El hidrógeno en el ámbito marítimo: posibilidades del buque de hidrógeno

La importancia del transporte marítimo, por mover más del 90 % de las mercancías mundiales existentes, quedó latente en los últimos años de pandemia que acabamos de vivir, cuando observamos cómo el tráfico marítimo se ralentizaba, o incluso se detenía, provocando retrasos y escasez de mercancías por todo el mundo. Y, por si fuera poco, el accidente del canal de Suez, o la actual guerra en Ucrania, nos han seguido recordando la importancia del tráfico marítimo. A pesar de estos percances, el movimiento de contenedores continúa aumentando, y se espera que de aquí a 2035 los movimientos de mercancías se tripliquen. Por ello, en la actualidad continua la preocupación sobre el impacto ambiental que los buques y la industria marítima provocan, y con el objetivo de la descarbonización, se busca una transición hacia las denominadas tecnologías verdes.

Fruto de esa búsqueda, en los últimos años se está hablando mucho del amoniaco, y también destaca como opción de futuro, el uso del hidrógeno (y otras variantes) en los barcos como elemento de propulsión, tal como quedó patente en el reciente 61 Congreso de Ingeniería Naval e Industria Marítima celebrado en Palma de Mallorca del 26 al 28 de octubre de este año. Pero la realidad es que de momento la mayor parte de los buques mercantes se propulsan con tradicionales motores diésel que queman gasoil marino: bien combustibles pesados (HFO), bajos (MDO), o de muy bajo contenido de azufre (LSHFO). Haci

Entrevista a Raúl Villa Caro sobre el buque de hidrógeno en Cope + Galicia el 21 de octubre del 2022

Introducción al buque de hidrógeno

Los barcos suelen utilizar un tipo de combustible que contiene altos niveles de sustancias químicas y partículas nocivas. Las emisiones resultantes tienen altos niveles de óxidos de nitrógeno (NOx), óxidos de azufre (SOx), monóxido y dióxido de carbono (CO, CO) y un alto nivel de material particulado (PM); y las concentraciones varían según la posición, el movimiento y la velocidad del barco.

El motivo de su extendido uso se basa en que estos combustibles son fáciles de transportar a presión atmosférica y a temperatura ambiente, ya que se trasiegan con facilidad por las tuberías, y se adaptan bien a los espacios disponibles dentro de los buques, con un aprovechamiento de casi el cien por cien del volumen de los tanques. En referencia al gas natural licuado, veinte años después de la introducción del LNG como combustible marítimo, en la actualidad existen más de quinientos barcos alimentados con este combustible, sin contar los buques metaneros puros.

El modelo energético actual, basado en los combustibles fósiles, presenta serios problemas de sostenibilidad. Por ello, resulta evidente la necesidad de tener que buscar nuevas alternativas energéticas que cumplan los requisitos de la OMI. La escasez de petróleo, con su consecuente encarecimiento, y la normativa ambiental de emisiones actual, cada vez más restrictiva, convierten al hidrógeno en una interesante solución a estudiar. En noviembre de 2020, la OMI aprobó las enmiendas al Anexo VI del MARPOL (Convenio Internacional para la Prevención de la Contaminación por los Buques), con nuevos requisitos más exigentes para abordar las emisiones contaminantes, y con los que la OMI espera que las emisiones del transporte marítimo se reduzcan en al menos un 50 %, de aquí al año 2050.

Ante esta situación, el hidrógeno está despertando el interés de algunos de los actores involucrados en la transición energética del sector marítimo. Este potencial combustible puede representar, en ciertas condiciones, una fuente de energía con cero emisiones. Pero por otro lado existen dudas sobre si la oferta existente es suficiente (aunque haya que fabricarlo) para que se pueda imponer en el mundo marítimo. En cualquier caso, lo que parece claro es que para que la solución fuera exitosa, la infraestructura existente debería ampliarse hasta lograr un gran desarrollo del hidrógeno con destino a los buques. Para poder superar las barreras existentes actualmente se requerirá una acción colaborativa entre la industria marítima, la energética, las instituciones investigadoras y financieras, los gobiernos y las organizaciones internacionales.

La pila de combustible

La pila (o celda) de combustible nace de la necesidad de obtención de electricidad a partir de la combinación del oxígeno con el hidrógeno, existiendo diferentes tipos, dependiendo de las aplicaciones en las que se quiera utilizar. Las células de combustible poseen un gran potencial para su uso a bordo, tanto en barcos mercantes como en buques de guerra. Estas potencialidades se pueden resumir en: generación de energía eléctrica (de emergencia o de distribución en el buque); potencias pequeñas para propulsión en modos especiales (por ejemplo, silencio); y suministro de energía eléctrica en buques equipados con propulsión eléctrica. Otro campo de interés es la propulsión independiente del aire (AIP, Air Independent Propulsion), muy importante en submarinos.

Por lo tanto, la célula de combustible (fuel cell) es un convertidor electroquímico directo de energía. Transforma la energía química de ciertos compuestos directamente en energía eléctrica. Dicha transformación la realiza sin recurrir a un ciclo termodinámico. El criterio de clasificación más común es el que hace referencia al electrolito utilizado. Se clasifican en los siguientes tipos:

• AFC: pila de combustible alcalina.
• PEMFC: pila de combustible de membrana intercambiadora de protones.
• DMFC: pila de combustible de metanol.
• PAFC: pila de combustible de ácido fosfórico.
• MCFC: pila de combustible de carbonato fundido.
• SOFC: pila de combustible de óxido sólido.

No obstante, esta clasificación admite otra división referida a la temperatura de operación de las pilas:

• Pilas de combustible de baja temperatura (trabajan a unos 80ºC): AFC, PEMFC y DMFC.
• Pilas de combustible de temperatura intermedia (trabajan a unos 200ºC): PAFC.
• Pilas de combustible de alta temperatura (su temperatura de trabajo se sitúa entre 650 y 1000ºC): MCFC y SOFC.

Todos los tipos de células de combustible necesitan hidrógeno puro o combustibles que puedan ser reformados a hidrógeno y CO, ya sea antes de la célula o dentro de ella. El gas que se introduce en la célula debe estar libre de sulfuros, y además las células de baja temperatura poseen restricciones sobre la cantidad de CO que pueden tolerar. Algunos proyectos se han orientado hacia el reformado de diésel marino a hidrógeno para usarlo en las células de combustible, pero con poco éxito.

Los buques candidatos a propulsarse por estas células de combustible son los ferris que operan en rutas cortas o aguas interiores, debido a su relativa baja necesidad de potencia, y a las frecuentes posibilidades de poder repostar. Los barcos de pasaje también se beneficiarán de la reducción del ruido y las vibraciones.

El Hidrógeno y el amoniaco

En los últimos años se ha hablado mucho del uso del amoniaco como combustible marino, resaltando que se necesitan grandes cantidades de hidrógeno para su obtención. Ante este dilema han surgido voces que se preguntan si no sería factible usar directamente el hidrógeno como combustible. El hidrógeno posee gran poder calorífico, baja toxicidad y ausencia total de emisiones de anhídrido carbónico. Con estas características parecería el combustible ideal, de las que ya nos dio cuenta Jeremy Rifkin en su publicación de 2007 titulada: La economía del hidrógeno. Pero el hidrógeno tiene un problema, no existe en cantidad suficiente en la naturaleza para que pueda ser aprovechado a nivel industrial, por lo que hay que fabricarlo, y por eso se le denomina vector energético.

Existen tres categorías de hidrógeno, idénticas en propiedades físicas y químicas, pero diferentes según su procedimiento de obtención. Estas son:

• Hidrógeno gris (H2G): es el habitual, y que se obtiene por varios tipos de termólisis del gas natural, emitiendo fuertes emisiones de CO₂, que anulan sus posibles ventajas como combustible limpio. De hecho, contamina aún más que el diésel.
• Hidrógeno azul (H2A): similar al anterior, pero con un proceso adicional de captura del CO₂ emitido, que impide su transmisión a la atmósfera.
• Hidrógeno verde (H2V): es el deseado, por el que apuesta España. Se fabrica mediante electrolisis del agua, empleando energías renovables. En la actualidad solo un 5% del hidrógeno existente es verde.

Por lo tanto, para la transición energética al cumplimiento de las exigencias OMI, solo servirían el H2A (si se garantiza la neutralización del CO₂ emitido), y el H2V, la alternativa más simple y atractiva, y por la que se está apostando en la actualidad. Pero esta alternativa tendría que reducirse en coste a la tercera parte, para poder ser competitiva frente a los precios de la electricidad actuales. No obstante, si en el transporte marítimo las exigencias OMI terminan prohibiendo al resto de combustibles alternativos, el hidrógeno verde podría terminar siendo una opción válida, si se superan las barreras actuales existentes.

Buque de hidrógeno

Una definición posible del buque de hidrógeno podría ser la de un barco que se propulse de manera eléctrica utilizando como combustible al hidrógeno, convertido previamente en electricidad mediante el uso de pilas de combustible. Ya existen buques que poseen esta tecnología, principalmente prototipos, ferries y barcos de crucero, y también algunos submarinos. En ellos existen dos posibilidades de almacenamiento y transporte del hidrógeno a bordo: comprimido o líquido. Pero el hidrógeno comprimido solo parece aplicable para barcos de pequeño porte, por lo que en la mayoría de los buques mercantes habría que plantearse el almacenarlo líquido y a una temperatura de -253ºC.

El hidrógeno puede ser almacenado a bordo de un buque como hidrógeno líquido en tanques criogénicos (LH2), comprimido en recipientes de alta presión (CH2), o almacenado en forma de metal hidruros. A este respecto, la empresa LH2 Europe en colaboración con C-Job Naval Architects, han desarrollado un diseño inicial para un buque cisterna de hidrógeno líquido de 141 metros de eslora y una capacidad de almacenamiento de 37.500 metros cúbicos. El buque funcionará con pilas de combustible de hidrógeno y estará equipado con tres tanques de almacenamiento de hidrógeno líquido, con una capacidad total de 37.500 m³, suficientes para alimentar a 400.000 vehículos de hidrógeno de tamaño medio, o 20.000 camiones pesados.

El barco, bautizado como Gaia, se ha diseñado con un casco en forma de trapecio, para que tenga suficiente espacio para los tres tanques en la cubierta, sin necesitar lastre. Obviamente estos tanques modificarán la filosofía conceptual de construcción naval actual, ya que se debe destacar que el hidrógeno líquido es muy poco denso y por tanto ocupará mucho espacio para una cantidad de energía determinada, al que habrá que añadirle el de los aislamientos correspondientes. Por el momento Gaia es un modelo conceptual, pero se espera que esté listo y comience a funcionar en 2027.

Estos nuevos grandes tanques de hidrógeno aumentarán el coste del buque y le añadirán nuevos riesgos, que deberán ser bien estudiados en los análisis safety, ya que, para poder usar el hidrógeno, habría que calentarlo y regasificarlo. Este posible inconveniente podría abrir la puerta a la posibilidad de que el hidrógeno se transportara en forma de un compuesto químico, tipo bio-etanol, del que después se pudiera extraer el hidrógeno mediante un proceso de transformación, al estilo de cómo hacen algunos submarinos. Tecnológicamente esta solución sería mucho más sencilla que la de construir buques para transportar hidrógeno puro. Por lo tanto, mediante esta última solución, en las celdas de combustible se podría generar electricidad y propulsar el buque con motores eléctricos. Para ello será necesario que previamente se puedan alimentar las pilas con hidrógeno puro extraído del bio-etanol, por ejemplo.

Por ahora, el uso de hidrógeno en combinación con celdas de combustible está limitado al AIP (air-independent propulsion) de submarinos, o a buques prototipos experimentales y de pequeño tamaño financiados con fondos de investigación y sin carácter comercial. Las principales sociedades de clasificación están dedicando considerables recursos a estudiar estos temas, según DNV, su aplicación comercial podría empezar alrededor del año 2030.

No obstante, como solución más temporal, la empresa HAV Hydrogen, ha presentado un sistema de alimentación modular basado en celdas de combustible de hidrógeno instaladas en el interior de contenedores que se pueden integrar en la cubierta de los barcos para transformarlos en eléctricos. Este suministro de energía se basa en módulos de celdas de combustible de hidrógeno de 200 kW instalados en la cubierta del barco. El sistema puede funcionar como un suministro único, o como un apoyo a otros sistemas de propulsión existentes, y puede ser una solución para los armadores que deseen modernizar su flota con un coste y un riesgo significativamente más bajos.

Como solución dual, el remolcador Hydrotug 1, construido en astilleros Armón Navia, podrá almacenar 415 kg de hidrógeno comprimido en seis cámaras instaladas bajo cubierta. Estará propulsado por dos motores duales, que pueden funcionar con hidrógeno o combustible convencional. Estará operativo en el primer trimestre de 2023.

Asociación Gallega del Hidrógeno (AGH2)

La Asociación Gallega del Hidrógeno (AGH2) es una organización sin ánimo de lucro cuyo objetivo principal es la promoción y desarrollo del hidrógeno renovable en Galicia. Presenta al hidrógeno verde, aquel producido a través de energías renovables, como una de las principales soluciones que permitirán ayudar a crear una economía sostenible de alto valor añadido en esta comunidad. Esta asociación, permite aunar esfuerzos y capacidades de los socios que la conforman, y entre ellos, los principales puertos gallegos, el Centro Nacional del Hidrógeno, empresas, centros tecnológicos y organismos de investigación relacionados con las tecnologías del hidrógeno.

Este verano de 2022, por un lado, la Xunta de Galicia y la empresa Reganosa anunciaron la construcción de una planta de hidrógeno verde de hasta 100 Mw en As Pontes, cerca de Ferrol; y por otro, Navantia presentó su marca Seaenergies, con la que, entre otras metas, espera impulsar las actividades relacionadas con el hidrógeno, mediante la fabricación de electrolizadores en la Fábrica de Turbinas de Ferrol, y estudios sobre la integración de la tecnología en la propulsión.

Conclusiones

La flota marítima mundial, está propulsada principalmente por motores diésel que funcionan con fueloil marino; pero en la actualidad también existen barcos alimentados por LNG, y puede que pronto aparezcan en escena los buques alimentados con hidrógeno y amoníaco para cumplir los requisitos mínimos exigidos por la OMI. Por ello los armadores, dependiendo de la estrategia que elijan respecto al nuevo combustible a utilizar, también podrán aspirar a liderar la transición hacia la descarbonización.

En la actualidad el hidrógeno no se transporta como carga marítima, y las experiencias como combustible marino se limitan a proyectos de buques prototipo. Las tecnologías de metanol son las más maduras, y ya existen usos comerciales.

Debido al peso atómico del hidrógeno (1,008), y siguiendo el orden anglosajón, el pasado 8 de octubre se celebró el día internacional del hidrógeno. Europa apuesta por este vector energético como la mejor alternativa a la descarbonización, y España se centra en el hidrógeno verde, el que se obtiene a partir de fuentes renovables, por poseer estas tres grandes características: sostenibilidad (no emite gases contaminantes), ser almacenable (y fácil de transportar), y ser versátil (se puede utilizar como vector energético, y como materia prima).

Pero en cualquier caso se necesitará una mayor investigación para aclarar si el hidrógeno es realmente una alternativa en los buques, por lo que será necesario realizar una evaluación económica del espacio de carga que se perderá, por la existencia de mayor volumen de tanques para almacenar el combustible alternativo de menor densidad y alto coste. Además, en caso de que queramos transportarlo, deberemos primero licuarlo, y después, en su llegada a destino, regasificarlo, de manera similar a como se hace en el caso del LNG, pero con la diferencia de que el proceso es más costoso en el caso del hidrógeno.

Además, el riesgo potencial de explosión existente en el hidrógeno exige que los procedimientos de seguridad (y safety) de su almacenamiento y distribución a bordo de los barcos sean muy estrictos, sobre todo ahora que ya ha existido un accidente con uno de los prototipos.

Para finalizar me gustaría indicar que todas aquellas personas que quieran profundizar en este tema no deben perderse el recién publicado especial Transición energética, que ha recopilado los artículos publicados en la Revista Ingeniería Naval desde octubre de 2021 hasta mayo de 2022 al respecto, y entre los que destacan los de Rafael Gutiérrez Fraile, sobre hidrógeno, de los que he extraído bastante información para elaborar este artículo.