hidrógeno verde
Ningún color de H2 tiene sentido para descarbonizar la calefacción, y pretender lo contrario corre el riesgo de retrasar la acción urgente para reducir las emisiones, escriben Richard Lowes y David Cebon
24 agosto 2022.- Los gobiernos de todo el mundo están desarrollando estrategias y conjuntos de políticas para apoyar sus ambiciones de mitigación del cambio climático 'net-zero'. Por supuesto, más recientemente, en relación con la terrible guerra rusa contra Ucrania, los legisladores también buscan limitar la exposición a las importaciones de combustibles fósiles y los riesgos que plantean.
La actual administración de EE.UU. ha descrito el hidrógeno como un " cambio de juego " en la lucha contra el cambio climático y la transición para alejarse de los combustibles fósiles. El primer ministro del Reino Unido, Boris Johnson , cree que “tiene quizás el mayor potencial de todos”, mientras que el Tánaiste de Irlanda (jefe de gobierno adjunto) lo ha llamado “el santo grial” de la política energética.
Tales proclamaciones están impactando la política de la energía. La Comisión Europea propone permitir que los propietarios de infraestructuras de gas financien el trabajo de preparación del hidrógeno y, potencialmente, utilicen las facturas de energía de los consumidores de electricidad para pagarlo. Un nuevo proyecto de ley de energía actualmente en trámite en el Parlamento del Reino Unido podría permitir un "impuesto de hidrógeno" en las ventas de electricidad. En tiempos normales, tales 'subsidios cruzados' nunca estarían permitidos.
Pero las crisis climática y de precios de la energía significan que ya no estamos en tiempos normales. La necesidad percibida de velocidad significa que la acción rápida se considera más importante que el debido proceso. Y si bien el cambio climático exige una respuesta de emergencia, existe el riesgo de que ir demasiado rápido, sin decisiones respaldadas por evidencia, en realidad socave los esfuerzos para descarbonizar.
"Papel modesto"
Para alcanzar el cero neto, prácticamente toda la combustión de combustibles fósiles debe ser reemplazada. Para los edificios, las bombas de calor son una tecnología claramente ganadora, ya que extraen la mayor parte de su producción de calor del aire exterior, del suelo o del agua. Incluso en temperaturas frías, las bombas de calor pueden funcionar con electricidad renovable cada vez más rentable.
Según los análisis de cero neto global más detallados y actualizados de la consultora de gestión internacional McKinsey y la Agencia Internacional de Energía , las bombas de calor ocupan la mayor parte de la calefacción de edificios en sus predicciones de cero neto global. El informe reciente del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) explica que "los escenarios evaluados muestran un papel muy modesto para el hidrógeno en los edificios para 2050". El IPCC también destacó la importancia de las bombas de calor.
Los defensores del uso de hidrógeno sin control están en el lado equivocado de la evidencia y la historia. Terminaron allí por el dinero, o más específicamente, los activos hundidos, que ahora están amenazados a medida que el mundo intenta alejarse de los combustibles fósiles y su infraestructura asociada. El uso de hidrógeno hecho a partir de gas natural con captura y almacenamiento de carbono (CCS) podría mantener el flujo de gas a través de la infraestructura que de otro modo quedaría varada, y mantener la necesidad de instalaciones de procesamiento y desarrollo de petróleo y gas a través de las cuales se pueda producir hidrógeno.
Dado que el gas proporciona actualmente la mayor parte de la calefacción del mundo, además de que se están considerando y diseñando políticas públicas para eliminar la calefacción de combustibles fósiles de los edificios, no debería sorprender que la industria del gas haya estado exagerando la idea de convertir la infraestructura de gas para que funcione con hidrógeno .
El hidrógeno se está promocionando a través de una poderosa maquinaria internacional, política y mediática, asociada con la industria de combustibles fósiles establecida, y está presionando a los gobiernos de todo el mundo.
Hemos visto este cabildeo de primera mano. Y aunque la investigación y la evidencia del cabildeo tienden a ser limitadas, hay muchos ejemplos disponibles públicamente que indican la escala de los esfuerzos. En una carta a la Comisión Europea, el organismo de comercio Eurogas ha dicho que el hidrógeno " jugará un papel clave " en la demanda de energía para los sectores de calefacción del hogar, transporte y generación de electricidad.
En una rara intervención sobre el cabildeo político, un tema a menudo tabú en el Reino Unido, el periódico The Times explicó cómo tanto BP como Shell estaban presionando al gobierno del Reino Unido para que apoyara el uso de hidrógeno para calefacción. El ' Grupo Parlamentario de Todos los Partidos sobre el Hidrógeno ' del Reino Unido, "un grupo de parlamentarios y pares de todos los partidos [miembro de la cámara alta del parlamento del Reino Unido] que se enfoca en crear conciencia y generar apoyo para proyectos de hidrógeno a gran escala" está financiado directamente por un grupo industrial que incluye a Shell, Equinor, Cadent, Northern Gas Networks, SGN, Baxi, etc. Todas estas empresas son titulares en la industria del gas.
En los EE.UU., los monopolios del gas están promoviendo la conversión de su infraestructura a hidrógeno y mezclando hidrógeno en la mezcla de gas, mientras luchan contra las políticas gubernamentales para reducir el uso de gas junto con los esfuerzos generales para socavar la electrificación de los edificios .
La escala de este cabildeo es enorme y se ha cartografiado en detalle en toda Europa , donde se ha descrito como “intensa y concertada”. El lobby ha tenido cierto éxito en Europa, acusado de secuestrar los fondos europeos de recuperación de Covid .
Hay dos impactos potenciales de dicho cabildeo.
En primer lugar, podría haber impactos directos en la política, con gobiernos ofreciendo apoyo financiero y regulatorio para inversiones en hidrógeno, a pesar de la evidencia que sugiere que esto puede ser un mal uso de los fondos. De hecho, ya lo estamos viendo.
Pero el segundo resultado, más atroz, sería que tales esfuerzos para promover el hidrógeno retrasen el progreso real sobre el cambio climático, ya que los formuladores de políticas se distraen de opciones claramente mejores y más baratas. De hecho, ya se ha sugerido que el sector petrolero sabe que la solución de hidrógeno para vehículos personales es defectuosa.
Subiendo la presión
A primera vista, para países como el Reino Unido y los Países Bajos, con sistemas de gas bien desarrollados y altamente interconectados, tiene sentido considerar el sistema existente y preguntarse si se utilizará en un mundo sin emisiones de carbono. La sencillez de 'reverdecer el gas' o la idea de un 'reemplazo directo' también es una línea de cabildeo y ventas extremadamente efectiva.
La empresa matriz del fabricante de calderas de gas (y petróleo) más grande del Reino Unido, explicó en su presentación a una investigación parlamentaria del Reino Unido sobre calefacción:
"Bosch cree que el gas de hidrógeno, con un subproducto simplemente de agua, podría ser la bala de plata más cercana que tenemos".
En la misma consulta, el propietario de una red de gas del Reino Unido explicó que “una solución de caldera preparada para hidrógeno suministrada por una red de gas reutilizada, que ya está construida para satisfacer la demanda máxima de calor en invierno, ofrece la ruta óptima para descarbonizar el calor a la escala requerida con los niveles más bajos de disrupción y el mayor valor para los clientes”.
En algunos aspectos, el hidrógeno tiene algunas características extremadamente valiosas para los sistemas de energía limpia. En primer lugar, se puede almacenar indefinidamente (aunque las moléculas muy pequeñas lo hacen propenso a filtrarse de la mayoría de los contenedores), lo que en un mundo de energía renovable variable es potencialmente atractivo para el almacenamiento a largo plazo o transportable. En segundo lugar, al igual que el gas fósil, puede quemarse para producir calor o electricidad; o utilizado en pilas de combustible (que producen calor y electricidad a la vez). También se puede producir a través de la electrólisis del agua, alimentada por electricidad renovable cada vez más barata.
Sin embargo, el hecho de que puedas hacer algo no significa que debas hacerlo. Y esto es evidentemente cierto para la idea del uso generalizado del hidrógeno. De la misma manera que el champán se reserva para ocasiones especiales, el hidrógeno es un producto premium con un valor específico. Incluso una mirada superficial a los detalles técnicos básicos muestra que el hidrógeno es una solución muy costosa y poco atractiva para el medio ambiente para la calefacción y gran parte del sector del transporte.
No es una fuente de energía
Un malentendido común es que el hidrógeno es en sí mismo una fuente de energía. No lo es. Es únicamente un vector o portador de energía: un medio para almacenar y transportar energía. El gas de hidrógeno no existe en un estado en el que pueda extraerse del medio ambiente en cantidades útiles, pero debe crearse, lo que consume mucha energía y es costoso. Energía [renovable] que se podría utilizar directamente para el uso doméstico a través de bombas de calor.
La razón por la cual la industria de producción de combustibles fósiles está tan interesada en el hidrógeno es porque casi todo el hidrógeno que se produce actualmente a nivel mundial (la mayoría del cual se usa en la industria) se produce a partir de combustibles fósiles, principalmente gas, pero algo de petróleo y carbón .
'Hidrógeno azul', un término que se refiere al hidrógeno producido a partir de gas fósil con (algunas) emisiones de gases de efecto invernadero capturadas en el proceso de producción y, en teoría, almacenadas para que no tengan impacto en el clima.
El hidrógeno azul es controvertido principalmente por la preocupación de que podría ser peor para el clima que simplemente quemar metano . Estas preocupaciones se derivan del hecho de que la producción del gas utilizado para fabricarlo podría conducir a un aumento de las emisiones fugitivas de metano, un gas de efecto invernadero muy potente, y también porque capturar y almacenar las emisiones de CO2 es difícil, costoso y no se ha logrado con éxito a gran escala en ningún lugar del mundo.
La creencia de que toda la idea del hidrógeno había sido capturada por la industria de los combustibles fósiles llevó a Chris Jackson a renunciar como presidente de la Asociación de Pilas de Combustible e Hidrógeno del Reino Unido, diciendo que el apoyo del grupo al H 2 azul "es, en el mejor de los casos, una distracción costosa, y en el peor de los casos, un bloqueo para el uso continuo de combustibles fósiles que garantiza que no lograremos nuestros objetivos de descarbonización”.
Con los precios del gas fósil disparados a niveles récord, y todo el continente europeo con el objetivo de reducir rápidamente su exposición a las importaciones de gas ruso, el hidrógeno azul ha pasado de moda rápidamente. Aunque muchos defensores del hidrógeno industrial no lo mencionarán.
Gran parte del impulso del hidrógeno ha girado silenciosamente hacia el hidrógeno 'verde', creado a partir del agua usando electricidad verde. Si bien, a primera vista, pasar del hidrógeno derivado de combustibles fósiles al hidrógeno producido de forma renovable podría parecer algo bueno, la realidad es que quemar hidrógeno verde a gran escala parece incluso menos plausible que quemar hidrógeno azul. El contenido energético del hidrógeno verde proviene de la electricidad y el proceso de producción implica importantes pérdidas de eficiencia energética.
La electricidad podría usarse directamente en calentadores eléctricos 100% eficientes o incluso en bombas de calor más eficientes que usan electricidad para extraer calor del ambiente. Las bombas de calor funcionan con una eficiencia efectiva de más del 300%, con cada unidad de electricidad que entra, lo que da como resultado tres unidades de calor útil. Estas eficiencias de conversión son un elemento básico de la economía energética y son el meollo del debate sobre el hidrógeno verde.
Conceptos básicos de conversión de energía
Todos los procesos de conversión de energía generan pérdidas, lo que significa que obtiene menos energía útil en comparación con la cantidad que ingresa. Por ejemplo, una central eléctrica que quema gas puede tener una eficiencia de alrededor del 60 % con el 40 % de la energía perdida como calor.
Fundamentalmente, la ruta del hidrógeno para la calefacción (desde la generación de electricidad hasta su quema en una caldera) tiene pérdidas de energía mucho mayores que la ruta eléctrica directa. Por lo tanto, requiere mucha más energía primaria (alrededor de 6 veces más) que usar una bomba de calor para entregar la misma cantidad de calor, lo que genera costes mucho más altos.
La mayor pérdida de energía asociada con el uso de hidrógeno verde está en el proceso de electrólisis, o división de moléculas de agua para producir hidrógeno en primer lugar.
Una revisión académica reciente situó las eficiencias en la práctica entre el 60 % y el 73 % para la electrólisis (es decir, una unidad de entrada y 0,6 a 0,73 unidades de salida), aunque con cierto margen de mejora; algo con lo que la industria del hidrógeno (obviamente) está de acuerdo.
El hidrógeno azul era, al menos antes de la explosión del precio del gas, potencialmente rentable en comparación con el uso generalizado de bombas de calor en varios análisis independientes, aunque con objetivos de reducción de gases de efecto invernadero menos exigentes.
Sin embargo, no hay un solo estudio independiente que sugiera que el hidrógeno verde sea rentable en comparación con el uso generalizado de bombas de calor. El alto coste del hidrógeno en comparación con las alternativas se vuelve bastante obvio una vez que comprende cómo se compara la eficiencia energética del hidrógeno verde con la electrificación.
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El gráfico de arriba explica esto. La primera ruta (que se muestra a la izquierda) muestra la transmisión de la electricidad a un consumidor donde alimenta una bomba de calor. Como las bombas de calor usan electricidad para calentar un edificio del ambiente que produce alrededor de tres (o más) unidades de calor por cada unidad de electricidad consumida, tienen una eficiencia efectiva del 300 % (conocida como el "coeficiente de rendimiento" o COP, por sus siglas en inglés). que en este caso es tres). Si bien se producen algunas pérdidas en el transporte de electricidad, el efecto general es que 100 unidades de electricidad dan como resultado unas 270 unidades de calor que llegan al consumidor. Esta es una mejora energética increíble si se considera el valor de la electricidad limpia y que más de dos tercios del calor útil proviene de una fuente renovable inagotable.
La segunda ruta (centro) utiliza un calefactor eléctrico simple, alimentado por electricidad verde. Hay pequeñas pérdidas en el transporte de electricidad, pero la mayor parte de los 90 kWh de electricidad que llega al calentador se convierte en calor útil, lo que produce unos 86 kWh.
La tercera ruta a la derecha muestra la generación de hidrógeno verde que se quema en una caldera para calefacción. Se producen pérdidas significativas en la conversión de electricidad en hidrógeno. Pero se producen más pérdidas a medida que se utiliza energía para almacenar el hidrógeno y transportarlo a los edificios y también cuando el hidrógeno se quema en las calderas. 100 unidades adentro al comienzo del proceso conducen a 46 afuera en este camino. Comparando las rutas de la izquierda y la derecha, la ruta de la bomba de calor proporciona unas seis veces más calor que una caldera de hidrógeno verde por la misma cantidad de generación de electricidad.
Esta diferencia de seis veces es la cruda realidad del uso de hidrógeno para calefacción en comparación con las bombas de calor.
Si proporcionar la cantidad equivalente de calor a través de la ruta del hidrógeno verde requiere hasta seis veces más energía primaria, sería necesario construir hasta seis veces más turbinas eólicas marinas o centrales nucleares, todas con sus propios impactos ambientales y de recursos. Claramente, esta capacidad eléctrica tardaría mucho más en construirse, costaría más y retrasaría la descarbonización. De ahí los comentarios del CEO del Comité de Cambio Climático del Reino Unido que advierten que cambiar toda la calefacción a hidrógeno sería "poco práctico", especialmente cuando el cambio climático exige una acción rápida e inmediata.
Tal vez no sea tan simple
Ahora, usted podría estar pensando, OK, eso es genial en teoría, pero no siempre se genera electricidad renovable cuando necesita que su bomba de calor funcione, por lo que no podrá obtener esa eficiencia todo el tiempo.
Esto es cierto para algunos de los tiempos. Sin embargo, como señaló el difunto Sir David Mackay , el físico británico, matemático, profesor Regius de Ingeniería y asesor científico principal del Departamento de Energía y Cambio Climático del Reino Unido, incluso hacer funcionar una bomba de calor únicamente con la electricidad generada por las centrales eléctricas de gas, siguen usando menos gas y por lo tanto tienen menos emisiones que usando una caldera de gas. Esto se debe a que, aunque su central eléctrica de gas solo tenga un 50 % de eficiencia, su bomba de calor tiene un 300 % de eficiencia y eso hace que el proceso general sea más eficiente que quemar gas en una caldera.
También es importante tener en cuenta que las bombas de calor funcionan peor cuando hace más frío, con un rendimiento posiblemente del 150 % (un coeficiente de rendimiento de 1,5). Pero incluso en ese caso, la bomba de calor aún generaría tres veces más calor por unidad de electricidad que el hidrógeno verde. Por lo tanto, usar una bomba de calor siempre será más eficiente y requerirá menos energía primaria que quemar hidrógeno verde para la misma cantidad de calor.
La impracticabilidad del hidrógeno no se limita solo a expandir el sector eléctrico a niveles inviables. Tampoco se puede evitar el hecho de que el hidrógeno requeriría conversiones basadas geográficamente, apagando áreas enteras de gas a la vez y luego llenándolas y volviéndolas a conectar, lo que podría dejar áreas enteras sin calefacción o agua caliente durante días.
Necesidad de la velocidad
Claramente, el clima está cambiando y las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera continúan aumentando. El lento progreso hasta ahora significa que el mundo necesita descarbonizarse lo más rápido posible. Cualquier retraso en la descarbonización de la calefacción o el transporte, una parte tan grande de las emisiones actuales, podría ser desastroso. Obviamente, también tenemos que dejar de lado los combustibles fósiles cada vez más caros.
Tomar la ruta del hidrógeno para calefacción no solo costaría mucho más, sino que llevaría más tiempo lograrlo, ya que requeriría mucha más energía primaria. Es poco probable que esta idea vaya más allá de los ensayos limitados.
Un escenario más probable es que se desperdicie más tiempo considerando la idea de quemar hidrógeno para producir calor y se gaste más financiando compañías para que lo investiguen porque los políticos no quieren tomar las difíciles decisiones requeridas. El cabildeo continuará y mientras los gobiernos están comenzando lentamente a comprender los límites y los costos del hidrógeno, el cabildeo se está moviendo hacia los legisladores de las autoridades locales donde se deberán tomar decisiones futuras.
En medio de la exageración, los ciudadanos están cada vez más confundidos acerca de las futuras tecnologías de calefacción. Todo esto conduce a un retraso climático y una exposición continua a los combustibles fósiles.
Pero cuando los responsables de la toma de decisiones se enfrenten a las implicaciones de costes del hidrógeno para el calor en el mundo real, el papel de la electrificación y la eficiencia energética finalmente se realizará. Sin embargo, este momento puede ser demasiado tarde. El calor de descarbonización será bastante difícil. Y cuando la velocidad lo es todo, no hay tiempo para la distracción del hidrógeno.
Fuentes:
·David Cebon es profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Cambridge y ejecutivo del Center for Sustainable Road Freight
·El Dr. Richard Lowes es asociado sénior en el Proyecto de asistencia regulatoria e investigador en el Grupo de política energética de la Universidad de Exeter.
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