Adaptado de “Breakthrough in Electrolyzer Efficiency” de Paul Martin, ingeniero químico y experto en desarrollo de procesos.
El hidrógeno verde, la única forma de emisión casi nula, requiere tanta energía para su producción que la ineficiencia energética resultante es su mayor debilidad.
Esta forma de hidrógeno se fabrica mediante electrolizadores, que dividen el agua en hidrógeno y oxígeno en el proceso de electrólisis, alimentados por electricidad renovable generada a partir de energía eólica o solar.
Necesitaremos muchos electrolizadores que funcionen con electricidad renovable o nuclear para sustituir las decenas de millones de toneladas de hidrógeno que se producen actualmente a partir de combustibles fósiles sin captura de carbono. Este hidrógeno se utiliza para fabricar productos químicos y fertilizantes, todos ellos usos que serán necesarios tras la descarbonización.
Sin embargo, los electrolizadores no son una excepción al problema general de eficiencia del hidrógeno.
Varias empresas han anunciado avances “revolucionarios” en la electrólisis del hidrógeno en los últimos años, afirmando haber desarrollado electrolizadores de nueva generación que funcionan con un 95% de eficacia en el laboratorio.
Aunque estos electrolizadores pueden mejorar marginalmente la eficiencia energética de la electrólisis, lamentablemente no abordan el problema fundamental del proceso: destruye exergía.
Exergía: ¿es una errata?
No. Es hora de algunas definiciones breves y muy simplificadas de la física.
- La energía es la capacidad de suministrar calor o realizar un trabajo.
- El calor es la transferencia de energía térmica entre sistemas (por ejemplo, agua hirviendo), mientras que el trabajo es la transferencia de energía mecánica entre dos sistemas (por ejemplo, mover un vehículo).
- La exergía es, sencillamente, una medida del potencial de una unidad de energía para realizar un trabajo.
No toda la energía es igual. Mientras que un julio de calor a temperatura ambiente y un julio de electricidad son ambos un julio de energía, el primero tiene cero exergía, mientras que el segundo es casi pura exergía.
La electricidad, casi pura exergía o potencial de trabajo, puede convertirse en trabajo, es decir, en energía mecánica, con una eficacia muy elevada.
No puede decirse lo mismo del hidrógeno, que como energía potencial química y, por tanto, sustituto del calor, tiene mucha menos exergía o potencial para realizar trabajo.
Como resultado, un electrolizador convierte la exergía pura (electricidad) en mucho menos (hidrógeno), creando en última instancia una forma de energía mucho menos útil.
Éste es el problema fundamental del uso del hidrógeno derivado de la electricidad como combustible o medio de almacenamiento de energía: incluso con una alta eficiencia energética, fabricar hidrógeno a partir de electricidad supone un enorme paso atrás en eficiencia exergética.
Eficiencia del ciclo
Por muy eficiente que sea el electrolizador, no puede compensar esta destrucción de exergía.
El examen del ciclo de utilización del hidrógeno como combustible o vector energético lo pone de manifiesto. Se trata de convertir la electricidad en hidrógeno mediante electrólisis, preparar el hidrógeno para su almacenamiento mediante compresión o licuefacción y volver a convertir el hidrógeno en electricidad mediante una pila de combustible, una turbina u otro dispositivo.
Algunos sostienen que este ciclo es 100% eficiente desde el punto de vista energético. Lo es: al convertir la electricidad y su exergía en calor, la mayor parte del cual es calor residual que rara vez tiene un uso significativo.
Utilizando cifras basadas en los electrolizadores más avanzados actualmente en funcionamiento, y sin tener en cuenta los numerosos factores que consumen energía en los sistemas del mundo real, como las pérdidas durante la transmisión, los procesos individuales del ciclo tienen las siguientes eficiencias en el mejor de los casos:
Electrólisis con un rendimiento del 70% del valor calorífico inferior (VCI) (1);
Compresión para el almacenamiento de hidrógeno a escala con un rendimiento del 90% (2);
Una central eléctrica de pila de combustible o turbina de gas de ciclo combinado que funcione con un rendimiento del 60% del VHL.
Multiplicando estas eficiencias individuales se llega a la conclusión de que poco más de un tercio de la energía original introducida en el ciclo sigue estando disponible para trabajar al final del mismo: una eficiencia del ciclo de aproximadamente el 37%, lo que significa que se ha perdido el 63% de la energía original.
Esto significa que por cada 3 kilovatios-hora (kWh) de electricidad introducida en el ciclo del hidrógeno, sólo se producirá 1 kWh de una pila de combustible al final del mismo.
¿Y los nuevos electrolizadores que afirman tener una eficiencia del 95%?
Aumentar la eficiencia de la electrólisis hasta el 95% de alto poder calorífico (HHV) que reclaman varias empresas -lo que cambiaría el valor del 70% de LHV de nuestro cálculo al 80%- sólo aumentaría en última instancia la eficiencia global del ciclo del 37% al 43%.
Estos nuevos electrolizadores tienen actualmente un bajo nivel de preparación tecnológica, con costes de capital, durabilidad y pérdidas de eficiencia desconocidos a lo largo del tiempo.
El problema fundamental no es la eficiencia de la electrólisis, sino el hecho de que destruye exergía: tomar energía útil en forma de electricidad y convertirla en otra cosa, que después hay que volver a convertir de forma ineficiente para que vuelva a ser útil.
Por ello, incluso el electrolizador más revolucionario, con niveles de eficiencia energética sin precedentes, tendrá un impacto limitado en la escasa eficiencia del ciclo de uso del hidrógeno verde como combustible o vector energético.
Notas
(1) Los electrolizadores de agua de última generación funcionan con un 83% de eficiencia de alto poder calorífico (HHV), y la eficiencia LHV se alcanza restando 6,1 kWh/kg de energía calorífica que ninguna pila de combustible o motor puede aprovechar.
(2) Esta eficiencia disminuye rápidamente a menor escala.
