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Autores: Lew Milford, Seth Mullendore y Abbe Ramanan, Clean Energy Group | Proyectos: Proyecto de Energía Resiliente, Salud y Almacenamiento de Energía, Eliminación de Peakers

Proyecto de energía entre montañas. Foto de Doc Searls. CC por 2.0.

Aquí hay una prueba de energía. Pregunta: ¿Crees que esta afirmación es cierta?

"A diferencia de los combustibles fósiles, que emiten dióxido de carbono que calienta el planeta cuando se queman, el hidrógeno produce principalmente agua".

Respuesta: falso.

Esa declaración apareció en un artículo de Bloomberg Green hace una semana más o menos. Informó sobre los futuros planes europeos para utilizar hidrógeno (H2) como combustible “en turbinas de gas modificadas” para propulsar aviones. Informes similares han aparecido en otros artículos de energía acreditados sobre cómo el hidrógeno es la solución climática óptima porque su uso no creará ninguna emisión al aire. , ,

Lo que es cierto es que la energía renovable como la solar o la eólica puede dividir el agua en H2 para producir lo que los reporteros afirman: energía "libre de emisiones". Pero eso requiere un proceso de electrólisis complicado y costoso para producir H2. Ese "hidrógeno verde" generado de forma renovable se pasaría a través de una celda de combustible para producir electricidad. Las pilas de combustible no producen dióxido de carbono (CO2) ni otras emisiones nocivas. Hay muchas aplicaciones inteligentes para la energía derivada de celdas de combustible, en automóviles y vehículos pesados, y en diversas aplicaciones industriales: cómo podría ser una economía de hidrógeno inteligente en los años venideros.

Clean Energy Group (CEG) ha sido un ferviente partidario del hidrógeno verde y su uso en pilas de combustible. Trabajamos en hidrógeno y pilas de combustible hace 15 años, cuando eran una de las pocas opciones de energía más limpia. Entonces, no teníamos las alternativas más baratas y prácticas a las plantas de combustibles fósiles, como las energías renovables y el almacenamiento en baterías, que tenemos hoy.

En 2006, CEG escribió que "el hidrógeno se usa de manera más eficiente en las celdas de combustible donde se convierte en electricidad "electroquímicamente" ( es decir, sin combustión ), con solo agua y aire sin oxígeno como productos de escape".

Esto se debe a que la combustión es donde el hidrógeno pasa de "libre de emisiones" a contaminar, la distinción crítica aparentemente perdida en este nuevo debate sobre el uso de H2 para abordar el cambio climático.

La quema de H2 y el futuro de la industria del gas. Avance rápido 15 años. Ahora, las industrias del gas y de servicios públicos en los EE. UU. han decidido que la combustión es la forma en que quieren usar el hidrógeno, incluso si se crea de forma renovable con energía solar y eólica. Quieren tomar ese “hidrógeno verde” derivado de fuentes renovables y quemarlo, como hemos quemado petróleo, gas y carbón durante siglos. Y contrariamente a los informes, esa nueva alquimia combustible es cualquier cosa menos libre de emisiones.

En los últimos meses, varios desarrolladores de gas han propuesto mezclar H2 y gas natural en las centrales eléctricas occidentales. Dos gigantes financieros globales propusieron recientemente una planta de mezcla de hidrógeno en Ohio, que se espera que comience a operar en los próximos meses. Algunos propietarios de plantas de energía en Nueva York también propusieron mezclar H2 con gas natural para mantener las plantas de energía de combustibles fósiles en funcionamiento durante años más allá de lo que deberían haber sido cerrados y reemplazados con energías renovables y almacenamiento de baterías.

Las compañías de petróleo y gas también han propuesto la inyección de hidrógeno en la infraestructura de gas natural existente. NextEra Energy en Florida y Dominion en Virginia han publicado planes para comenzar a insertar una mezcla del 5 % en algunos envíos de gas natural a partir de 2021. Southern California Gas Co (SoCalGas) y San Diego Gas & Electric (SDG&E) también han anunciado planes para comenzar proyectos de demostración inyectando una mezcla del 5% en la red de gas natural a partir del próximo año.

Estas nuevas propuestas de “mezcla” están de moda en la industria de los combustibles fósiles. Ha sido difícil leer una publicación sobre el comercio de energía en los últimos meses sin encontrar un artículo sobre cómo el H2 es la próxima panacea del cambio climático. Puede que no compita con las campañas mediáticas de "demasiado barato para medir" de la industria nuclear en la década de 1950, pero el reciente impulso de la prensa se acerca peligrosamente. , , , Este esfuerzo de relaciones públicas aparentemente coordinado no parece ser accidental.

El pensamiento detrás de estas propuestas es que, en un futuro indefinido, las plantas de gas natural podrían convertirse en plantas de combustión 100% H2, poniendo fin a la dependencia del gas para la generación de energía. Mezclar H2 con el tiempo a niveles cada vez más altos en las plantas de gas parece ser el plan de la industria para mantener las plantas de gas en funcionamiento y la infraestructura de tuberías durante las próximas décadas, probando el impacto de estos experimentos con el público.

Cabe señalar que nunca antes se había quemado H2 para la producción de energía en este país. Es un experimento ambiental novedoso, no probado y potencialmente problemático que podría desarrollarse en las ciudades estadounidenses.

Por qué eso requiere una pequeña lección de química.

Combustión de H2 y NOx: la nueva amenaza de contaminación del aire. ¿Qué sucede cuando se quema H2?

La quema de H2 no produce emisiones de dióxido de carbono (CO2). Esa es una buena noticia para el clima.

Sin embargo, la combustión de hidrógeno produce otras emisiones al aire. Y ese hecho científico es la historia no contada en este plan industrial agresivo, que podría convertir el H2 verde en H2 espantoso.

La mala noticia es que la combustión de H2 puede producir niveles peligrosamente altos de óxido de nitrógeno (NOx). Dos estudios europeos han descubierto que la quema de gas natural enriquecido con hidrógeno en un entorno industrial puede generar emisiones de NOx hasta seis veces superiores a las del metano (el elemento más común en las mezclas de gas natural). , Hay muchos otros estudios en la literatura científica sobre las dificultades de controlar las emisiones de NOx de la combustión de H2 en diversas aplicaciones industriales. ,

Incluso el “Plan del Programa de Hidrógeno” del Departamento de Energía de la Administración Trump identifica la combustión de H2 como un problema importante. Afirma que se necesita investigación adicional sobre una serie de problemas de control de emisiones en torno a la combustión de H2. El punto que señala el DOE es que a niveles muy bajos de mezcla de H2, los niveles de emisiones de NOx podrían ser controlables. Pero a niveles más altos, no solo es difícil controlar las emisiones de NOx, sino que las tecnologías que se han desarrollado para intentar controlar esos niveles más altos de NOx siguen sin probarse. Esa investigación está a años de distancia.

Este problema de emisiones no es un secreto, sino un problema industrial de larga data. Un informe reciente de la industria de la Red Europea de Turbinas con respecto a la combustión de H2 afirma: “La temperatura de llama adiabática más alta del H2 dará como resultado mayores emisiones de NOx si no se toman medidas adicionales… Será particularmente un desafío lograr límites de NOx aún más estrictos previstos en el futuro."

Central eléctrica entre montañas. Foto de Phil Konstantin, dominio público.

Este problema está emergiendo lentamente en la conversación pública. Un artículo en The Economist la semana pasada señaló que la combustión para la propulsión de aviones conlleva nuevos "riesgos que aumentan la contaminación generada en forma de óxidos de nitrógeno, lo que anularía parcialmente los beneficios ambientales de la quema de hidrógeno".

De manera similar, la semana pasada, Union of Concerned Scientists (UCS) también destacó el problema de la combustión, junto con muchas otras preocupaciones, cuando señaló que “cuando el hidrógeno se quema (a diferencia del uso en una celda de combustible), puede generar emisiones significativas de NOx, proporcional a la de la combustión de gas natural, o peor”.

Aquí están las razones técnicas detrás de este nuevo problema de emisiones. La mayoría de las turbinas de gas actuales son sistemas de combustión secos bajos en NOx (DLN) diseñados específicamente para limitar la cantidad de NOx liberada por la quema de gas natural o metano. Estas turbinas pueden manejar una pequeña cantidad de hidrógeno, pero debido a las diferencias fundamentales entre el hidrógeno y el metano, no están diseñadas para manejar altas concentraciones de H2.

La concentración más alta de hidrógeno que puede manejar un sistema DLN es ~15 %, aunque el DOE está trabajando actualmente con GE para producir un sistema DLN capaz de manejar el 50 %.

La mayoría de estas plantas requerirían un sistema DLN actualizado para manejar incluso una concentración ligeramente mayor de hidrógeno en la mezcla de combustible, y ningún sistema DLN que existe actualmente puede manejar niveles significativos de mezcla de H2, y mucho menos el 100%.

Incluso la muy promocionada nueva planta de mezcla de H2 en Utah lo reconoce. Ese nuevo proyecto combinará un 30% de H2 con un 70% de gas natural. El proyecto, que servirá a Los Ángeles, si se aprueba como se anuncia, producirá emisiones significativas de CO2 y NOx. Según un informe emitido por el propio promotor del proyecto, Mitsubishi, esta mezcla de hidrógeno y gas natural “ producirá emisiones de NOx y CO2 equivalentes a las de las modernas plantas de gas natural.

Es decir, según los propios informes de la industria, este nuevo proyecto de combustión de H2 que se elogia como el futuro de la economía del hidrógeno seguirá produciendo los mismos niveles de emisiones de NOx (y CO2) que una nueva central eléctrica de gas natural.

A pesar de estos problemas de emisiones, al menos un propietario de una planta de gas pico en la ciudad de Nueva York ha adoptado el hidrógeno como justificación para construir nuevas plantas de gas en el corazón de la ciudad. En las presentaciones de su proyecto, el propietario propuso cambiar a 100 % "hidrógeno libre de GEI" para 2040, sin ninguna información detallada y verificable sobre cómo se lograría esta hazaña en las próximas décadas, o si habría algún impacto en la salud pública. de hacerlo. ,

La conclusión de estas propuestas es la siguiente: este nuevo enfoque para la combustión de H2 combinado no parece tener la tecnología disponible para controlar esas emisiones en niveles insignificantes.

A menos que estemos equivocados, y estamos abiertos a escuchar a la industria y otros expertos si lo estamos, esto parece un problema grave sin resolver. Uno que no se está abordando mientras estos propietarios de plantas de energía buscan aprobaciones gubernamentales, y en muchos casos ya están recibiendo aprobaciones, para operar estas nuevas operaciones de mezcla.

Hemos verificado con algunos expertos en salud pública si esta combustión de H2 y sus impactos en las emisiones, si se realizan a escalas cada vez mayores, han sido estudiadas por científicos independientes en los EE. UU. Nos han dicho que no hay una investigación seria e intensiva en curso en la comunidad de salud pública.

Los impactos de la justicia ambiental deben ser estudiados. Estas propuestas surgen en medio del problema nacional actual en todo el país con el aumento de las emisiones de NOx de todas las fuentes, una amenaza importante para la salud pública que no está bajo control. La exposición prolongada a NOx aumenta el riesgo de afecciones respiratorias y aumenta la sensibilidad a los alérgenos. El NOx también es un precursor de la formación de partículas finas y ozono a nivel del suelo, ambos asociados con efectos adversos graves para la salud.

Este problema es especialmente urgente con el vínculo comprobado entre COVID-19 y la exposición a la contaminación del aire. Y como ahora todos sabemos dolorosamente, la crisis de COVID-19 ahora expone las injusticias ambientales que enfrentan las comunidades urbanas y de escasos recursos.

Múltiples estudios han establecido un vínculo claro entre la contaminación, tanto las partículas finas, conocidas como PM2.5, como el dióxido de nitrógeno, y las tasas de mortalidad por coronavirus. , Las comunidades urbanas de color son las más afectadas por estos contaminantes, que provienen de la industria, el transporte y las centrales eléctricas. ,

Dada la falta de opciones tecnológicas para controlar el NOx en los esquemas de “combinación” de gas natural, ahora tenemos una desconexión política fundamental. Estas nuevas propuestas agresivas de la industria han superado la comprensión de la comunidad científica de cómo una absorción masiva de estas nuevas fuentes de NOx podría afectar negativamente la contaminación del aire urbano y la salud pública.

Agregar nuevas fuentes de emisiones de NOx también entra en conflicto con las nuevas medidas de política de contaminación del aire emitidas por agencias como el Departamento de Conservación Ambiental del Estado de Nueva York (NYDEC) para controlar el NOx en lugares como la ciudad de Nueva York. NYDEC promulgó recientemente límites estrictos de emisiones de NOx para las plantas pico del estado; estas son algunas de las mismas plantas pico de la ciudad de Nueva York que ahora proponen la combustión de H2 que generaría más emisiones de NOx.

Esa brecha se agrava con la forma en que se consideran estas nuevas propuestas para su aprobación. Las nuevas propuestas para mezclar H2 y gas natural han llegado en forma de proyectos de demostración con bajos niveles de mezcla. Para la persona promedio, sin ninguna información sobre los peligros de las emisiones de NOx (ningún artículo publicado aparte de los artículos recientes de The Economist y UCS sobre estos esquemas de combustión de H2 incluso han mencionado el problema de NOx), las propuestas pueden parecer lo suficientemente inofensivas.

Pero sabemos cómo funciona esto. Una vez establecidos, estos proyectos de demostración de H2 se expandirán y se convertirán en el nuevo "estándar de la industria". Es probable que veamos la combustión de H2 como la forma de justificar la operación continua de las plantas de gas natural y la infraestructura de gas; después de todo, una adición combinada de 20 % de H2 a una planta de gas natural todavía significa que continúa funcionando con un 80 % de gas fósil.

Proyecto de energía entre montañas. Foto de Doc Searls. CC por 2.0.

Esto bien podría bloquear la combustión de H2 en las plantas de gas durante las próximas décadas a pesar de la competencia de las energías renovables y el almacenamiento en baterías. Es un plan de supervivencia magistral y audaz.

Pero no se ha ido sin protestas. Los defensores de la justicia ambiental han comenzado a presentar objeciones a un proyecto de mezcla de gas natural H2 en Los Ángeles, ya que lo ven como un clásico problema de la nariz de camello debajo de la carpa.

En el este, una coalición de organizaciones ambientales y defensores de la comunidad ha pedido a los funcionarios del estado de Nueva York que exijan una evaluación integral de los problemas ambientales, climáticos y de salud pública relacionados con la combustión de H2 en los vecindarios de la ciudad de Nueva York.

“El hidrógeno como fuente de combustión de combustible está lejos de ser la alternativa transformadora y de ahorro climático que las compañías de combustibles fósiles están gastando tanto dinero para promover”, dijo Carlos García, el planificador de energía de la Alianza de Justicia Ambiental de Nueva York. “Además de su enorme costo de nueva entrada, su subproducto recientemente descubierto de las emisiones de NOx daría lugar a más disparidades de salud en las comunidades de justicia ambiental”.

Las alarmas lanzadas por los grupos comunitarios locales deben ser atendidas.

Es necesario que haya una conversación de salud pública más amplia sobre si queremos introducir formas completamente nuevas de plantas de energía basadas en la combustión que emiten NOx en todo el país, especialmente en las comunidades de color. Necesitamos comprender mejor las ramificaciones de salud pública de qué tan bien estas nuevas fuentes de emisión controlarán este contaminante problemático.

¿Un tiempo de espera para la combustión de H2 antes de que sea demasiado tarde? Esta prisa de la industria por juzgar el uso de la mezcla de H2 plantea una serie de impactos ambientales y de salud pública potencialmente problemáticos y aparentemente no estudiados.

Ante esta avalancha, podría ser hora de considerar una pausa para estas propuestas hasta que sepamos más sobre sus consecuencias no deseadas para la salud pública y el medio ambiente.

Incluso podría ser hora de solicitar una moratoria en la obtención de permisos para cualquier proyecto de H2 que proponga mezclar y quemar hidrógeno con gas natural en cualquier planta de energía existente o nueva. Dicha moratoria podría promulgarse a nivel estatal hasta que haya estudios de salud pública independientes y adecuados realizados por investigadores estadounidenses sobre los impactos de las emisiones de NOx en general y en particular en las comunidades locales de justicia ambiental.

Las comunidades minoritarias más cercanas a estas centrales eléctricas no deberían volver a ser conejillos de indias en otro proyecto de central eléctrica que salió mal. Más de la mitad de las plantas de gas en California, por ejemplo, están en comunidades de color; lamentablemente, lo mismo se aplica en la mayoría de las ciudades importantes.

Esa preocupación no se aliviaría con estudios realizados únicamente por los desarrolladores de proyectos. Obviamente, no tendrían la credibilidad ni la objetividad necesarias para abordar las preocupaciones colectivas con este nuevo riesgo para la salud pública potencialmente importante.

La industria debería dar la bienvenida a estos estudios. Si creen que estas tecnologías de combustión de H2 son esenciales para abordar el cambio climático a largo plazo, y tienen a mano la tecnología de control de la contaminación para reducir las emisiones de NOx, entonces deberían ser los primeros en abogar por su revisión externa exhaustiva. Estos estudios deben ser realizados por expertos independientes en contaminación del aire y salud pública antes de que este nuevo uso de H2 se adopte en proyectos de demostración que luego crearían una plantilla industrial para una futura expansión. Esto garantizaría que su consideración y amplia adopción por parte de los formuladores de políticas no se vea socavada por un apoyo u oposición sesgados y desinformados.

Lo último que necesitan los defensores climáticos serios del hidrógeno es tropezar con problemas ambientales evitables y potencialmente irreversibles con demostraciones de prueba de concepto de alto perfil. Eso podría empañar y posiblemente secuestrar el proyecto climático de hidrógeno a largo plazo más responsable, que es valioso y debe perseguirse.

Hemos estado aquí antes. A primera vista, muchas de estas propuestas parecen extrañas, si no extrañas: tomar "hidrógeno verde" derivado de fuentes renovables y luego quemarlo, convirtiéndolo en una fuente de contaminantes atmosféricos convencionales a niveles peores que la quema de metano. Es duro decir esto, pero tienen esa cualidad de Alicia en el País de las Maravillas "a través del espejo", como una noción al revés de separar los materiales reciclables y luego quemar los materiales reciclados en un incinerador contaminante de conversión de residuos en energía para generar electricidad.

Este "¿qué están pensando?" La reacción también viene con un paralelo histórico.

Hace unas décadas (y esto es una simplificación), los gobiernos europeos impulsaron los motores diésel en los automóviles. Fue la estrategia clave de transporte climático de Europa porque los automóviles diésel producen menos emisiones de CO2. Sin embargo, los motores diesel también producen grandes niveles de NOx. Los impactos de NOx de la estrategia diésel impulsada por CO2 aparentemente no se tuvieron en cuenta en la compensación inicial de la política climática de la UE.

En los últimos años, las agencias gubernamentales europeas y estadounidenses descubrieron que los fabricantes de automóviles europeos que intentaban cumplir con la política de CO2 manipulaban en secreto los datos de emisiones de NOx, porque carecían de la tecnología para controlar las emisiones de NOx. ¿El resultado? Un triste escándalo que ahora se llama infamemente "Diesel-gate": el resultado desafortunado pero predecible de ignorar desde el principio cómo las emisiones de NOx pueden aumentar de manera impredecible en una lucha climática de CO2.

No volvamos a ejecutar ese experimento fallido en los Estados Unidos. Las futuras promesas de tecnologías bajas en CO2 sobre el hidrógeno, por muy esperanzadoras y bien intencionadas que sean, no deberían justificar una mayor contaminación por NOx en nuestro aire ahora.

Los gobiernos a los que se les pide que aprueben estas propuestas de mezcla deben estar seguros de saber que hay tecnología disponible para controlar estas emisiones de NOx en todos los niveles primero. De lo contrario, es un riesgo para la salud pública que no vale la pena correr.

Como último punto, debemos agregar que CEG no planeaba involucrarse en este tema. Pero nuestra larga historia con las pilas de combustible y el trabajo con hidrógeno, y los numerosos problemas de precisión con la prensa y los informes de la industria, nos dejaron pocas opciones.

Tenemos un serio problema de educación pública cuando una excelente revista como Yale Environment 360 , en una historia que se publicó hace apenas unos días, simplemente citó sin reservas a un vocero de la industria diciendo que quemar H2 en los aviones sería “volar con cero emisiones”. Y nuevamente, en los últimos días, este flagrante error se repitió en una oscura publicación en línea que calificaba a la combustión de hidrógeno como un “combustible milagroso” para el clima: “El hidrógeno es un recurso abundante que no emite emisiones cuando se quema como combustible. ”

Nos sentimos obligados a tratar de dejar las cosas claras para el público y para los muchos grupos de justicia ambiental que se asocian con nosotros en temas de reducción de la contaminación y centrales eléctricas. Una vez más, como se señaló, agradecemos las críticas y los comentarios de la industria y otros si nos equivocamos en algo en esta descripción general. Necesitamos hacer esto bien.

Esto se debe a que la historia de producción de energía de este país está plagada de afirmaciones de marketing hiperbólicas sobre formas revolucionarias, gratuitas o inofensivas de producir electricidad. Con estos esquemas de combustión de hidrógeno, no permitamos que los usos más prometedores del hidrógeno para combatir el clima sean víctimas del mismo destino decepcionante.

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¿Qué emisiones producen las pilas de combustible de hidrógeno?

Una vez producido, el hidrógeno genera energía eléctrica en una pila de combustible, emitiendo únicamente vapor de agua y aire caliente.

¿Cuánto CO2 se produce a partir de la producción de hidrógeno?

Un millón de SCF de hidrógeno contiene 79.100 kilovatios hora de energía. Esto se convierte en 0,28 kg de emisiones de dióxido de carbono asociadas con un kilovatio-hora de producción de hidrógeno.

¿Cuánta contaminación produce una pila de combustible de hidrógeno?

Las pilas de combustible no emiten ningún tipo de contaminación en su punto de uso cuando funcionan con hidrógeno puro. Las emisiones del pozo a las ruedas de los vehículos eléctricos de pila de combustible que funcionan con hidrógeno renovable (extraído del agua usando energía limpia) son casi un 100 por ciento más bajas que las de los vehículos de gasolina convencionales.

Video: do hydrogen fuel cells produce co2