las tecnologías necesarias para hacerlo viable. 

Métodos emergentes como la pirólisis de metano y la división fotocatalítica del agua ofrecen alternativas prometedoras, pero aún se encuentran en una etapa inicial y necesitan una mayor investigación y desarrollo. Así, pues, para posicionar al hidrógeno como la piedra angular de la energía sostenible es esencial adoptar un enfoque multifacético que integre una amplia gama de métodos de producción, acompañado de políticas de apoyo e innovación continua.