10 términos más relevantes del hidrógeno verde

Comprender los conceptos clave relacionados con el hidrógeno verde y su producción es esencial para entender el potencial que tiene para construir una sociedad más limpia. Iberdrola lidera el desarrollo mundial del hidrógeno verde con más de 60 proyectos en países como España, Reino Unido, Australia, Brasil y Estados Unidos, que responden a las necesidades de electrificación y descarbonización de sectores tan importantes como la industria o el transporte pesado.

Hidrógeno

El hidrógeno es el elemento químico más abundante y ligero del universo, con un peso atómico de 1. Es un elemento esencial para la vida en la Tierra y forma parte de toda la materia viva, el agua y está presente en la atmósfera terrestre en una proporción en torno a un 0,00005 %, principalmente en el vapor de agua. 

El hidrógeno se encuentra, además, en hidrocarburos y otros compuestos. Es posible obtener hidrógeno molecular de forma artificial. Las principales aplicaciones del hidrógeno las tenemos en la industria, la energía y el transporte.

Hidrógeno verde

Se entiende por hidrógeno verde la generación de hidrógeno a través de un proceso químico conocido como electrólisis, empleando fuentes de energía limpias. Este método utiliza la corriente eléctrica para separar el hidrógeno del oxígeno que hay en el agua, por lo que, si esa electricidad se obtiene a partir de fuentes renovables, produciremos energía sin emitir dióxido de carbono a la atmósfera, y decimos que este tipo de hidrógeno es verde.
 

Fuente de energía renovable 

En la generación de hidrógeno verde, la fuente de energía eléctrica que alimenta el electrolizador es fundamental. Efectivamente, para que la generación de hidrógeno pueda certificarse como verde, es necesario contar con una fuente de energía 100 % renovable. En nuestro caso, empleamos energía renovable procedente de plantas eólicas, solares o hidroeléctricas.

Electrólisis

La electrólisis es un proceso mediante el que se separan los elementos de un compuesto químico gracias a la aplicación de una corriente eléctrica. En este tipo de reacciones, se liberan electrones por los aniones en el ánodo (oxidación) y se captan electrones por los cationes en el cátodo (reducción).

En concreto, la electrólisis del agua nos permite obtener los componentes básicos de este líquido mediante la electricidad. Es decir, a partir del H₂O, obtenemos, por un lado, H₂ y por otro O₂. El origen de la electricidad, es decir, si procede de fuentes renovables, o no, es lo que determina si estamos obteniendo hidrógeno verde, o no.

Reacciones de oxidación-reducción

Las reacciones de óxido-reducción son procesos químicos en los que ocurre una transferencia de electrones entre sustancias. En el caso concreto de la electrólisis del agua, al aplicar una corriente continua a través de los electrodos sumergidos en agua (PEM) o disolución de potasa (Alcalino), el hidrógeno aparece en el cátodo (donde los electrones entran en el agua) y el oxígeno en el ánodo. El hidrógeno gaseoso liberado de este modo puede utilizarse como combustible, pero debe mantenerse separado del oxígeno, ya que en caso contrario se generaría una mezcla explosiva.

Las reacciones de tipo PEM se entienden mejor explicando ambos conceptos, tanto la parte de oxidación como la de reducción. La reacción de oxidación se conoce también como reacción anódica, porque ocurre en el ánodo durante la electrólisis. En este proceso, los iones de oxígeno (O₂-) se oxidan para formar oxígeno molecular (O₂). El oxígeno producido se libera como un subproducto del proceso de generación de hidrógeno verde.

La otra reacción, la de reducción, se conoce como reacción catódica porque sucede en el cátodo. En el caso de la electrólisis del agua, esta es la reacción por la que los iones de hidrógeno (H+) se reducen a dihidrógeno (H₂). Ese hidrógeno gaseoso puede ser almacenado y utilizado como combustible limpio en diversas aplicaciones.

Electrolizador

El electrolizador es la pieza central en todo el proceso de producción de hidrógeno verde. Lo que desde fuera puede parecer una simple nave industrial, es en realidad, en su interior, un sistema de convertidores, stacks, separadores de gases, intercambiadores de calor, válvulas, instrumentación y otros componentes necesarios para que el proceso de electrolisis se lleve a cabo. En su corazón residen las piezas clave que hace que se originen las reacciones de oxidación-reducción, que es lo que se conoce como stack de electrólisis. 

Stack

El stack de electrólisis es el elemento principal de un electrolizador, es el lugar donde se producen las reacciones de oxidación reducción y, por tanto, donde se produce la rotura de la molécula de agua en sus compuestos elementales (hidrógeno y oxígeno). El stack está formado por un apilamiento de celdas de electrolisis, y cada celda de electrolisis está formada por placas bipolares, ánodo, cátodo y membrana. 

Una única celda de electrólisis produce poca cantidad de hidrógeno, motivo por el que se apilan cientos de celdas de electrolisis en serie para obtener producciones de hidrógeno razonables.

Al aplicar una diferencia de potencial en corriente continua entre los ánodos y los cátodos de todas y cada una de las celdas de electrólisis, se produce la rotura de la molécula de agua y la producción de hidrógeno, oxígeno y calor (al no ser la eficiencia del proceso del 100%).

Compresor 

El hidrógeno tiene una alta densidad energética por unidad de masa, pero, muy poca densidad energética por unidad de volumen. Esto significa que se necesita algún tipo de compresión, licuefacción o conversión del hidrógeno a lo largo de las diferentes etapas de la cadena de suministro, desde las unidades de electrólisis hasta la conversión, el almacenamiento y la distribución para poder disponer de una cantidad de energía suficiente en un volumen razonable. 

Si nos centramos en la compresión como forma de aumentar la densidad energética del hidrógeno, el compresor de hidrógeno es el elemento principal. 

Los principales compresores de hidrógeno que se utilizan en la actualidad son los siguientes:

• Compresores de pistón, son los compresores más utilizados para aplicaciones que requieren caudales moderados e incrementos de presión elevados.
• Compresores centrífugos, son los compresores más utilizados para aplicaciones en las que hay que mover un caudal elevado con un incremento moderado de presión.
• Compresores iónicos son similares a los compresores de pistón, pero utilizan líquidos iónicos en lugar de pistones. La ventaja de este tipo de compresores es que es imposible que el hidrógeno se contamine por contacto con aceite.

Almacenamiento

El almacenamiento de hidrógeno es una parte esencial de la cadena de suministro de esta fuente de energía. El hidrógeno es un gas ligero y altamente inflamable, por tanto, se debe almacenar de manera segura y eficiente. Se puede hablar de dos tipos de almacenamiento de hidrógeno según su portabilidad: estacionario y no estacionario. Por otro lado, también puede ser almacenado de varias formas, según sus propiedades físicas y el tipo de tecnología de almacenado, incluyendo el almacenamiento en estado líquido, sólido y gaseoso, así como sistemas de alta presión.

La forma de almacenamiento más común y con mayor nivel de madurez tecnológica es la de gas comprimido. Según sea el material de fabricación de los tanques, así será la presión de almacenamiento que se puede alcanzar. En la actualidad se utilizan materiales compuestos para la construcción de estos tanques, con el fin de poder aumentar la presión y reducir, a la vez, el tamaño del contenedor para la misma cantidad de gas.

Hidrogeneras

Las hidrogeneras son estaciones de servicio que proporcionan hidrógeno como combustible para todo tipo de vehículos, si bien los que tienen sentido alimentarse con hidrógeno son los vehículos pesados (autobuses, camiones, barcos, aviones). Estas instalaciones son vitales para la infraestructura de transporte basada en el hidrógeno y desempeñan un papel clave en la promoción de la movilidad sostenible.