A lo largo de las últimas décadas, el hidrógeno ha sido identificado como un posible combustible limpio, aunque su adopción masiva se ha visto obstaculizada por la abundancia de petróleo y los bajos precios relativos de los combustibles fósiles, así como, en los últimos años, por el avance de los vehículos eléctricos con batería. Hoy en día, aunque los avances tecnológicos han permitido reducir los costes de producción y uso del hidrógeno, es esencial escalar estas tecnologías y definir una hoja de ruta para optimizar las inversiones necesarias. La transición energética actual apunta a una era de gases energéticos sostenibles, y se espera que el consumo de hidrógeno y metano renovables supere al del carbón y el petróleo en el siglo XXI. En este contexto, el hidrógeno renovable, o hidrógeno producido con bajas emisiones de CO2, emerge como una pieza clave en la descarbonización de la economía global.
El biohidrógeno es una tipología específica de hidrógeno renovable que se define como el hidrógeno producido mediante procesos biológicos o a partir de biomasa como materia prima. La biomasa, uno de los recursos renovables más abundantes en todos los continentes, está siendo objeto de creciente investigación respecto a sus usos alternativos y su valorización. Este interés se centra también en la conversión de corrientes residuales en energía, por el potencial de transformar grandes cantidades de residuos agrícolas, forestales, industriales y municipales en biohidrógeno y otros gases renovables, beneficiando así el desarrollo sostenible. La utilización eficiente de materias primas renovables derivadas de biomasa y residuos como fuente de combustible presenta claramente una oportunidad significativa para lograr un planeta más sostenible.
«Biohidrógeno. Tipología específica de hidrógeno renovable que se define como el hidrógeno producido mediante procesos biológicos o a partir de biomasa como materia prima.»
El biohidrógeno tiene características que lo convierten en un elemento renovable capaz de proporcionar energía segura, competitiva económicamente y 100% libre de emisiones de dióxido de carbono, en su producción y en su uso. A pesar de ello, la penetración de este hidrógeno bajo en carbono sigue siendo limitada. Es crucial entender las razones de esta situación, las tendencias emergentes y la ruta tecnológica que permitirá su consolidación como vector energético.
Producción de biohidrógeno
La producción de biohidrógeno ha ganado atención mundial debido a su potencial para convertirse en una fuente inagotable, de bajo coste y renovable de energía limpia. Las materias primas para su producción incluyen productos lignocelulósicos, residuos agrícolas, residuos de procesamiento de alimentos, plantas acuáticas y algas, y efluentes humanos como lodos de depuradora. Bajo el control adecuado, estos recursos se convertirán en una fuente principal de energía en el futuro. La biomasa tiene el potencial de ser una fuente importante de hidrógeno renovable, complementando otros procesos que producen biomateriales.
El método principal para obtener biohidrógeno es a partir del biometano generado en la digestión anaerobia, mediante un proceso conocido como reformado. La gasificación, por su parte, convierte la materia orgánica en gas de síntesis rico en hidrógeno. Junto a estas tecnologías termoquímicas, la producción biológica de hidrógeno, como la fermentación oscura y el uso de microalgas, ofrece métodos adicionales prometedores. La fermentación oscura utiliza bacterias anaerobias para descomponer materia orgánica y producir hidrógeno. Por otro lado, las microalgas pueden generar hidrógeno mediante biofotólisis, un proceso que convierte la luz solar y el agua en hidrógeno y oxígeno. Este conjunto de tecnologías presenta un amplio abanico de posibilidades para la producción de biohidrógeno.
Almacenamiento y distribución
El almacenamiento y distribución del hidrógeno en general, y del biohidrógeno en particular, representan aspectos cruciales en su adopción a gran escala. El almacenamiento en tanques de alta presión es, hoy en día, la opción preferida, aunque existen otros métodos, como la inyección en la infraestructura de gas actual o el almacenamiento en materiales químicos. El hidrógeno puede almacenarse en estado gaseoso o líquido, tanto en la superficie como dentro de sólidos, o en compuestos químicos portadores de hidrógeno. Estas opciones de almacenamiento buscan superar las limitaciones actuales y facilitar la adopción del hidrógeno como vector energético.
Aplicaciones y usos
El interés actual en la economía del hidrógeno se debe a sus enormes oportunidades de penetración en el sector energético, especialmente en movilidad y almacenamiento químico de energía renovable. En el caso del biohidrógeno, además, es un método eficiente de gestión de corrientes residuales orgánicas. La producción de hidrógeno renovable ha aumentado en los últimos años, utilizándose principalmente en la fabricación de amoníaco. El amoníaco renovable, además, puede usarse como medio de almacenamiento de energía, transportador de energía o combustible. La producción de hidrógeno, por tanto, no solo tiene aplicaciones industriales, sino que también ofrece soluciones energéticas innovadoras.
En el ámbito de la metalurgia, el hidrógeno se utiliza en la reducción directa del hierro para la producción de acero, y en el transporte, puede generar energía limpia en vehículos. Estas aplicaciones diversificadas demuestran el potencial del biohidrógeno para transformar sectores clave de la economía. Sin embargo, su adopción a gran escala requiere superar barreras tecnológicas, logísticas y de mercado, así como establecer políticas adecuadas para su regulación y desarrollo.
Perspectivas del biohidrógeno
El biohidrógeno, al igual que otros vectores energéticos, tiene ventajas y desventajas. Mientras que otras formas de energía ya tienen una posición establecida, el hidrógeno, y en particular el biohidrógeno, están avanzando progresivamente tratando de reemplazar opciones como el carbón o el gas natural en sectores como la energía, la industria y el transporte. El principal motivador para esto es la necesidad de reducir las emisiones contaminantes, lo cual ha generado un interés considerable en este vector energético. Sin embargo, la baja densidad energética, los costes de infraestructura e instalación y los factores asociados con la seguridad son las principales barreras que ralentizan su implementación. Aunque algunos de estos obstáculos pueden desaparecer gracias a la reducción de costes resultante de avances en la investigación, otros, como la densidad energética, no pueden ser modificados. Aquí, el uso de derivados principalmente de la industria química puede jugar un papel fundamental en el sistema energético o en el sector del transporte.
Las barreras pueden ser solucionadas o adaptadas, pero esto no se logrará sin un esfuerzo conjunto tanto del sector privado como del público. Deben existir objetivos y políticas conjuntas en aspectos como la homogenización de estándares que afectan, sobre todo, a los límites de almacenamiento. Actualmente, no hay un mercado global sólido debido a la baja demanda, que es parcialmente consecuencia de la baja generación y el consumo directo en los sitios de generación. A medida que el biohidrógeno irrumpe progresivamente, la demanda aumentará y la generación deberá realizarse a gran escala. Este incremento en la generación y la demanda hará viables las rutas de transporte de materiales, que son rentables especialmente en largas distancias. Aparecerán gasoductos, camiones y rutas marítimas específicas para el hidrógeno para satisfacer esta demanda. Con esta apertura y desarrollo de medios adaptados para el hidrógeno y el biohidrógeno, se observará un aumento progresivo en las áreas de uso potencial, donde el transporte, especialmente mediante vehículos pesados y barcos, y el almacenamiento de energía en tanques de amoníaco líquido jugarán un papel fundamental.
El biohidrógeno tiene el potencial suficiente para resolver los problemas de contaminación actuales, pero su uso generalizado no es inmediato. El cambio comienza ahora y la disposición al cambio debe ser evidente. Los próximos pasos incluyen la investigación en todos los procesos de producción de biohidrógeno para aumentar su eficiencia y, con ello, su competitividad; la integración de los puntos de contacto entre distribución y demanda; la gestión de políticas y tecnologías globales; la coordinación ante iniciativas multilaterales de sectores y la creación de una base de conocimiento que sirva como modelo para el establecimiento de iniciativas.
Más información sobre este tema en:
Hidalgo, D., Martín-Marroquín, J. M., & Díez, D. (2022). Biohydrogen: future energy source for the society. In Organic Waste to Biohydrogen (pp. 271-288). Singapore: Springer Nature Singapore.
Tanto el biometano como el biohidrógeno son dos gases que vienen pisando fuerte en nuestro panorama energético actual. Ambos tienen un origen renovable y su formación puede ir asociada a procesos de captura y almacenamiento de CO2, otro de los grandes objetivos de nuestra sociedad para luchar contra el calentamiento global.
El biometano no es otra cosa que metano con origen renovable, en contraposición al gas natural donde el metano tiene un origen fósil. El biometano se genera habitualmente al purificar el biogás que se produce en los digestores anaerobios que tratan corrientes residuales como fangos de depuradora, estiércoles u otras corrientes biodegradables. Es la operación generalmente conocida como proceso de upgrading [1]. El biometano tiene la ventaja añadida de que es químicamente idéntico al gas natural, por lo que le puede sustituir en cualquiera de sus aplicaciones. Se espera, por ello, que el biometano juegue un papel trascendental para la descarbonización de la economía española y europea con miras al 2050 [2].
Si volvemos del biogás, su otro componente mayoritario es el CO2, pero existe la posibilidad de reintroducir este CO2 al digestor anaerobio o tratarlo en otro reactor y, a través de los que se conoce como proceso de metanación, generar más biometano [3]. Es decir, podemos emplear CO2 para generar metano, ¿quién da más? Pero este proceso no está tan maduro como el de la digestión anaerobia convencional y, si bien se ha demostrado que es técnicamente factible ( se conocen en Europa más de 100 plantas operativas), el rendimiento del proceso necesita mejorar para que su viabilidad económica esté fuera de toda duda.
Una vez que disponemos del biometano, otra opción que tenemos es generar hidrógeno verde (denominado así por su origen renovable) a través de un conocido proceso de reformado. El reformado de gas natural para producir hidrógeno es una práctica industrial habitual, por lo que reformar biometano es una opción totalmente plausible. El reformado habitual se realiza haciendo reaccionar el metano con vapor de agua, pero ya hay trabajos que han demostrado la posibilidad de sustituir ese vapor de agua por CO2, por lo que volvemos a utilizar el dióxido de carbono como materia prima, retirándolo de la atmósfera y produciendo en su lugar el tan deseado hidrógeno.
Pero el hidrógeno también puede tener un origen biológico, que es lo que se conoce como biohidrógeno. En la naturaleza existen algas y bacterias que generan hidrógeno a través de sus ciclos metabólicos. Dichos organismos, cultivados en un medio controlado, pueden convertirse también en una fábrica de biohidrógeno. En este caso, y al igual que ocurría en los procesos de metanación, se ha demostrado que los procesos funcionan y pueden ser escalables, pero los rendimientos que se alcanzan en la actualidad siguen siendo una barrera a su implementación con fines industriales.
Pero para eso está la investigación, para seguir trabajando y hacer que estos procesos (y otros de los que hablaremos en otra ocasión) sean una realidad en el corto-medio plazo.
[1] Hidalgo, D., Sanz-Bedate, S., Martín-Marroquín, J. M., Castro, J., & Antolín, G. (2020). Selective separation of CH4 and CO2 using membrane contactors. Renewable Energy, 150, 935-942.
[2] Elguera, N. M., Salas, M. D. C., Hidalgo, D., Marroquín, J. M., & Antolín, G. (2020). Biometano, el gas verde que pide paso en España. IndustriAmbiente: gestión medioambiental y energética, (30), 50-56.
[3] Hidalgo, D. Martín-Marroquín, J.M. (2020). Power-to-methane, coupling CO2 capture with fuel production: An overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 132, 110057.
Protocolos anticontaminación, límites de velocidad, restricciones de aparcamiento, hasta el color gris del cielo y datos muy, muy, alarmantes. Todo esto provoca la circulación de nuestros coches en las grandes ciudades. Según la Agencia Europea del Medio Ambiente (AEMA), más del 13% de las partículas contaminantes de los 28 países de la Unión Europea son producidas por el transporte, lo que supone casi 4.000 muertes anuales. Solo en las ciudades, los datos afirman que el tráfico supone el 60% de las emisiones a la atmósfera. ¿Hasta cuándo podremos permitirnos seguir así?
Sin embargo, no todos los coches tienen la misma culpa, es decir, no todos contaminan lo mismo. Está demostrado que solo el 10% de los vehículos que circulan por nuestras calles contribuyen con el 50% de las emisiones. Son los que llamamos ‘altos emisores’. Pero, ¿cuáles son estos coches?, ¿los motores diésel?, ¿los más antiguos?, ¿los que menos mimos reciben por parte de sus dueños? No necesariamente. Un alto porcentaje de propietarios de vehículos altamente contaminantes no lo saben. Muchos de ellos han superado correctamente la ITV e incluso se estima que el 50% de ellos son vehículos de menos de dos años.
¿Cómo puedo saber si mi coche es un ‘alto emisor’?
El proyecto LIFE GySTRA, coordinado por CARTIF, propone identificar estos vehículos altamente contaminantes, monitorizar la evolución de los niveles de emisiones e informar a sus propietarios, todo ello con un nuevo desarrollo tecnológico, el RSD+. De momento, la intención es realizar pruebas y recabar datos con el fin de poner en marcha una nueva política de movilidad sostenible.
El estudio de demostración se llevará a cabo en Madrid y en Sofia (Bulgaria) donde se pretende controlar a los vehículos que circulen por ambas ciudades gracias a tres dispositivos RSD+, adaptados a los requisitos de la UE en cuanto a control de emisiones de NO2.
El modelo piloto en Madrid planea monitorizar 700.000 vehículos en un año. Aquellos identificados como ‘emisores altos’ recibirán una notificación para que reparen el vehículo. Con la reparación de este tipo de coches se espera una reducción de emisiones del 14,8% (CO), 2,8% (HC) y 22,7% (NOx, NO, NO2) del volumen total de emisiones. Incluso si sólo se reparan la mitad de estos vehículos, sería posible reducir las emisiones de CO2 hasta 16 millones de toneladas al año.
Por otro lado, el modelo búlgaro se aplicará en una flota controlada de 150 autobuses. Un estudio reciente sobre los autobuses concluyó que la identificación de un 6,6% de ‘emisores altos’ y su reparación supusieron una reducción del 84% de las emisiones. Este programa de monitorización continua permitirá una reducción mayor, y se espera que el ahorro en combustible sea entre el 3% y el 5%.
La reparación de estos vehículos no solo supone ventajas medioambientales, sino que supondrá ahorros económicos y la mejora de las condiciones del vehículo.
Si el equipo del proyecto consigue estos objetivos, disminuirá en gran medida la contaminación en nuestras ciudades, incluso llegando, en el ideal de los casos, a evitar los episodios de alta contaminación y las restricciones que tantos quebraderos de cabeza suponen para las administraciones y para los propios ciudadanos.
El proyecto también ha diseñado una política de reducción de emisiones que incluye una serie de campañas de información para la población, unas más generales y otras específicas para los propietarios de vehículos más contaminantes.
El consorcio del proyecto cuenta con cinco socios, tres de ellos tecnológicos y dos de la administración. En primer lugar, CARTIF coordina la propuesta; la empresa OPUS RSE es quien desarrollará la tecnología RSD+ de medición remota de contaminación; y el CIEMAT, el centro de investigación que calibrará los equipos y realizará la caracterización y evaluación de las emisiones. Por otro lado, la Dirección General de Tráfico y el Ayuntamiento de Sofia (Bulgaria) prestarán su apoyo para el estudio de demostración en las ciudades de Madrid y Sofía, respectivamente.
La seguridad alimentaria de dos tercios de la población mundial depende de la disponibilidad y el uso de fertilizantes. En la transición de una economía basada en las reservas fósiles a una economía de base biológica, se ha convertido en un reto crítico cerrar el ciclo de los nutrientes y pasar a una gestión más eficaz y sostenible de los recursos, tanto desde una perspectiva económica como ambiental.
La producción de fertilizantes minerales requiere de cantidades significativas de energía fósil. Por lo tanto, la dependencia de la agricultura de estos fertilizantes minerales (especialmente el nitrógeno, el fósforo y el potasio) producidos a base de consumir grandes cantidades de reservas fósiles, debe ser considerada como una grave amenaza para el futuro de la seguridad alimentaria humana. Por otra parte, las estimaciones sobre las reservas existentes de fósforo pronostican un agotamiento de las mismas que se producirá dentro de 100 a 300 años, teniendo en cuenta las tendencias actuales en el crecimiento de la población y su demanda de nutrientes. Sin embargo, se espera que los impactos en la economía mundial ocurran mucho antes, debido a que la escasez de recursos impulsará con antelación las subidas de precios de los productos.
Al mismo tiempo, la demanda agrícola de fertilizantes minerales está creciendo continuamente, debido a una variedad de factores, como el aumento de la población mundial, el aumento del consumo de carne y la producción de cultivos energéticos. En este sentido, la FAO ha informado de un aumento de cinco veces en el consumo de fertilizantes entre 1960 y 2015 y esta organización pronostica que se mantendrá un aumento continuado en los próximos años. Como consecuencia, es previsible que la tensión entre la oferta y la demanda continuará empujando hacia arriba los precios de las fuentes de nutrientes.
A pesar de estas circunstancias, grandes cantidades de nutrientes se dispersan en el medio ambiente cada día, de una manera controlada o, lo que es peor, sin control alguno, a través de la eliminación de los flujos de residuos. Además, la intensificación de la producción animal y los excesos resultantes de estiércol, combinado con una disponibilidad limitada de tierras cultivables para la eliminación de estos residuos (purines, lodos, etc.) y el uso excesivo de fertilizantes químicos minerales, ha dado lugar a excedentes de fertilización y a la acumulación de nutrientes en muchos suelos de todo el mundo. Estos hechos han derivado con frecuencia en problemas de contaminación ambiental.
Como consecuencia de ello, es evidente que se necesita un esfuerzo global para dibujar un nuevo escenario en el que mejoren la eficiencia de uso de los nutrientes y, al mismo tiempo, se reduzcan sus pérdidas, lo que proporcionaría las bases para una economía más verde, para producir más alimentos y energía reduciendo al mismo tiempo el impacto sobre el medio ambiente.
Cuatro son los puntos clave cuando se trata de reciclaje de nutrientes según la comunidad científica:
– La sostenibilidad de nuestro mundo depende fundamentalmente de los nutrientes. Con el fin de alimentar a siete mil millones de personas, los seres humanos han más que duplicado el ciclo global del N y P en las tierras de cultivo. – Como resultado de lo anterior, el ciclo mundial de N y P está ahora fuera de equilibrio, causando grandes problemas ambientales, de salud y económicos que han recibido muy poca atención hasta el momento. – El acceso insuficiente a los nutrientes todavía limita la producción de alimentos y contribuye a la degradación del suelo en algunas partes del mundo, mientras que las reservas finitas de fósforo representan un riesgo potencial para la futura seguridad alimentaria mundial, que apunta a la necesidad de un uso prudente. – A menos que se tomen medidas, el aumento de la población y el consumo per cápita de energía y productos de origen animal agravará la pérdida de nutrientes, los niveles de contaminación y degradación de la tierra, amenazando aún más la calidad de nuestra agua, aire y suelos, afectando el clima y la biodiversidad.
El reciclaje de energía y materiales a través de la reconexión de la producción agrícola y ganadera se convierte, pues, en requisito indispensable para lograr la sustentabilidad agrícola en todos los sentidos, no sólo en el sentido ambiental. Es hora de volver a conectar los flujos de nutrientes entre los sectores de la ganadería y la agricultura. Para ello, es necesario invertir en procesos agroindustriales, que puedan contribuir en el reciclado de nutrientes minerales desde los flujos orgánicos hacia los fertilizantes minerales. Este enfoque requiere el desarrollo de un tercer pilar agroindustrial: el procesado de agro-residuos y su reciclado, que debe ser desarrollado en soporte a los dos pilares principales existentes de la actividad agrícola, la producción vegetal y animal.
