Desarrollo energético
La infraestructura energética global está cambiando drásticamente de los combustibles fósiles basados en carbono a la energía solar (la energía fotovoltaica, eólica e hidroeléctrica son todas formas de energía solar, denominadas colectivamente como energía solar en adelante). A medida que cambia la base de nuestro suministro energético, casi todas las industrias experimentarán una revolución. En la era de la energía basada en combustibles fósiles, fuimos testigos del nacimiento de motores de vapor, motores de combustión interna, motores a reacción y turbinas de gas. Estos dispositivos son esencialmente motores térmicos que convierten la energía química en energía mecánica. A lo largo de siglos de revolución industrial, hemos establecido un sistema integral para la extracción, procesamiento, transporte y distribución de combustibles fósiles, que abarca el mundo con extensas conexiones.
Los sistemas energéticos basados en combustibles fósiles pueden parecer perfectos en términos de suministro estable, eficiencia razonable y una cadena industrial robusta. Sin embargo, tienen un defecto fatal: las emisiones de carbono. A medida que se forma un consenso global sobre la neutralidad de carbono, queda claro que los sistemas energéticos basados en combustibles fósiles ya no pueden soportar el desarrollo humano sostenible. La energía solar surge como la mejor opción para la descarbonización, logrando teóricamente un proceso libre de carbono en toda la cadena de suministro (solar para solar). Sin embargo, el inconveniente de la energía solar es su intermitencia. La rotación y revolución de la Tierra alrededor del Sol inevitablemente conducen a fluctuaciones energéticas a corto plazo a diario y a medio y largo plazo anualmente.
El almacenamiento de energía ha sido una preocupación apremiante desde el desarrollo de la energía solar. El almacenamiento convencional de combustibles fósiles está bien establecido, con carbón transportado por tren, gasolina almacenada en tanques y gas natural canalizado a través de extensas redes. Estas infraestructuras todavía operan eficientemente hoy en día. Diversos modos de transporte móvil esencialmente comprenden un motor térmico y un contenedor de almacenamiento de carbono (por ejemplo, tanques de combustible, cilindros de gas, tanques de almacenamiento).
En la era de la energía solar, almacenar la luz solar se convierte en un desafío complejo. La solución más sencilla es generar electricidad, que puede integrarse sin problemas en la red eléctrica a gran escala desarrollada durante la era de los combustibles fósiles. Así, la energía solar ha experimentado un rápido crecimiento en Europa y América durante décadas. A medida que avanza el siglo XXI y China se une a la industria solar, el ritmo de expansión de la energía solar se acelera dramáticamente. A medida que aumenta la proporción de energía solar en la red, esta comienza a tensarse, ya que fue diseñada para la energía basada en combustibles fósiles. Este sistema es inherentemente adecuado para esa era, con combustibles fósiles que se queman para hervir agua, lo que luego impulsa la generación de electricidad a través de la intersección de líneas de flujo magnético. La red es resistente pero carece de flexibilidad, luchando por hacer frente a la naturaleza variable de la energía solar.
Surge la necesidad fundamental de una “industria de almacenamiento de energía”. Ya sea para la regulación de frecuencia o el aplanamiento de picos, el objetivo principal es aumentar la flexibilidad de la rígida red y hacerla más “elástica”. Las baterías electroquímicas, representadas por las baterías de iones de litio, emergen como una solución viable de almacenamiento de energía.
Almacenamiento de energía electroquímica
Sin duda, el almacenamiento de energía electroquímica es uno de los métodos de almacenamiento de energía más destacados, favorecido tanto por la industria como por el capital. A medida que el mundo transita de los combustibles fósiles a las fuentes de energía renovable, como la energía solar, la necesidad de métodos de almacenamiento de energía eficientes se vuelve cada vez más importante.
La creciente importancia de la energía solar y la necesidad de almacenamiento
Sin duda, el almacenamiento de energía electroquímica es uno de los métodos de almacenamiento de energía más destacados, favorecido tanto por la industria como por el capital. A medida que el mundo transita de los combustibles fósiles a las fuentes de energía renovable, como la energía solar, la necesidad de métodos de almacenamiento de energía eficientes se vuelve cada vez más importante. Este artículo explorará el papel de las baterías y el hidrógeno en la transición hacia un futuro de energía renovable.
En los últimos años, la industria de la energía solar ha crecido rápidamente, alcanzando una participación del 20% o más en las redes energéticas de muchos países. Este crecimiento ha llevado a un cambio en los requisitos para el almacenamiento de energía, con el almacenamiento a gran escala y de ciclo largo volviéndose cada vez más necesario. Si no se aborda, la rápida expansión de la energía solar podría conducir a un cuello de botella en el sector energético.
Almacenamiento de energía electroquímica y el auge de los vehículos eléctricos
El auge del almacenamiento de energía electroquímica ha traído consigo la aparición de vehículos eléctricos (VE) impulsados por baterías de iones de litio. A medida que los VE se vuelven más populares, sus emisiones de carbono disminuirán a medida que la red eléctrica se descarbonice. De hecho, según el concepto de una red eléctrica flexible, las baterías de los VE podrían convertirse en un importante dispositivo de almacenamiento de energía para las futuras redes eléctricas.
Hidrógeno: un jugador clave en el almacenamiento de energía de ciclo largo
A medida que crece la necesidad de almacenamiento de energía a gran escala y de ciclo largo, la industria se está volcando hacia el hidrógeno. Aunque el hidrógeno no es un descubrimiento nuevo, la creciente demanda de neutralidad de carbono y almacenamiento de energía lo ha vuelto a colocar en el centro de la industria. Esencialmente, la energía del hidrógeno es una rama del mercado de almacenamiento de energía, coexistiendo el almacenamiento de regulación de frecuencia y aplanamiento de picos a corto plazo y pequeña escala (electroquímico) con el almacenamiento a gran escala y de ciclo largo (hidrógeno).
El futuro de la energía del hidrógeno: producción, almacenamiento y aplicación
Es probable que la industria de la energía del hidrógeno experimente un crecimiento sustancial en los próximos años, con tecnologías de producción, almacenamiento y aplicación de hidrógeno volviéndose cada vez más importantes. En la actualidad, la aplicación más visible es la tecnología de celdas de combustible, que esencialmente combina un generador de hidrógeno, un tanque de almacenamiento de hidrógeno y un motor eléctrico. Sin embargo, las celdas de combustible son solo una parte de la cadena de valor de la energía del hidrógeno.
Hidrógeno verde: una alternativa sostenible para el almacenamiento de energía
El hidrógeno verde, producido mediante la electrólisis del agua utilizando fuentes de energía renovable, ofrece una alternativa sostenible a los métodos tradicionales de producción de hidrógeno. La electrólisis del agua con membrana de intercambio de protones (PEM) es una tecnología prometedora para producir hidrógeno de alta pureza a partir del agua, sin corrosión ni contaminación y con un tiempo rápido de arranque y apagado. Esta tecnología es ideal para integrarse con la generación de energía eólica y solar.
El impulso global por el hidrógeno verde
Tanto Europa como China están invirtiendo fuertemente en la producción de hidrógeno verde. El Plan de Hidrógeno Verde 2×40 GW de Europa tiene como objetivo madurar la economía del hidrógeno para 2030-2040 y aplicarla a sectores que son difíciles de descarbonizar mediante electrificación, como la aviación y la maquinaria pesada. El reciente conflicto entre Rusia y Ucrania y las sanciones de la Unión Europea contra Rusia han acelerado los esfuerzos de Europa para reducir su dependencia del gas natural ruso.
China, el líder mundial en capacidad instalada de energía eólica y solar, también tiene un futuro prometedor en la energía del hidrógeno. La gran cantidad de energía eólica y solar en la red de China ha creado una carga significativa, lo que ha llevado a casos de electricidad recortada. Al utilizar la electrólisis PEM, que responde rápidamente para producir hidrógeno a partir del exceso de energía eólica y solar, se puede desarrollar una solución práctica y rentable de almacenamiento de energía.
En los últimos años, la industria de la energía solar ha crecido rápidamente, alcanzando una participación del 20% o más en las redes energéticas de muchos países. Este crecimiento ha llevado a un cambio en los requisitos para el almacenamiento de energía, con el almacenamiento a gran escala y de ciclo largo volviéndose cada vez más necesario. Si no se aborda, la rápida expansión de la energía solar podría conducir a un cuello de botella en el sector energético.
Almacenamiento, Transporte y Aplicaciones del Hidrógeno en una Era de Baja Emisión de Carbono
En comparación con la producción de hidrógeno, el almacenamiento de hidrógeno es relativamente más difícil. El hidrógeno, siendo el elemento más ligero de la tabla periódica con la menor densidad, significa que incluso almacenar una pequeña cantidad de hidrógeno requiere un gran volumen. A una presión atmosférica estándar (1 atm, o 1.013 bar, o 0.1 Mpa), un metro cúbico de gas hidrógeno pesa solo 0.09 kg. Esta baja eficiencia de transporte requiere convertir el hidrógeno en una forma más densa para su almacenamiento y transporte.
Los métodos de almacenamiento convencionales, como el almacenamiento de gas a alta presión, son ampliamente utilizados. A menudo vemos remolques de tubos en las autopistas, que normalmente operan a presiones entre 35-70 Mpa (350-700 atmósferas). A 350 atmósferas, 1 metro cúbico de hidrógeno pesa aproximadamente 23 kg.
Al enfriar el gas hidrógeno a temperaturas extremadamente bajas (-252.8°C), se puede licuar con una densidad de 70 kg por metro cúbico. Sin embargo, enfriar el gas a temperaturas tan bajas requiere equipos especializados y un alto consumo de energía, lo que lo hace solo ampliamente utilizado en la industria aeroespacial. Las aplicaciones en otros campos aún están en sus primeras etapas.
Además de almacenar el hidrógeno como un solo elemento, también se puede combinar con otras sustancias para formar compuestos que contienen hidrógeno. Los materiales de hidruro metálico y los portadores orgánicos líquidos de hidrógeno son dos métodos de almacenamiento prometedores. Algunos metales o materiales orgánicos pueden formar compuestos estables que contienen hidrógeno a temperatura ambiente, lo que permite un almacenamiento y transporte seguros. Cuando se calientan, estos hidruros pueden descomponerse y liberar hidrógeno nuevamente, convirtiéndolos en un sistema potencial de almacenamiento de hidrógeno.
El amoníaco, los alcoholes y los hidrocarburos, todos los cuales contienen cantidades significativas de hidrógeno, tienen potencial como materiales de almacenamiento de hidrógeno. Estas sustancias pueden producirse en grandes cantidades utilizando producción de hidrógeno por electrólisis, y la infraestructura existente puede ser utilizada para su almacenamiento y transporte.
En la era de la energía de cero y bajas emisiones de carbono, el hidrógeno tiene una amplia gama de aplicaciones más allá de los usos industriales tradicionales, como el transporte y el almacenamiento de energía. En el transporte urbano y en los vehículos comerciales ligeros, los vehículos eléctricos con baterías de iones de litio han mostrado considerables ventajas. Sin embargo, para los vehículos comerciales pesados de largo recorrido, los vehículos con baterías tienen dificultades debido al gran consumo de energía y al peso de las baterías, afectando la carga útil del vehículo.
Para los vehículos eléctricos, la reposición de energía es un problema crítico. Incluso para los usuarios domésticos, cargar un vehículo eléctrico lleva mucho tiempo, y para los vehículos comerciales pesados con una batería de 300 kWh, cada carga tarda al menos dos horas, lo que afecta la eficiencia económica del vehículo.
Actualmente, las celdas de combustible de hidrógeno o los combustibles sintéticos a base de hidrógeno son las únicas soluciones efectivas para la logística de largo recorrido y alta carga. Sin mencionar la aviación, el transporte marítimo y fluvial, no existen alternativas maduras al combustible de hidrógeno en la era de cero y bajas emisiones de carbono.
Una de las aplicaciones más extensas del hidrógeno es el almacenamiento de energía. A medida que la energía eólica y solar continúan desarrollándose, se necesita equipo de almacenamiento de energía para equilibrar picos y valles y asegurar un suministro continuo de energía durante períodos sin viento ni sol. Deben utilizarse sistemas de almacenamiento de energía a gran escala y de ciclo largo.
Además del almacenamiento de energía física tradicional (como el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo y el almacenamiento de energía mediante aire comprimido) y el almacenamiento de energía electroquímica (baterías de iones de litio, baterías de iones de sodio, baterías de flujo redox de vanadio), el hidrógeno tiene el potencial de convertirse en uno de los pilares del almacenamiento de energía.
Como sustancia química estable, el hidrógeno puede almacenarse de manera segura durante períodos prolongados y puede servir como una reserva de energía a largo plazo. El hidrógeno puede transportarse a través de tuberías a áreas remotas, y aunque la construcción de tuberías lleva tiempo, sus costos operativos son increíblemente bajos. Según un estudio de la Unión Europea, una tubería de transporte de hidrógeno de 48 pulgadas de diámetro puede entregar 17 GW de energía, equivalente a 4-5 líneas de transmisión de 800 kV de corriente continua, pero a un costo mucho menor que construir 4-5 líneas de transmisión de corriente continua.
A largo plazo, en una era de cero emisiones de carbono, el hidrógeno puede reemplazar completamente al gas natural como combustible para la generación de energía mediante combustión directa o sistemas de celdas de combustible. Puede proporcionar generación de energía distribuida para comunidades u otros dispositivos móviles que consumen energía.
Finalmente, el uso de hidrógeno y la captura de dióxido de carbono de la atmósfera u otros sumideros de carbono pueden producir hidrocarburos mediante el proceso Fischer-Tropsch. Después de refinar estos hidrocarburos, pueden usarse como combustibles sintéticos para los aviones existentes, convirtiéndose en la única solución viable de combustible de aviación de cero carbono actualmente disponible.
Con los avances en la generación de energía fotovoltaica y la producción de hidrógeno PEM entrando en operación a gran escala, el hidrógeno puede reemplazar a los combustibles fósiles en varios escenarios de aplicación, permitiendo una aplicación industrial genuina de una economía de cero y bajas emisiones de carbono.
