¿Cómo Funcionan las Calderas de Hidrógeno? Una Guía Integral

El uso de caldera de hidrogeno como una alternativa a las calderas tradicionales está ganando interés debido a su impacto ambiental reducido y su potencial para promover el desarrollo de energías renovables. A diferencia de los combustibles fósiles, las calderas de hidrógeno generan calor al quemar hidrógeno, produciendo solo vapor de agua como subproducto y reduciendo así las emisiones de gases de efecto invernadero y la huella de carbono . Si bien el hidrógeno puro es altamente inflamable, el enfoque actual es utilizar una mezcla de hidrógeno y gas natural en las calderas de hidrogeno o gas.

En esta guía integral, exploraremos los beneficios y desafíos del uso de calderas de hidrógeno, su funcionamiento, tipos, aspectos económicos y ambientales, así como las perspectivas futuras para esta tecnología prometedora. Además, destacaremos las iniciativas gubernamentales y los avances tecnológicos que están impulsando el desarrollo de calderas de hidrógeno más eficientes y asequibles.

Beneficios del hidrógeno como combustible

El hidrógeno no es una fuente de energía directa, sino un vector energético que se produce a partir de otras fuentes de energía. Sin embargo, existe un fuerte compromiso institucional con la tecnología del hidrógeno, ya que la UE ha asignado el 30% de su fondo de recuperación de €1,8 billones para combatir el cambio climático, posicionando al hidrógeno como un pilar clave para la descarbonización. Se espera que la adopción generalizada de la tecnología del hidrógeno, incluidas las calderas de hidrógeno, se democratice en el corto y mediano plazo debido a los fondos públicos y las subvenciones para reemplazar las viejas calderas de combustibles fósiles.

Las calderas de hidrógeno son mucho más respetuosas con el medio ambiente, ya que no liberan contaminantes ni gases de efecto invernadero durante la combustión, y el hidrógeno es un combustible no tóxico, a diferencia del monóxido de carbono de las calderas tradicionales. Además, son más eficientes, ya que el valor calorífico por kg de hidrógeno es 3 veces superior al de la mayoría de los combustibles fósiles, lo que requiere menos combustible para realizar las mismas tareas, lo que también las hará más económicas a medida que madure la tecnología.

El hidrógeno se considera un vector energético limpio y se espera que sea uno de los combustibles del futuro, ya que es el elemento más abundante del universo, presente en el agua (H2O) y otros compuestos. Algunas de las principales ventajas del hidrógeno como combustible incluyen:

• Emisiones cero: La combustión del hidrógeno solo produce agua, sin emisiones de CO2, convirtiéndolo en un combustible renovable y limpio.
• Alto valor calorífico: El hidrógeno tiene un valor calorífico más alto por kg en comparación con otros combustibles fósiles, por lo que se necesita menos masa, lo que lo convierte en un combustible más eficiente y no tóxico.
• Reducción de emisiones: La combustión del hidrógeno en calderas reduce las emisiones de monóxido de carbono (más del 100%) y NOx (casi el 40%) en comparación con las calderas de gas natural.

Desafíos y limitaciones actuales

A pesar de los beneficios prometedores de las calderas de hidrógeno, existen varios desafíos y limitaciones que deben abordarse para su adopción generalizada:

• Producción de hidrógeno verde: Actualmente, la mayoría del hidrógeno se produce a partir de combustibles fósiles, lo que genera emisiones de CO2. La producción de hidrógeno verde mediante electrólisis con energías renovables es costosa, con un precio entre 0,10-0,15 €/kWh.
• Infraestructura de distribución: Para transportar hidrógeno a través de la red de distribución de gas natural existente, se necesitarían ajustes significativos, con un costo estimado de 700 millones de euros solo en España. Además, el hidrógeno es un gas volátil y inflamable, lo que requiere mayores medidas de seguridad.
• Eficiencia y costos: Varios estudios independientes sugieren que calentar hogares con hidrógeno es una opción más cara y menos eficiente que las bombas de calor, además de ser más perjudicial para el medio ambiente. Utilizar un 20% de hidrógeno en la red de gas natural aumentaría el precio para los consumidores domésticos en un 16% y solo reduciría las emisiones de gases de efecto invernadero en un 7%.
• Adaptación industrial: La transición al uso de hidrógeno en plantas industriales existentes conlleva desafíos, como:
  • Mayores temperaturas de llama y tasas de flujo en comparación con el gas natural.
  • Aumento de emisiones de NOx, requiriendo recirculación de gases de combustión o mezcla con gas natural.
  • Llamas invisibles de hidrógeno, necesitando sistemas especializados de detección de llamas.
  • Mayor riesgo de fugas debido al pequeño tamaño molecular, requiriendo diseños robustos de tuberías y válvulas.
  • Uso de equipos compatibles con ATEX para minimizar riesgos de explosión.

En resumen, si bien las calderas de hidrógeno son una opción prometedora, su viabilidad y adopción generalizada dependen de superar desafíos técnicos, económicos y de infraestructura significativos.

Funcionamiento de las calderas de hidrógeno

Una de las áreas de investigación en curso es el uso de calderas de gas con hidrógeno verde. Existen numerosos estudios para desarrollar esta tecnología, pero su uso aún está lejos de ser una alternativa económicamente competitiva.

Madrileña Red de Gas (MRG) ha puesto en marcha una caldera de hidrógeno verde de 25 kW en una de sus sedes, diseñada para funcionar totalmente con hidrógeno. La instalación interior para conducir el hidrógeno renovable desde el almacenamiento hasta la caldera sigue el reglamento de gases combustibles y utiliza los mismos materiales empleados actualmente en viviendas. MRG afirma que, cuando el hidrógeno sea canalizado por sus redes, estarán preparados para adaptar la calefacción a cero emisiones.

Actualmente, existen calderas de gas que pueden funcionar con una mezcla de hasta un 20% de hidrógeno y gas natural, contribuyendo a la reducción de emisiones de CO2. Además, se han desarrollado las primeras calderas domésticas que funcionan exclusivamente con hidrógeno, como la primera caldera a base de hidrógeno aplicada en una situación real en Rozenburg, Países Bajos.

Caldera de hidrogeno como la Platinum H2 de BAXI, funciona 100% con hidrógeno, con una potencia de 28kW y rendimiento similar a las calderas de condensación de gas natural. Además, BAXI está desarrollando:

• Calderas ‘H2 Ready 20’ que pueden funcionar con hasta 20% de hidrógeno mezclado con gas natural.
• Calderas ‘H2 Ready 100’ que en el futuro podrán funcionar con gas natural, hidrógeno, o una mezcla de ambos.

Para que las calderas de hidrogeno  puedan reemplazar a las calderas de gas convencionales, es crucial que haya disponibilidad de suministro de hidrógeno a través de la red de tuberías de gas natural.

Modelos y tipos de calderas

Existen varios modelos y tipos de calderas que pueden utilizar hidrógeno como combustible:

1. Calderas 100% hidrógeno:
   • La caldera Platinum H2 de BAXI es un modelo de 28 kW que funciona al 100% con hidrógeno.
   • Tiene una eficiencia similar a las calderas de condensación de gas natural y dimensiones/peso compactos comparables.
   • La instalación y configuración es similar a las calderas de gas natural actuales.
   • Cuenta con marcado CE de DVGW (estándares europeos), sin emisiones de CO/CO2 y menos de 10 mg/kWh de emisiones de NOx.
2. Calderas H2 Ready 20:
   • Pueden operar con una mezcla de hasta un 20% de hidrógeno y un 80% de gas natural.
   • Contribuyen a reducir las emisiones de CO2 al utilizar una parte de hidrógeno como combustible.
3. Calderas H2 Ready 100:
   • Diseñadas para funcionar con gas natural al 100%, hidrógeno al 100% o una mezcla de ambos en el futuro.
   • Ofrecen flexibilidad para adaptarse a los cambios en la disponibilidad de combustibles y la transición hacia el hidrógeno.

Además de los modelos específicos de BAXI, existen dos categorías generales de calderas que pueden utilizar hidrógeno:

• Calderas H2 Ready: Pueden operar con una mezcla de hasta un 20% de hidrógeno y gas natural.
• Calderas H2 Ready 100: Capaces de utilizar gas natural, hidrógeno o una mezcla de ambos.

La hibridación de estas tecnologías permite aprovechar las ventajas de ambos combustibles durante la transición hacia el uso del hidrógeno como fuente de energía principal.

Aspectos económicos y ambientales

Las calderas de hidrógeno representan una oportunidad significativa para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y promover la transición hacia una economía más sostenible. Sin embargo, su adopción generalizada enfrenta desafíos económicos y ambientales que deben abordarse:

• Inversiones sustanciales: Se prevé que la inversión global anual en el sector del hidrógeno promediará $38 mil millones entre 2020-2040, aumentando a $181 mil millones entre 2041-2070. Proyectos como el de Neom en Arabia Saudita, con una inversión de $5 mil millones en hidrógeno verde, demuestran el compromiso financiero necesario.
• Impacto ambiental variable: El impacto ambiental del hidrógeno depende del método de producción [10]:
  • Hidrógeno gris y marrón: Producido a partir de gas natural y carbón, emitiendo grandes cantidades de CO2.
  • Hidrógeno azul: El CO2 generado se elimina mediante captura y almacenamiento de carbono (CCS).
  • Hidrógeno verde: Producido por electrólisis del agua utilizando electricidad renovable, es el método ideal a largo plazo y de baja emisión de carbono.
• Transición energética: La Unión Europea está trabajando en una hoja de ruta para descarbonizar la calefacción de edificios, responsable del 10% de las emisiones globales de CO2. Se propone que los nuevos edificios en Europa sean libres de emisiones a partir de 2028 y que los Estados miembros eliminen gradualmente las calderas de gas y diésel para 2035. Las principales opciones son la electrificación de la calefacción mediante bombas de calor y modelos híbridos con calderas de hidrógeno.

Comercio internacional: Para garantizar un comercio internacional justo y sostenible de hidrógeno verde y sus derivados, se necesitan una planificación, regulaciones y políticas claras. Países como Namibia, Chile, Colombia y Brasil tienen el potencial de convertirse en importantes productores de hidrógeno verde, pero deben equilibrar la producción con sólidas salvaguardas ambientales y sociales. Alemania, como posible importador importante, deberá forjar asociaciones a largo plazo con países productores basadas en estos principios.

Perspectivas futuras y desarrollo

El gobierno español ha aprobado una Hoja de Ruta del Hidrógeno para promover el despliegue de este vector energético sostenible, que será clave para que España alcance la neutralidad climática en 2050. Esto impulsará la creación de cadenas de valor industrial innovadoras, conocimiento tecnológico y creación de empleo sostenible.

El nuevo borrador del Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC) incluye 15 nuevas medidas más ambiciosas relacionadas con el sector del hidrógeno. Se esperan desarrollos significativos en este sector en los próximos años [1]:

• Establecer un marco regulatorio favorable para el hidrógeno renovable.
• Fomentar la investigación, desarrollo e innovación en tecnologías del hidrógeno.
• Impulsar proyectos piloto y demostradores de hidrógeno verde en diferentes sectores.
• Promover la formación de profesionales especializados en hidrógeno.

MRG ha firmado un acuerdo de colaboración con la Universidad Francisco de Vitoria para desarrollar la tecnología de hidrógeno verde, desde su investigación hasta su puesta en marcha y desarrollo [2]. Esta colaboración busca:

• Investigar métodos de producción de hidrógeno verde más eficientes y sostenibles.
• Desarrollar aplicaciones prácticas del hidrógeno en diferentes sectores industriales.
• Formar a futuros profesionales en el uso y manejo del hidrógeno como vector energético.

FAQs

¿Cómo operan las calderas que utilizan hidrógeno como combustible?

Las calderas de hidrógeno funcionan tomando oxígeno del ambiente y hidrógeno de una fuente conectada. La cantidad de hidrógeno que entra en la caldera es regulada, y esta cantidad determina el tamaño de la llama producida.

¿Cuál es el principio de funcionamiento de las calderas en general?

El funcionamiento de una caldera se basa en una cámara de combustión donde se produce la quema del combustible con la ayuda de aire, y un intercambiador de calor que transfiere el calor generado a un fluido, que luego distribuye este calor donde sea necesario.

¿Cómo se puede utilizar el hidrógeno como una fuente de energía?

El hidrógeno se produce principalmente a través de la electrólisis, un proceso que utiliza electricidad para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno. La energía eléctrica se convierte y almacena como energía química en las moléculas de hidrógeno.

¿Qué futuro les espera a las calderas de gas conforme a las normativas europeas?

Según las nuevas regulaciones de la Unión Europea, se prevé la eliminación gradual de las calderas de gas y diésel para el año 2035. A partir de enero de 2026, se prohibirá la instalación de nuevas calderas de gas en viviendas, con algunas excepciones para ciertas industrias hasta 2030.