Producción de hidrógeno: ¿qué es el hidrógeno y cómo se produce?

El hidrógeno adquiere cada vez más importancia como prometedora fuente de energía limpia, especialmente con vistas a un futuro más respetuoso con el medioambiente. Sin embargo, ¿se ha preguntado alguna vez qué es realmente el hidrógeno y cómo se produce? En este artículo analizamos los conceptos básicos y las tecnologías utilizadas para producir hidrógeno, así como las características que hacen del hidrógeno un elemento especial.

En pocas palabras, el hidrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido, y tiene fama de ser el elemento químico más simple y abundante del universo. El hidrógeno está formado por partículas diminutas, protones y electrones.

Es sumamente sensible y puede combinarse con otros elementos para formar compuestos como el agua. Actúa como un potente combustible y se puede utilizar para generar electricidad y calor, y hacer funcionar los vehículos. Como fuente de energía limpia, el hidrógeno puede reducir el impacto medioambiental y contribuir a un suministro de energía sostenible.

Existen varias tecnologías para la producción de hidrógeno, que pueden utilizarse en función de los requisitos específicos y los recursos disponibles. Estos son algunos métodos comunes:
 

• Reformado con vapor del gas natural: se trata de la tecnología más utilizada actualmente para la producción de hidrógeno. En este proceso el gas natural, compuesto principalmente de metano, se calienta con vapor de agua en presencia de un catalizador. En sentido figurado, el proceso de reformado con vapor puede considerarse como la "descomposición" del gas natural.
  
  En este proceso, el metano del gas natural reacciona con el vapor de agua y produce hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO). El hidrógeno obtenido se purifica y se puede utilizar como combustible en vehículos, para generar electricidad en celdas de combustible o en diversas aplicaciones industriales. Este proceso es económico, pero también tiene desventajas. El dióxido de carbono se libera como subproducto, lo que repercute en el medioambiente.

• Electrólisis del agua: en la electrólisis, el agua se divide en hidrógeno y oxígeno con la ayuda de una corriente eléctrica. Para ello, se utilizan equipos o aparatos denominados electrolizadores que llevan a cabo el proceso de electrólisis.

• Producción de hidrógeno con energía solar: en este método se utiliza la energía solar en lugar de la energía eléctrica para llevar a cabo el proceso de electrólisis. Para ello, se puede utilizar la luz solar directa o concentrar la radiación solar con la ayuda de espejos o colectores solares. Esta nueva tecnología podría utilizarse en países en los que se dispone de suficiente luz solar, lo que permitiría producir hidrógeno de forma especialmente rentable.

• Producción termoquímica de hidrógeno (producción biológica de hidrógeno): algunos microorganismos, como determinadas bacterias o algas, pueden producir hidrógeno a través de la fermentación o la fotosíntesis. Este método sigue en fase de desarrollo, pero puede convertirse en una fuente de hidrógeno sostenible y respetuosa con el medioambiente. Sin embargo, la desventaja de este tipo de producción son los recursos finitos.

Cabe señalar que no todos los procesos de producción de hidrógeno son igual de sostenibles o respetuosos con el medioambiente. La sostenibilidad de la producción de hidrógeno depende de la fuente de energía utilizada y de las emisiones de CO2 durante el proceso de producción. Para aprovechar al máximo las ventajas del hidrógeno como fuente de energía limpia, es muy importante utilizar fuentes de energía renovables para la producción de hidrógeno.

El uso de energías renovables, como la solar, la eólica o la hidroeléctrica, puede reducir significativamente las emisiones de CO2 en la producción de hidrógeno, haciendo que este proceso sea más sostenible y ecológico. De este modo, la producción de hidrógeno es respetuosa con el medioambiente. Se trata de un paso importante hacia un futuro con bajas emisiones de carbono y la lucha contra el cambio climático.

La electrólisis es el proceso más prometedor. El proceso de electrólisis permite producir hidrógeno de forma respetuosa con el medioambiente, sobre todo si la electricidad utilizada para ello procede de fuentes de energía renovables. Estas tecnologías desempeñan un papel importante a la hora de permitir que el hidrógeno limpio se convierta en una fuente de energía sostenible para diversas aplicaciones. A continuación, analizamos en detalle las distintas tecnologías y las ventajas y desventajas de cada una de ellas.

La electrólisis PEM, también conocida como electrólisis de membrana de intercambio de protones, divide el agua en hidrógeno y oxígeno mediante una membrana de polímero y corriente eléctrica.

Ventajas:

• Puesta en marcha y adaptación rápidas con cargas variables
• Alta eficiencia en el funcionamiento con cargas parciales
• Baja temperatura de funcionamiento (50-80 °C), lo que reduce el uso de materiales costosos
• Tamaño compacto e integración sencilla en los sistemas existentes
• Alto nivel de madurez tecnológica (TRL 7-8)

Desventajas:

• Sensibilidad a las impurezas del agua, por lo que requiere un tratamiento previo del agua
• Vida útil limitada de la celda de combustible PEM (aprox. 10 000 horas de funcionamiento)
• Mayores costes en comparación con la electrólisis alcalina

En la electrólisis alcalina, el agua se divide en sus componentes hidrógeno y oxígeno utilizando un electrolito alcalino, normalmente una solución acuosa de hidróxido de potasio.

Ventajas:

• Costes más bajos en comparación con la electrólisis PEM
• Resistencia frente a los contaminantes del agua
• Vida útil prolongada de la celda electrolítica (aprox. 40 000-80 000 horas de funcionamiento)
• Máximo nivel de madurez tecnológica (TRL 8-9)

Desventajas:

• Velocidad de reacción más lenta en comparación con la electrólisis PEM
• Las temperaturas de funcionamiento más altas (70-100 °C) conllevan un mayor consumo de energía
• Integración más difícil en los sistemas existentes debido a los diferentes parámetros de funcionamiento

SOEC son las siglas de celda de electrólisis de óxido sólido y hace referencia a una celda electrolítica de alta temperatura que convierte el agua en hidrógeno y oxígeno a altas temperaturas y con óxidos sólidos como electrolito.

Ventajas:

• Alta eficiencia y recuperación de calor gracias a las altas temperaturas de funcionamiento (800-1000 °C)
• Flexibilidad en el uso de diferentes combustibles (p. ej., vapor, CO2)

Desventajas:

• Las altas temperaturas de funcionamiento requieren el uso de materiales costosos y un aislamiento térmico especial
• Puesta en marcha y adaptación lentas con cargas variables
• Mayores dimensiones e integración compleja en los sistemas
• Poca experiencia operativa a gran escala

AEM son las siglas de membrana de intercambio aniónico y hace referencia a una tecnología de electrolizadores que utiliza una membrana especial que permite la permeabilidad de los iones con carga negativa y divide el agua en hidrógeno y oxígeno mediante una corriente eléctrica.

Ventajas:

• Costes más bajos en comparación con la electrólisis PEM
• Resistencia frente a los contaminantes del agua
• Funcionamiento a temperaturas más bajas (aprox. 60-80 °C)

Desventajas:

• Desarrollo y comercialización limitados en comparación con la electrólisis PEM y la electrólisis alcalina
• Posibles retos para garantizar la estabilidad de la membrana a largo plazo
• No hay instalaciones a gran escala disponibles. Bajo nivel de madurez tecnológica