Nuevo proceso de producción de hidrógeno

(Foto: Adobe Stock)

Una década de intensa investigación y desarrollo para desarrollar tecnologías robustas y eficientes que utilicen hidrógeno como fuente principal de combustible dará lugar a una serie de nuevas soluciones energéticas listas para aplicaciones comerciales.

Ya se están entregando a los clientes vehículos pesados equipados con motores de combustión interna de hidrógeno (H₂ ICE); los modelos propulsados por pilas de combustible deberían estar disponibles en uno o dos años. Se prevé el lanzamiento inminente de maquinaria de construcción con tecnologías similares. En otros lugares, los trenes propulsados por electricidad generada con pilas de combustible de hidrógeno ya están en funcionamiento de forma limitada.

Sin embargo, a medida que estas tecnologías avanzan en su desarrollo hacia su comercialización, la pregunta sobre dónde se obtendrá el combustible de hidrógeno sigue en gran medida sin respuesta. Las plantas existentes producen cantidades muy limitadas de H₂ y, aunque varios gobiernos nacionales han lanzado iniciativas de financiación para impulsar grandes proyectos de producción de H₂, aún faltan años para alcanzar volúmenes significativos.

La escasez de hidrógeno fue tal que, en septiembre de 2024, un operador ferroviario alemán tuvo que volver a utilizar trenes diésel cuando se volvió imposible obtener el combustible para su nuevo material rodante propulsado por hidrógeno.

Producción de hidrógeno

Existen diversos métodos para liberar hidrógeno como combustible, pero la mayoría implica electrólisis o pirólisis. En la electrólisis, el proceso utiliza una corriente eléctrica para separar el agua en hidrógeno y oxígeno. La pirólisis utiliza calor para separar el H₂ de la materia prima.

Whitaker Irvin, Jr., Q Hidrógeno

Ambos presentan inconvenientes relacionados con la energía necesaria para impulsar el proceso; por su parte, la electrólisis requiere electricidad renovable «verde» para generar hidrógeno verde. La pirólisis requiere una temperatura elevada que, como mínimo, requiere una fuente de ignición adecuada. En un caso, el Fraunhofer IMM (Instituto de Microingeniería y Microsistemas) ha desarrollado un procedimiento de pirólisis de amoníaco que, una vez iniciado, se afirma que es prácticamente autosuficiente en términos de calor.

Whitaker Irvin, Jr., presidente y director ejecutivo de Q Hydrogen, dice que la compañía ha desarrollado un proceso completamente nuevo para la producción de hidrógeno que utiliza mucha menos energía que cualquiera de los anteriores, aunque dice que la tecnología no fue desarrollada originalmente para producir hidrógeno en absoluto.

La tecnología desarrollada por mi padre data de 2007 y su objetivo era ofrecer un nuevo método de calefacción y refrigeración industrial. La idea era crear dos flujos de aire diferenciados, uno caliente y otro frío, mediante geometrías de onda hiperbólicas. Estas geometrías se colocaron sobre superficies fijas de placas de turbina en una disposición especular (se encajarían al juntarse), pero con una ligera separación entre ellas. Al impulsar el aire a través de esta configuración se crea un entorno donde las zonas de alta y baja presión interactúan en sentido horario y antihorario, con el objetivo de generar una reacción (cambio de temperatura) dentro de la turbina de metal no ferroso.

Esperábamos una diferencia de temperatura de entre 10 y 20 °F. Pero la que obtuvimos fue mucho mayor: unos 147 °F en el lado caliente y 37 °F en el lado frío. Todo en una unidad de unos 15 cm de ancho y 30 cm de alto. Ese fue el primer indicio de que algo más potente estaba ocurriendo.

Irvin continúa comentando que aproximadamente un año después, durante una prueba del sistema en una cámara sellada, una válvula abierta permitió la entrada de humedad en la unidad de prueba. La válvula se abrió al día siguiente y, como relata Irvin: "¡Hubo un boom! El hidrógeno se había formado simplemente por la humedad del aire que interactuaba con las placas de la turbina; ni siquiera giraba".

Se añadió un sistema para permitir la adición de cantidades medidas de humedad, y las pruebas posteriores determinaron que la unidad podía producir gas hidrógeno. En 2014, se decidió comercializar el proceso, lo que dio como resultado la primera turbina diseñada para procesar agua y producir hidrógeno.

Irvin afirma que las corrientes en sentido horario y antihorario dentro de la unidad crean zonas de alta y baja presión que, a su vez, generan vórtices de alta velocidad. Este entorno es clave para la producción de gas hidrógeno.

La planta de Q Hydrogen en Groveton, New Hampshire (Foto: Q Hydrogen)

“Básicamente, se está dando mucha vueltas al material que se encuentra dentro de la turbina”, explica. “Hay un poco más de detalle, un par de elementos adicionales del proceso que planeamos revelar pronto, pero esa es una de las claves”.

Con la salvedad de que «esto probablemente suene cursi», Irvin continúa diciendo que, hasta ahora, la producción mundial de energía se ha centrado principalmente en procesos relacionados con el calor. Pero afirma que la naturaleza nos ha dado una serie de soluciones con el potencial de crear energía sin una reacción química: «Solo tenemos que tener la mente abierta para aprovechar lo que tenemos».

Energía de Nueva Inglaterra

El proceso de investigación y desarrollo se ha llevado a cabo en un laboratorio de Utah. Sin embargo, las primeras unidades de producción de hidrógeno terminadas se ubicarán en unas instalaciones de New Hampshire.

Según Irvin, la decisión de establecer la producción en Nueva Inglaterra se debe al aumento de los costos energéticos en el norte de Estados Unidos. Con la planta de producción de hidrógeno, espera suministrar electricidad a un precio similar al de los PPA (Acuerdos de Compra de Energía), tarifas más comunes en los estados del sur y el oeste.

“Hemos recibido mucho apoyo de la comunidad y del estado [de New Hampshire]. Esperamos abrir las instalaciones este año, ojalá en el primer semestre”, afirma.

El primer cliente de la planta será un centro de datos móvil. De cara al futuro, se prevé suministrar hidrógeno a clientes de pago. Esto podría incluir compañías marítimas que podrían utilizar el hidrógeno para apoyar la descarbonización de motores y lograr el cumplimiento de la norma OMI 3. Futuros proyectos podrían incluir la adaptación de centrales eléctricas de carbón en desuso para el uso de hidrógeno y su puesta en funcionamiento de nuevo.

Tabla de colores del hidrógeno (Gráfico cortesía del Journal of Petroleum Technology)

Volviendo a New Hampshire, Irvin explica que la electricidad provendrá de una serie de generadores de combustible gaseoso [3016] de Caterpillar que han sido adaptados para utilizar hidrógeno.

Caterpillar está desarrollando sus propios grupos electrógenos de hidrógeno, pero tuvimos que hacerlo por nuestra cuenta debido al calendario de las unidades Caterpillar. Estas unidades son un primer paso y no representan el uso más eficiente de nuestro combustible. Estamos trabajando en casos de uso con laboratorios de combustión y hemos logrado avances significativos en pilas de combustible, almacenamiento de combustible y técnicas mejoradas de transporte del producto.

A modo de explicación, Irvin continúa diciendo que el producto Q Hydrogen es principalmente hidrógeno, pero tiene concentraciones muy pequeñas de otros elementos que ayudan a sustentar una gama más amplia de usos industriales.

"Sé que estoy siendo un poco ambiguo, pero también publicaremos detalles sobre esto", añade con una sonrisa. "Hemos descubierto cosas realmente interesantes que se pueden hacer con el hidrógeno y que se pueden usar en muchas áreas".

Pérdida de energía

La energía utilizada en el proceso de electrólisis del agua reduce entre un 20 % y un 30 % el valor energético total del hidrógeno final. Al preguntársele sobre la pérdida de energía asociada con el sistema desarrollado por Q Hydrogen, Irvin afirma que el consumo de energía es mínimo en comparación con los métodos de producción existentes.

“Así es como podemos producir el combustible in situ, utilizarlo en un grupo electrógeno altamente ineficiente y aun así esperar obtener ganancias”.

La IRA, o Ley de Reducción de la Inflación de 2022, ofrece créditos de producción por cada kilogramo de hidrógeno limpio "calificado" producido en una planta de producción calificada. Irvin: "Me alegra que exista la IRA porque ha dado voz a la tecnología y al sector del hidrógeno que existen desde hace mucho tiempo, pero que necesitaban un impulso, como la energía solar y eólica. Estamos en proceso, pero nunca ha sido nuestro objetivo depender de subsidios".

Tal es la eficiencia del método de producción patentado que, si bien Q Hydrogen aprovechará los subsidios gubernamentales disponibles para apoyar la producción de H2, la empresa podría operar de manera rentable sin ninguna asistencia financiera.

En respuesta a quienes argumentan que un tipo de energía debería utilizarse en su formato original para evitar pérdidas innecesarias, afirma que, si bien la energía eólica y solar suele ser mejor en su forma original y no se utiliza para electrolizar agua, no todas las ubicaciones geográficas ofrecen esa opción. Además, la tecnología aún está en sus primeras etapas.

La energía potencial contenida en una gota de agua es enorme. Creo que un estudio concluyó que si se pudiera potenciar eficientemente toda la energía de una gota de agua, podría abastecer a San Francisco durante un tiempo. Creo que es cierto, pero solo estamos al principio de un viaje que podría culminar allí.

Camino futuro

La opinión general actual es que el hidrógeno tiene un papel que desempeñar en la futura combinación de combustibles, pero solo junto con las opciones existentes, como el gas natural, el diésel, la gasolina y la energía eléctrica. Sin embargo, Irvin cree que el hidrógeno será un actor clave, con tecnologías como la desarrollada por Q Hydrogen que cambiarán la trayectoria actual de uso del H₂.

Acabo de regresar de asistir a reuniones gubernamentales en Irlanda. Hablaban de cómo la demanda está generando escasez de energía. En EE. UU., algunos centros de datos propuestos tienen fechas de interconexión a la red dentro de siete o diez años porque aún no hay capacidad. Creo que el hidrógeno puede ayudar a resolver estos problemas; creo que existe el potencial para nuevos centros de datos completamente independientes de la red y alimentados por hidrógeno.

Es probable que los ductos de hidrógeno sean parte de una configuración radial (Foto: Adobe Stock)

Existen otros competidores en el mercado energético remoto, incluyendo los reactores nucleares de bajo consumo. Irvin cree que estos desempeñarán un papel importante, influenciado en gran medida por la ubicación geográfica. «Habrá espacio para las microcentrales nucleares y el hidrógeno, pero impactarán el mercado de diferentes maneras».

Respecto a la entrega, dice que existe potencial para un gasoducto nacional de hidrógeno, pero uno de los factores que lo apoyaría es el estado del producto final.

El hidrógeno que producimos se presta a ser distribuido a través de un gasoducto. Pero, en realidad, creo que la producción se basará en un modelo de distribución radial. Sería muy costoso contener y transportar gas hidrógeno o hidrógeno líquido criogénicamente refrigerado a través de un gasoducto.

Al igual que la tecnología de producción, Irvin agrega que Q Hydrogen publicará más detalles sobre la posible entrega de hidrógeno a través de un ducto dedicado en una fecha posterior.