Producción de hidrógeno azul para satisfacer la demanda de la industria

A medida que el cambio climático y los objetivos globales entorno a la reducción de carbono estimulan la investigación en el uso del hidrógeno como fuente de energía, están surgiendo diversos métodos de producción, cada uno de los cuales presenta sus propios beneficios y desafíos. Si bien el hidrógeno verde, producido enteramente a partir de fuentes renovables, representa el ideal de un futuro sostenible, las limitaciones económicas, tecnológicas y de escalabilidad que presenta actualmente, hacen necesario aumentar la producción de otros colores de hidrógeno para garantizar la viabilidad del hidrógeno como fuente de combustible.

Hoy en día, la mayor parte del hidrógeno producido a nivel mundial es hidrógeno gris y azul. Ambos tipos de hidrógeno se obtienen mediante el reformado de metano por vapor (SMR) o el reformado autotérmico (ATR), que suelen utilizar gas natural como materia prima. Si bien ambos colores se basan en los mismos métodos de producción, el hidrógeno azul va un paso más allá del gris, ya que captura y almacena las emisiones de carbono generadas durante su producción para evitar su liberación a la atmósfera. Por este motivo se considera un hidrógeno bajo en carbono.

El reformado de metano por vapor (SMR) es un proceso termoquímico consolidado en el cual una fuente de metano, como el gas natural, reacciona con vapor a alta temperatura, generalmente entre 3 y 25 bar (43,5-363 psi), en presencia de un catalizador. Este método se utiliza desde hace tiempo en industrias de refinado, fabricación de fertilizantes y producción de metanol.

Esta reacción produce un gas de síntesis, una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono. A continuación, una reacción de desplazamiento de agua-gas (WGS) convierte el monóxido de carbono en más hidrógeno, produciendo dióxido de carbono y una pequeña cantidad de monóxido de carbono como subproductos.

El reformado autotérmico (ATR) es un método más reciente, indicado especialmente para producir hidrógeno a gran escala. Si bien el equipo necesario para generar las reacciones requiere una mayor inversión de capital, este método favorece una captura de carbono más eficiente. Esto se debe a la dosificación controlada de oxígeno en la unidad de reformado, que reduce la producción de monóxido de carbono y genera una corriente de dióxido de carbono más pura en comparación con el proceso de SMR.

Asimismo, como el ATR oxida parcialmente el metano con oxígeno para producir gas de síntesis, no es necesario recurrir a una fuente de calor externa. Al igual que en el SMR, una reacción WGS maximiza el rendimiento de hidrógeno.

La elección entre el SMR y el ATR para producir hidrógeno azul depende de una evaluación detallada de varios factores, entre los que se incluyen, entre otros:

• Escala de producción deseada
• Pureza de hidrógeno requerida
• Composición del gas natural que se utiliza como materia prima
• Acceso a capital
• Costes de operación previstos
• Panorama económico global o regional

El SRM para producir hidrógeno azul se basa en tres reacciones clave y un cuarto paso opcional.

1. Reformado del metano
En esta reacción primaria, el metano (CH₄), generalmente procedente del gas natural, reacciona con vapor (H₂O) a una temperatura (700-1100 °C/1300-2000 °F) y presión (3-25 bar/43,5-363 psi) elevadas en presencia de un catalizador a base de níquel. Esta reacción produce gas de síntesis, una mezcla de hidrógeno (H₂) y monóxido de carbono (CO). Es endotérmica, lo que significa que es necesario aportar calor para poder llevarla a cabo.

CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol)

2. Reacción de desplazamiento de agua a gas
A continuación, el gas de síntesis experimenta una reacción WGS, en la cual el monóxido de carbono reacciona adicionalmente con vapor en presencia de un catalizador, comúnmente óxido de hierro o cobre, para generar más hidrógeno y dióxido de carbono (CO₂). Esta reacción es exotérmica, lo que significa que libera calor.

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

3. Eliminación de dióxido de carbono
La mezcla de gases resultante en esta etapa está formada principalmente por hidrógeno, dióxido de carbono y una pequeña cantidad de metano sin reaccionar. El dióxido de carbono se elimina mayormente mediante el tratamiento con gas de amina, que consiste en disolver el dióxido de carbono en soluciones de amina, dando a lugar a una corriente de hidrógeno purificado.

Solución de CO₂ + Amina ⇌ Complejo Amina CO₂ (representación química simplificada)

4. Purificación de hidrógeno (opcional)
Dependiendo del grado de pureza deseado, se pueden añadir pasos de purificación adicionales. Los dos métodos utilizados con mayor frecuencia son la adsorción por cambio de presión (PSA), que utiliza materiales adsorbentes para capturar selectivamente el dióxido de carbono y la separación por membranas, que emplea membranas especializadas que permiten el paso exclusivo del hidrógeno.

Los catalizadores son fundamentales para acelerar las reacciones en el SMR. Sin embargo, con el tiempo, estos catalizadores se desgastan y necesitan ser regenerados o reemplazados. El proceso endotérmico de reformado de metano y la reacción exotérmica de desplazamiento de gas-agua (WGS) demandan una gestión precisa del calor para garantizar un funcionamiento eficiente.

El principal atractivo del ATR en comparación con el SMR es su mayor reducción de las emisiones de monóxido de carbono y, por tanto, una mayor eficiencia en la captura de dióxido de carbono: alcanza una eficiencia del 95 % frente al 60 % del SMR. En el ATR para obtener hidrógeno azul se llevan a cabo los siguientes pasos críticos.

1. Precalentamiento y mezcla de las materia primas
El gas natural (principalmente metano) y el vapor se precalientan y se añaden cantidades controladas de oxígeno (O₂) a la mezcla.

2. Combustión
Una fracción del metano reacciona con el oxígeno añadido en una reacción de combustión altamente exotérmica, produciendo el calor necesario para la subsiguiente reacción de reformado.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (ΔH = -890 kJ/mol)

3. Reformado
El calor generado durante la combustión alimenta las reacciones endotérmicas de reformado.

Reformado con vapor: CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol)
Oxidación parcial: 2CH₄ + O₂ ⇌ 2CO + 4H₂ (ΔH = -36 kJ/mol)

4. Reacción de desplazamiento de agua-gas
Al igual que en el SMR, el monóxido de carbono generado en las reacciones de reformado reacciona adicionalmente con vapor en presencia de un catalizador para producir más hidrógeno y dióxido de carbono:

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

5. Eliminación de dióxido de carbono
Al igual que en el SMR, el dióxido de carbono se elimina de la mezcla de gases, normalmente mediante un tratamiento con gas de amina, generando una corriente de hidrógeno purificado.

6. Purificación de hidrógeno (opcional)
Para alcanzar una mayor pureza del hidrógeno, se pueden seguir pasos de purificación adicionales, como la adsorción por cambio de presión (PSA) o la separación por membranas, según sea necesario.

El SMR es más simple y menos costoso de implementar que el ATR, ya que el SMR no necesita una fuente continua de oxígeno. El ATR es autosuficiente en cuanto a la generación de calor gracias a la reacción de combustión que tiene lugar. De esta forma se elimina la necesidad de tener que disponer de una fuente de calor externa una vez se ha iniciado el proceso, de modo que es más eficiente energéticamente en comparación con el SMR.

Además, el ATR normalmente da lugar a una mayor proporción de hidrógeno y monóxido de carbono en el gas de síntesis, lo cual puede ser beneficioso para ciertas aplicaciones posteriores. Los sistemas ATR también suelen responder de manera más rápida y eficiente a las fluctuaciones en las demandas de producción. Por estas y otras razones, muchas de las nuevas instalaciones para la producción de hidrógeno azul suelen utilizar el ATR como tecnología principal.

El debate sobre el hidrógeno azul no está completo sin abordar la captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS). Estos procesos complejos comienzan separando el dióxido de carbono de otros gases en una corriente de escape, normalmente mediante tecnologías de absorción con aminas, que capturan el carbono de manera selectiva.

Una vez capturado, el dióxido de carbono se comprime y se licua hasta alcanzar un estado supercrítico, lo que facilita su transporte eficiente, generalmente a través de tuberías, a formaciones geológicas adecuadas para su almacenamiento a largo plazo. Los posibles sitios de almacenamiento incluyen yacimientos de petróleo y gas agotados, acuíferos salinos profundos y formaciones de domos de sal.

Si bien los sitios de captura y almacenamiento de carbono (CCS) proporcionan una solución para gestionar las emisiones, persisten algunas dudas sobre su seguridad a largo plazo. Incluso pequeñas fugas podrían afectar los ecosistemas cercanos y las aguas subterráneas.

Actualmente hay un debate abierto sobre el impacto ambiental del hidrógeno azul en comparación con el hidrógeno verde, este último producido mediante energías renovables. Hay quien argumenta que priorizar el hidrógeno azul podría posponer la transición hacia las energías renovables y la producción de hidrógeno verde.

Desde una perspectiva financiera, los costes asociadas a la CCS pueden hacer que el hidrógeno azul sea más caro que el hidrógeno gris. Sin embargo, estos costes están disminuyendo gradualmente. Asimismo, factores como los impuestos al carbono aplicados al hidrógeno gris, los incentivos gubernamentales para el hidrógeno azul y los sistemas de topes y comercio podrían hacer que el hidrógeno azul (o incluso el verde) sea más económicamente viable.

Más allá de los aspectos ambientales y económicos, el éxito de la producción de hidrógeno azul depende de una sofisticada red de instrumentación y sistemas de control integrados que garanticen la fiabilidad, eficiencia y seguridad del proceso. Tanto el SMR como el ATR precisan amplios conjuntos de sensores para monitorizar de forma continua los parámetros del proceso. Estos datos en tiempo real se envían a sistemas de control avanzados para optimizar la producción, reducir los residuos y mitigar los riesgos.

Los sensores de temperatura, esenciales para mantener unas condiciones de reacción óptimas y evitar la degradación del catalizador, operan junto con los sensores de presión, que garantizan unas condiciones seguras en los reactores y tuberías. Los caudalímetros registran de manera precisa el flujo de gases y líquidos a lo largo del proceso, permitiendo un control exacto de las proporciones de reactivos y de los flujos de productos. Los caudalímetros también son fundamentales en todos los puntos de custody transfer.

Asimismo, los analizadores de gases, como la espectroscopia Raman y la espectroscopia de absorción láser de diodo sintonizable (TDLAS), proporcionan datos sobre la composición de la corriente en diversos puntos de control. Esto permite a los operadores validar la eficiencia del proceso, detectar problemas a medida que surgen y garantizar la pureza del hidrógeno.

A medida que la infraestructura del hidrógeno continúa evolucionando, el hidrógeno azul asume un papel esencial. Facilita los avances en la investigación y las mejoras en la eficiencia, mientras el hidrógeno verde avanza para alcanzar los niveles requeridos. En términos generales, el SMR y el ATR se consideran los métodos más viables para producir hidrógeno. Ambos equilibran los factores económicos y ambientales y han demostrado ser métodos consolidados a nivel tecnológico. Si bien los avances en la tecnología CCUS están mejorando las tasas de captura y la seguridad del almacenamiento a largo plazo, aún queda un largo camino por recorrer antes de que la producción de hidrógeno azul pueda superar de manera realista al hidrógeno gris.

Mientras el mundo lidia con las complejidades de un panorama energético en evolución, es esencial adoptar un enfoque equilibrado que tenga en cuenta las diversas variantes disponibles, evalúe las desventajas de cada tipo de hidrógeno y priorice la sostenibilidad a largo plazo para poder así asegurar el progreso en este ámbito. Para hacer realidad un panorama energético sostenible, será necesario utilizar diferentes tipos de hidrógeno, energías renovables, aumentar la electrificación y emplear de manera eficiente los combustibles fósiles, utilizando en todos los casos medidas para mitigar las emisiones. A fin de salir victoriosos de la revolución energética, debemos utilizar todas las herramientas a nuestra disposición y aplicar las soluciones más adecuadas para cada situación.