INTRODUCCIÓN

En el contexto actual de crisis climática y la búsqueda urgente de alternativas sostenibles a los combustibles fósiles, el hidrógeno verde emerge como una solución prometedora y viable a nivel mundial. Este vector energético, producido mediante la electrólisis del agua utilizando fuentes renovables como la energía solar y eólica, no genera emisiones de gases de efecto invernadero, posicionándose como una opción clave para la descarbonización de diversas industrias y la electromovilidad. Países como Japón, Alemania y Corea del Sur lideran en la actualidad la investigación, el desarrollo y aplicaciones de tecnologías basadas en hidrógeno. En México, el interés por el hidrógeno verde está creciendo, especialmente en instituciones como el Tecnológico Nacional de México (TECNM), que están explorando su potencial para contribuir a la transición energética del país. México, con sus abundantes recursos naturales y condiciones climáticas favorables, se encuentra en una posición privilegiada para liderar el desarrollo y la implementación del hidrógeno verde. En el país, se están empezando a explorar diversas aplicaciones, incluyendo su uso en vehículos de transporte pesado, la generación de electricidad, la producción de amonio como materia prima en procesos industriales del sector químico.

Además, México está iniciando con el desarrollo de la infraestructura necesaria para el almacenamiento y distribución eficiente del hidrógeno, posicionándose como un actor relevante en la futura economía del hidrógeno. Los desarrollos tanto a nivel internacional, como nacional ratifican la importancia del hidrógeno para implementar una transición energética y su potencial para realmente contribuir a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, impulsando un futuro más limpio y sostenible. El Tecnológico Nacional de México (TecNM) está a la vanguardia, promoviendo investigaciones y proyectos innovadores que alinean al país con la agenda 2030 de la ONU y sus compromisos internacionales de reducción de gases de efecto invernadero.

DESARROLLO

Propiedades y producción

El hidrógeno, con el símbolo químico H, es el elemento más ligero y abundante del universo. Sus propiedades físicas y químicas lo convierten en un componente esencial en numerosas aplicaciones industriales y energéticas. Este elemento no es un recurso natural, ya que no se encuentra de forma aislada en la naturaleza, se encuentra en forma de compuestos como los hidrocarburos o el agua. Este elemento es considerado un vector energético en lugar de un combustible directo, ya que posee una alta densidad de energía por unidad de masa. Un vector energético es una sustancia o sistema que puede almacenar energía, transportarla de un lugar a otro y liberarla cuando sea necesario. La energía almacenada en el hidrógeno se libera de manera controlada mediante diversos procesos, como la combustión en motores o su conversión electroquímica en celdas de combustible ( Abdin et al., 2020).

El hidrógeno se clasifica en varios colores con base en los métodos de producción y sus respectivas emisiones de carbono. Esta clasificación ayuda a entender mejor el impacto ambiental asociado a la producción de hidrógeno y a identificar las opciones más sostenibles para su uso y soporte para la transición energética. Los hidrógenos verde, rosa o púrpura y amarillo, se producen separando el agua mediante electrólisis. La diferencia entre ellos consiste en la fuente de donde proviene la energía eléctrica para separar el agua. El verde, proviene de energías renovables (como la solar o eólica), en el rosa o púrpura de energía nuclear y en el amarillo de la energía eléctrica suministrada por la red actual. En ninguno de estos casos se generan gases de efecto invernadero. Existe también el hidrógeno blanco que se encuentra de manera natural en depósitos subterráneos y que en la actualidad, no se explotan comercialmente. Por su parte el hidrógeno azul y el gris se producen a partir de gas natural, la diferencia entre ambos procesos es que, durante la obtención del hidrógeno azul, las emisiones de CO ₂ generadas son capturadas teniendo un balance de carbono neutro. Mientras tanto, con los métodos para obtener hidrógeno gris si se liberan gases a la atmósfera contribuyendo al calentamiento global. El hidrógeno turquesa es producido a partir del gas metano, no emite CO ₂, pero aún está en etapas experimentales. Finalmente, el hidrógeno considerado negro o marrón se obtiene de la gasificación del carbón mineral. Esta ruta es la más contaminante, ya que emite grandes cantidades de CO ₂ y monóxido de carbono ( Morante et al., 2020).

Otro tipo de hidrógeno importante es el biohidrógeno, este se refiere al hidrógeno producido mediante procesos biológicos utilizando microorganismos, biomasa o residuos orgánicos. Al emplear residuos orgánicos y biomasa, contribuye a la gestión de residuos y al ciclo cerrado de carbono. Los métodos para su producción son la fermentación oscura, fotólisis biológica, fermentación fotoheterotrófica y producción a partir de biomasa ( David y Levin, 2010).

Almacenamiento y aplicaciones

El almacenamiento y transporte de hidrógeno es el eslabón intermedio que existe en la cadena industrial del hidrógeno, la cual es clave para balancear la fluctuación de la cadena industrial y garantizar la seguridad del suministro ( Xinrong et al., 2024). El desarrollo de tecnologías en almacenamiento de hidrógeno es un campo muy importante y de gran desarrollo, debido a las diversas aplicaciones estacionarias, portátiles y móviles que puede tener este vector energético.

Las tecnologías para el almacenamiento del hidrógeno se dividen en dos principales áreas. Primero, el almacenamiento físico, que conlleva la transformación del estado del gas mediante manejo de temperaturas y presiones, es decir puede ser en forma de líquido, crio-compresión (compresión a muy bajas temperaturas) o gas comprimido. Segundo, el almacenamiento químico, que aprovecha las características de algún material para poder “atrapar” al hidrógeno; ejemplo de esto son los nanotubos de carbono, zeolitas, amoniaco, hidruros metálicos etc., ( Ekpotu et al., 2023).

Dadas sus características, el hidrógeno tiene aplicación en diferentes sectores: i) la industria química, en donde se producen químicos como el amoníaco, que es fundamental para la fabricación de fertilizantes y en procesos como la hidrogenación de aceites y la refinación de hidrocarburos; ii) mezclado con gas natural o "blending", que permite mejorar las propiedades del gas y puede ser distribuido a través de la infraestructura de gas existente, ayudando a reducir las emisiones de carbono, mejorando la sostenibilidad del suministro energético, sin necesidad de grandes cambios en la infraestructura.

Sin embargo, una de las aplicaciones más interesantes son las celdas de combustible, ya que es donde el hidrógeno puede usarse con un mínimo o nulo efecto en emisiones y los únicos residuos son agua y calor. Esto ha abierto nuevos horizontes para la utilización energética del hidrógeno en el transporte, aplicaciones móviles, portátiles y fijos. La celda de combustible es un dispositivo electroquímico, en donde la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad, esta celda fue descubierta por William Grove en 1839 y su verdadero desarrollo se dio gracias a la carrera espacial. En principio las celdas de combustible son dispositivos que generan electricidad y calor al combinar oxígeno con un combustible, como el hidrógeno, sin requerir un proceso de combustión a alta temperatura ( Rozo et al., 2007).

En el mercado existen diversas tecnologías de celdas de combustible, clasificadas en función de sus componentes, la temperatura de funcionamiento y el tipo de combustible utilizado. Estas características determinan el tipo de aplicación para cada celda. Las celdas de combustible de membrana polimérica intercambiadora de protones (MPIP), proporcionan una elevada densidad energética siendo más ligeras y compactas en comparación con otras celdas. Las celdas tipo MPIP utilizan, un material llamado polímero sólido como electrolito, electrodos porosos de carbono y metales activos; y requieren hidrógeno y oxígeno como combustibles. Normalmente el hidrógeno empleado es puro y se almacena en depósitos o convertidores incorporados ( IEA, 2005).

La Figura 1 muestra el principio de funcionamiento de una celda de combustible MPIP las cuáles se usan fundamentalmente para aplicaciones en el transporte e instalaciones estacionarias. Por su rapidez para el arranque, baja sensibilidad a la orientación y su relación favorable entre peso y energía producida, estas celdas de combustible son adecuadas para vehículos de pasajeros y automóviles pequeños.

Se vislumbra entonces un gran potencial para el hidrógeno en el sector del transporte, especialmente para vehículos de larga distancia como camiones, autobuses, trenes y barcos. Aprovechando de esta forma, la infraestructura existente en México en el sector automotriz. Los vehículos de hidrógeno ofrecen una mayor autonomía y tiempos de recarga más rápidos en comparación con los vehículos eléctricos de baterías, haciéndolos adecuados para aplicaciones donde la eficiencia y el tiempo son cruciales.

Hidrógeno verde

Cuando el hidrógeno es producido a partir de fuentes renovables y se usa en las celdas de combustible no causa deterioro ambiental. La utilización de hidrógeno verde sería una posible solución para atenuar el impacto ambiental que han generado los combustibles fósiles.

En la Figura 2 se presentan los componentes principales de un sistema de energía híbrido típico, que involucra las energías renovables solar-eólica, producción de hidrógeno y la celda de combustible. Este sistema está conformado por un aerogenerador, el arreglo fotovoltaico, un electrolizador, tanque de almacenamiento de hidrógeno, una celda de combustible y los acondicionadores de señal y control de variables que integran a los sistemas.

Las fuentes primarias de energía son el sol y el viento que se transforman en electricidad mediante el arreglo fotovoltaico y el aerogenerador. La energía eléctrica generada se suministra de manera directa a una carga (es decir a alimentar algún equipo eléctrico). Cuando existe un superávit de producción eléctrica del sistema híbrido con respecto a la carga, debido a las condiciones de velocidad del viento y de la radiación solar, el exceso de energía eléctrica es empleada para producir hidrógeno mediante electrólisis del agua (hidrógeno verde), y almacenarlo. En un siguiente paso, el hidrógeno es aprovechado en una celda de combustible MPIP, esto permite generar electricidad y emplearla en aplicaciones móviles o cuando no se cuente con las otras fuentes de producción disponibles (oscuridad, poca radiación solar o velocidad del viento baja).

Perspectiva del H ₂ Verde en México y TECNM

La energía de fuentes renovables es la pieza clave para la producción del hidrógeno verde mediante electrólisis; además, son la clave para tener una autosuficiencia energética y un futuro sostenible. México cuenta con las condiciones para un desarrollo en tecnologías de hidrógeno verde, aprovechando algunos sectores industriales ya existentes, por ejemplo: semiconductores, automotriz, energético, metalúrgico, químico, mecatrónica, entre otros. Sumado a esto los diversos factores como los económicos, la relocalización de empresas o “nearshoring”, los recursos naturales y compromisos internacionales en materia ambiental de los que forma parte.

Actualmente, México forma parte de los países comprometidos a la agenda 2030 para el desarrollo sostenible de la ONU cuyo objetivo a grandes rasgos incluye el compromiso de reducir los gases de efecto invernadero (GEI) y de realizar una transición energética a sistemas de generación renovables. Esto pone al país ante grandes desafíos internacionales y nacionales, siendo uno de los primeros pasos el compromiso de los gobernantes y el sector privado a invertir y apostar por este tipo de tecnologías como el hidrógeno verde ( González-Huerta, 2023).

Se sabe que México tiene un gran potencial para la producción de energía solar en regiones como Sonora, Chihuahua, la península de Yucatán, y de generación eólica en el Istmo de Tehuantepec, entre otros lugares del territorio nacional. Aprovechar las condiciones naturales y fuentes renovables de energía son una de las claves para que el país realice la producción y generación de hidrógeno verde y que, a largo plazo, sea un producto viable y competitivo internacionalmente ( Jensen-Díaz, Espinoza-Flores y Salas-Gordillo, 2021).

Por lo tanto, la situación actual del hidrógeno verde ya está considerada como una de las estrategias actuales de transición energética en el país. Una de las piezas clave para ello, ha sido la Sociedad Mexicana del Hidrógeno (SMH) que ha fomentado la investigación, desarrollo y aplicación de las tecnologías del hidrógeno ( González-Huerta y cols., 2023), a través de las diversas instituciones que la integran y con quienes está relacionada.

Para lograr una transición y descarbonización con efectos reales, el país necesita de la suma de esfuerzos en todos los sectores; gubernamental, empresarial y de educación. Actualmente ya existen acciones para que esto realmente suceda, como el compromiso que México realizó en 2017 con la Ley de Transición Energética. Después, esta misma ley fue modificada y actualizada en 2020, para reafirmar el compromiso del uso de tecnologías limpias y la reducción de gases de efecto invernadero.

Para finalizar, también las instituciones de educación e investigación se han sumado a los esfuerzos, aportando con recursos humanos especializados para la generación de ciencia y tecnología ( Domínguez-Brito, 2020). Tal es el caso del Tecnológico Nacional de México (TecNM), que ha realizado contribuciones importantes en lo relacionado al tema del hidrógeno y el uso de energías renovables, posicionándolo como un programa institucional estratégico. A través de sus Institutos promueve la formación de profesionistas especializados en varios temas como energías renovables, ciencia de materiales, química, nanotecnología, mecatrónica y otras, los cuales inciden directamente en el desarrollo de las tecnologías del hidrógeno, en específico del hidrógeno verde. De igual manera, en TecNM a través de los Posgrados y de las áreas de investigación se cuenta con proyectos científicos y de innovación en los temas antes mencionados. Los esfuerzos del TecNM incluyen de esta manera la formación de recursos humanos altamente especializados y la implementación de laboratorios avanzados. Aunado a esto, para impulsar y fomentar el uso de energías limpias, se han establecido colaboraciones con instituciones nacionales e internacionales fortaleciendo así la transición energética de México hacia un futuro más sostenible y menos dependiente de combustibles fósiles.

CONCLUSIONES

El hidrógeno verde se perfila como una solución crucial para enfrentar la crisis climática y promover un futuro energético sostenible. México, con su abundancia de recursos naturales y condiciones climáticas favorables, tiene un enorme potencial para liderar en este campo, aprovechando sus capacidades para generar energía solar y eólica. La producción de hidrógeno verde mediante electrólisis de agua utilizando energías renovables, no solo reduce las emisiones de gases de efecto invernadero, sino que también puede impulsar la economía del país al crear nuevas oportunidades industriales y laborales. El Tecnológico Nacional de México (TecNM) está jugando un papel fundamental en este desarrollo, alineando sus investigaciones y proyectos con la agenda 2030 de la ONU y los compromisos internacionales de reducción de emisiones, y al programa nacional de autosuficiencia energética. Las aplicaciones del hidrógeno verde en la movilidad, la industria química y la mezcla con gas natural demuestran su versatilidad y su capacidad para integrarse en diversas áreas de la economía, y generar una cadena de valor de este vector energético. A pesar de los desafíos técnicos relacionados con el almacenamiento y el transporte del hidrógeno, las innovaciones en tecnologías de almacenamiento físico y químico están avanzando rápidamente. La colaboración entre sectores gubernamentales, empresariales y educativos es esencial para superar estos obstáculos y garantizar una transición efectiva hacia una economía descarbonizada. En resumen, el hidrógeno verde representa una oportunidad única para que México lidere la transición energética global, contribuyendo significativamente a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y promoviendo un futuro más limpio y sostenible. La continuidad en la inversión, la investigación y la cooperación intersectorial serán clave para capitalizar este potencial y posicionar a México como un referente en la economía del hidrógeno.

REFERENCIAS

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Domínguez-Brito, L. A. (2020). Expertos compartiendo Perspectiva de desarrollo de la producción de hidrógeno verde en México. Transición Energética, 22–25. https://transicionenergetica.ineel.mx/Revista.mvc/EC1n1v3

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Juan Ramón Morante, Teresa Andreu, Gotzon García, Jordi Guilera, Albert Tarancón, Marc Torrell 2a edición. 2020 Fundación Naturgy. ISBN: 978-84-09-22546-0. Hidrógeno, Vector energético de una economía descarbonizada.

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