Adaptado del artículo “¿Hidrógeno para calefacción?” de David Cebon, director del Centro para el Transporte Sostenible de Mercancías por Carretera y profesor de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Cambridge.
En un futuro con bajas emisiones de carbono, la calefacción de los edificios del Reino Unido con hidrógeno se propone a menudo como una alternativa pionera a las calderas de gas del país.
La idea ha cobrado impulso político en los esfuerzos por descarbonizar la calefacción doméstica, junto con la opción más conocida de las bombas de calor.
Aquí examinamos lo que la ciencia indica sobre la eficacia de las calderas de agua caliente alimentadas con hidrógeno y las bombas de calor eléctricas, comparando en función de la eficiencia energética y las emisiones de carbono. En la segunda parte de este post abordaremos la disponibilidad de la tecnología y los requisitos de infraestructuras.
Eficiencia energética
En cuanto a eficiencia energética, una solución supera ampliamente a la otra.
La calefacción de edificios con hidrógeno verde consiste en utilizar electricidad renovable para producir hidrógeno mediante electrólisis, que luego se utiliza para alimentar calderas de agua caliente.
Esto es 5,5 veces menos eficiente que utilizar la misma electricidad para alimentar directamente bombas de calor.
Esto se debe a que una gran cantidad de energía se pierde en forma de calor residual desde la producción de hidrógeno verde hasta su uso final en edificios, entre otras cosas:
- durante la electrólisis para producir el hidrógeno, cuya eficacia es de aproximadamente el 75%;
- en la compresión y transmisión del hidrógeno a los clientes finales, que es particularmente intensiva en energía; y
- debido a la ineficacia de las calderas de condensación que queman el hidrógeno para producir calor.
En última instancia, el proceso global tiene una eficacia inferior al 50% [1].
Calefacción en el Reino Unido
El parque de viviendas del Reino Unido tenía una necesidad media nacional de unos 70 GW de calor durante los meses de invierno de 2021 [2]. Teniendo en cuenta la eficiencia de la calefacción de hidrógeno, se necesitarían 143 GW de electricidad renovable para generar este calor [3].
Para generar esta electricidad se necesitarían 30.600 aerogeneradores de los más grandes, equivalentes a unos 367 GW de capacidad eólica marina instalada, que cubrirían una superficie marítima mayor que la de Dinamarca [4].
Figura 1: Suministro de calefacción doméstica en el Reino Unido mediante hidrógeno verde o bombas de calor. Los colores de las flechas indican el tipo de energía: electricidad, hidrógeno verde o calor. La anchura de las flechas es proporcional a los flujos de energía (en unidades de GW). Los recuadros azules muestran a escala las zonas de los parques eólicos en los mapas.
En comparación, para satisfacer las mismas necesidades de calefacción utilizando electricidad renovable para alimentar directamente bombas de calor se necesitaría una superficie marina de menos de una quinta parte del tamaño.
Las bombas de calor, que utilizan electricidad para transferir el calor del exterior a los edificios, tienen una eficiencia de aproximadamente el 270%, mientras que la eficiencia del hidrógeno verde es inferior al 50%.
Este alto rendimiento se debe a que la mayor parte del calor se transfiere en lugar de generarse [5].
Como resultado, sólo se necesitan 26 GW de electricidad renovable para suministrar los mismos 70 GW de calor a los hogares de los consumidores [6]. Para ello se necesita una capacidad eólica marina instalada de aproximadamente 67 GW en forma de 5.600 turbinas, lo que requiere una superficie marina de 9.000 km2, menos de una quinta parte del tamaño de Dinamarca.
¿Qué implicaciones tiene en el mundo real la menor eficiencia energética del hidrógeno verde en comparación con las bombas de calor?
- Se necesitan 5,5 veces más turbinas eólicas, paneles solares o centrales nucleares para generar electricidad;
- Se necesita 5,5 veces más capital para construir esta infraestructura;
- Los consumidores pagan 5,5 veces más por calentar sus hogares, o el gobierno subvenciona el coste, lo que supone una sangría para la economía;
- Se producen 5,5 veces más emisiones de carbono, con impactos ambientales derivados de la construcción y el funcionamiento de la infraestructura eléctrica.
¿Podría ser una solución utilizar hidrógeno almacenado?
Una solución que podría reducir a la mitad la generación de electricidad renovable para calentar hidrógeno verde es el almacenamiento de energía.
Si el Reino Unido almacenara todo el hidrógeno generado durante los seis meses de “verano” sin calefacción, desde mediados de primavera hasta mediados de otoño, podría utilizarlo posteriormente para complementar el hidrógeno generado en invierno, lo que permitiría generar hidrógeno verde durante todo el año a la mitad de velocidad.
Esta oportunidad se analizará en un artículo que publicaremos próximamente.
Emisiones de carbono
Una suposición muy extendida es que el uso de hidrógeno para calefacción es una fuente de cero emisiones de carbono. Esto no es cierto.
El hidrógeno en su forma con menos emisiones se denomina “verde”, lo que significa que se ha producido utilizando energía renovable.
Sin embargo, no habrá suficiente electricidad renovable disponible en el Reino Unido para producir hidrógeno verde durante décadas, como se ha explicado anteriormente. Esto significa que será necesario utilizar electricidad mezclada con la red para alimentar la producción de hidrógeno durante algún tiempo.
En vista de ello, las futuras emisiones de carbono procedentes de la calefacción en el Reino Unido pueden calcularse basándose en la intensidad media de las emisiones de la red eléctrica del país, que se está volviendo gradualmente “más limpia” a medida que se eliminan las centrales eléctricas de carbón y aumenta la generación renovable [7].
Figura 2: Emisiones de CO2 de diversas fuentes de calor.
La comparación de las emisiones de los métodos de calefacción que utilizaron electricidad de la red del Reino Unido el año pasado revela lo siguiente:
- Una bomba de calor generó 53 g de CO2e por kWh de calor suministrado;
- Un calefactor eléctrico genera 167 g de CO2e por kWh de calor;
- Una caldera moderna de gas natural de condensación genera aproximadamente 200 g de CO2 por kWh de calor suministrado, un nivel constante con el tiempo.
El método con mayores emisiones en la actualidad es una caldera de hidrógeno, que habría generado 294 g de CO2e por kWh de calor en 2022, 5,5 veces más que una bomba de calor.
Las proyecciones muestran que una caldera ecológica alimentada por hidrógeno no empezará a producir emisiones inferiores a las de las bombas de calor de 2022 hasta 2033. Para entonces, se espera que las emisiones de las bombas de calor se hayan reducido drásticamente, alcanzando algo menos de 9 g de CO2 por kWh de calor en 2033.
¿Y el hidrógeno azul?
Otra forma de hidrógeno es el denominado “azul”, es decir, el que se produce a partir de combustibles fósiles combinados con la captura y almacenamiento de carbono (CAC).
Sin embargo, alimentar las calderas con hidrógeno azul no es una solución con menos emisiones.
El proceso de CAC más eficaz captura el 90% del carbono, pero tiene una eficiencia energética de sólo el 69%. Los procesos con eficiencias energéticas más altas tienden a tener tasas de captura más bajas, y este rango se muestra como una banda sombreada en la Figura 2.
La producción de hidrógeno azul genera además emisiones fugitivas de metano que harían imposible alcanzar los compromisos de cero emisiones netas de carbono del Gobierno británico.
Conclusiones
Las bombas de calor alimentadas con electricidad consumen menos de una quinta parte de electricidad para producir la misma cantidad de calor que una caldera alimentada con hidrógeno verde.
Las bombas de calor pueden reducir drásticamente las emisiones de carbono de forma inmediata (un 73% en comparación con las calderas de gas natural existentes), mientras que la calefacción con hidrógeno verde no alcanzará el nivel de emisiones de una caldera de gas natural hasta 2026 ni el de una bomba de calor de 2022 hasta 2033 aproximadamente.
Notas
[1] La eficiencia global del proceso puede determinarse multiplicando las eficiencias de los procesos individuales: 0,95×0,75×0,9×0,85×0,9 = 0,49, es decir, 49%.
[2] Basado en un consumo de gas de 318 TWh para calefacción doméstica.
[3] 70/0,49 = 143 GW.
[4] 30.600 aerogeneradores de 12 MW que cubren una superficie marítima de aproximadamente 49.600 km2.
[5] La eficiencia de las bombas de calor se mide por un “coeficiente de rendimiento” (COP) que suele rondar el 3: es decir, una “eficiencia del 300%”. Incluyendo un 10% de pérdidas en la transmisión de electricidad, la eficiencia global del proceso es de aproximadamente un 270%.
[6] 70/2,7 = 26 GW.
[7] La intensidad media de las emisiones de la red eléctrica del Reino Unido en 2022 fue de 144 g de CO2e por cada kWh de electricidad generada, según el “Libro Verde” del Tesoro británico.
Este artículo se actualizó el 11/10/2023.
