Fuente: Markusgann
Se denomina transición energética hacia la descarbonización al proceso de sustitución progresivo del sistema energético global basado en combustibles fósiles por un sistema basado en fuentes de energía que no generen emisiones netas positivas.
Las transiciones energéticas tienen lugar en el contexto de la crisis energética y medioambiental actual, marcadas principalmente por el uso de combustibles fósiles. En este sentido, la UE ha catalogado al hidrógeno como “solución sostenible clave” para alcanzar la neutralidad climática en 2050 y, más concretamente al sector industrial como “palanca clave” para acelerar el desarrollo tecnológico del hidrógeno en su forma libre de emisiones (i.e. hidrógeno verde). Las opciones de este elemento químico para la descarbonización pasan por utilizar hidrógeno verde (generado mediante electricidad de origen renovable) en sustitución del hidrógeno gris (aquel que es producido a partir de fuentes contaminantes) y/o como alternativa de los combustibles fósiles empleados en determinados procesos industriales (ver Figura 1).
Figura 1. Opciones del hidrógeno para la descarbonización. Fuente: elaboración propia.
En lo referente al desarrollo tecnológico del hidrógeno verde, el papel de los responsables políticos es clave. Por ello, resulta de especial interés disponer de una herramienta que facilite la toma de decisiones. En este sentido, desde GEEDS hemos creído necesario involucrarnos en este asunto con el objetivo de analizar las perspectivas de futuro del hidrógeno y las consecuencias de su uso a gran escala; en concreto, el tema de este post se centra en los usos de hidrógeno a nivel industrial en la Unión Europea, resumen del Trabajo Fin de Grado “Modelado en Dinámica de Sistemas del Sector del Hidrógeno en la Transición Energética”.
¿Cuál es la situación del sector del hidrógeno en la actualidad? ¿Cuáles son sus perspectivas de futuro?
El panorama actual del sector del hidrógeno se describe desde el punto de vista de la demanda y de la generación; la demanda de hidrógeno puede clasificarse en usos actuales y potenciales:
- Usos actuales: proviene exclusivamente del sector industrial, teniendo su aplicación en la industria química para la producción de amoniaco y metanol (50 % de la demanda total), en la industria petrolera para el refino del crudo (44 % de la demanda total), y en la industria siderúrgica para la producción de acero primario.
- Usos potenciales: en el sector industrial se contempla una demanda asociada a la producción de biocombustibles (refino de biomasa) y a la producción de acero utilizando exclusivamente hidrógeno como materia prima. Asimismo, pueden existir otras aplicaciones al margen de la industria en el sector del transporte, residencial o en el sector eléctrico. Estas últimas aplicaciones, a diferencia de las anteriores, no utilizan hidrógeno como materia prima sino como fuente de energía.
En cuanto a la generación de hidrógeno, las tecnologías de producción dependen de las materias primas, a saber; combustibles fósiles (gas natural y carbón), biomasa o electricidad. Los procesos más importantes en la actualidad son el de reformado con vapor de agua a partir de gas natural (SMR) y el de gasificación del carbón. Las vías de producción a partir de la biomasa y la electrólisis son tecnologías incipientes y en desarrollo. En el marco de la UE, actualmente la generación de hidrógeno tiene lugar únicamente a partir del SMR, mientras que la alternativa más prometedora para la descarbonización es la electrólisis.
¿Cuáles son las necesidades energéticas para el despliegue de hidrógeno verde en la industria de la Unión Europea? ¿Cuáles son sus emisiones asociadas?
Este análisis lo hemos llevado a cabo construyendo un modelo en Dinámica de Sistemas (disponible en el repositorio de la UVa) que nos ha permitido realizar estimaciones de los requerimientos energéticos, materiales y emisiones de CO2 asociadas al sector industrial del hidrógeno bajo diferentes escenarios futuros. Dados los usos actuales de hidrógeno en la industria y sus perspectivas de futuro, los procesos que involucran hidrógeno como fuente de energía (transporte, sector residencial, etc.) no se han tenido en cuenta en este estudio y, por lo tanto, en el futuro el consumo de hidrógeno sería aún mayor si se contemplasen el resto de sectores ajenos a la industria.
Para llevar a cabo el estudio, hemos analizado 5 escenarios para evaluar posibles evoluciones futuras: un escenario base que evoluciona de acuerdo con las tendencias actuales y tres escenarios de despliegue de hidrógeno electrolítico que se diferencian entre sí en cuestión de emisiones asociadas al mix eléctrico, velocidad de desarrollo tecnológico e inclusión de diferentes sectores en la demanda, además de un escenario adicional de decrecimiento.
En general, los resultados obtenidos por nuestra parte muestran que los beneficios ambientales del despliegue de hidrógeno verde son muy dependientes de las emisiones asociadas al mix energético presente en la red eléctrica: siguiendo las tendencias actuales de descarbonización de la red, en cuestión de emisiones, el hidrógeno verde no es una mejor opción que el hidrógeno gris hasta el año 2040, debido a que hasta entonces el consumo de electricidad para producir hidrógeno trae consigo unas emisiones elevadas. Solo en los casos más optimistas de descarbonización del mix eléctrico se tiene una clara ventaja del hidrógeno verde con respecto al gris.
Según nuestros cálculos el consumo eléctrico que supondría la utilización de hidrógeno verde en el sector industrial se dispararía muy por encima de las capacidades actuales de generación renovable, consumiendo, en el escenario con mayor demanda de H2, para el año 2050 en torno a un 50 % de la energía eléctrica generada en la UE actualmente (el hidrógeno se posicionaría como el principal consumidor de electricidad). Dadas las cifras, se plantea una cuestión abierta en lo referente a la capacidad de generación en el futuro; hay que asegurarse de disponer de suficiente potencia instalada como para abastecer semejante demanda de un sector específico como es el sector industrial del hidrógeno.
El consumo de agua en el sector debido a la producción de hidrógeno verde supone un incremento considerable con respecto a la situación actual con hidrógeno gris, llegando a triplicarlo e incluso quintuplicarlo, dependiendo del escenario. Este incremento en el consumo podría tener implicaciones relevantes sobre este importante recurso estacional, sobre todo en aquellas regiones (sur de Europa) donde la desertización es una amenaza potencial.
Sin embargo, no todo son malas noticias; una conclusión relevante que se ha extraído es la gran efectividad del hidrógeno para descarbonizar el sector siderúrgico en sustitución del carbón de coque utilizado actualmente. En cualquiera de los escenarios los resultados son prometedores.
Como conclusión; a pesar de sus ventajas, el uso de hidrógeno verde en la industria tiene una serie de inconvenientes muy serios: además del elevado consumo de agua y la gran dependencia con el mix eléctrico, el consumo de electricidad es preocupante dada su elevada magnitud, ¿de verdad tenemos tanta energía? Teniendo en cuenta que se trata de un sector muy específico, ¿a qué consumo llegaríamos si aplicamos el hidrógeno en el sector residencial o en el transporte? ¿Merece tanto la pena?
Siguiendo por esta línea, desde GEEDS trataremos de responder a las cuestiones anteriores, seguiremos investigando en materia de hidrógeno y estudiando su contribución, riesgos e impactos durante la transición energética.
Autor: Juan Manuel Campos Rodríguez
Referencias
Campos Rodríguez, J. M. (2022). Modelado en Dinámica de Sistemas del Sector del Hidrógeno en la Transición Energética [Trabajo Fin de Grado, Universidad de Valladolid].
https://uvadoc.uva.es/handle/10324/54409