Aunque el coronavirus ayudó a la humanidad a reducir las emisiones nocivas a la atmósfera en la primera mitad de 2020 en un récord del 9%, es demasiado pronto para que los ecologistas celebren la victoria porque, como dicen los fontaneros, "todo el sistema debe cambiarse aquí": un sistema de economía de carbono basado en el consumo total de combustibles fósiles. Y si nos hemos decidido por nuevas fuentes (sol y viento), entonces todavía no tenemos un portador de su energía inestable. El hidrógeno reclama este papel. Esta vez hablaremos de sus perspectivas, así como de la predicción de Jules Verne, la pesadilla de Elon Musk, la planta de hidrógeno verde más grande del mundo en Fukushima y nuestras posibilidades de viajar a nuestra casa de campo en trenes de hidrógeno (las posibilidades son grandes).
El campo de investigación de energía de hidrógeno de Fukushima de Toshiba en la prefectura de Fukushima es la planta piloto más grande del mundo para la producción de hidrógeno por electrólisis. El trabajo se llevó a cabo en el marco del proyecto "Proyecto de desarrollo técnico de construcción social de hidrógeno / Desarrollo técnico del sistema de energía de hidrógeno / Desarrollo técnico relativo a la construcción de modelos comerciales y la prueba real a gran escala de un sistema de hidrógeno de uso de re-energía" de la Organización Japonesa para el Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnología Industrial (NEDO).
Fuente: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation.
Julio Verne escribió en The Mysterious Island en 1875:
- ¿Agua? Preguntó Pencroff. - ¿Arderá el agua en los hornos de los barcos de vapor, locomotoras, calentará el agua el agua?
"Sí, pero el agua se descompuso en sus partes constituyentes", dijo Cyrus Smith. - Sin duda, esto se hará con la ayuda de la electricidad, que en manos del hombre se convertirá en una fuerza poderosa, pues todos los grandes descubrimientos -tal es la ley incomprensible- se suceden y, por así decirlo, se complementan. Sí, estoy seguro de que llegará el día y el agua reemplazará al combustible; el hidrógeno y el oxígeno, que lo componen, se utilizarán por separado; demostrarán ser una fuente inagotable y tan poderosa de calor y luz que el carbón está lejos de ellos. Llegará el día, amigos míos, y no carbón, sino cilindros con estos dos gases comprimidos que se cargarán en las bodegas de los vapores, en las tolvas de las locomotoras de vapor, y arderán con una potencia de calor tremenda. Por tanto, no hay nada que temer. Mientras la tierra esté habitada por personas, no las privará de sus bienes, ni de luz, ni de calor, pondrá a su disposición plantas, minerales y animales.En una palabra, estoy seguro, cuando se agoten los depósitos de carbón, la gente convertirá el agua en combustible, la gente se calentará con agua. El agua es el carbón de los siglos venideros.
- Me gustaría echarle un vistazo a todo esto - dijo el marinero.
“Naciste temprano, Pencroff”, intervino Neb, que no había pronunciado una palabra hasta entonces.
El ingeniero Cyrus Smith (imagen central) no solo describe la economía del hidrógeno. En las páginas de la novela de Julio Verne "La isla misteriosa" (1875), cuenta cómo hacer fuego sin fósforo, determinar la longitud y latitud, construir un horno de cerámica, hacer nitroglicerina e hidroxilo, velas, construir un elevador hidráulico, etc. Fuente: Rama / Wikimedia Commons
El escéptico marinero de la Robinsonade de Jules Verne, La isla misteriosa, nació demasiado pronto para estar seguro del pronóstico de Cyrus Smith. El objetivo de convertir el hidrógeno en el “carbón de los siglos futuros” en la mayoría de los programas de los diferentes países debería alcanzarse para 2030-2050. ¿Significa esto que la humanidad ya ha pasado, digamos, dos tercios del camino hacia una economía del hidrógeno? Intentemos predecir, pero primero averigüemos la cronología.
Todo comenzó en 1776 con el descubrimiento del hidrógeno por parte del británico Henry Cavendish, quien obtuvo este gas incoloro mediante la reacción de zinc y ácido clorhídrico. En 1800, sus compatriotas William Nicholson y Anthony Carlisle llevaron a cabo la electrólisis por primera vez, la reacción de la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno utilizando electricidad, conocida por todos nosotros desde la escuela.
Treinta años después, el químico suizo Christian Schönbein y el británico William Grove llevaron a cabo el proceso opuesto: recibieron electricidad a partir de hidrógeno y oxígeno, y construyeron las primeras pilas de combustible de hidrógeno con un electrolito ácido.
En el siglo XX, hay más investigación aplicada. En la década de 1920. El ingeniero alemán Rudolf Erren reconstruyó los motores de combustión interna de camiones, autobuses y submarinos para que pudieran funcionar con hidrógeno y sus mezclas. Y el británico John Haldane fue el primero en proponer utilizar energía eólica para producir hidrógeno por electrólisis.
El desastre del dirigible Hindenburg en 1937, y luego la Segunda Guerra Mundial se interrumpió durante la duración de la investigación en esta área, aunque el hidrógeno se utilizó activamente, por ejemplo, en la sitiada Leningrado.
Cuando se acabó la gasolina en Leningrado, el mecánico Boris Shelishch logró convertir los motores de los automóviles en hidrógeno gastado por globos. Fuente: archivo RIA Novosti / Wikimedia Commons
En 1970, el químico estadounidense John Bockris introdujo el concepto de una "economía del hidrógeno", proponiendo alimentar las redes eléctricas de las ciudades estadounidenses con energía solar y utilizar el hidrógeno como vehículo.
Durante todos estos años, el gas asequible y práctico se ha desarrollado activamente en la industria. Es cierto que no pensaron en su potencial ecológico, por lo que la mayoría de los métodos de producción de hidrógeno, heredados de la era industrial, son, aunque económicos, “sucios”. Más sobre ellos.
5 tonos de hidrógeno: ¿por qué y cómo se produce?
Desde que John Bockris propuso convertir el hidrógeno en un portador de energía, la demanda global de este gas se ha triplicado a 70 millones de toneladas por año. Según diversas estimaciones, para la década de 2040 el indicador aumentará a 100-200 millones de toneladas por año. Según estimaciones de la Agencia Internacional de Energía (AIE), el 33% de este gas se produce para refino de petróleo, el 27% para amoniaco y fertilizantes minerales, el 11% para síntesis de metanol y el 3% para cubrir las necesidades de la industria siderúrgica.
El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido, no tóxico, pero mezclado con aire u oxígeno, es inflamable y peligroso. Fuente: Toshiba Clip
¿De dónde viene el hidrógeno? La mayor parte se extrae del gas natural (76%) y del carbón (23%). Debido a esto, el H2 respetuoso con el medio ambiente resulta ser sucio para el medio ambiente: sus productores emiten tanto dióxido de carbono a la atmósfera como el Reino Unido e Indonesia juntos. Para liberar el potencial ecológico del hidrógeno, debe producirse de manera diferente.
En los últimos años, se ha desarrollado una clasificación de "color" del hidrógeno según el tipo de fuente para su producción:
- hidrógeno gris - a partir de gas natural;
- hidrógeno azul - de minerales, pero utilizando tecnología de captura y almacenamiento de carbono (CCS), de la que hablamos aquí .
- hidrógeno negro - del carbón;
- hidrógeno marrón - de lignito;
- hidrógeno verde - procedente de fuentes de energía renovables (FER).
Ahora veamos exactamente cómo se producen los “hidrógenos multicolores” y cuánto cuesta.
Más ligero que el aire, pero más caro que un dólar: ¿cuánto cuestan los diferentes tipos de hidrógeno?
Comencemos con las fuentes fósiles. El hidrógeno se produce a partir del gas natural por reformado, la conversión de CH4 mediante una reacción endotérmica que utiliza vapor de agua. La desventaja de esta tecnología son las emisiones de CO2, que, sin embargo, pueden reducirse hasta en un 90% si se utilizan tecnologías CAC.
Como referencia: un metro cúbico de hidrógeno es igual a 0.08988 kilogramos o 1.2699 litros y tiene aproximadamente el mismo valor energético que un tercio de litro de gasolina. Esto significa que quemar 1 kilogramo de hidrógeno libera la misma cantidad de energía que quemar 2,75 kilogramos de gasolina.
Hidrógeno "gris"hasta ahora el más barato. Según la IEA, el costo de producir un kilogramo de hidrógeno es de $ 0.90 a $ 3.20, dependiendo de la región y la tecnología. El precio más bajo está en el Medio Oriente ($ 0,90 / kg), en los EE. UU. ($ 1,00 / kg) y Rusia ($ 1,10 / kg); los precios bajos del gas natural ayudan. En Europa y China resulta más caro: $ 1,73 / kg $ 1,78 / kg, respectivamente.
El hidrógeno azul generado a partir del gas natural mediante la captura de CO2 es más caro. En el Medio Oriente costará $ 1,45 / kg, en los EE. UU. - $ 1,52 / kg, en Rusia - $ 1,64 / kg, en Europa - $ 2,32 / kg, en China - 2 , 38 USD / kg.
Las tecnologías de captura de dióxido de carbono se pueden utilizar para reducir la huella de carbono de la producción de hidrógeno. El principio de CSS está en el diagrama. Fuente: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
El hidrógeno "negro" se produce por gasificación: procesamiento de combustible sólido o líquido por oxidación. Esto se hace principalmente en China, donde hay mucho carbón barato. Al producir hidrógeno negro, las emisiones de CO2 se duplican en comparación con el hidrógeno gris. Pero los chinos se sienten atraídos por el precio: un kilogramo de hidrógeno "negro" cuesta $ 1,10, y con el uso de la captura de CO2 - $ 1,50.
Hidrógeno "marrón"también se puede producir por gasificación, pero el lignito sigue siendo una rareza, por lo que es demasiado pronto para hablar de precios medios. Los australianos quieren usarlo y, según sus cálculos, el costo de un kilogramo de hidrógeno "marrón" (incluida la CAC) será de 2,14 a 2,74 dólares.
El precio final de todos estos tipos de hidrógeno está determinado principalmente por el coste de las materias primas, y este es el principal problema. El gas y el carbón son recursos agotables, sus precios son volátiles y su huella de carbono es muy significativa. Por ello, cada año la idea de extraer energía del agua que cubre el 70% de la superficie terrestre se vuelve cada vez más atractiva tanto para ecologistas como para economistas.
Hidrógeno verde: ¿dónde producirlo y cuánto cuesta?
Hasta ahora, se produce menos del 0,1% de hidrógeno por electrólisis, pero este método implica el uso de fuentes de energía renovables.
Y se necesita mucha energía: según la IEA, para producir el volumen anual actual de hidrógeno (70 millones de toneladas) por electrólisis, se necesita más electricidad de la que genera la Unión Europea en un año (3,60 mil TWh). Dado que la tecnología resulta consumir mucha energía, el costo del hidrógeno "verde" depende principalmente del precio de la electricidad.
Afortunadamente, están cayendo: según la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA), en 2019 el costo promedio de la electricidad solar cayó un 13% a $ 0.07 / kWh. La energía de los vientos marinos y terrestres cayó un 9%, respectivamente, a $ 0.05 / kWh y $ 0.12 / kWh. La electricidad generada a partir de fuentes fósiles se estima en promedio en $ 0.066 / kWh.
Cuando se agoten las reservas de agua de la Tierra, las reservas de whisky, cerveza, bebidas energéticas y refrescos se utilizarán para la electrólisis. Fuente: canal de YouTube Inventor El
segundo componente del potencial milagro electrolítico (el agua) es más simple: un kilogramo de hidrógeno requiere nueve litros de agua. En consecuencia, para obtener el volumen anual de hidrógeno se necesitarán 617 millones de metros cúbicos. m de agua - 1,3% del consumo mundial de H2O por energía. Se necesita agua dulce y el agua de mar deberá desmineralizarse. Sin embargo, esto agrega solo $ 0.01-0.02 al precio de un kilogramo de hidrógeno.
¿Cuánto cuesta el hidrógeno "verde"? Según el Hydrogen Council, ahora tiene un promedio de $ 6,00 por kg. La IEA ofrece el siguiente complemento: 3.00–7.50 USD / kg. Hay factores que influyen fuertemente en el costo del hidrógeno verde. En primer lugar, es una región.
Los rincones más prometedores del planeta para el hidrógeno renovable son la Patagonia, el norte de África, Oriente Medio, Mongolia, Australia, China, Estados Unidos y Nueva Zelanda. Aquí el costo del hidrógeno "verde" será $ 1,60-2,40 / kg. Fuente: Agencia Internacional de Energía
El segundo factor es la escala de producción. Cuanto más grande sea, menor será el costo final del "hidrógeno verde". Y por lo tanto, aunque Japón es un país pequeño, las autoridades de la prefectura de Fukushima no perdonaron el terreno para la planta de hidrógeno de energía solar más grande del mundo, Toshiba ...
Átomo realmente pacífico: ¿por qué se construyó la planta de hidrógeno más grande del mundo en Fukushima?
Según los cálculos del Consejo del Hidrógeno, para que un kilogramo de hidrógeno "verde" cueste entre 1,00 y 2,00 dólares, para 2030, su producción debe aumentarse a 12 millones de toneladas por año. Cuanto mayor sea la escala de producción, menores serán sus costos unitarios.
Para comprender cómo se puede integrar una gran producción de hidrógeno en una red eléctrica existente, Toshiba ha construido la planta piloto de hidrógeno por electrólisis más grande del mundo, que alimenta una planta de energía solar (SPP). Se llama Campo de Investigación de Energía de Hidrógeno de Fukushima, FH2R. La planta está ubicada en el pueblo de Namie (Prefectura de Fukushima) y cubre un área de 220 mil metros cuadrados. m) Consiste en una planta de energía solar con una capacidad de 20 MW y un electrolizador con una capacidad de entrada de 10 MW.
Además del SPP, la planta está alimentada por una red eléctrica convencional. Las fuentes de energía renovable pueden proporcionar energía en abundancia y el exceso de hidrógeno se puede almacenar para mantener la electrólisis durante períodos de mínima actividad solar o eólica. Pero en un país menos soleado como Japón, Toshiba decidió utilizar la red eléctrica para encontrar un equilibrio económico entre las fuentes de energía tradicionales alternativas. Fuente: Agencia Internacional de Energía
La planta piloto FH2R producirá hasta 900 toneladas de hidrógeno por año para alimentar automóviles y autobuses con pilas de combustible, así como para sus propias necesidades. La producción alcanzará los 1,20 mil metros cúbicos. m por hora, es decir, la producción diaria de la planta será suficiente para repostar 560 coches de hidrógeno y energía para 150 viviendas.
Por cierto, sobre el transporte. El camino hacia una economía del hidrógeno probablemente pasa por los tanques de automóviles, autobuses y camiones personales, donde el hidrógeno reemplazará a la gasolina. ¿Cómo y cuándo sucederá esto?
La pesadilla de Elon Musk: ¿ganarán los autos de hidrógeno Tesla?
Los coches de pila de combustible son el programa mínimo de la revolución del hidrógeno. Dicho transporte es el centro de los programas de la mayoría de los países de acogida.
El hidrógeno contiene más energía por unidad de masa que el gas natural o la gasolina, lo que lo convierte en un combustible de transporte atractivo. Entre las ventajas se encuentran el repostaje rápido (a diferencia de los coches eléctricos), una mayor autonomía (unos 400 km con una media de 250 km para los vehículos eléctricos), bajo peso de las materias primas, ausencia de emisiones de CO2, eliminación más sencilla y ecológica de las pilas de combustible en comparación con las baterías de los coches eléctricos.
Ahora, más de 25 mil coches con hidrógeno circulan por todo el mundo, el doble que en 2018. Se trata principalmente de Toyota Mirai (del que una vez escribimos aquí, en Habré), Hyundai Nexo y Honda Clarity Fuel Cell, aunque los autobuses y camiones dominan en China. Pero hay muchos menos coches de hidrógeno que sus competidores directos, los coches eléctricos a batería, que se acercan a los 7,2 millones.
Primero, los coches de hidrógeno son más caros. Por ejemplo, Toyota Mirai cuesta 58,5 mil dólares estadounidenses y Tesla Model 3 - 35 mil dólares EE.UU .. Dos componentes principales de un automóvil de hidrógeno son caros: las pilas de combustible y un tanque. Sin embargo, este problema se resolverá en el futuro aumentando la escala de producción. Si ahora el costo de una celda de combustible para una máquina de hidrógeno es de $ 230-180 / kWh, entonces con un aumento en su producción de 1,000 a 500,000 unidades por año, disminuirá a $ 45 / kWh. En la misma escala, el precio de un tanque de hidrógeno disminuirá de $ 23 / kWh a $ 14-18 / kWh.
El Toyota Mirai tiene dos depósitos de hidrógeno con un peso total de casi 88 kg. El hidrógeno se almacena en ellos a una presión de 70 MPa. Fuente: Mariordo / Wikimedia Commons
En segundo lugar, hay un problema con el repostaje: hay pocos: 25 mil coches de hidrógeno repostan en 470 estaciones, la mayoría de las cuales están ubicadas en Japón (113), Alemania (81) y Estados Unidos (64). Sin embargo, con el tiempo, el problema se resolverá mediante el desarrollo de una red de estaciones de servicio.
Ahora sobre los costos de combustible. Por ejemplo, en Alemania, 1 kg de hidrógeno en gasolineras públicas cuesta 9,50 euros. Un vehículo de pila de combustible utiliza aproximadamente un kilogramo de hidrógeno por cada 100 kilómetros. Por lo tanto, los costos de combustible son comparables a los de un automóvil de gasolina promedio, que consume 7 litros cada 100 km.
En total, los expertos de la IEA estiman los costos de capital y operativos de un automóvil de hidrógeno en aproximadamente $ 0,65 / km, mientras que para los vehículos eléctricos es de aproximadamente $ 0,58 / km, pero en el futuro serán iguales. El Hydrogen Energy Council predice que los automóviles personales se volverán competitivos para 2030 con el precio del hidrógeno cayendo a $ 2.00 / kg. ¿Qué pasa con otros usos del hidrógeno?
Resumen: ¿cuándo comenzará la era del hidrógeno (y comenzará)?
Los expertos del Consejo para la Energía del Hidrógeno han calculado a qué precio por kilogramo el hidrógeno se convertirá en una alternativa competitiva a otras fuentes de energía con una "huella de carbono" baja.
El hidrógeno ya es indispensable como materia prima en la industria, y en el futuro sus perspectivas están asociadas al transporte y suministro de calor y electricidad para los consumidores civiles e industriales. Fuente: Path to Hydrogen Competitiveness. Una perspectiva de costos // 20 de enero de 2020, Hydrogen Council
Cuando el precio de un kilogramo de hidrógeno baje a 4,00-5,00 dólares, los camiones y autobuses que circulan por rutas largas se volverán competitivos. Además, esto puede suceder en 5 años. La situación con los automóviles privados y las camionetas es diferente: incluso si el precio del hidrógeno disminuye, su costo puede seguir siendo alto en relación con los automóviles eléctricos. Entonces, solo los automovilistas con la prioridad del repostaje rápido y aquellos que usan los automóviles de manera muy intensiva, por ejemplo, los taxistas, comprarán automóviles de hidrógeno. Para convertir los autos pequeños en rivales de Tesla, el precio del hidrógeno debe reducirse a $ 1,00-1,50 / kg.
Pero los trenes eléctricos con pilas de combustible ya pueden competir con los habituales en rutas de hasta 50 km con una alta frecuencia de vuelos. Para que sigan siendo atractivos, la participación de los costos de combustible debe caer del 40-50% actual al 20-30%, lo que puede suceder a un precio de $ 4.5 / kg de hidrógeno para 2030.
Muy pronto (alrededor de 2023), las carretillas elevadoras, que ya se utilizan activamente en China, pueden conquistar el mundo a un precio de 1 kg de hidrógeno a $ 7,00-9,00.
El hidrógeno se puede canalizar a edificios residenciales. En este caso, podrá reemplazar el gas natural por electricidad y calentar casas utilizando tecnología de captura de dióxido de carbono. Cuando el precio cae a $ 3.00-5.40 / kg, el hidrógeno se vuelve más rentable que otros sistemas de calefacción, por ejemplo, con biometano. Pero el hidrógeno puede manejar gas natural sin CCS solo si cuesta menos de $ 1,00 / kg. Como fuente de electricidad, las pilas de combustible de hidrógeno serán competitivas a un precio de $ 1,90 / kg.
entonces
Como puede ver, la economía completamente del hidrógeno no estará completa a mediados de este siglo. Según el pronóstico del Consejo Internacional del Hidrógeno, a un precio de $ 1.8 / kg, el hidrógeno podrá cubrir hasta el 15% de la demanda mundial de energía para 2030, y para 2050 - 18%. Aparentemente, nosotros, como el marinero de Julesvern, Pencroff, nacimos demasiado pronto para ver que el hidrógeno se convirtió en el "carbón de la época". Lo más probable es que este gas desempeñe un papel importante en la energía multifactorial y de hecho reemplazará los recursos fósiles en algunas regiones y aplicaciones, pero tendrá que competir con otras fuentes y portadores de energía durante mucho tiempo.