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01 · Cuadernos técnicos (DocTecnicos 01-50) 10 min de lectura 1887 palabras aprox.

Hidrógeno Verde: cómo hacerlo, para qué sirve y cómo no tirar nada

cuaderno DocTecnicos

Estado: elaboración ampliada · Rama: DocTecnicos Relacionado con: 009_ENERGIA, 006_ACUICULTURA, 008_AGUA, 002_HACIENDA Público: técnicos y también personas sin formación científica (se explica desde cero)

0. En una frase (para empezar)

El hidrógeno verde es separar el agua en sus dos mitades (hidrógeno y oxígeno) usando electricidad limpia, para luego meter el hidrógeno en la red de gas de la ciudad y aprovechar el oxígeno en vez de tirarlo.

Analogía de cocina: el agua es como una nuez formada por dos mitades pegadas. La electricidad es la "tenaza" que las separa. Una mitad (H2) la usamos de combustible; la otra (O2) también sirve para muchas cosas, no se tira.

1. ¿Qué es el hidrógeno y por qué "verde"?

El agua (H₂O) está hecha de dos ingredientes: - Hidrógeno (H₂): el gas más ligero que existe. Arde muy bien y no ensucia. - Oxígeno (O₂): el gas que respiramos y que aviva el fuego.

"Verde" significa que para separarlos usamos electricidad de renovables (viento, sol, mareas), no carbón ni gas. Por eso no produce CO₂ al hacerlo.

El problema que resolvemos: las turbinas eólicas y solares a veces producen más electricidad de la que se consume (por ejemplo, de noche o con mucho viento). Ese sobrante, hoy, se pierde. Mejor es guardarlo convertido en hidrógeno, y luego usarlo cuando haga falta.

2. El proceso, paso a paso (esto era lo que faltaba aclarar)

Imagina una pequeña fábrica junto al mar, con molinos de viento y paneles solares.

 VIENTO/SOL ──> ELECTRICIDAD ──> ELECTROLIZADOR ──> H2 y O2
                                      ↑
                                   AGUA
  1. Paso 1 — Generar electricidad limpia. Los aerogeneradores y paneles dan corriente. Si hay excedente (más de lo que gasta la gente), lo mandamos al electrolizador en vez de desperdiciarlo.
  2. Paso 2 — Llevar agua. Usamos agua (mejor si ya la hemos limpiado: agua depurada, o salobre desalada; ver 02_Potabilizacion_Agua). El agua entra al aparato.
  3. Paso 3 — El electrolizador ("el partidor de agua"). Es una caja con dos bornes (como una pila) y una membrana en medio. Al pasar la corriente, el agua se rompe: 2 H₂O ──(electricidad)──> 2 H₂ + O₂ (agua) (hidrógeno) (oxígeno) - Por un lado sale el hidrógeno (H₂). - Por el otro sale el oxígeno (O₂).
  4. Paso 4 — Limpiar y comprimir el H₂. Se seca y se comprime para poder llevarlo por tubería o guardarlo en tanques.
  5. Paso 5 — Inyectarlo en la red de gas ciudad. El H₂ viaja por las tuberías de gas que ya existen hasta las casas, fábricas y centrales.
  6. Paso 6 — Recoger el O₂ en tanques para usarlo (ver sección 4).

Nota técnica suave: en la práctica se necesita más energía de la "teórica" porque nada es 100 % perfecto. Hoy se emplean unos 50–55 kWh por cada kg de H₂ (ver sección 5). Por eso sólo merece la pena con electricidad barata y sobrante.

3. ¿Para qué queremos el hidrógeno? → El "gas ciudad"

Históricamente, el gas de ciudad (el que alumbraba y calentaba las casas antes del gas natural) ya era una mezcla rica en hidrógeno. Volver a meter H₂ en la red es, en cierto modo, volver a los orígenes, pero limpio.

Uso principal previsto: inyectarlo en la red de gas ciudad.

  • Mezcla (blending): hoy se puede meter un porcentaje de H₂ (entre un 5 % y un 20 %, según la normativa y el estado de las tuberías) junto al gas natural. Las calderas y cocinas funcionan igual, pero la mezcla contamina menos.
  • Red dedicada de H₂: para zonas industriales o polígonos, se puede tener una tubería solo de hidrógeno, donde el porcentaje puede ser del 100 %.
  • Almacén estacional: el gas se puede guardar en el subsuelo o en tanques y sacarlo en invierno, cuando sopla el viento pero la gente consume mucho.

Otros usos complementarios del H₂ (no se descartan, pero el prioritario es el gas ciudad): - Cocinar y calentar en viviendas (por la red). - Alimentar centrales que generan electricidad cuando no hay viento. - Como materia prima en industrias (fertilizantes, acero sin CO₂). - Combustible para barcos y camiones pesados.

4. No tirar el oxígeno (O₂): todos los recursos y desperdicios sirven

Por cada 1 kg de hidrógeno que producimos, se genera unos 8 kg de oxígeno. Si una planta hace 1.300 t de H₂ al año, también produce más de 10.000 t de oxígeno al año. Tirarlo sería un desperdicio enorme. Usos:

Destino del O₂ Para qué sirve
Acuicultura (006_ACUICULTURA) Oxigenar bateas, piscifactorías y estanques; peces y moluscos crecen mejor y hay menos mortandad.
Tratamiento de agua (008_AGUA) Airear depuradoras y generar ozono (O₃) que desinfecta sin químicos.
Salud Oxígeno médico para hospitales y residencias (con la pureza adecuada).
Industria y talleres Soldadura y corte de metales (Oxicorte).
Química Procesos de oxidación y blanqueo de papel/pulpa.
Medio ambiente Compostaje y tratamiento aerobio de residuos (acelera la degradación).

Filosofía del cuaderno: en este proyecto nada se desecha. Todo lo extraíble es útil: - El agua de entrada puede ser agua depurada o el rechazo salino de una desaladora (02_Potabilizacion_Agua) → cerramos el ciclo. - El calor sobrante del electrolizador (sobre todo en el tipo "en caliente", SOEC) se reutiliza para calentar otros procesos o invernaderos. - Los residuos/orgánicos de otros sectores (podas, subproductos forestales del 03_Agroforesteria) pueden dar biometano y alimentar el mismo nodo. - La sal separada del agua en la desalación se aprovecha para cloro in situ.

5. Fundamentos físicos (explicados, no solo fórmulas)

  • Conservación: la energía no se crea ni se destruye, se transforma. La electricidad que entra "se guarda" en forma de hidrógeno. Cuenta: Energía que entra = Energía en el H₂ + Energía en el O₂ + Pérdidas (calor)
  • Límite teórico: separar el agua cuesta al menos 39,4 kWh por kg de H₂ (es la "factura mínima" de la naturaleza). La tecnología real gasta algo más (50–55 kWh/kg) porque siempre hay pérdidas.
  • Tipos de electrolizador:
  • Alcalino: el más probado y barato.
  • PEM: arranca y para rápido (ideal con viento variable).
  • SOEC (en caliente): el más eficiente si le damos calor residual de otra industria.
  • La clave del equilibrio (ver 06_Equilibrio_Energias): sólo usar electricidad que de otra forma se perdería. Así el hidrógeno sale barato y limpio de verdad.

6. Estudios necesarios

  1. Mapa del excedente eólico/solar que hoy se pierde, por zona.
  2. Ensayo del electrolizador con viento real (arranques y paros).
  3. Mercado del oxígeno: quién lo compraría cerca de cada planta (piscifactorías, hospitales, talleres).
  4. Capacidad de la red de gas ciudad para recibir H₂ (mezcla permitida, materiales de las tuberías).
  5. Aprovechamiento del agua de entrada y del calor sobrante.
  6. Aceptación vecinal y normativa de almacenamiento a presión.

7. Indicadores (KPI)

  • % de H₂ inyectado en gas ciudad (frente a otros usos).
  • % de O₂ aprovechado (no venteado): objetivo cercano al 100 %.
  • LCOH (coste del kg de H₂): objetivo < 3 €/kg en 2035.
  • Electricidad de excedente usada (no de generación forzada).
  • CO₂ evitado al sustituir gas natural (tCO₂/año).

8. Estimación económica (orden de magnitud)

Ver 07_Contabilidad_Proyectos. Planta piloto: 10 MW, ~15 M€ de inversión, ~1.300 t H₂/año y ~10.400 t O₂/año de subproducto vendible. El ingreso por el O₂ mejora el balance del proyecto.

9. Idea a estudiar: generar electricidad con la presión del gas en las tuberías

Aportación del equipo: si el gas va por la tubería a mucha presión y alta velocidad, ¿no se podría mover un generador (microturbina) y sacar electricidad "de la presión"? La termodinámica no miente: la energía que entra es igual a la que sale; solo que a veces no vemos dónde se pierde y dónde se puede ganar.

9.1 Dónde se pierde hoy (la parte oculta)

Empujar gas por un tubo cuesta. Para que llegue lejos, se comprime (se le da energía de presión). A lo largo del trayecto esa presión baja por dos causas reales:

  1. Rozamiento viscoso en la pared del tubo: la energía de presión se convierte en calor (se "pierde" como calor en el suelo). Esto es irreversible.
  2. Estaciones de reducción de presión (city gate): el gas viaja a alta presión (transporte, p.ej. 60–80 bar) y hay que bajarlo a baja presión (distribución a casas, p.ej. 4 bar). Hoy se hace con una válvula de estrangulamiento (throttling): se abre y la presión se "tira" sin sacar nada. Ese salto de presión se destruye en calor/ruido. Ahí es donde se pierde y donde se puede ganar.

9.2 Dónde se puede ganar de verdad (sin romper la ley)

La trampa es creer que la turbina da energía "gratis" en cualquier punto. No: si pones una turbina en medio de una tubería que alimenta a las casas, la turbina consume presión y el gas llegaría bajo de presión o no llegaría. La ganancia real está solo en los puntos donde la presión tiene que bajar obligatoriamente: las estaciones de reducción. Allí, en vez de una válvula que desperdicia el salto, se pone una turboexpansora (expander) que convierte parte de ese salto de presión en electricidad.

 ANTES:  alta P ──[válvula]──> baja P  + calor perdido (nada se aprovecha)
 AHORA:  alta P ──[turboexpansora+generador]──> baja P + ELECTRICIDAD

Esto no crea energía: recupera la que ya se había pagado al comprimir y que hoy se tira. Por eso la termodinámica queda intacta: energía entrante = saliente (gas a baja P + electricidad + pérdidas).

9.3 Balance honesto (1.º y 2.º principio)

  • No confundir dos energías del gas: el gas lleva (a) energía química (el combustible H₂ que quema la caldera de la casa) y (b) energía de presión (lo que usamos para empujarlo). La turbina solo aprovecha (b); la (a) debe llegar entera al cliente.
  • Compresión ↔ expansión: comprimir el H₂ cuesta electricidad; expandirlo en la gate station la devuelve en parte. El neto es recuperado − pérdidas de rozamiento. Nunca sale a cuenta poner compresores y turbinas a mitad de trayecto "para ganar": gastarías más comprimiendo de nuevo.
  • El único sitio con ganancia neta es donde el salto de presión es obligatorio (reducción de transporte a distribución). Ahí, comparado con la válvula, la electricidad es ganancia pura.

9.4 Orden de magnitud (a confirmar en el estudio)

Potencia recuperable en una estación de reducción:

P ≈ ṁ · (h_entrada − h_salida_isentrópica)

para un caudal ṁ dado y salto de presión. En una ciudad media una gate station puede dar del orden de 100 kW a 1 MW según caudal y salto. Poco frente al consumo total, pero real y gratis frente a la válvula.

9.5 Estudios a hacer

  1. Inventario de estaciones de reducción de la red de gas ciudad gallega (saltos de presión y caudales reales).
  2. Modelo de turboexpansora vs. válvula: electricidad recuperable y coste.
  3. Efecto frío-Joule (el gas se enfría al expandir; puede helar la válvula aguas abajo → prever intercambio de calor).
  4. Si el gas es H₂ puro: materiales (la turboexpansora y juntas deben soportar hidrógeno sin fragilización).
  5. Balance completo: compresión en planta + transporte + letdown recuperado para ver el neto real.

Conclusión que respeta la física: la energía no sale de la nada. Lo que podemos "ganar" es dejar de tirar el salto de presión de las estaciones de reducción. Ese es el sitio donde hoy se pierde y donde merece la pena estudiar el generador.

10. Referencias sugeridas

  • IRENA, Global Hydrogen Review.
  • Estrategia de Hidrógeno de la UE / IPCEI H2.
  • CNH2 (Centro Nacional del Hidrógeno, España).
  • Enagás / redes de distribución: guías de inyección de H₂ en gasoductos.