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Luis Contreras-Vásquez
Luis Escobar Luna
Rodrigo Acosta Lozada
Santiago Medina-Robalino
1
Factibilidad de producción de Hidrógeno verde en el Ecuador
Feasibility of green Hydrogen production in Ecuador
Luis Contreras-Vásquez
1
, Luis Escobar-Luna
2
, Rodrigo Acosta-Lozada
3
,
Santiago Medina-Robalino
1
Universidad Técnica de Ambato, Dirección de Investigación y Desarrollo, Facultad de Ingeniería
Civil y Mecánica, Ambato - Ecuador, lf.contreras@uta.edu.ec
2
Universidad Técnica de Ambato, Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica, Ambato - Ecuador,
leescobar@uta.edu.ec
3
Universidad Técnica de Ambato, Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica, Ambato - Ecuador,
ri.acosta@uta.edu.ec
4
Universidad Técnica de Ambato, Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica, Ambato - Ecuador,
wsmedina@uta.edu.ec
Resumen
Esta investigación se centra en el análisis de factibilidad de producción de hidrógeno
verde mediante el proceso químico de electrólisis, utilizando para esta, electricidad
de fuentes renovables de energía en el Ecuador. Se evaluaron los potenciales de
generación eléctrica de 3 fuentes de energía renovable: solar fotovoltaica, eólica e
hidroeléctrica, mediante información obtenida de los atlas solar y eólico del Ecuador,
así como de evaluaciones de la energía proveniente de las centrales hidroeléctricas.
Con estos potenciales conocidos se realizó la estimación del potencial de
generación de hidrógeno considerando un electrolizador tipo membrana de
intercambio de protones PEM obteniendo una producción teórica total equivalente
a 3.23 × 10
!
kg H
2
/año. Finalmente, se examina los beneficios que supondría la
implementación del hidrógeno como un vector energético en el cambio de la matriz
energética, la economía y el medio ambiente del Ecuador, concluyendo que el
Ecuador presenta un gran potencial para la inclusión de la tecnología del hidrógeno
en varios sectores estratégicos.
DOI: https://doi.org/10.31243/id.v16.2022.1805
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2
Abstract
This research focuses on the feasibility analysis of green hydrogen production by
electrolysis using electricity from renewable energy sources in Ecuador. The
potential electrical generation of 3 renewable energy sources (solar photovoltaic,
wind and hydroelectric) were evaluated, using information obtained from the solar
and wind atlas of Ecuador, as well as evaluations of the available energy from
hydroelectric plants. Consequently, the production potential of hydrogen from
electrolysis was estimated, considering for the process a proton exchange
membrane electrolyzer (PEM), obtaining a total theoretical production of hydrogen
equivalent to 3.23 × 10
!
kg H
2
/year. Finally, the benefits of the hydrogen
implementation as an energy vector in changing the energy matrix, the economy and
the environment of Ecuador were examined, concluding that Ecuador has great
potential for the inclusion of hydrogen technology in several strategic sectors.
Introducción
El crecimiento sostenido de la población mundial y la demanda energética que este
supone, combinados con los problemas de contaminación ambiental generados por
el uso desmesurado de los recursos energéticos; han llevado a gobiernos, centros
de investigación, la academia y organizaciones tanto gubernamentales como del
medio ambiente, a buscar soluciones prácticas y sostenibles en la generación
energética a nivel mundial con la finalidad de suplir la demanda sin causar efectos
adversos al medio ambiente. En este contexto, cada vez más, la búsqueda de
fuentes renovables de energía ha ido en aumento (Inter-American Development
Bank, 2021).
Palabras clave:
Hidrógeno, Energías Renovables, Vector Energético,
Electrólisis
Keywords:
Hydrogen, Renewable Energies, Energy Vector,
Electrolysis
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3
Entre las posibles alternativas, surge el hidrógeno (H
2
) como un vector energético,
que en la última década ha cobrado un gran interés a nivel global debido a sus
excelentes propiedades energéticas, la posibilidad de obtenerlo mediante diversas
fuentes y procesos, la fácil aplicación en un amplio rango de sectores productivos,
su combinación con varias tecnologías (Nadaleti et al., 2021), además de que la
combustión de este solamente produce vapor de agua. Sin embargo, para poder
considerar al H
2
como un candidato para suplir la demanda energética, la producción
de este deberá ser completamente verde es decir no deberá generar emisiones
contaminantes en ninguna parte del proceso (Clerici & Furfari, 2021).
Uno de los grandes problemas para la incursión del hidrógeno en el mercado
energético mundial es su producción, debido a que al ser un gas que no se
encuentra de forma natural en nuestro planeta, este tiene que ser producido o
descompuesto de moléculas químicas que contengan átomos de hidrógeno como
los hidrocarburos C
x
H
x
, o el agua H
2
O (Kovač et al., 2021). Esto conlleva a que la
producción del hidrógeno se convierta en un proceso que genera contaminantes, ya
que al descomponer los hidrocarburos se generan emisiones de carbono las cuales
son las principales responsables de la contaminación ambiental, por lo que no es
una opción viable (Filippov & Yaroslavtsev, 2021).
Por otro lado, se puede considerar la opción de descomponer la molécula del agua
para obtener hidrógeno mediante la electrólisis de la misma. El proceso de
electrólisis consiste en romper los vínculos entre los átomos de hidrógeno y oxígeno
mediante la aplicación de electricidad (Kakoulaki et al., 2021). Este proceso de
producción del hidrógeno se presenta como una alternativa viable para solucionar
la problemática de las emisiones contaminantes, sin embargo, es necesario contar
con un subministro eléctrico constante y renovable con la finalidad de poder producir
hidrógeno verde (Kakoulaki et al., 2021). Esta energía podría obtenerse de fuentes
renovables, no obstante, existen 2 grandes limitantes con estas: la intermitencia de
su producción (al estar sujeta a disponibilidad de los recursos naturales) y la
dificultad de almacenamiento de los excedentes de energía (producidos durante
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períodos de menor demanda) (Estévez et al., 2021). Estas dificultades podrían ser
suplidas por un por un mecanismo que permita tanto almacenar como transportar
energía. Es por esto que, el hidrógeno sería un complemento excepcional para las
energías renovables, ya que no solo permite almacenar y transportar energía de
una manera eficiente, sino que también de una manera amigable con el medio
ambiente (Egeland-Eriksen et al., 2021).
Entre las diferentes opciones renovables que se presentan tecnológicamente
viables para la producción de hidrogeno mediante electrólisis de la molécula del
agua tenemos: Los Sistemas de Energía Solar Hidrógeno donde el sol es la energía
primaria para el proceso de electrólisis y el hidrógeno la energía secundaria para el
uso final (Ares et al., 2019; Hosseini & Wahid, 2020). La energía eólica hidrógeno,
que cumpliría con la misma función antes menciona siendo en este caso el viento
la fuente primaria (Tian, 2021; Valverde Tapiador, 2021). Una de las opciones más
viables económicamente hablando para la electrólisis, se puede considerar la
energía del agua (hidroelectricidad) debido a su bajo coste; ya que no necesitaría
de una infraestructura en particular, y en el caso de Latinoamérica, por su
abundancia, ya que la mayoría de países cuentan con fuentes hidroeléctricas para
el suministro energético (Amezcua Medina, 2021; Bamisile et al., 2020; Jovan et al.,
2021; Nadaleti et al., 2020).
En este contexto, países como USA, Canadá, Brasil, México, Chile y principalmente
Ecuador poseen un gran potencial para poner en práctica soluciones innovadoras
que permitan combinar la generación eléctrica mediante el uso de recursos
renovables reduciendo así su dependencia en el uso de combustibles fósiles
(Asteria, 2018). De esta manera, para la correcta implementación de un sistema
basado en energías renovables para producir hidrógeno, lo más importante es
conocer la cantidad de hidrógeno que se podría producir mediante estas de una
manera sostenida y constante. Lo cual ha llevado a que científicos de varios lugares
se interesen en investigaciones relacionadas con el potencial de producción el
hidrógeno mediante fuentes renovables (Sadik-Zada, 2021).
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Estados Unidos, uno de los países más desarrollado de América y del mundo
contiene gran cantidad de investigaciones desarrolladas por el Laboratorio Nacional
de Energías Renovables (NREL) por sus siglas en inglés, de la producción de
hidrógeno mediante energía solar, viento, biomasa e hidroeléctrica (NREL, 2022).
En el caso de la energía solar para la producción e hidrógeno por electrólisis en los
Estados Unidos el estudio se basó en la recolección de información geográfica de
la insolación en ciertos puntos estratégicos, con una eficiencia de conversión del 10
%, de donde se pudo obtener una producción de hidrógeno equivalente a 8.710
"
ton/año (Connelly et al., 2020). En el caso de la energía eólica, se realizaron 2
estudios para cuantificar el potencial de producción de hidrógeno. El primer análisis
reveló una producción total de 2.7410
##
ton de hidrógeno mapeando cada estado
conforme a su potencial eólico (Melaina et al., 2013). El segundo estudio corrigió
ciertos parámetros actualizando la información, obteniendo un total de producción
de hidrógeno igual a 1.110
#$
ton/año (Connelly et al., 2020). Por último, el NREL
estudió la producción de hidrógeno mediante fuentes de energía hidroeléctricas
asumiendo que un 30% de la producción de estas sería utilizado para la generación
de hidrógeno, obteniendo una producción de este de 110
%
ton (Milbrandt & Mann,
2009).
Otro país pionero en Latinoamérica en cuanto a estudios de producción de
hidrógeno renovable es Argentina, donde se desarrollaron investigaciones con
energía solar fotovoltaica PV, eólica y biomasa, utilizando la gasificación y
electrólisis como procesos para la generación de hidrógeno. Los resultados de estos
análisis utilizando sistemas de información geográfica GIS evidenciaron una
producción aproximada de 1 billón de toneladas de hidrógeno al año utilizando
estimaciones de energía eólica, solar y biomasa, obteniendo un costo aproximado
de producción de 9.41 USD/Kg de hidrógeno (Sigal et al., 2017).
Brasil, uno de los países con mayor representación de energías renovables en
Latinoamérica ha publicado varias investigaciones de producción de hidrógeno
verde a través de electrólisis con fuentes de energía provenientes de centrales
hidroeléctricas en combinación con energía solar y eólica alcanzando una
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producción estimada de 3.2210
%
ton de hidrógeno (Da Silva et al., 2005; Riveros-
Godoy et al., 2013).
En Colombia a su vez la producción de hidrógeno electrolítico se ha analizado a
través de estudios en centrales hidroeléctricas con la propuesta de suministrar
electricidad y calor para suplir necesidades de poblaciones aledañas a la producción
(Carvajal-Osorio et al., n.d.).
Así mismo estudios desarrollados en Paraguay en la central de Iguazú proponen un
análisis termo-económico sobre la producción de hidrógeno hidroeléctrico (Nadaleti
et al., 2021).
En Venezuela el potencial estimado de producción de hidrógeno se ha analizado en
función de energía solar obteniendo un aproximado de 2.010
&
ton H
2
/año, eólica
con un equivalente de 3.310
'
ton H
2
/año, mientras con mini-hidroeléctricas fue
posible obtener 7.110
'
ton H
2
/año (Posso & Zambrano, 2014).
Chile, referente Latinoamericano cuenta con estudios relacionados a la generación
de hidrógeno verde con la finalidad de utilizar este como combustible para
maquinaria minera, fundiciones de cobre y la fabricación de amoníaco (Fuñez &
Reyes, 2019).
Otros países donde se han realizado investigaciones relacionadas a la producción
de hidrógeno de fuentes renovables son Canadá, con un estudio de producción de
hidrógeno mediante la planta hidroeléctrica Tayson de donde se obtuvo una
producción de hidrógeno de 7 ton/día (Olateju & Kumar, 2016). En Suecia,
utilizando recursos eólicos se calculó una producción aproximada de 2.5610
"
ton
H
2
/año (Siyal et al., 2015). Hong Kong podría generar hidrógeno para cubrir un 40
% de la demanda de energía del sector de transporte mediante fuentes renovables
como solar, eólica y biomasa proveniente del tratamiento de desechos sólidos
municipales (Ni et al., 2006).
En el Ecuador, varios estudios se han llevado a cabo en cuanto a la producción de
hidrógeno de fuentes hidroeléctricas, la mayoría de estudios se basa en esta
tecnología y su aplicación en el sector del transporte, sin embargo existen algunos
trabajos donde se estudia el potencial de producción de hidrógeno mediante
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sistemas fotovoltaicos los cuales se basan en el análisis del Atlas Solar del Ecuador
y demuestran que existe la oportunidad de implementar este sistema para la
producción de hidrógeno verde (Posso et al., 2016; Posso Rivera & Sánchez
Quezada, 2014).
Por tal motivo este estudio tiene como objetivo analizar las diferentes fuentes de
energía renovable existentes en el Ecuador (solar, eólica, hidroeléctrica) y su
factibilidad para producir hidrógeno verde, para este análisis se utilizará como
referencia investigaciones previas, así como datos base geográficos y de
producción energética. Con esta información podremos establecer un argumento
científico para la introducción y/o combinación de la producción de energía con el
hidrógeno como vector energético y establecer su potencial uso para el cambio de
la matriz energética de Ecuador conforme a las regulaciones establecidas y
aprobadas para cumplir con el tratado de parís.
Reflexión
Para la estimación del potencial de producción del hidrógeno se debe considerar lo
siguiente: Primero se debe calcular el potencial eléctrico disponible para la
electrólisis, este dato proviene de la capacidad de generación de las fuentes de
energía renovables. Consecuente, se debe calcular el potencial de hidrógeno que
se puede obtener de cada proceso. En este contexto, a continuación describimos el
análisis de la estimación del potencial de hidrógeno tomando en consideración los
dos pasos antes mencionados.
En Ecuador para estimar el potencial de viento se toma como referencia el Atlas
Eólico desarrollado en base a un sistema MesoMap que genera una serie de mapas
de variación de velocidades de viento anuales con una resolución de 200 m como
se presenta en Fig.1. De esta información se obtiene los valores teóricos de
generación eléctrica por provincia, siendo Loja la provincia que presenta los más
altos índices de generación, seguida por Azuay, El Oro y Pichincha con un total de
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potencial de generación al año de 1511.26 GWh, 506.07 GWh, 232.22 GWh y
210.18 GWh respectivamente (MEER, 2016). En la provincia de Loja, se ha
desarrollado desde el 2013 el proyecto de la Central Eólica Villonaco, la cual cuenta
con 11 turbinas con la finalidad de aprovechar el potencial eólico de la provincia que
representa un 52.4 % del potencial eólico aprovechable del país (CELEC, 2019).
Para estimar el potencial solar en el Ecuador, se hace uso del Atlas Solar el cual
tiene como base información del NREL sobre irradiación solar diaria directa, difusa
y global. Los resultados son estadísticamente interpolados, generados para celdas
de 1 Km
2
y expresados en un promedio mensual y anual como se puede observar
en Fig. 2. De aquí, se obtienen resultados de la capacidad teórica de generación
eléctrica por provincia donde provincias como Manabí, Sucumbíos, Orellana,
Pastaza y Morona presentan un potencial teórico de generación eléctrica
fotovoltaica mayor a los 1000 GWh/año (CONELEC & Energética, 2019).
Para el caso del potencial de generación hidroeléctrica, se presentan 2 posibles
métodos de cálculo, el primero asumiendo que un porcentaje aleatoriamente
escogido de la producción total de la central es considerado exclusivamente para la
producción de hidrógeno. El segundo método está basado en la estimación del
potencial energético de agua turbinable que es descartada de la planta
hidroeléctrica y que potencialmente puede ser usada para la producción de
hidrógeno, aumentando así el factor de eficiencia de la planta en general.
Teóricamente, la capacidad hidroeléctrica del Ecuador es de 91 GWh provenientes
de un total de 71 centrales hidroeléctricas en todo el Ecuador (MERNNR, 2021).
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Fuente: Ministerio de Electricidad y Energía Renovable, Atlas Eólico del Ecuador con fines de
generación eléctrica (2013).
Figura 1. Atlas Eólico del Ecuador, potencial de generación eléctrica en provincias seleccionadas.
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Fuente: Consejo Nacional de Electricidad (CONELEC), Atlas Solar del Ecuador con fines de
generación eléctrica (2008).
Figura 2. Atlas Solar del Ecuador, insolación global promedio por provincias en el Ecuador.
Una vez conocido el potencial de generación eléctrica de cada uno de las diferentes
fuentes renovables estudiadas, se procede con la segunda fase que es la
estimación del potencial de hidrógeno que se podría obtener de la generación de
las energías renovables a través de la electrólisis utilizando como referencia un
electrolizador de membrana de intercambio de protones PEM (Proton Exchange
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Membrane) con una eficiencia aproximada del 75 % basada en el poder calorífico
superior del hidrogeno y un factor disponible de electrólisis del 95 % valores que se
han usado como referencia para varios estudios en la literatura (Altayib & Dincer,
2022; Ma et al., 2020; Padilha et al., 2009). Con estos datos se calcula el potencial
de hidrógeno utilizando la ecuación 1.
!
=

"

#

$#

(1)
Donde E
d
es el potencial de energía eléctrica disponible para el proceso de
electrólisis calculado de las diferentes fuentes renovables (kWh/año), η
e
representa
el factor de eficiencia del electrolizador (75%), F
ae
es el factor disponible de la
electrólisis (adimensional) y PCS que representa al poder calorífico del hidrógeno
(39.4 kWh/kg H
2
).
Entonces, de la aplicación de esta fórmula para los resultados antes obtenidos se
puede estimar la cantidad de hidrógeno tentativa. Para la energía eólica acorde con
los potenciales de generación eléctrica más altos obtenidos (Loja, Azuay, El Oro,
Pichincha) del Atlas Eólico se puede estimar una producción de hidrógeno
equivalente a 4.45 × 10
kg H
2
/año, siendo Loja la provincia que mayor potencial
presenta.
Para la energía solar, utilizando los valores del Atlas Solar de generación eléctrica
en el Ecuador, podemos estimar utilizando la ecuación 1 de donde se observa que
se podría producir un equivalente a 1.14 × 10
kg H
2
/año, evidenciando que las
provincias de la Costa y el Oriente ecuatoriano poseen los potenciales más altos de
generación solar fotovoltaica.
Por otro lado, para la generación hidroeléctrica, tomando en consideración los
potenciales de electricidad provenientes de esta, se puede estimar que podríamos
obtener una potencia de generación de hidrógeno al año equivalente a 1.67 × 10
kg
H
2
/año.
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Los resultados de este análisis presentan un panorama alentador para el Ecuador
ya que demuestran la factibilidad de implementar la tecnología del hidrógeno
utilizando recursos renovables existentes en el país, siendo la energía hidroeléctrica
la que tendría mayor contribución, esto se presenta favorable para nuestro país por
la gran apuesta hidroeléctrica que durante la última década se ha establecido, lo
cual permitiría un gran potencial de generación de hidrógeno verde y su contribución
a la diversificación de la matriz energética nacional así como al desarrollo
sustentable de varios sectores incluyendo la industria, el transporte, y el usuario
final. En el Ecuador, el potencial uso del hidrógeno podría tener un nicho importante
de mercado en el sector del transporte (Castro Verdezoto et al., 2019; Posso et al.,
2017, 2020), remplazando los vehículos propulsados por combustibles fósiles con
vehículos que utilicen celdas de combustible, esto no solamente reduciría
considerablemente la importación de gasolina y diésel aportando a la economía
nacional, sino que contribuiría con la reducción de emisiones contaminantes
generadas por estos; ya que el producto de la combustión del hidrógeno en las
celdas de combustible es solamente vapor de agua, de esta manera estaríamos
dando cumplimiento al compromiso adquirido por el Ecuador de reducir las
emisiones a la atmósfera, en el marco de la Convención de las Naciones Unidas
para el Cambio Climático celebrada este 2021 en Glasgow, UK (Naciones Unidas,
2021). Sin embargo, para la implementación de la tecnología del hidrógeno a nivel
nacional se requiere de un análisis técnico y económico más detallado, además de
políticas públicas que impulsen el uso de las energías renovables y el hidrógeno a
nivel nacional e internacional.
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Conclusiones
Se analizó la factibilidad de generación de hidrógeno verde en el Ecuador mediante
el proceso químico de la electrólisis, en el cual se obtiene el hidrógeno
descomponiendo la molécula del agua mediante la aplicación de energía eléctrica
para separar los átomos de hidrógeno y de oxígeno. La energía necesaria para la
electrolisis, se consideró mediante el potencial de generación eléctrica de 3 tipos de
tecnologías renovables existentes en el Ecuador: Solar fotovoltaica, eólica e
hidroeléctrica, con un potencial total de generación de hidrógeno equivalente a
3.23 × 10
!
kg H
2
/año, donde la mayor contribución se obtiene de las fuentes
hidroeléctricas. Del análisis realizado se concluye que el hidrógeno como vector
energético tiene un gran potencial de aplicación en el Ecuador y puede contribuir
hacia el cambio en la matriz energética nacional. La inclusión del hidrógeno como
una fuente de energía, permite disminuir el consumo de combustibles fósiles y a su
vez la necesidad de importación de los mismos, lo cual conlleva beneficios no
solamente ambientales; por la disminución de emisión de gases a la atmósfera, sino
también económicos.
Se puede evidenciar que el Ecuador presenta grandes proyecciones para la
producción de hidrógeno verde y su incorporación en el sistema energético. No
obstante, se necesita llevar a cabo estudios que permitan determinar la viabilidad
económica y técnica para el desarrollo de este sector energético. Además, es
necesario contar con regulaciones y políticas públicas que incentiven el uso de
nuevas tecnologías limpias y renovables.
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Agradecimientos
Los autores agradecen a la Dirección de Investigación y Desarrollo DIDE de la
Universidad Técnica de Ambato por el financiamiento de esta investigación
mediante el proyecto #PFICM23 “Análisis de la capacidad de generación de
Hidrógeno como energía no contaminante mediante fuentes de energía renovables
fotovoltaica y eólica”.
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