Como un país con características únicas para el desarrollo de energías renovables no convencionales (ERNC), Chile ha visto en el hidrógeno verde (H2V) un camino real no solo para avanzar en la transición energética, que busca alcanzar y mantener la neutralidad de emisiones de gases de efecto invernadero en nuestro país al año 2050, sino también para implementar un nuevo modelo de negocio, descarbonizando la economía chilena y transformando al país en un potencial exportador de energías limpias. Esta idea se ha visto potenciada debido a que, según datos del grupo Ember, el año pasado, por primera vez, Chile generó 27,5% de electricidad con energía solar y eólica, superando el 26,5% en base a carbón, en un periodo de 12 meses.
Este hito refleja el positivo desarrollo de las ERNC en los últimos años, poniendo en valor aún más la puesta en marcha de la Estrategia Nacional de Hidrógeno Verde, lanzada en noviembre de 2020, la cual se engloba posteriormente en la Ley Marco de Cambio Climático —promulgada dos años después— que busca un compromiso de toda la sociedad para enfrentar los desafíos de esta problemática mundial. En ella se plantean tres grandes objetivos a corto y mediano plazo: contar con 5 GW de capacidad de electrólisis en desarrollo al 2025, producir el hidrógeno verde más barato del planeta para el 2030 y estar entre los tres principales exportadores para 2040. De esta manera, el Ministerio de Energía estima que el H2V contribuirá con la reducción de emisiones contaminantes entre un 25% y un 27% al año 2050.
Qué es el hidrógeno verde
El hidrógeno es un elemento químico —el más abundante del planeta— que en la Tierra solo existe en combinación con otros elementos. Su uso como combustible no es nuevo: tiene una alta densidad energética por unidad de masa, tres veces más que la gasolina y 120 más que las baterías de litio, además de ser ligero, transportable y almacenable.
Por sí mismo el hidrógeno no genera emisiones contaminantes, pero al ser un vector energético, es decir, requiere de un proceso químico para generar energía, es el método de producción lo que lo hace ser un combustible limpio o no.
En Chile y en el mundo, el hidrógeno se ha obtenido principalmente a partir de combustibles fósiles (hidrógeno gris), con un bajo costo de producción pero con una alta emisión de CO2. No obstante, la irrupción del hidrógeno verde producido por electrólisis (descomposición mediante corriente eléctrica) a partir de agua y energías renovables como la solar y eólica, lo transforman en un combustible ideal para acompañar la transición energética que busca el país.
“El hidrógeno puede ser utilizado en mezcla con otros productos, directamente como combustible o con celdas de combustible. En este último caso, se hace una especie de electrólisis inversa, donde se mezcla el hidrógeno con el oxígeno del aire, para luego pasar por una celda de combustible, obteniendo electricidad y agua. Este es el uso más interesante porque es la aplicación más directa del hidrógeno, y es como se utilizaría en el transporte y otros procesos que requieran generar electricidad”, explica Vicente Sepúlveda, investigador del Centro de Energía (CE) de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM) y estudiante del Magíster en Ciencias de la Ingeniería, mención Eléctrica.
Actualmente, el hidrógeno se utiliza principalmente en refinación de combustibles fósiles, en la producción de amoniaco y en la industria del acero; no obstante, su uso como H2V se ha extendido a otras aplicaciones como el transporte o el uso domiciliario, y sus proyecciones podrían abarcar la industria aérea y la marítima, entre otras.
“El gran potencial que tiene el hidrógeno verde —y que es su principal ventaja— es que, pensando en una industria, logra volver cero emisiones a procesos que son difíciles de electrificar, en una matriz principalmente renovable. Por otra parte, es un combustible almacenable que puede seguir utilizando una estructura similar de proceso, como motores, por ejemplo. También, es una variable al transporte a batería, utilizando celdas de combustible. Junto a esto, se suma la posibilidad de exportación. En Chile, en este momento, tenemos bastante vertimiento de energías renovables. Entonces, esa energía vertida puede ser almacenada en forma de hidrógeno”, agrega el investigador.
Aportes de la FCFM
Fabricar un prototipo de una celda de fotoelectrólisis para producir hidrógeno a partir de agua es el proyecto Fondef en el que trabaja la académica del Departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales, Melanie Colet.
“Este dispositivo —a diferencia de los electrolizadores convencionales que se conectan a un panel solar para transformar la energía solar en hidrógeno— contiene electrodos fotoactivos, es decir, están hechos de semiconductores transparentes de tal manera que los mismos electrodos de la celda absorben la energía solar y la transforman en energía eléctrica. De esta forma, el agua es oxidada en la superficie del ánodo para producir oxígeno y protones son reducidos en el cátodo para producir hidrógeno”, explica la investigadora.
Este sistema une la planta fotovoltaica y la electrólisis en un solo dispositivo, lo que reduce no solo el espacio a utilizar, también los costos de fabricación, instalación y operación de la planta.
“Otra ventaja es que en general los materiales que se usan para hacer celdas de electrólisis son costosos. En el caso de los semiconductores que usamos, son óxidos de metales de transición bastante abundantes en la naturaleza como el cobre o el hierro, por lo que sería más barato, además de evitar la explotación de recursos limitados como en el caso de las celdas comerciales que usan platino o rutenio”, señala la académica, quien agrega que “pensando en una economía circular, los metales que utilizamos también son más fáciles de reciclar que los metales más exóticos, aportando una mayor sostenibilidad al proceso”.
Otra alternativa con enfoque en economía circular para la obtención del H2V es el proyecto Fondecyt desarrollado por la académica del Departamento de Ingeniería Civil, Ana Lucía Prieto, quien desde su doctorado trabaja en la revalorización de aguas residuales y otros efluentes.
La tecnología desarrollada por la académica se aleja del proceso convencional de obtención de H2V, en la que se debe usar agua de alta calidad (es decir, desalinizada) para separación del hidrógeno por electrólisis. “Nuestra tecnología aprovecha la materia orgánica de las aguas residuales y generar/capturar hidrógeno a partir de los procesos metabólicos de la biomasa que utiliza esta materia orgánica como fuente de carbono y energía. Es un proceso de tratamiento, que puede ser acoplado a infraestructura existente, donde haya una línea residuos líquidos que tenga alta carga orgánica —como por ejemplo, que tenga alto contenido de azúcares— y que se puedan y quieran emplear para producción de energía”, señala la también investigadora del Centro Avanzado para Tecnologías del Agua (CAPTA).
Para ello, su trabajo se enfoca en el desarrollo de la tecnología denominada Composite Bioactive Membranes (CBMems), que son membranas funcionalizadas con microoganismos acetogénicos para generar hidrógeno a partir de los sustratos solubles en las aguas residuales. “Este sistema genera un biogás rico en hidrógeno (hasta el 36% v/v bajo condiciones subóptimas), que puede ser fácilmente aprovechable en zonas remotas”, indica la investigadora.
Las ventajas de este tipo de procesos es que no compite con recursos de uso prioritario humano como el agua potable, puede utilizarse en cualquier parte del país con actividad agrícola —descentralizando la producción de H2V— y revaloriza efluentes que podrían ser considerados contaminantes.
A esta investigación se suma otra arista. “Además, nos hemos asociamos con el KIT (Instituto Tecnológico de Karlsruhe) de Alemania con la idea de desarrollar herramientas para evaluar la sustentabilidad en la implementación de tecnologías waste-to-H2, tanto en Chile como en Alemania. Estamos enfocados en definir el nicho más adecuado para tecnologías como las CBMems e identificar previamente los retos para su implementación sustentable. Actualmente, trabajamos con la industria vitivinícola del país para demostrar su factibilidad y sustentabilidad en terreno”, agrega Ana Lucía Prieto.
H2V en la transición energética
Para apoyar este proceso, el Centro de Energía, con el apoyo del Centro de Ciencia del Clima y la Resiliencia (CR2), creó el Observatorio de Carbono Neutralidad, cuyo objetivo es analizar de manera independiente cómo Chile está cumpliendo sus metas de reducción de gases de efecto invernadero para lograr ser neutral en emisiones de carbono.
“Para ser carbononeutral, Chile tiene que implementar distintas medidas de mitigación: introducir energías renovables en el sector generación, retiro de las centrales a carbón, electromovilidad, eficiencia energética, uso de hidrógeno, entre otras. Lo que nosotros hacemos es modelar esos escenarios, abarcando las diferentes energías e identificando una serie de aplicaciones donde potencialmente se podrían introducir, entre ellas el H2V. Por ejemplo, qué pasaría si los camiones de la minería del cobre se reemplazan por camiones de hidrógeno o si el transporte de carga que usa diésel se reemplaza por hidrógeno. Hacemos proyecciones considerando un horizonte de evaluación de largo plazo —al 2050—. A partir de eso estimamos cuál sería la demanda de hidrógeno y, a su vez, determinamos cuál sería la oferta de producción de energía y cuántas plantas de energía solar o eólica se necesitarían para producir ese hidrógeno”, explica Carlos Benavides, investigador del CE.
Más allá del H2VLa producción de hidrógeno verde se ve auspiciosa como acompañamiento en la transición energética de Chile, y aunque su producción limpia la hace un combustible libre de emisiones de CO2 y es una opción clara para la reducción de gases de efecto invernadero, es importante tener en cuenta que su generación —y la de cualquier combustible— debe ser vista más allá de su proceso individual. “El hidrógeno verde se ve 100% amigable con el medioambiente, porque solo se usa agua y energías renovables. No obstante, siempre hay que mirar qué pasa hacia atrás. Cuál es el costo de producir una celda o todos los paneles solares que se van a necesitar, o qué pasa cuando esos paneles acaban su vida útil, qué vamos a hacer con ellos. Es esencial pensar desde ya, cuando estás fabricando o diseñando un equipo o una tecnología, cómo lo vas a reciclar cuando se acabe su vida útil para no generar más basura. Nada es inocuo, ya que mientras haya actividad antropogénica en el mundo va a haber emisiones de CO2, eso es inevitable. Sin embargo, siempre podemos hacer algo al respecto, por eso el modelo de una economía circular debe estar muy presente en todas las áreas de desarrollo”, concluye la académica Melanie Colet. |
