Hidrógeno como vector energético.

Abstract

La demanda energética, al igual que la población mundial, siguen en aumento: el consumo energético final mundial en 1990 alcanzaba los 6.262 Mtoe, mientras que para 2016 llegó a 9.555 Mtoe y para 2021 alcanzó los 14.221 Mtoe . Para 2030 se proyecta que 1 la demanda alcance los 15.755 Mtoe, en un escenario mundial muy dinámico donde se hace cada vez más urgente la descarbonización global. Nuestro país no escapa a esa tendencia y en el mismo período la demanda energética creció de 1.940 ktoe en 1990 alcanzando los en 4.699 ktoe en 2016 y 5.644 ktoe 20212, respectivamente. La electricidad sigue afirmándose como el “combustible” del futuro, con un aumento de la demanda mundial del 1,3% en 2019 con respecto al año anterior, alcanzando más de 27.039 TWh, según la información de OLADE. En 2020 se registró un leve descenso, 26.951 TWh que se atribuye a los efectos mundiales de la pandemia producida por el COVID-19 y ya en 2021 se alcanzaron los 28.433 TWh, de acuerdo a la tendencia de los últimos años1. Este escenario se repite tanto a nivel regional como a nivel mundial, sin embargo, aún existe un número importante de personas sin acceso a la energía eléctrica; esto representa aproximadamente el 13% de la población mundial, principalmente en poblaciones aisladas. De esta forma las energías renovables representan una de las alternativas más viables y principales para afrontar muchos de los desafíos que se plantean para el futuro inmediato; como mitigar el cambio climático mediante la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), a la vez que solucionar la creciente demanda de energía y los problemas asociados a las poblaciones aisladas. Por otra parte poseen el potencial necesario para disminuir tanto el uso de combustibles fósiles, con las desventajas asociadas a su uso: ineficiencia operacional, reservas limitadas, acceso a las redes de distribución y el aumento de la contaminación ambiental que su uso supone. Para el caso de Uruguay, y los países que no son productores de petróleo, estas energías suponen al mismo tiempo, la valiosa oportunidad de reducir la dependencia energética con otros países. El aumento sostenido de la instalación de energías renovables a nivel mundial es un hecho; en 2021 se instalaron 295 GW, cifra récord, que se espera que sea nuevamente superada al alcanzar los 320 GW instalados en los siguientes años. Sin embargo, en los sistemas diseñados para el aprovechamiento integral de estas energías, en particular de la energía eólica y solar, surgen, por su propia naturaleza intermitente, diferentes dificultades. La generación de energía eléctrica a partir de la energía eólica y/o de la energía solar fotovoltaica depende de factores naturales como son la situación geográfica de las instalaciones de generación, la altura de instalación de los generadores eólicos, la velocidad del viento, la irradiación solar, nubosidad, entre otros. Depende también de factores técnicos, como son el factor de planta de cada instalación, (que representa la razón entre la energía que produce y la energía que podría producir operando continuamente a máxima capacidad, para la potencia instalada, durante un determinado periodo de tiempo), y de la conexión o no a la red de distribución (on-grid u off-grid). Debido a estas características, el perfil de generación de energía eléctrica así producido no coincide usualmente con el perfil de la demanda asociada. La generación no siempre coincide con la demanda, como sí sucede con la generación a partir de combustibles fósiles. Esto presenta la necesidad de buscar formas de almacenar y luego distribuir esta energía eléctrica generada a partir de las fuentes renovables y así optimizar su aprovechamiento de acuerdo al perfil de demanda y no al perfil de generación asociado. En este escenario, el hidrógeno aparece como una buena alternativa, sino la mejor, para cumplir la función de almacenar y gestionar la energía generada a partir de fuentes renovables, reemplazando a los combustibles fósiles. El hidrógeno podría jugar un papel clave en el desarrollo de un nuevo sistema energético mundial a través de su uso como vector energético (un vector energético es un elemento que tiene la capacidad para almacenar la energía cuando se genera y posteriormente, según la necesidad, de liberarla), mediante su producción a partir de energías renovables, en particular de energía eólica y solar fotovoltaica a través de la electrólisis de agua. El hidrógeno producido de esta forma (ej, el hidrógeno verde) es un vector energético limpio, y de todos los combustibles conocidos, es el que tiene la máxima relación de energía/peso. Sin embargo, por otra parte, su relación energía/volumen es la mínima, lo que supone uno de los desafíos tecnológicos a resolver con respecto a su almacenamiento y transporte. En este trabajo se analiza el ciclo del hidrógeno, su uso como vector energético; en particular se estudia la generación de hidrógeno verde a partir de energías renovables y agua por la vía electrolítica en celdas con tecnología de membrana de electrolito polimérico (PEM). La electrólisis PEM es una tecnología madura que tiene como ventajas clave, su disponibilidad comercial creciente, su flexibilidad, su alta velocidad comparativa para el tiempo de encendido, la alta pureza del hidrógeno producido y el espacio requerido para la instalación de los stacks. Se presenta el estado del arte de las tecnologías asociadas y un estudio técnico - económico actualizado de los costos nivelizados de producción de hidrógeno verde en Uruguay (LCOH: de su sigla en inglés, levelized cost of production of hydrogen). Este estudio se hace para la situación presente, y con distintas proyecciones con los valores del precio de la energía eléctrica en el sistema de generación actual, y con la posible instalación de más potencia para generación de energía eléctrica por medio de energías renovables (eólica onshore y offshore, y solar fotovoltaica, respectivamente). En este presente escenario, Uruguay tiene la posibilidad histórica de situarse como productor y exportador neto de hidrógeno verde. Los resultados obtenidos muestran que para ello, si bien en la actualidad la matriz de generación eléctrica renovable en Uruguay es muy alta (alcanzando el 97% en 2020), es necesaria la instalación de más potencia en energías renovables, con el consiguiente ajuste en el precio de esta energía (el costo de la energía supone en todos los escenarios más del 40% del LCOH según el modelo estudiado). Al mismo tiempo, la optimización de los costos asociados a los electrolizadores (que puede superar el 30% del LCOH) para la electrólisis PEM es indispensable con el fin de situar al país en la posición de exportador neto de hidrógeno verde, lo que significa, según la bibliografía especializada actualizada, llegar a valores de LCOH (levelized cost of hydrogen) que no superen U$S 1,4/kg H2