Qué es el hidrógeno dorado y cómo puede ayudarnos a reducir las emisiones del cemento

José Ignacio Linares Hurtado, Universidad Pontificia Comillas; Ana Santos Montes, Universidad Pontificia Comillas y Léonard Lefranc, Universidad Pontificia Comillas

La fabricación de cemento es responsable del 27 % de las emisiones industriales de gases de efecto invernadero, representando más de un 6 % de las emisiones globales relacionadas con usos energéticos.

En 2020, las empresas miembros de la Asociación Mundial del Cemento y el Hormigón se comprometieron a producir hormigón y cemento neutros en carbono en 2050.

Por su parte, la industria cementera española ha propuesto una hoja de ruta para alcanzar la neutralidad climática en 2050, con un objetivo de emisiones en 2030 de 461 kg de dióxido de carbono (CO₂) por tonelada de cemento fabricado.

Aproximadamente el 80 % de las emisiones de CO₂ que produce una fábrica de cemento se dan en el horno, donde la caliza se calcina a partir de una combustión liberando este gas tanto por el proceso de calcinación en sí (60 %) como por el de la combustión (40 %).

Para hacer frente a esto, desde el sector proponen, entre otras medidas, emplear materias primas descarbonatadas, combustibles alternativos y la captura de CO₂. Sobre estos dos últimos ejes se centra una de las propuestas de la Cátedra Fundación Repsol de Transición Energética en Comillas-ICAI presentada en este artículo.

Cómo producir biohidrógeno

Desde hace tiempo venimos abogando por el uso del biohidrógeno elaborado a partir de residuos orgánicos como herramienta para la descarbonización de sectores industriales de difícil abatimiento, alineados tanto con la Asociación Europea de Biomasa como con el Centro para la Política Energética Global de la Universidad de Columbia.

El reformado de metano con vapor es un método muy común de producción de hidrógeno, consistente en la descomposición de la molécula de metano para dar lugar a hidrógeno y óxidos de carbono.

Pueden emplearse dos rutas para producir hidrógeno a partir de metano mediante este proceso:

• A partir de metano procedente del gas natural el hidrógeno obtenido es fósil, denominándose gris si no se captura el CO₂ o azul si se captura. Estos dos métodos de producción son los mayoritariamente empleados para producir el hidrógeno que actualmente se consume en la industria.

• A partir de biometano obtenido del biogás procedente de la digestión anaerobia de residuos orgánicos se obtiene hidrógeno renovable, verde si el CO₂ no se captura o dorado si se captura.

Al ser este CO₂ de origen biológico, al capturarlo se producen emisiones negativas (-8,6 kg CO₂/kg H₂). Estas se pueden emplear para compensar emisiones inevitables, como las del proceso de calcinación en la fabricación del cemento. El hidrógeno dorado, por tanto, constituye una tecnología de captura precombustión.

Reducción de emisiones en una fábrica tipo

Para nuestros análisis, hemos tomado una fábrica tipo en la que se generan 591 kg CO₂/t de cemento y en la que un 40 % del calor aportado al horno proviene de coque de petróleo, siendo el resto de combustibles alternativos parcialmente descarbonizados, es decir, muy bajos en carbono fósil (una mezcla de biomasa y combustibles derivados de residuos).

Reemplazando todo el coque por hidrógeno dorado se logran evitar las emisiones de combustión del coque y se compensan parte de las del proceso de calcinación y de combustión del resto de combustibles, quedando las emisiones del horno en 362 kg CO₂/t (21 % por debajo del objetivo a 2030).

Para una producción anual de 500 000 toneladas de cemento, se requerirían 303 GWh de biometano (27,4 millones de metros cúbicos).

Como fuente de biometano hemos considerado la desgasificación de vertederos –captación del biogás generado por la descomposición de los residuos–, ya que presenta el menor coste de producción.

El biometano obtenido en diversos vertederos se inyectaría en la red de gas natural con certificados de garantía de origen y sería conducido a una planta de producción de hidrógeno mediante reformado de metano con vapor y captura de CO₂.

La planta podría estar próxima a la fábrica o próxima a un almacenamiento geológico de CO₂. La primera disposición sería preferible, dada la menor dificultad en el transporte de CO₂.

¿Cuánto cuesta emplear hidrógeno dorado?

El gráfico que sigue a este párrafo muestra el desglose de los costes normalizados de producción de hidrógeno, a los que hay que añadir los de inyección del biometano en la red de gas natural (0,24 €/kg de H₂) y transporte del CO₂ o del hidrógeno.

La viabilidad económica de esta medida exige que el coste total no supere el ahorro por la tasa de CO₂ que se deja de pagar (4,11 €/kg H₂ de ahorro para una tasa de 85 €/t de CO₂). Así pues, sumando los costes de inyección del biometano en la red (0,24 €/kg de H₂) y los de producción del hidrógeno (1,72 €/kg de H₂) se obtienen 1,97 €/kg de H₂, que hasta 4,11 €/kg de H₂ que supone el ahorro por el CO₂ no emitido deja un margen para el transporte del hidrógeno o del CO₂ de 2,14 €/kg H₂.

Los costes normalizados de transporte de hidrógeno oscilan entre 0,22 y 1,82 €/kg H₂ para un rango entre 100 y 1 000 km, mientras que los de transporte del CO₂ ascienden a 36 €/t para distancias de hasta 500 km, lo que equivale a 0,53 €/kg H₂. Por tanto, la solución propuesta es viable económicamente, sufragándose sus costes con el ahorro en la tasa del CO₂ no emitido.

Otra aspecto importante es si habría biometano suficiente para descarbonizar la industria del cemento en España. Según un reciente estudio de Sedigas, España tiene un potencial de producción de biogás de vertedero de 8,81 TWh, mientras que el obtenido por la digestión de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos es de 7,92 TWh. El primero permitiría cubrir la producción nacional de cemento (14,5 millones de toneladas en 2019) y el segundo un 90 % de la misma.

Como conclusión, el empleo de biohidrógeno resulta viable tanto técnica como económicamente, con margen suficiente para ajustar los parámetros (si el biometano está más caro, se puede emplear una mayor concentración de coque) a las condiciones de operación. Parece, por tanto, una herramienta factible para reducir las emisiones de la industria del cemento.

José Ignacio Linares Hurtado, Catedrático de Ingeniería Energética, Universidad Pontificia Comillas; Ana Santos Montes, Profesora del Dpto. de Ingeniería Mecánica, Universidad Pontificia Comillas y Léonard Lefranc, Doctorando – Descarbonización Industria y Energía, Universidad Pontificia Comillas

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.