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ENERGÍA

Brasil se apresta a poner en marcha la producción de hidrógeno verde

Proyectos productivos e investigaciones académicas apuntan a ubicar al país en el mapa mundial del gas sostenible, señalado como el combustible del futuro

Un experimento realizado en la UFSCar con una célula de electrólisis de agua para la generación de hidrógeno fabricada con un catalizador de fosfuro de níquel

Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP

Brasil está realizando un esfuerzo para ingresar al mapa mundial de la producción de H2V (H2 por hidrógeno y V de verde), un combustible limpio que cuenta con potencial para satisfacer la demanda de los sectores eléctrico y automotor con bajo impacto ambiental. Para finales de este año, EDP Brasil, una de las empresas líderes del sector de la energía en el país, tiene previsto el inicio de las actividades en una planta piloto de producción de H2V en São Gonçalo do Amarante, estado de Ceará. El hidrógeno se obtendrá mediante la electrólisis del agua, un proceso químico que utiliza una corriente eléctrica para descomponer el agua en sus elementos constituyentes: hidrógeno (H, formando H2) y oxígeno (O, formando O2), existentes en la molécula de agua (H2O). Cuando el proceso de electrólisis emplea fuentes de energía renovables, como la eólica, la solar o la derivada de la biomasa, al hidrógeno que se obtiene se lo califica como verde. La central de EDP utilizará energía fotovoltaica y su capacidad productiva será de 22,5 kilogramos (kg) de hidrógeno por hora. La inversión prevista es de 41,9 millones de reales.

A menudo señalado como el combustible del futuro, el hidrógeno posee un alto poder calorífico, casi tres veces superior al del gasoil, la gasolina y el gas natural. Cuando se transforma en energía –impulsando un motor de combustión o en cualquier otra aplicación–, no emite gases de efecto invernadero (GEI). El hidrógeno residual liberado en la atmósfera, en contacto con el oxígeno, forma vapor de agua.

El hidrógeno es el elemento químico más abundante en el Universo, y raramente puede encontrárselo en forma aislada en la Tierra; pero está presente en numerosos compuestos, que incluyen al agua, los combustibles fósiles y diversos tipos de biomasa. En estos casos, la obtención de este gas depende de los procesos implicados. El más habitual es el reformado con vapor, una reacción química de los hidrocarburos, por lo general el gas natural, con el agua. El hidrógeno producido a través de este método se denomina gris, ya que su proceso de conversión libera CO2 a la atmósfera, o azul, cuando el dióxido de carbono generado durante su producción se captura y almacena geológicamente.

El hidrógeno verde producido en la planta piloto de Ceará se utilizará para sustituir parte del carbón mineral que abastece a la Usina Termoeléctrica de Pecém (UTE Pecém). “Se trata de un proyecto de investigación y desarrollo [I&D] que nos permitirá entender los beneficios energéticos del hidrógeno, cuyo poder en este aspecto cuadruplica al del carbón”, dice Cayo Moraes, gerente de operaciones de EDP.

La central piloto de H2V también le permitirá a la compañía evaluar la factibilidad técnica, normativa y económica de la producción del combustible. Se espera que esta unidad proporcione los avales necesarios para poder decidir sobre la implementación de una planta a escala industrial en el estado. De ser así, el hidrógeno podría exportarse a empresas energéticas europeas, generar combustible para vehículos o abastecer a industrias.

El proyecto es considerado por los expertos del sector energético como el primero de una serie de iniciativas destinadas a la producción de hidrógeno verde en Brasil. Tan solo el gobierno del estado de Ceará ya acumula 14 memorandos de entendimiento con grupos de inversión privados interesados en producir el combustible en el estado. “Puede ser que no todos lleguen a concretarse. Pero si la mitad de los acuerdos se efectivizan, dispondremos del equivalente a una Itaipú operando en Ceará entre 2025 y 2030”, declara Roseane Medeiros, secretaria ejecutiva de Industria de la Secretaría de Desarrollo Económico y Trabajo del Estado de Ceará (Sedet). La central hidroeléctrica de Itaipú, la mayor de su tipo en el país, posee una potencia instalada de 14 gigavatios (GW).

Los estados de Rio Grande do Norte, Piauí, Pernambuco, Bahía, Minas Gerais, Río de Janeiro y Rio Grande do Sul también informan que han firmado memorandos con grupos empresarios generadores de energía. La carrera por atraer proyectos de producción de hidrógeno verde es algo que está sucediendo en todo el mundo. Chile, Japón, Alemania, Países Bajos, Estados Unidos, Corea del Sur, Australia y China son algunos de los países que anunciaron programas nacionales de estímulo al desarrollo tecnológico y la producción de H2V.

Una participación ínfima
Según Hydrogen Council, una asociación que agrupa a representantes de los mayores productores de este gas, existen 520 proyectos de centrales de hidrógeno en todo el mundo. Si los planes al respecto se confirman, demandarán inversiones por 160.000 millones de dólares. Los cálculos de la asociación contemplan que la producción del combustible supere los 600 millones de toneladas al año (mt/año), que cubrirían el 22 % de la demanda mundial de energía en 2050, lo que permitiría una reducción de un 20 % de las emisiones de GEI globales. Las proyecciones de la Agencia Internacional de Energías Renovables (Irena) son más modestas. Sus previsiones apuntan que el sector producirá 409 mt/año hacia 2050, lo que representaría, según las estimaciones de la entidad, el 12 % de los requerimientos globales de energía.

Hoy en día, la contribución del hidrógeno en la matriz energética mundial es ínfima. Prácticamente la totalidad del hidrógeno que se produce, poco más de 100 millones de toneladas anuales, se utiliza con fines químicos en procesos industriales, tales como el refinado del petróleo, la producción de fertilizantes, procesos siderúrgicos y en la industria química.

Los expertos pronostican que el proceso productivo de H2V predominante en los próximos años será el de electrólisis del agua, el mismo que se ha propuesto para la central piloto cearense. Este método se obtendrá principalmente mediante plantas equipadas con electrolizadores (los equipos que realizan el proceso de la electrólisis) alimentados por fuentes de energía renovables, lo que garantiza que todo el proceso sea exento de GEI (véase la infografía).

Alexandre Affonso

Uno de los obstáculos principales para lograr una mayor oferta de hidrógeno verde en el mundo reside en la necesidad de avanzar en la madurez tecnológica de la cadena productiva del hidrógeno, según apunta el informe “Geopolitics of the energy transformation: The hydrogen factor”, publicado por la Irena en el mes de enero. Otro es su alto costo productivo y logístico.

Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), el costo del kilo de hidrógeno gris es de poco más de 1 dólar, lo que lo hace competitivo en comparación con el gas natural. El hidrógeno azul tiene un costo promedio de 2,3 dólares por kilo. El kilo de hidrógeno verde se ubica entre 3 y 8 dólares, dependiendo de la fuente de energía utilizada y de la región del mundo donde se produzca. En la Irena esperan que la ampliación de la oferta mundial de energías renovables y el aumento de la escala productiva hagan que el hidrógeno verde pueda competir con el azul para 2030 y que en el transcurso de la próxima década, los costos de producción se arrimen a los que ostenta el hidrógeno gris.

Según el Plan Nacional de Expansión de la Energía (PDE 2031), diseñado por la Empresa de Investigación Energética (EPE), una institución vinculada al Ministerio de Minas y Energía, Brasil reúne las condiciones como para producir hidrógeno verde más barato que el promedio internacional. El costo estimado del H2V en el país –ya que aún no hay una producción efectiva– se ubica entre 2,2 y 5,2 dólares por kilo.

“La popularización del hidrógeno sobrevendrá por necesidad. Estamos viviendo una emergencia ambiental y el mundo ya se ha dado cuenta que no es posible seguir dependiendo de los combustibles fósiles para generar electricidad y propulsar a los vehículos”, dice el ingeniero Paulo Emílio Valadão de Miranda, director del Laboratorio de Hidrógeno del Instituto de Posgrado e Investigaciones en Ingeniería Alberto Luiz Coimbra de la Universidad Federal de Río de Janeiro (Coppe/UFRJ) y presidente de la Asociación Brasileña del Hidrógeno (ABH2).

Los electrolizadores
Una de las posibilidades con miras a reducir los costos de producción del hidrógeno consiste en aumentar la eficiencia de los electrolizadores. Investigadores del Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales de la Universidad Federal de São Carlos (CDMF-UFSCar), uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid) financiados por la FAPESP, estudian materiales capaces de reducir el consumo de energía en el proceso químico de descomposición de la molécula de agua. Tal como explica la química Lúcia Helena Mascaro Sales, directora de investigación del proyecto, uno de los mejores materiales catalizadores –sustancias que incrementan la velocidad de las reacciones químicas en la electrólisis– son los metales nobles, principalmente el platino. También puede utilizarse níquel, cobalto o molibdeno asociados a aleaciones de hierro, o bien como sulfuros, con un rendimiento óptimo.

El equipo de la UFSCar estudia el empleo de materiales tales como el óxido de titanio modificado con sulfuro de molibdeno o diferentes aleaciones compuestas de níquel, cobre, molibdeno y hierro. “A escala de laboratorio, hemos demostrado que es posible reducir significativamente el consumo de energía en la electrólisis del agua”, dice Mascaro Sales. La compañía petrolera angloneerlandesa Shell, copatrocinadora junto con la FAPESP de otro proyecto de investigación en el cual participa Mascaro Sales, centrada en los portadores de alta densidad energética, está interesada en probar los catalizadores desarrollados en plantas piloto de Ámsterdam, en los Países Bajos, y en Houston (EE. UU.)

Jasper Jacobs / Belga MAG / AFP via Getty ImagesUn automóvil realizando una carga de hidrógeno en una estación expendedora de combustible en Amberes (Bélgica)Jasper Jacobs / Belga MAG / AFP via Getty Images

En la Universidad Federal de Ceará (UFC), la profesora Adriana Nunes Correia, del Departamento de Química Analítica y Fisicoquímica, también investiga materiales metálicos capaces de aumentar la eficiencia y reducir los costos de los electrolizadores. La propuesta de la investigación, que todavía se encuentra en su etapa inicial, consiste en utilizar células de electrólisis microbiana, empleando microorganismos como biocatalizadores, para producir hidrógeno a partir de las aguas residuales domésticas o los efluentes industriales. La idea es transformar la energía química de esas aguas en una corriente eléctrica que posibilite la obtención del gas. “Este proceso permitiría producir hidrógeno y, simultáneamente, tratar los residuos orgánicos”, dice Nunes Correia.

En la Universidad Federal de Paraná (UFPR) también se realizan investigaciones centradas en el hidrógeno verde. El químico Helton José Alves, coordinador del Laboratorio de Materiales y Energías Renovables, se dedica al estudio de nuevas vías tecnológicas para la producción del combustible. Una de ellas utiliza bacterias acidogénicas para degradar la biomasa residual procedente de los efluentes industriales.

La investigación dio como resultado la publicación de dos artículos en la revista International Journal of Hydrogen Energy. Los trabajos abordan la producción de hidrógeno a partir de las aguas residuales de las industrias cerveceras. “La gran ventaja es la reducción de los costos de producción y la economía de recursos hídricos”, dice Alves. El proceso productivo apuntaría a la producción de hidrógeno como solución energética para la propia industria donde se genera el efluente.

Otra vía que se ha estudiado para producir hidrógeno es el empleo del método conocido como reformado seco de biogás. Alves explica que este sistema prevé la utilización del metano y el dióxido de carbono presentes en el biogás para la generación de gas de síntesis, una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono. El proceso tiene lugar en reactores con catalizadores metálicos a base de níquel, a una temperatura de entre 700 y 800 grados Celsius (ºC). Posteriormente, el gas de síntesis se purifica para obtener finalmente el hidrógeno. “Con la ayuda de colaboradores, pretendemos instalar una planta piloto capaz de producir 1 kg de hidrógeno por hora en el curso de este mismo año”, anticipa Alves. A diferencia del sistema convencional de reformado de vapor del gas natural, el sistema seco no requiere agua.

El estudio de las vías de producción de hidrógeno que no dependen del uso de agua pura en sus procesos es de suma importancia, y es seguido de cerca por los profesionales del sector. Según la Irena, para producir 409 millones de toneladas anuales de hidrógeno verde y abastecer el 12 % de la demanda mundial de energía en 2050, se consumirán entre 7.000 y 9.000 millones de metros cúbicos de agua por año. El total es inferior al 0,25 % del consumo de agua dulce actual. Puede parecer poco, pero se trata de un volumen impactante en un mundo en el que este recurso comienza a escasear.

Proyectos
1. División de Investigación 1 – Portadores densos de energía (nº 17/11986-5); Modalidad Centros de Investigaciones en Energía; Convenio BG E&P Brasil (Grupo Shell); Investigadora responsable Ana Flávia Nogueira (Unicamp); Inversión R$8.282.252,10
2. CDMF – Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (nº 13/07296-2); Modalidad Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid); Investigador responsable Elson Longo da Silva (UFSCar); Inversión R$34.869.423,03

Artículos científicos
SANTOS, H.L.S. et al. NiMo-NiCu Inexpensive Composite with High Activity for Hydrogen Evolution Reaction. ACS Applied Materials & Interfaces. 27 mar 2020.
SALOMÃO, A.C. et al. Towards highly efficient chalcopyrite photocathodes for water splitting: the use of cocatalysts beyond Pt. ChemSusChem. 19 ago 2021.
ARAÚJO, M. A. et. al. Improved Photoelectrochemical Hydrogen Gas Generation on Sb S Films Modified with an Earth-Abundant MoS Co-Catalyst. ACS Applied Energy Materials. 13 ene 2022
ARANTES, M. K. et al. Treatment of brewery wastewater and its use for biological production of methane and hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy. 22 sept 2017.
ESTEVAM, A. et al. Production of biohydrogen from brewery wastewater using Klebsiella pneumoniae isolated from the environment. International Journal of Hydrogen Energy. 15 feb 2018.
ALVES, H. J. et al. Overview of hydrogen production technologies from biogas and the applications in fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy. 17 mar 2013.

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