Explicación del hidrógeno verde: manual de IDTechEx sobre la electrólisis del agua

A medida que la industria pesada y los sectores del transporte se apresuran a descarbonizarse, el hidrógeno bajo en carbono emerge como un prometedor combustible de cero emisiones, que ofrece una alternativa a los vehículos eléctricos de batería para el transporte pesado, al tiempo que alimenta industrias difíciles de eliminar, desde la fabricación de acero hasta la producción química. El hidrógeno verde se refiere al hidrógeno producido con electricidad renovable, distinguiéndolo del hidrógeno fabricado con combustibles fósiles. IDTechEx explora los procesos de producción, los beneficios, los retos y los actores clave del hidrógeno verde en su reciente informe, Green Hydrogen Production & Electrolyzer Market 2024-2034: Technologies, Players, Forecasts.

Introducción al hidrógeno verde y la electrólisis del agua

El hidrógeno verde se produce mediante la electrólisis del agua, que utiliza electricidad renovable para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. Esto ocurre en dispositivos llamados electrolizadores, que se construyen a partir de celdas individuales. Cada célula contiene varios componentes críticos: dos electrodos (un ánodo y un cátodo) separados por un electrolito, capas de transporte y placas bipolares. Las capas de transporte ayudan a que los gases y el agua circulen eficazmente por la célula, mientras que las placas bipolares conducen la electricidad y ayudan a gestionar el flujo de gases entre las células. Varias células se combinan para formar una pila, y varias pilas trabajan juntas en una planta de electrólisis junto con el resto de sistemas de apoyo a la planta para la purificación del agua, el control de la energía, la gestión del calor y el manejo del gas.

La eficiencia de la planta ecológica de hidrógeno depende de la eficacia de cada componente. Los electrodos deben catalizar las reacciones de forma eficaz, el electrolito debe transportar los iones de forma efectiva y el sistema global debe gestionar el calor y la presión adecuadamente con un consumo energético mínimo. Las mejoras en estas áreas -desde mejores diseños de electrodos hasta una gestión térmica más eficiente- pueden reducir el consumo de energía y los costes de funcionamiento.

Diferentes tipos de tecnologías de electrolizadores de agua

Existen cuatro tipos principales de tecnologías de electrolizadores, cada una de las cuales recibe su nombre del modo en que dividen las moléculas de agua. La electrólisis alcalina del agua (AWE) es la tecnología más consolidada, utilizada industrialmente desde finales de la década de 1930. AWE utiliza una solución alcalina líquida como electrolito y sigue siendo el sistema más utilizado en la actualidad. Los sistemas AWE son conocidos por su fiabilidad, su menor coste debido al uso de componentes metálicos más fáciles de conseguir y su probada experiencia en aplicaciones a gran escala. Sin embargo, tienden a ser menos compactos, ligeramente menos eficientes y menos capaces de responder a las fluctuaciones de la energía renovable que las tecnologías más recientes. 

La electrólisis de membrana de intercambio de protones (PEMEL) es una tecnología más reciente que ha ganado una cuota de mercado significativa. En lugar de un electrolito líquido, utiliza una membrana de polímero sólido que conduce protones. Los sistemas PEMEL pueden responder rápidamente a las fluctuaciones de potencia (lo que los hace ideales para su uso con energías renovables variables), funcionan con densidades de corriente más altas y producen hidrógeno puro a alta presión. Sin embargo, suelen ser más caros debido al uso de catalizadores de metales preciosos y placas bipolares de titanio.
 

La electrólisis de membrana de intercambio aniónico (AEMEL) combina las características de diseño de las tecnologías AWE y PEMEL. Al igual que PEMEL, utiliza una membrana sólida en lugar de un electrolito líquido, pero conduce iones negativos (aniones) como los sistemas AWE. Esta tecnología emergente promete menores costes al utilizar catalizadores de metales no preciosos, manteniendo al mismo tiempo las ventajas de un sistema de membrana sólida.

A diferencia de las tecnologías de baja temperatura mencionadas anteriormente, la electrólisis de óxido sólido (SOEC) funciona a temperaturas mucho más altas (700-1000°C) utilizando una membrana cerámica. Al igual que AEMEL, SOEC es una tecnología más reciente pero se ha utilizado en misiones espaciales para producir oxígeno a partir de CO2 en la atmósfera de Marte. Aunque todavía se encuentran en fase de comercialización, los sistemas SOEC ofrecen una mayor eficiencia potencial, especialmente cuando se integran con procesos industriales que pueden proporcionar calor residual. Sin embargo, las altas temperaturas de funcionamiento plantean problemas de materiales y durabilidad.
 

En la actualidad, AWE y PEMEL dominan el mercado en términos de instalación comercial, mientras que AEMEL y SOEC se perfilan como futuras alternativas prometedoras que podrían ofrecer mejores prestaciones y menores costes a medida que maduren.
 

Sectores de aplicación del hidrógeno verde

El mercado del hidrógeno verde abarca varios sectores clave, con calendarios de adopción que varían en función de la preparación económica y técnica. A corto plazo (2024-2030), los usuarios industriales de hidrógeno lideran la adopción. Los fabricantes de fertilizantes y productos químicos y las refinerías pueden pasarse fácilmente al hidrógeno verde con cambios operativos mínimos, lo que los convierte en los primeros en adoptarlo.
 

En las perspectivas a medio plazo (2030-2040), la producción de acero y el transporte pesado se perfilan como los principales impulsores de la demanda, sobre todo en aplicaciones en las que las baterías presentan limitaciones. Los camiones de larga distancia y el transporte marítimo son los principales candidatos, ya que los vehículos de pila de combustible de hidrógeno ofrecen un repostaje más rápido y una mayor autonomía que las alternativas de batería.
 

De cara al futuro, entre 2040 y 2050, se espera que el hidrógeno verde desempeñe un papel en la descarbonización del sector energético, el almacenamiento de energías renovables a gran escala y la aviación, sectores todos ellos que requieren un mayor desarrollo tecnológico y una reducción de costes para ser comercialmente viables.
 

El éxito en estos sectores depende a menudo de la ubicación estratégica de los proyectos. Las iniciativas más viables suelen combinar la proximidad a fuentes de energía renovable, usuarios industriales establecidos y fuertes conexiones de infraestructura. Por ejemplo, los complejos industriales portuarios como el de Rotterdam están surgiendo como centros de adopción temprana, donde múltiples usuarios pueden compartir los costes de infraestructura y beneficiarse al mismo tiempo de las conexiones de transporte existentes.
 

Beneficios, retos y perspectivas del hidrógeno verde
 

Los beneficios del hidrógeno verde van más allá de su uso como materia prima química y energía de cero emisiones: ofrece ventajas únicas para sectores en los que la electrificación es difícil o imposible. A diferencia de las pilas, el hidrógeno puede almacenarse durante largos periodos, proporcionando el calor a alta temperatura necesario para los procesos industriales. También permite a los países convertir abundantes recursos renovables en energía exportable, creando nuevas oportunidades económicas.
 

Sin embargo, sigue habiendo retos importantes. El coste es el principal obstáculo, ya que la producción de hidrógeno verde es actualmente entre 3 y 7 veces más cara que su alternativa fósil, el hidrógeno gris. La tecnología también se enfrenta a problemas de eficiencia, con pérdidas de energía en los procesos de producción, almacenamiento y conversión. La infraestructura es otro obstáculo, ya que las redes de transporte y almacenamiento de hidrógeno a gran escala tendrán que construirse casi desde cero.
 

A pesar de estas dificultades, el mercado de los electrolizadores de agua presenta un crecimiento prometedor. La capacidad de fabricación mundial está aumentando rápidamente, con importantes ampliaciones anunciadas en Europa, China y Norteamérica. Las mejoras tecnológicas están reduciendo constantemente los costes, mientras que el creciente apoyo político, incluidos los incentivos a la producción y la tarificación del carbono, está mejorando la economía de los proyectos.
 

Las perspectivas para 2030 y años posteriores parecen positivas, ya que el sector espera que los costes de los electrolizadores disminuyan a medida que aumente la fabricación y mejoren los diseños. Los primeros usuarios industriales están allanando el camino, mientras que el transporte y los usos a largo plazo mantienen un fuerte potencial de crecimiento. IDTechEx prevé que el mercado anual de electrolizadores de agua supere los 70.000 millones de dólares en 2034. Sin embargo, se necesita acceso a más electricidad renovable de bajo coste y un mayor apoyo político al hidrógeno verde para hacerlo más competitivo en diversas aplicaciones. Al fin y al cabo, la electricidad constituye la mayor parte del coste de la producción de hidrógeno verde.
 

IDTechEx detalla las ventajas de la producción ecológica de hidrógeno, junto con los obstáculos que dificultan su adopción a gran escala. Su informe, «Green Hydrogen Production & Electrolyzer Market 2024-2034: Technologies, Players, Forecasts» (Producción de hidrógeno ecológico y mercado de electrolizadores 2024-2034: tecnologías, actores y previsiones), también describe las principales aplicaciones del hidrógeno ecológico y los sectores del mercado en los que dominará, como el transporte, la energía y los productos químicos.