sábado, 4 de noviembre de 2023

¿Qué tan verde es el hidrógeno verde? 2/3 ¿Cómo se obtiene el H verde? (Puntos críticos)

Ésta es la segunda entrada  sobre ¿Qué tan verde es el hidrógeno verde? Recordemos que este tema está dividido en tres entradas a saber.
  • 1. Entendiento el hidrógeno como combustible: en esta entrada vimos que 1 kg de hidrógeno produce 33 Kw de energía y que a esta medida se le denomina poder calorífico, y es superior en comparación con combustibles fósiles como la gasolína o el diesel. Sin embargo, este parámentro no es suficiente para determinar si un combustibles es más o menos eficiente que otro, porque es necesario analizar otras características como la gravedad específica, la energía contenida, y el rango de inflamabilidad entre otros que determinan su volatilidad, la seguridad en su transporte y uso, etc.
  • 2. ¿Cómo se obtiene el H verde? (Puntos críticos)- (Entrada actual): si bien existen diferentes tipos de hidrógeno de acuerdo con su extracción, nos enfocaremos en analizar ambientalmente el hidrógeno verde cuya extracción proviene del agua. Veremos cómo interactúa el proceso de obtención de este combustible con diferentes ciclos geoquímicos.
  • 3. Desafíos a los que se enfrentaría la legislación ambiental colombiana respecto del hidrógeno verde: en esta entrada veremos si este combustible trae consigo situaciones nuevas para el ambiente que no se han presentado antes y si implicarían un cambio en la forma en que se aborda, valora y protegen los recursos naturales
INTRODUCCIÓN

En estos momentos se está hablando mucho del hidrógeno verde como una de las alternativas más sostenibles para generar enerigía limpia, debido a que no produce emisiones de CO2. Pero ¿Son las emisiones de CO2 el mejor indicador para determinar si esta tecnología es realmente sostenible y adecuada para el ambiente? ¿Hay algún riesgo ambiental en esta tecnología? ¿La legislación ambiental colombiana está preparada para evaluar este tipo de proyectos? Intentaremos dar respuesta a estas y otras preguntan que surjan en el transcurso de este hilo.


LOS DIFERENTES COLORES DEL HIDRÓGENO

Antes de hablar del hidrógeno verde vamos  hablar de los diferentes colores del mismo. No ahondaremos mucho en ello, lo mencionaremos, con el fin de tener una visión global de las diferentes tecnologías que existe para su obtención y qué significa cada color.

De acuerdo con el Ministerio de la Transición Energética y el Reto Demográfico de España los diferentes colores del hidrógeno son:
  • Hidrógeno renovable o hidrógeno verde: hidrógeno generado a partir de electricidad renovable, utilizando como materia prima el agua, mediante un proceso de electrólisis. Así mismo, el hidrógeno obtenido mediante el reformado del biogás o la conversión bioquímica de la biomasa, siempre que se cumplan los requisitos de sostenibilidad establecidos, tendrá carácter renovable.
  • Hidrógeno azul: hidrógeno obtenido de forma similar al hidrógeno gris, pero al que se le aplican técnicas de captura, uso y almacenamiento de carbono (CCUS: Carbon Capture, Utilization and Storage) lo que permite reducir hasta en un 95% las emisiones de CO2 generadas durante el proceso.
  • Hidrógeno gris: hidrógeno producido a partir de gas natural u otros hidrocarburos ligeros como metano o gases licuados de petróleo mediante procesos de reformado. Actualmente, el 99% del hidrógeno consumido en España es de este tipo.
  • Hidrógeno amarillo: hidrógeno generado a partir de electricidad procedente de la red primaria, utilizando como materia prima el agua, mediante un proceso de electrólisis.
  • Hidrógeno rosa: hidrógeno generado a partir de electricidad procedente de energía nuclear, utilizando como materia prima el agua, mediante un proceso de electrólisis.
  • Hidrógeno turquesa: hidrógeno generado a partir pirólisis de metano. En este proceso se genera carbono sólido, por lo que, a diferencia del hidrógeno azul, no es necesaria la captura del carbono resultante.
Ministerio de la Transición Energética y el Reto Demográfico

Teniendo en cuenta este contexto sigamos en el análisis específico del hidrógeno verdo


DEFINIENDO EL HIDRÓGENO VERDE

En la entrada pasada veíamos qué es el hidrógeno desde el punto de vista energético, sin tener en cuenta su oritgen, a continuación veremos qué es el hidrógeno verde y cómo se obtiene.

La plataforma para el desarrollo del hidrógeno verde en Latinoamerica y el Caribe, establece como definición de hidrógeno verde la siguiente: "La producción de hidrógeno verde es libre de CO2. Se utiliza electricidad producida a partir de energías renovables para la electrólisis del agua, proceso que permite separar la molécula del agua en hidrógeno y oxígeno. De esta forma, no se liberan gases de efecto invernadero al ambiente". Y luego muestra una figura interesante de los tipos de Hidrógeno como combustible que existen


Es interesante que este documento solo menciona como única fuente de hidrógeno verde el agua, aunque como vimos anteriormente, también puede ser verde el hidrógeno obtenido de la biomasa y el biogas. Es importante destacar que esta definición se presenta en la Hoja de Ruta del hidrógeno en Colombia:

"Hidrógeno renovable (o hidrógeno limpio), producido a partir de fuentes renovables por lo que se considera que tiene emisiones prácticamente nulas). Esta categoría incluye al hidrógeno producido mediante electrolisis, siempre que la electricidad provenga de tecnologías renovables, y al biohidrógeno, obtenido a partir de la biomasa."

En esta entrada nos vamos a enfocar en el hidrógeno verde obtenido a partir de la electrólisis del agua, dado es el que está más difundido y sobre el que se enfoca actualmente el desarrollo tecnológico y por ende las políticas relacionadas. Pero antes de entender por qué el hidrógeno verde es verde, entendamos qué significa este concepto, porque va mucho más alla del combustible que se utilice

¿ QUÉ ES UN PRODUCTO VERDE?

Al investigar sobre, el término "verde", encontré que es un término muy genérico y puede ser aplicado con diferentes enfoques, tales como: política, ecología, responsabilidad social corporativa, comercio justo, sostenibilidad y equidad entre otros.

A este respecto, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA por sus siglas en inglés) en su artículo What Makes a Product "Greener?" establece lo siguiente (traducción libre):

La respuesta a ¿Qué hace que un producto sea "verde"? puede ser complicada. Es necesario considerar los múltiples impactos potenciales para la salud humana y el medio ambiente a lo largo del ciclo de vida del producto, desde la extracción de la materia prima del producto hasta la fabricación, pasando por el uso y la eliminación.

Muchos factores entran en juego:
  • Exposiciones tóxicas
  • La contaminación del aire
  • La contaminación del agua
  • Cambio climático
  • Agotamiento del ozono estratosférico
  • Uso de recursos naturales (p. ej., energía, agua, materiales)
  • Deposito de basura
  • daños al ecosistema
Diferentes productos tienen  puntos críticos (hot spots) ambientales o de salud humana que son motivo de preocupación

En esta definición encontramos un concepto importante: los puntos críticos (hots-pots) que tienen los productos verdes. Si bien dichos productos (o servicios) pueden traer beneficios para una parte del ambiente, también puede incidir en que otras áreas se vean perjudicadas. Lo que conllevaría a que no todas las partes del sistema pueden estar en equilibrio (trade - off). Así las cosas, lo que en realidad se debe analizar analizar al respecto de un producto verde es si vale la pena asumir los riesgos o costos de este punto crítico en favor del beneficio que dice tener dicho producto.

Ahora bien, teniendo en cuenta qué significa que un producto sea verde, así como sus características principales, veámos el comportamiento de este combustibe.

¿CUÁL ES LA PREMISA SOBRE LA CUAL SE BASA EL HIDRÓGENO VERDE A PARTIR DE LA ELECTRÓLISIS DEL AGUA?

La principal bondad que se muestra con bombos y platillos al respecto de este tipo de hidrógeno es que no genera gases de efecto invernadero ni CO2. En este sentido, al realizar un análisis rápido, es evidente  que la naturaleza del proceso no involucra sustancias que pueda generar CO2 o sustancias equivalentes, pero ¿Esta justificación es suficiente para denominarlo verde? ¿Es su comportamiento realmente verde? O sucede como la publicidad de los edulcorantes que en su empaque mencionan que son libres azúcar y es obvio,  porque en la naturaleza de este producto no está el azúcar, pero ¿Eso lo hace saludable? Hasta hace unos años el aspartame era un edulcorante muy reconocido y recomendado, hoy se sabe que no es tan saludable, tenía sus propios puntos críticos que se evidenciaron con el tiempo

Para iniciar nuestro análisis necesitamos saber cómo se produce

¿QUÉ SE NECESITA PARA OBTENER 1 KG DE HIDRÓGENO A PARTIR DEL AGUA?

Hasta el momento, lo que se habla del hidrógeno verde son argumentos etéreos, no cuentan nada del proceso como tal, qué pasa con el agua, cuánto hidrógeno se obtiene del agua utilizada. A continuación, vamos a incursionar un poco más en le proceso de cómo se obtiene, sin perder sencillez y claridad. Los datos numéricos que sirvieron de base para el presente análisis fueron obtenidos de la página de la fundación GHD, la cual se dedica a desarrollar proyectos en el área social y ambiental en diferentes países del mundo (la selección de esta página se debe a que fue la información más completa y fácil de entender que encontré).

vamos a adentrarnos un poco en la parte técnica del proceso. No vamos a utilizar términos muy complejos, vamos a utilizar concepos sencillos que nos permitan entender el proceso, sin perder rigor técnico.

¿Qué tipo de agua se necesita para obtener hidrógeno?

Se requiere agua destilada. Para obtener 1 kg de H, se requiere que 10 kg de agua destilada pasen por un sistema de electrólisis. A continuación, se presenta el comportamiento general de estos 10 kg de agua.

De los 10 kg de agua destilada que entran al sistema de electrólisis el 90% (9 kg) son destruídos para obtener 1 kg (10%) de hidrógeno y solo 1 kg (10%) de agua vuelve al ciclo.

¿Cuánta agua se necesita para destilar el agua?: Para obtener 10 kg de agua destilada se requieren 12 kg de agua tratada

¿La planta electrolizadora requiere agua para su funcionamiento?: SI. la planta electrolizadora requiere un sistema de refrigeración. Para producir 1kg de H, requiere consumir 35 kg de agua tratada para refrigeración.

Entonces ¿Cuanta agua en total se requiere para producir 1 kg de H?: se requieren 59 kg de agua. A continuación se presenta el esquema de producción del H verde traducido y adaptado de la página GHD denominada Water demand and the many colours of hydrogen.

Traducido y adaptado por Humanidad sostenibe de

¿Cómo se interpreta el proceso de obtención del hidrógeno verde?
  • El proceso inicia con 59 kg (100%) de agua cruda
  • Se requiere un proceso de tratamiento que genera 14 kg (23%) de agua residual
  • La planta electrolizadora procesa 10 kg (17%) de agua destilada
  • La planta electrolizadora necesita 35 kg (59%) de agua para refrigeración
  • La refrigeración genera 10 kg (17%) de agua resudual
  • El proceso de electrólisis genera 1 kg (2%) de agua residual
  • Las pérdidas por evaporación corresponden a 25 kg (42%)
  • La sumatoría total del agua residual en los procesos de tratamiento y electrósis es de 25 kg (42%)
  • Se generan 8 kg (14%) de un subproducto (oxígeno)
  • Se obtuvo 1 kg (2%) de hidrógeno verde
  • Se eliminaron del ciclo del hidrológico 9 kg agua que no se pueden recuperar
¿Cuánta energía requierepara obtener 1 kg de hidrógeno

De acuerdo con un documento realizado por el estado de Columbia Británica, llamado British Columbia hydrogenn Study establece que para producir 1 kg de hidrógeno se requieren 39 kwh. Entonces acá las matemáticas no cuadran porque si para producir 33 kwh de energia se necesitan 39kwh osea 18% más de energía que la energía que produce.

COMPONENTES AMBIENTALES BENEFICIADOS POR EL HIDRÓGENO VERDE

Ya vimos el beneficio con el cual se vende el hidrógeno verde: no genera emisiones de CO2, solo se toma agua, se obtiene el hidrógeno (H) y se libera Oxígeno (O). Entonces si nos remontamos a las clases de ciencias naturales de 5to de primaria (de hace unos cuantos años), los beneficios que exponen quienes promueven esta tecnología "beneficia" al ciclo geoquímico del carbono



Este ciclo se ve beneficado en el sentido de que no se generan emisiones, ni se utilizan combustibles fósiles. Pero acá volvemos al argumento de los edulcorantes que se promociona como "libres de azúcar", sin tener en cuenta que pueden ser perjudiciales en otros aspectos. Como se mencionó anteriormente, en el proceso de creación del hidrógeno verde no se involucran combustibles fósiles, entonces es lógico que no se genere CO2, pero ¿Qué pasa con otros ciclos geoquímicos? ¿hay algún punto crítico de esta tecnología en algún aspecto o componente ambiental. 

A continuación, veremos las afectaciones (puntos críticos) que se pueden presentar en otros componentes diferentes al del CO2

PUTNOS CRÍTICOS (HOTS POTS) DEL HIDRÓGENO VERDE A PARTIR DE LA HIDRÓLISIS DEL AGUA
  • Puntos críticos en el componente hidrosférico (Ciclo del agua)
Par este proceso ya vimos que se "utiliza" agua (más adelante veremos si el término correcto es utilizar) y se obtiene oxígeno e hidrógeno. La interpretación ambiental que podemos hacer de la obtención de este combustible (ver figura: proceso de electrólisis del agua) en el ciclo del hidrológico es la siguiente:



De la figura anterior se puede concluir que de los 59 kg de agua necesarios para producir Hidrogeno verde, 25 kg  (42%) retornan al ciclo en forma de agua residual líquida, 25 kg (42%) retornan al ciclo en forma de vapor de agua y 9 kg (16%), no retornan al ciclo ya que se desintegran para convertirlos en hidrógeno y oxígeno.  Lo anterior significa que por cada kg de hidrógeno producido para generar energía, se pierden 9 kg de agua.  Este es un punto crítico, que no ahondaremos en este artículo dada su extensión, pero teniendo en cuenta que en la primera entrega de esta saga denominada entendiendo el hidrógeno como combustible, veíamos que se requiere 1 kg de H producir 33,4 kw de energía, podemos calcular cuánto hidrógeno se necesita para cargar un auto eléctrico o abastecer una casa o una ciudad.
  • Puntos críticos en la atmósfera
Como se puede evidenciar, uno de los subroductos de la elecrtrólisis del agua es el Oxígeno. A la fecha de elaboración de este artículo no he encontrado alguna página que hable cómo se va a manejar el oxígeno en el proceso de obtención del hidrógeno, un aspecto muy importante dado que se generarán 8 veces más oxígeno que hidrógeno (8 kg). La cuestión es que este subproducto puede presentarse de forma gaseosa o líquida. Analicemos de manera general qué sucede si este elemento se presenta de la primera forma

Uno de los grandes mitos que hay sobre la atmósfera es que respiramos oxígeno O2 y eso es falso. Nosotros respiramos aire, el cual en u estado más limpio tiene la siguiente composición:
  • 78% nitrógeno
  • 21% de oxígeno
  • 1% otros gases (Neón, argón, dióxido de carbono, vapor de agua)
Lo anterior significa que nosotros respiramos más nitrógeno que oxígeno ¿Qué sucede si se cambia la proporción de oxígeno y nitrógeno?,  ¿Qué pasaría con un incremento repentino del oxígeno en la tropósfera que es donde usted y yo habitamos con el resto de seres vivos? Estas son preguntas que es necesario responder si nuestro objetivo es genuinamente aydar al medio abienete.

Sin embargo, el oxígeno también puede presentarse de forma líquida, por lo cual es válido preguntarse ¿Qué pasa con los cuerpos de agua receptores? ¿Cómo afecta a los animales?

Es importante recordar que el oxígeno puro es tóxico  tal como se observa en su hoja de seguridad 
  • Punto crítico energético
Anteriormente vimos que se necesitan  39 kwh de energía para producir 33 khw. Esto significa que está en contra de la Tasa Retorno Energético TRE o EROI por sus siglas en inglés.  Corresponde al cociente de la cantidad de energía total que es capaz de producir una determinada tecnología o fuente energética entre la cantidad de energía que es necesaria invertir para obtener ese flujo de energía.  este cociente para que sea costo efectivo y con el menor gasto de recursos naturales en el proceso, debe ser mayor 1, sin embargo este valor es 0,84,. lo cual significa que se invierten más recursos energéticos de los que se obtienen y esto implica una afectación no justificada del medio ambiente.

A MODO DE CONCLUSIÓN

  • Es importante tener en cuenta que todos los productos verdes tienen puntos críticos que es necesario analizar para sopesar adecuadamente los beneficios frente a las afectaciones.
  • Muchas veces productos aparentemente amigables con el ambiente o sanos tienen intereses diferentes a los que promueven
  • Antes les decía que seguramente el concepto "utilizar" agua para producción de hidrógeno no sea el más adecuado, ya que en realidad se está destruyendo agua para obtener energía. Esta es una situación nunca vista porque una cosa es la contaminación de un recurso que puede requerir mucho tiempo para su recuperación o un alto costo técnico y monetario para su manejo o una compensación. Pero ¿Cómo puedes manejar una situación en la que destruyes un recurso que no puedes recuperar o compensar?. 
  • Esto implica grandes desafíos para las autoridades ambientales, las cuales abordaremos en la próxima entrada
  • Como opinión personal, considero que con el tiempo el H puede ser una buena estrategia energética, pero aún debe resolver algunos problemas y avanzar hacia tecnologías más eficientes, por lo que no creo que la escalada mediática que hay y la perspectiva de negocio que se está presentando como si fuera algo seguro y consolidado es peligrosa, así mismo desconocer otras fuentes de H como el metano puede ser un error estratégico.

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NOTA ACLARATORIA: es posible que los argumentos y conclusiones de esta entrada sean rebatibles, así que por favor sientase libre de dejar en los comentarios sus apreciaciones a favor o en contra (siempre en aras del respecto) para enriquecer la interpretación de los datos al respecto y si conoce información que nos pueda ayudar a todos a entender mejor este tema, por favor comparta. Finalmente agradezco a quienes lean y crean que esta información es importante y digna de transmitir, lo hagan citando la fuente.

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Otras lecturas y fuentes de información





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