Descubierto en 1766 por Cavendish como un gas combustible formado en la reacción entre metales y ácidos y bautizado como “el formador del agua” por Lavoisier en 1783, el hidrógeno es el elemento químico más simple y abundante, representando el 75% de la masa del Universo, pero constituye menos del 1% de la masa de nuestro planeta Tierra, casi siempre asociado a otros elementos, como el oxígeno del agua.

El hidrógeno tiene propiedades diferentes a otros gases, lo que puede representar ventajas, como un alto poder calorífico, o dificultades, como una baja densidad (menos del 10% de la densidad del aire), una alta velocidad de llama y, curiosamente, ser uno de los pocos gases que se calienta al expandirse, imponiendo su enfriamiento alimentando con seguridad tanques que deben soportar presiones muy altas, del orden de las 900 atmósferas.

Aunque el uso del hidrógeno con fines energéticos ha sido sugerido durante mucho tiempo por visionarios como Julio Verne, su alto costo, en comparación con los combustibles fósiles, ha sido un obstáculo para su difusión en estas aplicaciones. Sin embargo, hoy en día, las aplicaciones industriales del hidrógeno son importantes, especialmente en la refinación de petróleo y la producción de amoníaco, con una demanda global de alrededor de 75 millones de toneladas por año, producido básicamente a partir de gas natural y petróleo, con la importante emisión de dióxido de carbono fósil y, por lo tanto, aumentando el efecto invernadero en la atmósfera. Es, por tanto, un hidrógeno indeseable.

En el contexto de la actual transición energética mundial, con la sustitución de las fuentes de energía fósil por fuentes de energía renovables, cumpliendo los objetivos de descarbonizar las matrices energéticas, aumentar la seguridad energética y la racionalidad económica, el hidrógeno que todos buscan es el hidrógeno verde, es decir, el hidrógeno producidos a partir de energías renovables, reemplazando al hidrógeno “sucio” en usos como materia prima y abriendo nuevos mercados en el sector energético, como combustible en hornos y calderas en industrias, en sistemas de almacenamiento de energía (cada vez más necesaria por la expansión de la generación intermitente de energía eólica y plantas solares) y en el sector del transporte, donde el diésel, la gasolina y el queroseno siguen dominando en gran medida.

En esta dirección, varios organismos proyectan una importante expansión de la producción de hidrógeno renovable, que requerirá inversiones superiores a los 200.000 millones de dólares, para satisfacer una demanda prevista de alrededor de 550 millones de toneladas en 2050. La cifra resaltada indica los proyectos en curso, especialmente en Europa y Asia.

Procesos para la producción de hidrógeno renovable: Las rutas tecnológicas más prometedoras para la producción de hidrógeno renovable son:

a) de la electricidad, mediante el proceso de electrólisis, en el que el agua se separa en sus componentes. Es el proceso más maduro y de mayor adopción en proyectos actualmente en ejecución, en los que la electricidad debe ser producida a partir de fuentes renovables;
b) a partir de biomasa, por tres alternativas: (1) la reforma del biometano , componente principal del biogás, (2) la reforma del etanol, procesos endotérmicos similares y tecnológicamente maduros, en los que con los catalizadores adecuados y el agua, la energía de estos biocombustibles permite mantener reactores (reformadores) a temperaturas entre 650 y 900 grados centígrados, y producir corrientes con hidrógeno, que se pueden purificar a altos niveles, y (3) en procesos de gasificación de biomasa sólida de bajo costo, produciendo gases con niveles de hidrógenos más bajos , pero que también se puede purificar. Estos últimos procesos se encuentran en desarrollo, con resultados prometedores, sin embargo, sin haber demostrado aún su viabilidad económica.

Preliminarmente, comparando los costes de producción de hidrógeno en electrolizadores y mediante reformado de etanol, sin considerar las inversiones en equipos e instalaciones (ciertamente mayores en electrólisis) y teniendo en cuenta únicamente los costes de los insumos (electricidad y etanol), es posible obtener la curva de paridad indicada en la figura resaltada. En resumen, el etanol es competitivo en la producción de hidrógeno, considerando los valores actuales de energía eléctrica, que, solo a valores muy bajos, es la mejor opción.

Iniciativas en Brasil para producir hidrógeno con biomasa: Para Brasil, con una buena dotación de recursos naturales y dominio de las tecnologías bioenergéticas, la biomasa se configura como una alternativa con potencial efectivo en la economía del hidrógeno y que ha sido objeto de iniciativas tan innovadoras como interesantes, mostrado abajo.

Hidrógeno procedente de la reforma del etanol. La empresa Hytron, de Sumaré, São Paulo, fundada en 2003 como un subproducto de la Universidade Estadual de Campinas, fue incorporada, en 2020, por el grupo NEA Neuman y Esser, de Aquisgrán, Alemania, reforzando su actuación en la integración de sistemas con un enfoque en el hidrógeno. Entre sus productos, con tecnología propia, Hytron ofrece una línea de sistemas de producción de hidrógeno por reforma de etanol, con una capacidad de hasta 750 kilogramos de hidrógeno por día, consumiendo 7,65 litros de etanol y 2,35 kilovatios hora por kilogramo de hidrógeno producido.   

Vehículos eléctricos con pilas de combustible de hidrógeno generadas por reforma de etanol a bordo. Desde 2016, la automotriz Nissan desarrolla, con entidades brasileñas y japonesas, vehículos eléctricos en los que la electricidad se genera en celdas de combustible de óxido sólido, alimentadas con hidrógeno producido en el propio vehículo, a través de la reforma catalítica del etanol. Las pruebas mostraron la factibilidad técnica, con el prototipo montado en una camioneta haciendo unos 30 kilómetros por litro de etanol. El proyecto aún está en desarrollo, con el objetivo de mejorar el rendimiento y reducir el volumen ocupado por el reformador. Otros fabricantes de automóviles mostraron interés en esta solución para la electrificación de sus modelos.

Producción de amoníaco verde a partir del hidrógeno producido por reformado del biometano generado en la biodigestión de vinaza de etanol. En 2021, las empresas Raízen y Yara establecieron un consorcio para la producción de amoníaco verde, utilizando hidrógeno producido a partir de biometano resultante del biogás de vinaza. Una característica interesante de este proyecto es que el biometano se producirá en Piracicaba, se inyectará en el gasoducto Gasbol y se transportará a Cubatão, en la costa de São Paulo, donde se utilizará para producir hidrógeno y, de allí, amoníaco de baja huella de carbono.

Como ejercicio, considerando que 4,85 metros cúbicos de biometano producen 1 kilogramo de hidrógeno, que, a su vez, combinado con nitrógeno, da lugar a 5,67 kilogramos de amoníaco, la reciente estimación de la Asociación Brasileña de Biogás de una producción de 2,2 millones de metros cúbicos por día de biometano en Brasil, en 2027, podría significar alrededor de 940 mil toneladas de amoníaco verde por año, 40% por encima del consumo nacional aparente de amoníaco fertilizante en 2017.

Aunque estas notas están dedicadas al hidrógeno a partir de biomasa, cabe mencionar que se avanza en otras rutas que conectan el hidrógeno renovable y la biomasa. Como buen ejemplo, el proyecto Ômega Green, que está siendo implementado por BSBios Paraguay, con inversiones del orden de los mil millones de dólares, utilizará hidrógeno producido con hidroelectricidad, abundante en el país vecino, y aceites vegetales paraguayos para fabricar diésel verde y biocombustible aeronáutico renovable, en un volumen equivalente a más de mil millones de litros anuales, en gran parte para exponer el alquitrán. Las empresas brasileñas están iniciando proyectos en esa dirección.

En conclusión
El hidrógeno no es ni debe ser visto como una nueva fuente de energía. El hidrógeno es, de hecho, un vector energético, quizás una tecnología prometedora para el transporte de energía, capaz de llevar esa “capacidad de transformación” que llamamos energía. Tiene propiedades únicas y, cuando se produce con una huella de carbono baja, podría ser un componente relevante de la transición energética global, ampliando el espacio para las energías renovables y sostenibles.

Hay desafíos técnicos y económicos que superar, pero el fuerte interés de algunos países y empresas en su desarrollo está creando condiciones favorables para la creación efectiva de una nueva industria energética, enfocada en la producción y uso de hidrógeno. En este mundo que se avecina, la bioenergía encuentra nuevas y relevantes oportunidades, como buscamos señalar en estas notas. Tomando prestados algunos cálculos de Daniel Lopes, de NEA Hytron , quien consideró los diversos vectores energéticos que la caña de azúcar es capaz de brindar, etanol de primera y segunda generación, biogás y bioelectricidad , cada tonelada de caña es capaz de producir 17,8 kilogramos de hidrógeno.

Entonces, solo especulando, los 654 millones de toneladas de caña que cosechó Brasil en la zafra 2020-2021 podrían, en teoría, producir 11,6 millones de toneladas de hidrógeno, cuya producción por electrólisis consumiría 568 Teravatios hora, un 14% por encima del consumo nacional de electricidad. energía observada en 2022. Ante esto, ¿hay espacio para la biomasa en la economía del hidrógeno?