El hidrógeno es un combustible limpio y eficiente. Cuando se quema no emite dióxido de carbono ni otros contaminantes atmosféricos. Además puede utilizarse en las celdas de combustible para crear electricidad y que su único residuo sea el agua. Puede producirse a partir de fuentes renovables, como la energía solar o eólica, lo que lo convierte en una opción atractiva para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
Presenta algunos desafíos como la gran cantidad de energía necesaria para su producción y la dificultad para almacenarlo y transportarlo, dada su baja densidad energética y su tendencia a la fuga de los contenedores. También requiere tecnologías avanzadas para extraer todo su potencial energético.
A pesar de estos desafíos, hay varios sectores en los que el hidrógeno ya se está utilizando como combustible, como en el transporte público y privado, en la industria y en la generación de energía. A medida que la tecnología mejore y los costes disminuyan, es probable que el hidrógeno se convierta en una parte cada vez más importante del mix energético global.
¿Y esto es un problema?
“El hidrógeno es, teóricamente, el combustible del futuro”, asegura Matteo Bertagni, investigador postdoctoral en el Instituto Ambiental de High Meadows. “Sin embargo, en la práctica, plantea muchas preocupaciones ambientales y tecnológicas que deben abordarse”.
El hidrógeno reacciona fácilmente en la atmósfera con la misma molécula responsable de descomponer el metano, que es un potente gas de efecto invernadero. Si el nivel de emisiones de hidrógeno supera un umbral específico, es probable que esta reacción provoque una acumulación de metano en la atmósfera, lo que tendrá consecuencias climáticas a largo plazo.
Bertagni es el autor principal de un artículo de investigación publicado en Nature Communications, en el que se explican el efecto de las emisiones de hidrógeno en el metano atmosférico. Por encima de cierto umbral, en el caso teórico de que reemplace el uso de combustibles fósiles, una economía basada en el hidrógeno podría causar daños ambientales a corto plazo al aumentar la cantidad de metano en la atmósfera.
El riesgo viene dado por las fugas que puede producir su almacenamiento. El daño se ve agravado por los métodos de producción de hidrógeno que a veces precisan del uso de metano. Para obtener hidrógeno puro, es necesario extraerlo de los compuestos en los que se encuentra formando parte o combinado, principalmente el agua, los combustibles fósiles y la materia orgánica. Esta conclusión destaca la necesidad crítica de gestionar y minimizar las emisiones durante la producción de hidrógeno.
"Tenemos mucho que aprender sobre las consecuencias del uso de hidrógeno para que el cambio a un combustible aparentemente limpio no cree nuevos desafíos ambientales", advierte Amilcare Porporato, profesor de ingeniería civil y ambiental del Instituto Ambiental de High Meadows.
La química del hidrógeno
El problema se reduce a una pequeña molécula, difícil de medir, conocida como radical hidroxilo (OH). A menudo, se la ha denominado como "el detergente de la troposfera" porque desempeña un papel fundamental en la eliminación de gases de efecto invernadero como el metano y el ozono de la atmósfera.
El radical hidroxilo también reacciona con el hidrógeno gaseoso en la atmósfera. Dado que cada día se genera una cantidad limitada de OH, cualquier aumento en las emisiones de hidrógeno significa que se usaría para descomponer el hidrógeno, quedando una cantidad menor disponible para descomponer el metano. Como consecuencia, el metano permanecería más tiempo en la atmósfera, extendiendo su impacto sobre el calentamiento.
Según Bertagni, los efectos de un pico de producción de hidrógeno podrían tener consecuencias climáticas para el planeta durante décadas. “Si se emite algo de hidrógeno a la atmósfera ahora, conducirá a una acumulación progresiva de metano en los años siguientes”, explica Bertagni. "Aunque el hidrógeno solo tiene una vida útil de alrededor de dos años en la atmósfera, la retroalimentación de metano de ese hidrógeno duraría hasta dentro de 30 años".
En el estudio, los investigadores identificaron el punto de inflexión en el que las emisiones de hidrógeno conducirían a un aumento del metano atmosférico poniendo en duda algunos de los beneficios a corto plazo del hidrógeno como combustible limpio. Al identificar ese umbral, los investigadores pudieron establecer los objetivos para ayudar a gestionar las emisiones de hidrógeno. “Es imperativo que seamos proactivos en el establecimiento de umbrales para las emisiones de hidrógeno para utilizarlos en el diseño y la implementación de la futura infraestructura de hidrógeno”, dice Porporato.
Hidrógeno verde y azul
Para el caso del hidrógeno verde, producido por la electrolisis del agua, dividiéndola en hidrógeno y oxígeno y empleando para ello fuentes de energía renovable, Bertagni marca el umbral crítico para las emisiones de hidrógeno en torno al 9%. Esto significa que si se filtra a la atmósfera más del 9% del hidrógeno producido, ya sea en el punto de producción, en algún momento durante el transporte o en cualquier otro momento a lo largo de su cadena de valor, el metano atmosférico aumentaría en las próximas décadas.
En el caso del hidrógeno azul, producido a partir de gas natural, capturando y almacenando el dióxido de carbono (CO2) en lugar de liberarlo a la atmósfera, el umbral de emisiones es aún más bajo. Debido a que el metano en sí mismo es una materia prima principal, los productores de hidrógeno azul deben considerar la fuga directa de metano además de la fuga de hidrógeno. Así, por ejemplo, los investigadores descubrieron que incluso con una tasa de fuga de metano tan baja como el 0,5%, las de hidrógeno tendrían que mantenerse por debajo del 4,5% para evitar el aumento de las concentraciones de metano en la atmósfera.
Por lo tanto, la gestión de las tasas de fuga de hidrógeno y metano será fundamental. Según Bertagni. “una pequeña fuga de metano e hidrógeno, provocaría que la utilización de hidrógeno azul no fuese mejor que usar combustibles fósiles, al menos durante los próximos 20 a 30 años”.
Medidas de control
La investigación enfatiza la importancia de la escala de tiempo en la que se considera el efecto del hidrógeno sobre el metano atmosférico. A largo plazo, en un siglo por ejemplo, el cambio a una economía de hidrógeno generaría beneficios netos para el clima, incluso superando los niveles de fuga de metano e hidrógeno. Bertagni explica que ”eventualmente, las concentraciones de gas atmosférico alcanzarían un nuevo equilibrio, y el cambio a una economía de hidrógeno demostraría sus beneficios climáticos”. Sin embargo, antes de que eso suceda, las posibles consecuencias se verían “a corto plazo ya que las emisiones de hidrógeno podrían provocar daños ambientales y socioeconómicos irreparables”.
Por lo tanto, si las instituciones quieren cumplir con los objetivos climáticos de mediados de siglo, las fugas de hidrógeno y metano a la atmósfera deben controlarse a la vez que comienza a implementarse la infraestructura de hidrógeno. Debido a que el hidrógeno es una molécula pequeña, difícil de controlar y medir, la gestión de las emisiones requerirá que los investigadores desarrollen mejores métodos para rastrear las pérdidas de hidrógeno a lo largo de la cadena de valor, añade Bertagni.
“Si las empresas y los gobiernos se toman en serio la inversión de dinero para desarrollar el hidrógeno como recurso, deben asegurarse de hacerlo de manera correcta y eficiente”, concluye Bertagni. “En última instancia, la economía del hidrógeno debe construirse de una manera que no contrarreste los esfuerzos de otros sectores para mitigar las emisiones de carbono”.
