Hidrógeno gaseoso: clave del rendimiento industrial y de la descarbonización

Este artículo analiza los principales métodos de producción (desde el reformado con vapor hasta la electrólisis PEM / alcalina / SOEC), los requisitos de pureza para diferentes aplicaciones, incluidas las pilas de combustible, la electrónica, la movilidad y la combustión, así como las estrategias de acondicionamiento a alta presión y distribución. Descubra cómo Air Liquide le acompaña gracias a un dominio completo de cada punto de la cadena de producción del hidrógeno gaseoso.

¿Qué es el hidrógeno gaseoso?

El hidrógeno gaseoso (GH₂) es la molécula diatómica más pequeña y abundante del universo, pero es bastante rara en la Tierra. El hidrógeno disponible en nuestro planeta está generalmente combinado con otros átomos y el GH₂ debe extraerse de moléculas como el agua (H₂O) o los hidrocarburos (CH₄). El descubrimiento de yacimientos subterráneos de hidrógeno gaseoso está aún en fase inicial y lejos de una explotación a nivel industrial.

En el pasado, el hidrógeno se ha utilizado en varios sectores industriales: para el refino de petróleo, para enriquecer las atmósferas reductoras en tratamientos térmicos en metalurgia, como propulsor para cohetes espaciales (Ariane) o como vector para el análisis. Hoy en día, es también una molécula energética clave capaz de almacenar electricidad renovable y de descarbonizar el transporte y los sectores industriales del vidrio, el cemento y los sectores industriales de difícil descarbonización ("Hard-to-abate") en general.

Características del hidrógeno gaseoso

El hidrógeno molecular, también llamado dihidrógeno (H₂), es un gas incoloro, inodoro y no tóxico en condiciones normales de temperatura y presión. Su característica dominante es su baja densidad: es el gas más ligero (unas 14 veces más ligero que el aire), lo que implica una difusividad muy elevada (0,61 cm²/s). En el plano energético, presenta una densidad másica de 120 MJ/kg, la más elevada de todos los combustibles (esto significa que, a igualdad de peso, genera la mayor cantidad de energía, casi tres veces la del gasóleo), pero tiene una baja densidad volumétrica (lo que significa que 1 kg de GH₂ a temperatura y presión estándar ocupa muchísimo espacio, ~ 11 m³, casi el volumen de carga de una furgoneta pequeña). Para aumentar las cantidades almacenadas en el mismo volumen, debe comprimirse, almacenarse y transportarse en depósitos capaces de soportar presiones de 200 a 700 bar.

¿Cómo se produce el hidrógeno gaseoso?

La producción de hidrógeno es un desafío de ingeniería química cuyo objetivo es romper los enlaces de diferentes moléculas (agua, hidrocarburos, biometano) para liberar el H₂. La elección del proceso, la fuente de energía utilizada y las opciones de captura de CO₂ determinan la huella de carbono de la molécula GH₂.

Electrólisis del agua / electrólisis de óxidos sólidos (SOEC)

La electrólisis consiste en disociar la molécula de agua mediante una corriente eléctrica. Si la energía eléctrica es de origen renovable (eólica, solar, hidráulica), el hidrógeno se denomina "renovables" y, a veces, se llama "verde".

• Alcalina: tecnología consolidada que opera a temperatura ambiente con un electrolito corrosivo a base de hidróxido de potasio (KOH). Es un electrolizador duradero y sólido, ideal para un funcionamiento en continuo, ya que se adapta mal a las variaciones y a las paradas y arranques. No es versátil para la intermitencia de las energías renovables, pero es muy robusto para producciones 24/24.
• PEM (Proton Exchange Membrane): tecnología bien conocida que opera a temperatura ambiente con un electrolito de membrana de plástico y electrodos que contienen metales raros. Es muy adaptable a las paradas y arranques; es ideal para la variabilidad de las energías renovables (solar, eólica) o para capitalizar los picos de producción de electricidad. Air Liquide opera varios electrolizadores en el mundo, incluidos PEM como Trailblazer en Alemania (20 MW), certificado como RFNBO (Renewable Fuels of Non-Biological Origin), y el electrolizador PEM del proyecto Normand'Hy en Francia (200 MW).
• AEM (Anion Exchange Membrane): tecnología más reciente y aún en fase de desarrollo, que busca combinar las ventajas de los electrolizadores alcalinos y los PEM. Siguen operando con una membrana, pero que "funciona al revés que las PEM" ya que deja pasar los iones hidroxilo (OH-). Los catalizadores no requieren metales nobles porque el medio, el electrolito, es agua ligeramente alcalina. Su robustez y su uso a largo plazo (10-15 años) aún están en fase de estudio.
• SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell): tecnología aún en fase piloto y no completamente industrial, opera a alta temperatura (>700 °C) con vapor de agua y un electrolito sólido de cerámica conductora a alta temperatura. La tecnología SOEC ofrece rendimientos eléctricos superiores a otras soluciones, sobre todo si se combina con soluciones para valorizar el calor residual industrial (vapor).

El reformado con vapor (steam reforming) del gas natural o del biogás

Entre todos los procesos existentes, el reformado con vapor de metano (SMR - Steam Methane Reforming) es una de las tecnologías más sólidas y eficientes para la producción masiva de hidrógeno. Según la naturaleza del gas / biometano, de la electricidad utilizada y de la gestión del CO₂, el SMR puede producir hidrógeno tradicional, bajo en carbono o renovable con respecto a la clasificación legal RED II / RED III. El metano o biometano se expone a vapor de agua a alta temperatura (700-1100 °C) para producir un gas de síntesis (Syngas), que después se purifica mediante PSA (Pressure Swing Adsorption). Si el metano es biogás y el SMR funciona con energías renovables, el hidrógeno producido es renovable.

Además de la producción de hidrógeno renovable mediante SMR, Air Liquide también ha desplegado su tecnología Cryocap™ para descarbonizar la producción por SMR de H₂ tradicional. La producción de H₂ se combina con la captura de CO₂ por vía criogénica y su almacenamiento (CCS - carbon capture and storage), produciendo así un hidrógeno "bajo en carbono". La solución Cryocap™ también puede aplicarse a un SMR de biometano con energía renovable, y se puede obtener HyBECCS (Hydrogen Bioenergy with Carbon Capture and Storage) con una emisión de CO₂ negativa (se reduce el CO₂ de la atmósfera).

Otros procesos químicos

• Reformado de metanol: el proceso es bastante similar al reformado de gas natural, pero utiliza metanol como fuente. Es un proceso que funciona a una temperatura más baja pero emite más CO₂.
• Gasificación y pirólisis: transformación de biomasa o de residuos (CSR) en gas de síntesis. También se está estudiando la pirólisis de metano para producir hidrógeno y carbono sólido (negro de carbono) sin emisiones directas de CO₂.
• Craqueo de amoníaco: el amoníaco (NH₃) es un vector eficiente para transportar el hidrógeno a largas distancias. Una vez en su destino, se "craquea" para restituir el hidrógeno gaseoso.
• Hidrógeno natural o geológico: la extracción de hidrógeno nativo presente en el subsuelo es una vía en plena exploración, pero aún no está consolidada para una explotación industrial. A veces, este hidrógeno se denomina impropiamente "hidrógeno blanco".

El almacenamiento y el transporte del hidrógeno gaseoso

La logística del hidrógeno gaseoso se adapta a las cantidades necesarias y a su uso (alta presión, caudales elevados). Para grandes cuencas industriales con consumos masivos de más de una tonelada al día, el transporte por tubería es la opción más rentable y segura (Air Liquide opera más de 2000 km de canalizaciones en el mundo).

Para consumos elevados en emplazamientos industriales alejados de las tuberías, la producción on-site mediante electrólisis es la solución más adecuada. No obstante, esto requiere un emplazamiento adaptado: ocupación de suelo en una planta industrial de riesgo sujeta a autorización ATEX, y disponibilidad de grandes cantidades de electricidad y agua purificada en las instalaciones.

Para necesidades dispersas, puntuales o para cantidades más reducidas, el hidrógeno gaseoso se comprime, acondiciona y transporta por vía terrestre/ferroviaria. En resumen:

• Semirremolques: contenedores adaptados de metal o material compuesto a 200, 300 bar o más permiten transportar las cantidades requeridas y optimizar la carga útil por camión, reduciendo así la huella de carbono del transporte.
• Bloques de botellas: para consumos bajos (laboratorios, ensayos).

Las ventajas del hidrógeno gaseoso

Uso y propiedades físico-químicas

Más allá de su ligereza, el hidrógeno tiene una conductividad térmica 7 veces superior a la del aire, lo que lo convierte en un excelente gas de refrigeración (ej.: para los alternadores de las centrales eléctricas). Su cinética de combustión es extremadamente rápida y su llama, invisible al ojo humano, alcanza temperaturas muy elevadas, ideales para los procesos de calentamiento y combustión (ej.: combustión para el cemento, el vidrio). Como agente reductor, se utiliza para crear atmósferas para los tratamientos térmicos con el fin de evitar la oxidación de los metales (ej.: los procesos de recocido brillante, el soldeo fuerte o la sinterización).

El hidrógeno desempeña un papel primordial como materia prima en el sector de la química - petroquímica, donde se utiliza desde hace mucho tiempo para la producción de amoníaco, fertilizantes y para la desulfuración del petróleo; o bien en el sector alimentario, donde interviene para la hidrogenación de grasas, o en cosmética, por ejemplo para la producción de glicerol.

El hidrógeno se utiliza ampliamente como vector de energía para la electrificación del transporte. El hidrógeno de calidad y pureza fuel cell se inyecta en una pila de combustible donde se recombina con el oxígeno en una reacción exotérmica para generar energía eléctrica y vapor de agua.

Su versatilidad es única: sirve a la vez como materia prima (feedstock) para la química, como fluido térmico para la refrigeración, como fuente de energía para la combustión y también como medio de almacenamiento de energía (Power-to-Gas), permitiendo acumular la energía producida por la energía solar o la eólica y paliar así la intermitencia de estas energías renovables.

Riesgos e inconvenientes del hidrógeno gaseoso

Explosión e inflamabilidad

El hidrógeno presenta un riesgo elevado de inflamación, ya que su rango de combustión es muy amplio. Es inflamable en un intervalo de concentración comprendido entre el 4 % y el 75 % en el aire y tiene una energía de activación muy baja: una descarga electrostática es suficiente para provocar su ignición. La llama de hidrógeno es invisible al ojo humano y emite poca radiación infrarroja (sin sensación de calor). La rapidez de propagación de la llama puede provocar una explosión violenta si la combustión se produce en un medio confinado.

El uso del gas hidrógeno está sujeto al cumplimiento de normas de seguridad extremadamente estrictas; las zonas de almacenamiento y las instalaciones están sujetas a autorización ATEX (zonificación), y los colaboradores deben estar equipados con EPI específicos que incluyan detectores de llama adaptados al hidrógeno.

Otros riesgos: fugas y fragilización de los aceros

Un riesgo bien conocido es la fragilización de los aceros por hidrógeno (embrittlement): en condiciones específicas de presión y temperatura, el hidrógeno puede insertarse en la red cristalina de los aceros provocando una reducción puntual de la ductilidad del metal. Esto conlleva una rotura súbita de los equipos (tuberías, depósitos, válvulas) sin ningún signo previo. La elección de los materiales (aceros inoxidables austeníticos, materiales compuestos específicos) es crítica para garantizar la integridad de los equipos.

Otra fuente de riesgos son las fugas; debido a su pequeño tamaño molecular, pueden ser más frecuentes que con otros gases. Una fuga, incluso muy pequeña, puede causar varios riesgos, como incendios, explosiones o anoxia. Las pruebas de estanqueidad, generalmente con helio, son obligatorias; los sistemas de ventilación forzada y los detectores de anoxia son obligatorios, así como el uso de EPI específicos.

La seguridad en el uso del hidrógeno

La seguridad de los colaboradores y de las instalaciones es un requisito indispensable para Air Liquide. Como experto en hidrógeno desde hace más de 60 años, Air Liquide ha desarrollado una serie de protocolos y normas de seguridad que deben aplicarse escrupulosamente. Los expertos de Air Liquide pueden acompañarle con formaciones específicas sobre la seguridad y el uso del hidrógeno, y orientar a sus colaboradores sobre las buenas prácticas y las pautas de actuación adecuadas que deben adoptar para la utilización de este gas.

¿Cómo se utiliza el gas hidrógeno hoy en día?

Producción de energía eléctrica mediante pilas de combustible

El hidrógeno gaseoso de calidad fuel cell alimenta pilas de combustible (pila de membrana de intercambio de protones) que generan electricidad para:

• La movilidad: las pilas alimentan los motores eléctricos de vehículos como carretillas elevadoras, autobuses, trenes, barcos, taxis,
• Las aplicaciones estacionarias para sustituir los generadores diésel de reserva de hospitales, o para las estaciones de base aisladas. Son una solución energética sin emisiones locales que ofrece una autonomía superior a las baterías convencionales.
• El sector militar y espacial, para la producción de energía auxiliar, o para la propulsión de drones gracias a un funcionamiento silencioso y a una buena autonomía en vuelos largos de más de una hora.

Generadores eléctricos de hidrógeno, alimentación de reserva, Backup Power y Data Centers

Los Data Centers se multiplican debido a la democratización de la inteligencia artificial; son consumidores intensivos de energía y requieren una reserva energética para garantizar un funcionamiento continuo. A menudo, para aumentar la velocidad de transferencia de datos (ej.: plataformas de streaming, trading de alta frecuencia, etc.), los Data Centers pueden estar situados muy cerca de las ciudades, donde los metros cuadrados disponibles son limitados o caros y donde las normas sobre contaminación acústica y atmosférica por partículas finas son muy estrictas. Para descarbonizar el sector de la Deep Tech, las pilas de combustible alimentadas con hidrógeno bajo en carbono pueden sustituir a los generadores de reserva, asegurando un suministro ininterrumpido (UPS) fiable, limpio y silencioso. Esto garantiza un respaldo suficientemente prolongado con una superficie ocupada reducida y cero emisiones locales: ni partículas ni ruido.

El hidrógeno gaseoso en la agricultura y la química

El hidrógeno gaseoso es esencial en el proceso de síntesis del amóníaco (NH₃) ya que, a alta temperatura y alta presión, el H₂ gaseoso se combina con el nitrógeno N₂ gaseoso para producir NH₃. Los fertilizantes industriales, ampliamente empleados en la agricultura moderna, se producen a partir de amoníaco.

El H₂ gaseoso también es necesario para producir metanol (CH₃OH) de síntesis, gracias a la metanolización del CO₂. En presencia de un catalizador y a temperatura y presión controladas, el H₂ gaseoso se combina con el CO₂ y genera e-metanol y H₂O.

En el refino, se utiliza para la hidrodesulfuración de combustibles (eliminación del azufre de los combustibles para cumplir las normas Euro) y el hidrocraqueo de fracciones petrolíferas pesadas como gasolinas pesadas, queroseno, gasóleo, fuelóleo, etc.

El hidrógeno gaseoso en la metalurgia

La producción de objetos de metal es un proceso que requiere diferentes etapas, entre ellas fases cruciales como son los tratamientos térmicos.

El recocido de los aceros (bobinas, chapas o tubos obtenidos por laminación o estirado en frío) se realiza en atmósfera reductora. El recocido es una etapa necesaria para dotar de ductilidad al núcleo del metal y poder retrabajarlo para darle la forma final (ej.: una puerta de coche, una cacerola, un bisturí, etc.). El recocido se realiza en una atmósfera de hidrógeno (hidrógeno añadido al nitrógeno gaseoso), ya que el hidrógeno capta las moléculas de oxígeno y garantiza la ausencia de óxidos en la superficie de los aceros (ausencia de cascarilla). Para las piezas terminadas, también se añaden pequeñas cantidades de H₂ en las atmósferas para el endurecimiento superficial o para la galvanización. Por ejemplo, en cuchillería, para obtener superficies muy brillantes, de color uniforme, limpias y sin óxidos, las piezas pasan por atmósferas reductoras que contienen hidrógeno.

El hidrógeno también se utiliza para descarbonizar la producción de acero; en otras palabras, para la producción de aceros verdes o descarbonizados. En el proceso de DRI (direct reduced iron), el hidrógeno se utiliza como elemento reductor y sustituye al carbono para transformar el mineral de hierro (las rocas que contienen óxido de hierro) en metal. Si el hidrógeno utilizado es descarbonizado, el acero producido de este modo podría denominarse descarbonizado o verde.

El hidrógeno gaseoso en la combustión

El hidrógeno tiene una temperatura de combustión del orden de los 2200 °C en el aire, de casi 3000 °C en oxígeno puro. Esta última no produce CO₂, por lo que es el gas ideal para los procesos que requieren altas temperaturas sin emisiones de CO₂. El hidrógeno es el vector de la descarbonización de sectores industriales como el vidrio y el cemento. Su uso en grandes cantidades (> 15-20 %) requiere quemadores adaptados, ya que la dinámica de la combustión y los aspectos de seguridad son muy diferentes a los del gas natural.

Para las industrias del cemento, la combustión con pequeñas cantidades de hidrógeno en lugar de gas natural permite aumentar de manera considerable la cantidad de combustible alternativo barato (compuesto por diferentes tipos de residuos) en el clínker y reducir la cantidad de coque de petróleo (petcoke), muy caro, necesario para el proceso. Su uso permite reducir la cantidad de CO₂ emitido (coque de petróleo y gas natural utilizados), al tiempo que destruye residuos contaminantes y permite ahorros para los industriales.

El hidrógeno gaseoso en los laboratorios

En cromatografía de gases (GC), el hidrógeno es un gas portador eficiente, lo que permite realizar los análisis más rápidamente que el helio. También se utiliza como gas combustible para los detectores de ionización de llama (FID).

El hidrógeno gaseoso en la electrónica

La industria de los semiconductores exige una pureza extrema (a menudo > 99,999 % o grado 6.0). El hidrógeno se utiliza allí como gas portador para la epitaxia, para el recocido de las obleas (wafers) o para crear atmósferas reductoras que impiden la oxidación de los circuitos microscópicos. Air Liquide garantiza estas especificaciones mediante análisis certificados.

Importancia de la pureza del hidrógeno gaseoso para las diferentes aplicaciones

La gestión de las impurezas es crucial según las aplicaciones. Ya sea que el H₂ se produzca mediante reformado con vapor o mediante electrólisis, puede ser necesario añadir una etapa de purificación y de eliminación del vapor de agua residual, según los grados de pureza deseados:

• Industria - Combustión: bastante tolerante, puede aceptar impurezas del orden de miles de ppm e hidrógeno tipo grado B.
• Industria - Química, Tratamiento Térmico: proceso menos tolerante, las impurezas a menudo deben ser del orden de la decena de ppm (impurezas críticas: H₂O, O₂).
• Movilidad (ISO 14687:2025): tolerancia cero para los compuestos de azufre, que deben ser inferiores a unas pocas partes por mil millones (ppb), y el CO (monóxido de carbono) muy inferior a una parte por millón, ya que envenenan los catalizadores de las pilas de combustible. También deben evitarse los compuestos halogenados a base de cloro, flúor y bromo por ser corrosivos.
• Electrónica y análisis: control estricto de las partículas y de las trazas metálicas; se trata de calidad ultra pura.

Redes de distribución e infraestructuras de hidrógeno gaseoso

Air Liquide estructura sus ofertas en torno a la fiabilidad del suministro:

• Producción in situ (Floxal™): instalación de generadores SMR compactos o de electrolizadores directamente en las instalaciones del cliente, eliminando la logística por carretera.
• Tuberías (Pipelines): conexión directa a las grandes redes en las cuencas industriales (Benelux, Fos-sur-Mer).
• Semirremolques y bloques de botellas: el hidrógeno se transporta en fase gaseosa en envases dedicados según el nivel de pureza requerido, directamente desde el centro de producción industrial.

Estrategia de descarbonización: la oferta ECO ORIGIN™

Para las industrias y los sectores de la movilidad que deseen ser actores clave en la transición energética, el desafío consiste en asegurar un suministro fiable y con costes controlados para grandes volúmenes de hidrógeno bajo en carbono.

La oferta ECO ORIGIN™ responde precisamente a estas necesidades.

Las soluciones de hidrógeno bajo en carbono propuestas por Air Liquide

En Air Liquide, garantizamos la entrega en sus instalaciones de la cantidad y calidad de hidrógeno gaseoso que cumple con los estándares de reducción de emisiones de CO₂ en todo su ciclo de vida, según lo establecido por la Comisión Europea.

Esta propuesta de valor se basa en dos pilares tecnológicos ue dominamos:

1. La electrólisis alimentada por energías renovables: nuestros electrolizadores se alimentan con energía eléctrica renovable (mediante contratos PPA) eólica, solar o hidráulica, certificada por contratos de compra de energía.
2. La captura de carbono (CCS) mediante Cryocap™: para las cuencas industriales existentes, instalamos nuestra tecnología propia Cryocap™ en las unidades de producción de hidrógeno. Este sistema criogénico captura hasta el 98 % del CO₂ emitido durante el proceso, que posteriormente se licua para ser secuestrado (en proyectos como Porthos o Kairos@C) o valorizado, evitando su liberación a la atmósfera. Esto permite producir hidrógeno bajo en carbono en cantidades masivas y a precios competitivos para los sectores de la química, la combustión o la siderurgia.

ECO ORIGIN™: transforme sus emisiones de Scope 3

La oferta ECO ORIGIN™ es nuestra respuesta contractual para permitirle reducir sus emisiones indirectas (Alcance 3). Al optar por el hidrógeno ECO ORIGIN™, usted adquiere mucho más que una molécula:

• Trazabilidad y auditoría: el valor del hidrógeno bajo en carbono se acredita mediante un riguroso sistema de Garantías de Origen (GdO) y certificados basados en el esquema voluntario de CertifHy NGC, auditados anualmente por terceros independientes.
• Simplicidad operativa: descarboniza su actividad mediante una solución de sustitución directa (drop-in), sin necesidad de CAPEX adicional en su maquinaria industrial y sin tener que invertir en infraestructuras, manteniendo siempre un suministro fiable y seguro.
• Valorización: el hidrógeno ECO ORIGIN™ le ayuda a obtener certificaciones para sus propios productos ("Acero Verde", "Transporte Cero Emisiones") y a cumplir con los requisitos de los proyectos de la UE con alto valor medioambiental.

La oferta ECO ORIGIN™ está disponible en dos niveles:

• Opción ECO ORIGIN™ H₂: producido mediante SMR (reformado con vapor de metano) alimentado con biogás con Garantías de Origen. La energía eléctrica para la compresión y el llenado es de origen renovable.
• Opción ECO ORIGIN™ H₂ "Premium": producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua alimentada con energía renovable (contratos de compra de electricidad PPA y Garantías de Origen).

Air Liquide, su socio para acompañarle en sus aplicaciones de hidrógeno

Tanto si necesita unas pocas botellas para un banco de pruebas de I+D como una conexión por tubería para una planta de producción, Air Liquide adapta su logística a sus necesidades. Además del gas hidrógeno, Air Liquide le aporta su experiencia en seguridad (análisis de riesgos, implantación ATEX), fiabilidad operativa mediante el servicio OPTIMAL y una garantía certificada de descarbonización.

¿Se plantea realizar pruebas industriales con hidrógeno, asegurar su suministro o pasar o pasar a una producción a gran escala? Contacte con nuestros expertos para un estudio de viabilidad técnica y un análisis de su TCO (Total Cost of Ownership).