Economía del hidrógeno

La economía del hidrógeno es un sistema propuesto para entregar energía usando hidrógeno. El término economía del hidrógeno fue acuñado por John Bockris durante una charla que dio en 1970 en el Centro Técnico de General Motors (GM). El concepto fue propuesto anteriormente por el genetista JBS Haldane.

Los defensores de una economía del hidrógeno abogan por el hidrógeno como un combustible potencial para la fuerza motriz (incluidos los automóviles y los barcos) y la energía auxiliar a bordo, la generación de energía estacionaria (por ejemplo, para las necesidades energéticas de los edificios) y como un medio de almacenamiento de energía (por ejemplo, para la interconversión del exceso de energía eléctrica generada fuera del pico). El hidrógeno molecular del tipo que se puede usar como combustible no se produce naturalmente en depósitos convenientes; No obstante, puede generarse por reformación con vapor de hidrocarburos, electrólisis del agua o por otros métodos.

Un aumento en la atención por el concepto durante la década de 2000 se ha descrito repetidamente como exageración por parte de algunos críticos y defensores de las tecnologías alternativas. Se está produciendo un resurgimiento en el portador de energía, especialmente mediante la formación del Consejo del Hidrógeno en 2017. Varios fabricantes han lanzado comercialmente automóviles con celdas de combustible de hidrógeno, con fabricantes como Toyota y grupos de la industria en China que planean aumentar el número de automóviles en China. Los cientos de miles en la próxima década.

Razón fundamental
La Universidad de Michigan propuso una economía del hidrógeno para resolver algunos de los efectos negativos del uso de combustibles de hidrocarburos cuando el carbono se libera a la atmósfera (como dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrocarburos sin quemar, etc.). El interés moderno en la economía del hidrógeno generalmente se puede remontar a un informe técnico de 1970 de Lawrence W. Jones de la Universidad de Michigan.

En la economía actual de hidrocarburos, el transporte se alimenta principalmente del petróleo. La quema de combustibles de hidrocarburos emite dióxido de carbono y otros contaminantes. La oferta de recursos de hidrocarburos económicamente utilizables en el mundo es limitada, y la demanda de combustibles de hidrocarburos está aumentando, particularmente en China, India y otros países en desarrollo.

Los defensores de una economía del hidrógeno a escala mundial sostienen que el hidrógeno puede ser una fuente de energía ambientalmente más limpia para los usuarios finales, particularmente en aplicaciones de transporte, sin la liberación de contaminantes (como partículas) o dióxido de carbono en el punto de uso final. Un análisis de 2004 afirmó que «la mayoría de las rutas de la cadena de suministro de hidrógeno emitirían significativamente menos dióxido de carbono a la atmósfera que la gasolina utilizada en los vehículos eléctricos híbridos» y que serían posibles reducciones significativas de las emisiones de dióxido de carbono si los métodos de captura o captura de carbono fueran Utilizado en el sitio de producción de energía o hidrógeno.

El hidrógeno tiene una alta densidad de energía en peso, pero tiene una baja densidad de energía en volumen. Incluso cuando está altamente comprimido o licuado, la densidad de energía por volumen es solo 1/4 de la gasolina, aunque la densidad de energía en peso es aproximadamente tres veces mayor que la de la gasolina o el gas natural. Se dice que un motor de combustión interna de ciclo Otto que funciona con hidrógeno tiene una eficiencia máxima de aproximadamente el 38%, un 8% más que un motor de combustión interna de gasolina.

La combinación de la pila de combustible y el motor eléctrico es 2-3 veces más eficiente que un motor de combustión interna. Los costos de capital de las celdas de combustible se han reducido significativamente en los últimos años, con un costo modelado de $ 50 / kW citado por el Departamento de Energía.

Los obstáculos técnicos anteriores han incluido problemas de almacenamiento de hidrógeno y el requisito de pureza del hidrógeno utilizado en las celdas de combustible, al igual que con la tecnología actual, una celda de combustible operativa requiere que la pureza del hidrógeno sea tan alta como 99.999%. La tecnología de conversión del motor de hidrógeno podría considerarse más económica que las celdas de combustible.

Mercado de hidrógeno actual.
La producción de hidrógeno es una industria grande y en crecimiento, a partir de 2004. A nivel mundial, en 2004 se produjeron alrededor de 57 millones de toneladas métricas de hidrógeno, equivalentes a cerca de 170 millones de toneladas de petróleo equivalente. La tasa de crecimiento es de alrededor del 10% anual. Dentro de los Estados Unidos, la producción de 2004 fue de aproximadamente 11 millones de toneladas métricas (Mt), un flujo de potencia promedio de 48 gigavatios. (En comparación, la producción eléctrica promedio en 2003 fue de unos 442 GW). A partir de 2005, el valor económico de todo el hidrógeno producido en todo el mundo es de aproximadamente $ 135 mil millones por año.

Hay dos usos principales para el hidrógeno en la actualidad. Aproximadamente la mitad se usa en el proceso de Haber para producir amoníaco (NH3), que luego se usa directa o indirectamente como fertilizante. Debido a que tanto la población mundial como la agricultura intensiva utilizada para apoyarla están creciendo, la demanda de amoníaco está creciendo. El amoníaco se puede usar como un método indirecto más seguro y más fácil para transportar hidrógeno. El amoníaco transportado se puede convertir de nuevo en hidrógeno en el recipiente mediante una tecnología de membrana.

La otra mitad de la producción actual de hidrógeno se utiliza para convertir fuentes de petróleo pesado en fracciones más ligeras adecuadas para su uso como combustibles. Este último proceso se conoce como hidrocraqueo. El hidrocraqueo representa un área de crecimiento aún mayor, ya que el aumento de los precios del petróleo alienta a las compañías petroleras a extraer material de fuentes más pobres, como las arenas de alquitrán y el esquisto bituminoso. Las economías de escala inherentes a la refinación de petróleo a gran escala y la fabricación de fertilizantes hacen posible la producción en el sitio y el uso «cautivo». También se fabrican y entregan cantidades más pequeñas de hidrógeno «comercial» a los usuarios finales.

Si hubiera energía disponible para la producción de hidrógeno (a partir de energía eólica, solar, de fisión o de fusión, etc.), el uso de la sustancia para la producción de combustible de hidrocarburos podría aumentar el uso cautivo de hidrógeno en un factor de 5 a 10. El uso actual de hidrógeno en los EE. UU. El hidrocraqueo es de aproximadamente 4 Mt por año. Se estima que 37.7 Mt / año de hidrógeno sería suficiente para convertir suficiente carbón doméstico en combustibles líquidos para terminar con la dependencia de los EE. UU. De la importación de petróleo extranjero, y menos de la mitad de esta cifra para terminar con la dependencia del petróleo de Medio Oriente. La licuefacción del carbón presentaría emisiones de dióxido de carbono significativamente peores que el sistema actual de quema de petróleo fósil, pero eliminaría las vulnerabilidades políticas y económicas inherentes a la importación de petróleo de EE. UU. Antes de la comercialización de petróleo en América del Norte.

A partir de 2004 y 2016, el 96% de la producción mundial de hidrógeno proviene de combustibles fósiles (48% de gas natural, 30% de petróleo y 18% de carbón); La electrólisis del agua representa solo el 4%. La distribución de la producción refleja los efectos de las restricciones termodinámicas en las elecciones económicas: de los cuatro métodos para obtener hidrógeno, la combustión parcial de gas natural en una planta de energía de NGCC (ciclo combinado de gas natural) ofrece la ruta química más eficiente y la mayor extracción. de energía calorífica utilizable. (necesita referencia)

El gran mercado y el fuerte aumento de los precios de los combustibles fósiles también han estimulado un gran interés en los medios alternativos y más baratos de producción de hidrógeno. A partir de 2002, la mayor parte del hidrógeno se produce en el sitio y el costo es de aproximadamente $ 0.70 / kg y, si no se produce en el sitio, el costo del hidrógeno líquido es de aproximadamente $ 2.20 / kg a $ 3.08 / kg.

Las pilas de combustible como alternativa a la combustión interna.
Una de las principales ofertas de una economía de hidrógeno es que el combustible puede reemplazar el combustible fósil quemado en los motores de combustión interna y las turbinas como la principal forma de convertir la energía química en energía cinética o eléctrica; por la presente eliminando las emisiones de gases de efecto invernadero y la contaminación de ese motor. Aunque el hidrógeno puede usarse en motores de combustión interna convencionales, las celdas de combustible, al ser electroquímicas, tienen una ventaja de eficiencia teórica sobre los motores térmicos. Las celdas de combustible son más caras de producir que los motores de combustión interna comunes.

Algunos tipos de pilas de combustible funcionan con combustibles de hidrocarburos, mientras que todos pueden funcionar con hidrógeno puro. En el caso de que las celdas de combustible se conviertan en precios competitivos con los motores de combustión interna y las turbinas, las grandes centrales eléctricas de gas podrían adoptar esta tecnología.

El gas de hidrógeno se debe distinguir como «de calidad técnica» (cinco nueves puras, 99,999%), que es adecuado para aplicaciones como las celdas de combustible, y de «calidad comercial», que tiene impurezas que contienen carbono y azufre, pero que pueden Ser producido por el proceso de reforma de vapor mucho más barato. Las celdas de combustible requieren hidrógeno de alta pureza porque las impurezas degradarían rápidamente la vida útil de la pila de celdas de combustible.

Gran parte del interés en el concepto de economía de hidrógeno se centra en el uso de celdas de combustible para alimentar automóviles eléctricos. Las celdas de combustible de hidrógeno actuales sufren de una baja relación potencia-peso. Las pilas de combustible son mucho más eficientes que los motores de combustión interna y no producen emisiones dañinas. Si se introduce un método práctico de almacenamiento de hidrógeno, y las celdas de combustible se vuelven más baratas, pueden ser económicamente viables para impulsar vehículos de baterías / celdas de combustible híbridas, o simplemente impulsadas por celdas de combustible. La viabilidad económica de los vehículos propulsados ​​por celdas de combustible mejorará a medida que los combustibles de hidrocarburos utilizados en los motores de combustión interna se vuelvan más caros, debido al agotamiento de las reservas de fácil acceso o la contabilidad económica del impacto ambiental a través de medidas tales como los impuestos al carbono.

Otras tecnologías de celdas de combustible basadas en el intercambio de iones metálicos (por ejemplo, celdas de combustible zinc-aire) son generalmente más eficientes en la conversión de energía que las celdas de combustible de hidrógeno, pero el uso generalizado de cualquier energía eléctrica → energía química → sistemas de energía eléctrica requeriría la producción de electricidad.

Desde el discurso del Estado de la Unión de 2003, cuando la noción de la economía del hidrógeno llegó a la prominencia nacional en los Estados Unidos, ha habido un coro constante de personas negativas. Más recientemente, en 2013, Lux Research, Inc. emitió un informe que decía: «El sueño de una economía del hidrógeno … no está más cerca». Llegó a la conclusión de que «el costo de capital, no el suministro de hidrógeno, limitará la adopción a solo 5,9 GW» para 2030, lo que proporcionará «una barrera casi insuperable para la adopción, excepto en aplicaciones de nicho». El análisis de Lux especuló que para 2030, el mercado estacionario de PEM alcanzará los 1.000 millones de dólares, mientras que el mercado de vehículos, incluidos los montacargas, alcanzará un total de 2.000 millones de dólares.

Uso como combustible automotriz y eficiencia del sistema.
Se puede aplicar un recuento de la energía utilizada durante un proceso termodinámico, conocido como balance de energía, a los combustibles para automóviles. Con la tecnología actual, la fabricación de hidrógeno mediante reformado con vapor se puede lograr con una eficiencia térmica del 75 al 80 por ciento. Se requerirá energía adicional para licuar o comprimir el hidrógeno, y para transportarlo a la estación de llenado a través de un camión o tubería. La energía que se debe utilizar por kilogramo para producir, transportar y entregar hidrógeno (es decir, su uso de energía de pozo a tanque) es de aproximadamente 50 MJ utilizando la tecnología disponible en 2004. Restando esta energía de la entalpía de un kilogramo de hidrógeno, que es de 141 MJ y, dividiendo por la entalpía, produce una eficiencia de energía térmica de aproximadamente el 60%. La gasolina, en comparación, requiere menos consumo de energía, por galón, en la refinería, y comparativamente se requiere poca energía para transportarla y almacenarla debido a su alta densidad de energía por galón a temperatura ambiente. Desde el pozo hasta el tanque, la cadena de suministro de gasolina es aproximadamente 80% eficiente (Wang, 2002). Otro método basado en la red de suministro de hidrógeno sería utilizar electricidad para ejecutar electrolizadores. Aproximadamente el 6% de la electricidad se pierde durante la transmisión a lo largo de las líneas eléctricas, y el proceso de convertir el combustible fósil en electricidad en primer lugar es aproximadamente un 33 por ciento eficiente. Por lo tanto, si la eficiencia es el determinante clave, sería improbable que los vehículos de hidrógeno se alimenten con un método de este tipo y, de hecho, vistos de esta manera, los vehículos eléctricos parecen ser una mejor opción. Sin embargo, como se señaló anteriormente, el hidrógeno se puede producir a partir de una serie de materias primas, de manera centralizada o distribuida, y estas proporcionan vías más eficientes para producir y distribuir el combustible.

Un estudio de la eficiencia de los vehículos de hidrógeno de pozo a ruedas en comparación con otros vehículos en el sistema de energía noruego indica que los vehículos de celda de combustible de hidrógeno (FCV) tienden a ser aproximadamente un tercio tan eficientes como los EV cuando se usa la electrólisis, con hidrógeno Interno Los motores de combustión (ICE) son apenas un sexto como eficientes. Incluso en el caso de que las células de combustible de hidrógeno obtengan su hidrógeno de la reforma del gas natural en lugar de la electrólisis, y los EV obtengan su energía de una planta de energía de gas natural, los EV aún salen por delante del 35% al ​​25% (y solo el 13% para un H2). HIELO). Esto se compara con el 14% para un ICE a gasolina, el 27% para un híbrido ICE a gasolina y el 17% para un ICE diésel, también sobre una base de pozo a ruedas.

El hidrógeno se ha considerado como uno de los reemplazos menos eficientes y costosos de la gasolina (gasolina) en términos de reducción de gases de efecto invernadero; Otras tecnologías pueden ser menos costosas y ser implementadas más rápidamente. Un estudio exhaustivo del hidrógeno en aplicaciones de transporte ha encontrado que «hay obstáculos importantes en el camino para lograr la visión de la economía del hidrógeno; el camino no será sencillo ni directo». Aunque Ford Motor Company y el francés Renault-Nissan cancelaron sus esfuerzos de investigación y desarrollo de autos a hidrógeno en 2008 y 2009, respectivamente, firmaron una carta de intención de 2009 con los otros fabricantes y Now GMBH en septiembre de 2009 para respaldar la introducción comercial de FCV para 2015. Un estudio El Carbon Trust para el Departamento de Energía y Cambio Climático del Reino Unido sugiere que las tecnologías del hidrógeno tienen el potencial de ofrecer transporte en el Reino Unido con emisiones casi nulas, al tiempo que reducen la dependencia del petróleo importado y la reducción de la generación renovable. Sin embargo, las tecnologías enfrentan desafíos muy difíciles, en términos de costo, desempeño y política.

Preocupaciones ambientales
Hay muchas preocupaciones con respecto a los efectos ambientales de la fabricación de hidrógeno. El hidrógeno se produce por electrólisis del agua o por reformado de combustibles fósiles. La reforma de un combustible fósil conduce a una mayor emisión de dióxido de carbono en comparación con el uso directo del combustible fósil en un motor de combustión interna. De manera similar, si el hidrógeno se produce por electrólisis a partir de generadores alimentados con combustibles fósiles, se emite un aumento de dióxido de carbono en comparación con el uso directo del combustible fósil.

El uso de fuentes de energía renovable para generar hidrógeno por electrólisis requeriría una mayor entrada de energía que el uso directo de la energía renovable para operar vehículos eléctricos, debido a las etapas adicionales de conversión y las pérdidas en la distribución. El hidrógeno como combustible de transporte, sin embargo, se usa principalmente para celdas de combustible que no producen emisiones de gases de efecto invernadero, sino agua.

También ha habido algunas preocupaciones sobre posibles problemas relacionados con la fuga de gas de hidrógeno. El hidrógeno molecular se escapa lentamente de la mayoría de los recipientes de contención. Se ha planteado la hipótesis de que si se escapan cantidades significativas de gas hidrógeno (H2), el gas hidrógeno puede, debido a la radiación ultravioleta, formar radicales libres (H) en la estratosfera. Estos radicales libres podrían entonces actuar como catalizadores para el agotamiento de la capa de ozono. Un aumento suficientemente grande en el hidrógeno estratosférico a partir del H2 filtrado podría exacerbar el proceso de agotamiento. Sin embargo, el efecto de estos problemas de fugas puede no ser significativo. La cantidad de hidrógeno que se filtra hoy en día es mucho más baja (por un factor de 10 a 100) que la cifra estimada de 10 a 20% que algunos investigadores conjeturan; por ejemplo, en Alemania, la tasa de fuga es solo del 0,1% (menor que la tasa de fuga de gas natural del 0,7%). A lo sumo, tal fuga probablemente no sería más del 1-2% incluso con el uso generalizado de hidrógeno, utilizando la tecnología actual.

Los costos
En 2004, la producción de la unidad de combustible de hidrógeno por reformación con vapor o electrólisis era aproximadamente 3 a 6 veces más costosa que la producción de una unidad equivalente de combustible a partir de gas natural. Al evaluar los costos, los combustibles fósiles se utilizan generalmente como referencia. El contenido de energía de estos combustibles no es un producto del esfuerzo humano y, por lo tanto, no tiene costo asignado. Solo se consideran los costos de extracción, refinación, transporte y producción. Por otro lado, el contenido de energía de una unidad de combustible de hidrógeno debe ser fabricado, y por lo tanto tiene un costo significativo, además de todos los costos de refinación, transporte y distribución. Los sistemas que utilizan electricidad generada de forma más renovable de manera más directa, por ejemplo en trolebuses o en vehículos eléctricos con batería, pueden tener una ventaja económica significativa porque se requieren menos procesos de conversión entre la fuente de energía primaria y el punto de uso.

La barrera para bajar el precio del hidrógeno de alta pureza es un costo de más de 35 kWh de electricidad utilizada para generar cada kilogramo de gas hidrógeno. El hidrógeno producido por la reforma de vapor cuesta aproximadamente tres veces el costo del gas natural por unidad de energía producida. Esto significa que si el gas natural cuesta $ 6 / millón de BTU, entonces el hidrógeno será de $ 18 / millón de BTU. Además, producir hidrógeno a partir de la electrólisis con electricidad a 5 centavos / kWh costará $ 28 / millón de BTU, aproximadamente 1.5 veces el costo del hidrógeno del gas natural. Tenga en cuenta que el costo de la producción de hidrógeno a partir de la electricidad es una función lineal de los costos de la electricidad, por lo que la electricidad a 10 centavos / kWh significa que el hidrógeno costará $ 56 / millón de BTU.

Se afirma que los avances demostrados en la tecnología de electrolizadores y celdas de combustible por parte de ITM Power han logrado importantes avances en el manejo del costo de la electrólisis del agua para producir hidrógeno. La reducción de costos haría que el hidrógeno de fuentes renovables fuera de la red sea económico para repostar vehículos.

Las tuberías de hidrógeno son más caras que incluso las líneas eléctricas de larga distancia. El hidrógeno es aproximadamente tres veces más voluminoso en volumen que el gas natural para la misma entalpía. El hidrógeno acelera el craqueo del acero (fragilización por hidrógeno), lo que aumenta los costos de mantenimiento, las tasas de fugas y los costos de materiales. Es probable que la diferencia en el costo se expanda con la tecnología más nueva: los cables suspendidos en el aire pueden usar un voltaje más alto con solo un aumento marginal en los costos de materiales, pero las tuberías de mayor presión requieren proporcionalmente más material.

Establecer una economía de hidrógeno requeriría enormes inversiones en la infraestructura para almacenar y distribuir hidrógeno a los vehículos. En contraste, los vehículos eléctricos a batería, que ya están disponibles al público, no necesitarían una expansión inmediata de la infraestructura existente para la transmisión y distribución de electricidad. La capacidad de la planta de energía que ahora no se usa por la noche se podría usar para recargar vehículos eléctricos. Un estudio realizado por el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste para el Departamento de Energía de los EE. UU. En diciembre de 2006 encontró que la capacidad de la red de ralentí fuera de las horas pico en los EE. UU. Sería suficiente para alimentar el 84% de todos los vehículos en los EE. UU. vehículos eléctricos.

Los diferentes métodos de producción tienen diferentes inversiones asociadas y costos marginales. La energía y la materia prima podrían provenir de una multitud de fuentes, es decir, gas natural, nuclear, solar, eólica, biomasa, carbón, otros combustibles fósiles y geotérmica.

Gas natural a pequeña escala
Utiliza la reforma de vapor. Requiere 15.9 millones de pies cúbicos (450,000 m3) de gas, el cual, si es producido por pequeños reformadores de 500 kg / día en el punto de dispensación (es decir, la estación de servicio), equivaldría a 777,000 reformadores que cuestan $ 1 billón y producen 150 millones de toneladas de Gas hidrógeno al año. Evita la necesidad de infraestructura de distribución dedicada al hidrógeno. $ 3.00 por GGE (galones de equivalente de gasolina)

Nuclear
Proporciona energía para la electrólisis del agua. Requeriría 240,000 toneladas de uranio no enriquecido, que son 2,000 centrales eléctricas de 600 megavatios, que costarían $ 840 mil millones, o aproximadamente $ 2.50 por GGE.

Solar
Proporciona energía para la electrólisis del agua. Requeriría 2.500 kWh de sol por metro cuadrado, 113 millones de sistemas de 40 kilovatios, que costarían $ 22 billones, o aproximadamente $ 9.50 por GGE.

Viento
Proporciona energía para la electrólisis del agua. A una velocidad promedio del viento de 7 metros por segundo, requeriría 1 millón de aerogeneradores de 2 MW, lo que costaría $ 3 billones, o aproximadamente $ 3.00 por GGE.

Biomasa
Las plantas de gasificación producirían gas con reformación a vapor. 1.5 mil millones de toneladas de biomasa seca, 3,300 plantas que requerirían 113.4 millones de acres (460,000 km²) de granja para producir la biomasa. $ 565 mil millones en costo, o aproximadamente $ 1.90 por GGE

Carbón
Las plantas de FutureGen usan gasificación de carbón y luego reforma de vapor. Requiere 1 billón de toneladas de carbón o aproximadamente 1,000 plantas de 275 megavatios con un costo de alrededor de $ 500 billones, o alrededor de $ 1 por GGE.
Objetivos de costos DOE

Ejemplos y programas piloto.
Varios fabricantes nacionales de automóviles de los Estados Unidos se han comprometido a desarrollar vehículos que utilizan hidrógeno. La distribución de hidrógeno con fines de transporte se está probando actualmente en todo el mundo, particularmente en Portugal, Islandia, Noruega, Dinamarca, Alemania, California, Japón y Canadá, pero el costo es muy alto.

Algunos hospitales han instalado unidades combinadas de celdas de combustible y almacenamiento de electrolizador para energía de emergencia local. Estos son ventajosos para uso de emergencia debido a su bajo mantenimiento y facilidad de ubicación en comparación con los generadores de combustión interna.

Islandia se ha comprometido a convertirse en la primera economía de hidrógeno del mundo para el año 2050. Islandia se encuentra en una posición única. Actualmente, importa todos los productos derivados del petróleo necesarios para alimentar sus automóviles y su flota pesquera. Islandia tiene grandes recursos geotérmicos, tanto que el precio local de la electricidad en realidad es más bajo que el precio de los hidrocarburos que podrían usarse para producir esa electricidad.

Islandia ya convierte su excedente de electricidad en bienes exportables y reemplazos de hidrocarburos. En 2002, produjo 2,000 toneladas de gas de hidrógeno por electrólisis, principalmente para la producción de amoníaco (NH3) para fertilizantes. El amoníaco se produce, transporta y utiliza en todo el mundo, y el 90% del costo del amoníaco es el costo de la energía para producirlo. Islandia también está desarrollando una industria de fundición de aluminio. Los costos de aluminio son impulsados ​​principalmente por el costo de la electricidad para ejecutar las fundiciones. Cualquiera de estas industrias podría efectivamente exportar toda la electricidad geotérmica potencial de Islandia.

Ninguna industria reemplaza directamente a los hidrocarburos. Reykjavík, Islandia, tenía una pequeña flota piloto de autobuses urbanos que funcionaban con hidrógeno comprimido, y se está realizando una investigación sobre cómo alimentar a la flota pesquera de la nación con hidrógeno. Para propósitos más prácticos, Islandia podría procesar petróleo importado con hidrógeno para extenderlo, en lugar de reemplazarlo por completo.

Los autobuses de Reikiavik forman parte de un programa más amplio, HyFLEET: CUTE, que opera autobuses alimentados con hidrógeno en ocho ciudades europeas. HyFLEET: Los autobuses CUTE también se operaron en Beijing, China y Perth, Australia (ver más abajo). Un proyecto piloto que demuestra una economía de hidrógeno está operativo en la isla noruega de Utsira. La instalación combina energía eólica e hidrógeno. En los períodos en que hay un exceso de energía eólica, el exceso de energía se utiliza para generar hidrógeno por electrólisis. El hidrógeno se almacena y está disponible para la generación de energía en períodos en los que hay poco viento.

Estados Unidos tiene una política de hidrógeno con varios ejemplos. Una empresa conjunta entre NREL y Xcel Energy está combinando la energía eólica y la energía de hidrógeno de la misma manera en Colorado. Hydro en Terranova y Labrador están convirtiendo el actual Sistema de Energía Eólico-Diesel en la remota isla de Ramea en una instalación de Sistemas de Energía Híbrida Viento-Hidrógeno. Un proyecto piloto similar en la isla Stuart utiliza energía solar, en lugar de energía eólica, para generar electricidad. Cuando hay exceso de electricidad disponible después de que las baterías están llenas, el hidrógeno se genera por electrólisis y se almacena para la producción posterior de electricidad por la celda de combustible.

El Reino Unido inició un programa piloto de celdas de combustible en enero de 2004, el programa corrió dos autobuses de celdas de combustible en la ruta 25 en Londres hasta diciembre de 2005, y cambió a la ruta RV1 hasta enero de 2007. La Expedición del Hidrógeno está trabajando actualmente para crear una celda de combustible de hidrógeno. Nave con motor y usándolo para dar la vuelta al mundo, como una forma de demostrar la capacidad de las células de combustible de hidrógeno.

El Departamento de Planificación e Infraestructura de Australia Occidental operó tres autobuses de celdas de combustible Daimler Chrysler Citaro como parte de su Prueba de Transporte de Energía Sostenible para Células de Combustible de Perth en Perth. Los autobuses fueron operados por Path Transit en las rutas regulares de autobuses públicos de Transperth. El ensayo comenzó en septiembre de 2004 y concluyó en septiembre de 2007. Las celdas de combustible de los autobuses utilizaron un sistema de membrana de intercambio de protones y se suministraron con hidrógeno crudo de una refinería de BP en Kwinana, al sur de Perth. El hidrógeno fue un subproducto del proceso industrial de la refinería. Los autobuses fueron reabastecidos en una estación en el norte de Perth, suburbio de Málaga.

La Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial (ONUDI) y el Ministerio de Energía y Recursos Naturales de Turquía firmaron en 2003 un acuerdo de fondo fiduciario de $ 40 millones para la creación del Centro Internacional de Tecnologías de Energía de Hidrógeno (UNIDO-ICHET) en Estambul, que comenzó a funcionar en 2004. En las instalaciones de la ONUDI-ICHET se está demostrando una carretilla elevadora de hidrógeno, un carrito de hidrógeno y una casa móvil alimentada con energías renovables. Un sistema de suministro de energía ininterrumpible ha estado funcionando desde abril de 2009 en la sede de la compañía Istanbul Sea Buses.

Alternativas que utilizan hidrógeno a una economía de hidrógeno totalmente distributiva
El hidrógeno es simplemente un método para almacenar y transmitir energía. Varios escenarios alternativos de transmisión y almacenamiento de energía que comienzan con la producción de hidrógeno, pero que no lo utilizan para todas las partes de la infraestructura de almacenamiento y transmisión, pueden ser más económicos, tanto a corto como a largo plazo. Éstos incluyen:

Economia de amoniaco
Una alternativa al hidrógeno gaseoso como portador de energía es unirlo con nitrógeno del aire para producir amoníaco, que puede licuarse, transportarse y usarse fácilmente (directa o indirectamente) como combustible limpio y renovable. Por ejemplo, los investigadores de CSIRO en Australia en 2018 alimentaron un Toyota Mirai y un Hyundai Nexo con hidrógeno separado del amoníaco utilizando una tecnología de membrana.

Producción de hidrógeno de alcohol de efecto invernadero.
La economía del metanol es un plan energético de producción de combustible que puede comenzar con la producción de hidrógeno. El hidrógeno en una «economía del hidrógeno» completa se sugirió inicialmente como una forma de hacer que las energías renovables, en una forma no contaminante, estén disponibles para los automóviles. Sin embargo, una alternativa teórica para abordar el mismo problema es producir hidrógeno de manera central e inmediatamente utilizarlo para producir combustibles líquidos a partir de una fuente de CO2. Esto eliminaría el requisito de transportar y almacenar el hidrógeno. La fuente podría ser el CO2 producido por las centrales eléctricas que queman combustible. Para ser neutrales en el efecto invernadero, la fuente de CO2 en un plan de este tipo debería ser del aire, la biomasa u otra fuente de CO2 que ya se encuentre en el aire, o sea liberada en él. Las celdas de combustible de metanol directo están en uso comercial, aunque a partir de agosto de 2011 no son eficientes.

La red eléctrica más celdas de combustible de metanol sintético.
Muchas de las estrategias híbridas descritas anteriormente, utilizando hidrógeno cautivo para generar otros combustibles más fáciles de usar, podrían ser más efectivas que la producción de hidrógeno solo. El almacenamiento de energía a corto plazo (lo que significa que la energía se usa poco después de que se haya capturado) se puede lograr mejor con la batería o incluso con el almacenamiento ultracapacitador. El almacenamiento de energía a largo plazo (lo que significa que la energía se usa semanas o meses después de la captura) se puede hacer mejor con metano o alcoholes sintéticos, que pueden almacenarse indefinidamente a un costo relativamente bajo, e incluso usarse directamente en algún tipo de celda de combustible, para vehículos eléctricos . Estas estrategias encajan bien con el interés reciente en los vehículos eléctricos híbridos enchufables, o PHEV, que utilizan una estrategia híbrida de almacenamiento eléctrico y de combustible para sus necesidades energéticas. Algunos han propuesto que el almacenamiento de hidrógeno sea óptimo en un rango estrecho de tiempo de almacenamiento de energía, probablemente en algún lugar entre unos pocos días y unas pocas semanas. Este rango está sujeto a una mayor reducción con cualquier mejora en la tecnología de la batería. Siempre es posible que ocurra algún tipo de avance en el almacenamiento o generación de hidrógeno, pero esto es poco probable dado que las limitaciones físicas y químicas de las opciones técnicas se entienden bastante bien.

Producción de metano sintético de hidrógeno cautivo (gas natural sintético SNG)
De manera similar a como ocurre con la producción de alcohol sintético, el hidrógeno se puede usar en el lugar para producir directamente (no biológicamente) combustibles gaseosos neutros para el efecto invernadero. Por lo tanto, se ha propuesto la producción de metano neutro en el invernadero por medio de cautiverio (tenga en cuenta que este es el reverso del método actual de adquisición de hidrógeno a partir del metano natural, pero que no requiere la quema y la liberación definitiva de carbono del combustible fósil). El hidrógeno cautivo (y el dióxido de carbono de, por ejemplo, CCS (Captura y almacenamiento de carbono)) se pueden usar en el sitio para sintetizar metano, utilizando la reacción de Sabatier. Esto es aproximadamente un 60% eficiente, y con el viaje de ida y vuelta se reduce de 20 a 36%, dependiendo del método de utilización del combustible. Esto es incluso más bajo que el hidrógeno, pero los costos de almacenamiento se reducen en al menos un factor de 3, debido al mayor punto de ebullición del metano y la mayor densidad de energía. El metano líquido tiene 3,2 veces la densidad de energía del hidrógeno líquido y es más fácil de almacenar de forma compacta. Además, la infraestructura de tuberías (tuberías de gas natural) ya está instalada. Los vehículos que funcionan con gas natural ya existen, y se sabe que son más fáciles de adaptar de la tecnología interna existente del motor, que los autos de combustión interna que funcionan directamente con hidrógeno. La experiencia con los vehículos a gas natural muestra que el almacenamiento de metano no es costoso, una vez que uno ha aceptado el costo de conversión para almacenar el combustible. Sin embargo, el costo del almacenamiento de alcohol es aún más bajo, por lo que esta tecnología necesitaría producir metano con un ahorro considerable con respecto a la producción de alcohol. En la actualidad no se conocen los últimos precios maduros de los combustibles en las tecnologías de la competencia, pero se espera que ambos ofrezcan ahorros sustanciales de infraestructura en comparación con los intentos de transportar y usar el hidrógeno directamente.

Se ha propuesto en un sistema de energía dominado por energía renovable hipotética utilizar el exceso de electricidad generado por la energía eólica, solar fotovoltaica, hidroeléctrica, marina y otros para producir hidrógeno por electrólisis del agua y luego combinarla con el metano (gas natural) del CO2. El hidrógeno se usaría primero en el sitio en las celdas de combustible (CHP) o para el transporte debido a su mayor eficiencia de producción y luego se generará metano, que luego se podría inyectar en la red de gas existente para generar electricidad y calor a pedido para superar los puntos bajos de energía renovable. producción. El proceso descrito consistiría en crear hidrógeno (que podría usarse en parte directamente en las celdas de combustible) y la adición de dióxido de carbono CO2 posiblemente de BECCS (Bioenergía con Captura y Almacenamiento de Carbono) a través de la (reacción de Sabatier) para crear metano de la siguiente manera : CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O.