Economía del hidrógeno
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A lo largo de la historia de la humanidad, las diversas civilizaciones han abordado de diferentes maneras sus asuntos energéticos, lo cual les ha permitido el uso, agotamiento y sustitución de recursos, no sin el peligro de perecer durante dichos procesos. Nuestra civilización no es ajena a tales circunstancias.
Se sabe que los recursos fósiles son finitos.
Calentamos nuestras casas y oficinas con combustibles fósiles, mantenemos nuestras fábricas y nuestros sistemas de transporte con combustibles fósiles, iluminamos nuestras ciudades y nos comunicamos a distancia con electricidad generada a partir de combustibles fósiles, construimos nuestros edificios con materiales hechos con combustibles fósiles, tratamos nuestras enfermedades con medicamentos derivados de combustibles fósiles, almacenamos nuestros excedentes en contenedores de plástico y embalajes hechos de combustibles fósiles y manufacturamos nuestras ropas y aparatos domésticos con la ayuda de nuestros productos petroquímicos. Prácticamente todos los procesos productivos de nuestra vida extraen su energía de los combustibles fósiles, derivan materialmente de ellos o reciben su influencia de algún otro modo.
Nuestra civilización, además de depender de los recursos fósiles, tiene otra característica relacionada: el carácter centralizado y determinista del sistema energético. Las infraestructuras de explotación de los combustibles fósiles son la red energética más compleja que haya existido. Su carácter altamente centralizado ha generado empresas comerciales organizadas del mismo modo; lo cual, dada la actual tendencia de fusiones corporativas, significa el control de la energía global por un reducido número de instituciones; de ellas depende el bienestar de buena parte de la Humanidad.
Algunos problemas se configuran frente a esta situación. El primero radica en que una mayor concentración y centralización de poder en un número menor de instituciones puede resultar poco flexible a la hora de enfrentarse a nuevos retos, el mayor de ellos el del calentamiento global del planeta, por la quema de combustibles fósiles.
Hay una fuerte apuesta de muchas personas e instituciones en el mundo por el uso del hidrógeno como fuente energética; por una “descarbonización”, una sustitución progresiva de la economía basada en el carbono, por otra basada en el hidrógeno.
El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica.
Es el elemento químico más ligero que existe, su átomo está formado por un protón y un electrón y es estable en forma de molécula diatómica (H2).
En condiciones normales se encuentra en estado gaseoso, y es insípido, incoloro e inodoro.
En la Tierra es muy abundante, constituye aproximadamente el 75 % de la materia del Universo, pero se encuentra combinado con otros elementos como el oxígeno, formando moléculas de agua, o como el carbono, formando compuestos orgánicos. Por tanto, no es un combustible que pueda tomarse directamente de la naturaleza, sino que es un vector energético (como la electricidad) y por ello se tiene que “fabricar.”
Existen distintos métodos de producción de hidrógeno. Se puede producir a partir de distintas materias primas, distintas fuentes de energía y por distintos procedimientos. Según sean la materia prima y la fuente energética utilizada para producirlo se podrá hablar de procesos 100% renovables, 100% fósiles o híbridos en un determinado porcentaje.
El hidrógeno puede ser producido localmente, en grandes instalaciones centrales o en pequeñas unidades distribuidas ubicadas en o cerca del punto de uso. Esto significa que todas las zonas, incluso áreas remotas, puedan convertirse en productores de energía.
La posibilidad de una democratización de la energía, significa, del lado de los países pobres, la oportunidad de mayores accesos a la economía y al bienestar. Un básico acceso al empleo y a la energía significa una "calidad de vida básica" que incluye la alfabetización, una mejor higiene, seguridad personal y una mayor expectativa de vida. Con el aumento de la pobreza en determinadas partes del mundo, el crecimiento demográfico, las economías en recesión y el peso de la deuda externa; una economía basada en el hidrógeno constituye una esperanza para los miles de millones de seres humanos que habitan la mayor parte del globo.
Cuando el hidrógeno es producido usando fuentes de energía renovables y se aprovecha para la alimentación eléctrica de las pilas de combustible de alta eficiencia, los beneficios medioambientales del hidrógeno son aún mayores. Además, el hidrógeno puede ser producido y almacenado utilizando los excedentes de energía producida por las energías renovables, como la solar, la eólica, la hidráulica, geotérmica…
Un kilogramo de hidrógeno puede liberar más energía que un kilogramo de cualquier otro combustible (casi el triple que la gasolina o el gas natural), y para liberar esa energía no emite nada de dióxido de carbono, tan sólo vapor de agua.
El hidrógeno se ha utilizado durante muchas décadas en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo las industrias de la alimentación, metal, vidrio y química. La industria mundial del hidrógeno está bien establecida y produce más de 50 millones de toneladas de hidrógeno al año.
Con respecto a la energía, el hidrógeno puede ser utilizado como combustible para el transporte, y para generar electricidad mediante pilas de combustible.
Un vehículo de motor de combustión interna de hidrógeno (MCI) utiliza un motor de combustión interna convencional modificado para la combustión de hidrógeno gaseoso. Los vehículos de MCI de hidrógeno son un 30% más eficientes comparados con los vehículos de gasolina, y funcionan bien en todas las condiciones climáticas, incluso a bajas temperaturas.
Las pilas de combustible o celdas de combustible son unos dispositivos electroquímicos, capaces de convertir directamente la energía química contenida en un combustible en energía eléctrica. Parte de unos reactivos, un combustible (generalmente hidrógeno) y de un comburente (oxígeno) para producir agua, electricidad en forma de corriente continua y calor.
Esta transformación electroquímica (sin combustión) consigue rendimientos relativamente altos y se presenta con un enorme potencial de aplicación.
Fundamentalmente una pila de combustible es un apilamiento (con conexiones internas en serie) de células o celdas individuales. Estas celdas están formadas por dos electrodos (ánodo y cátodo) donde se producen respectivamente la oxidación del hidrógeno y la reducción del oxígeno, y por un electrolito (que puede ser un medio tanto ácido como básico) que permite el intercambio de los iones que generan ambas reacciones. Uniendo cada dos celdas existe un elemento de conexión, denominado normalmente placa bipolar, (que además facilita la canalización de los gases) que permite la circulación de los electrones que, pasando por el circuito, completan las reacciones.
Entre las ventajas generales de las pilas de combustible, cabe destacar:
Su buen rendimiento, en torno al 40 o 50% y con posibilidades de mejora.
Este rendimiento, a diferencia de otros sistemas, es relativamente alto para distintas potencias en un mismo sistema (es decir funcionando tanto a plena potencia como a cargas parciales), lo que permite ajustar la producción a la demanda sin sacrificar la eficiencia.
Asimismo, el rendimiento es bueno independientemente del tamaño del sistema (a diferencia de los sistemas térmicos, en los que el rendimiento mejora con el aumento de escala).
Son sistemas con muy poca inercia, que pueden seguir casi al instante la curva de demanda.
Tienen un carácter modular, lo que significa por un lado un aumento de la fiabilidad a la vez que una reducción de costes, y por otro, que las plantas se pueden construir en poco tiempo y pueden aumentar o disminuir la potencia sin cambiar su diseño. Además se puede conseguir una muy alta disponibilidad, ya que la parada de un módulo no supondría la parada del sistema completo.
Al carecer de partes móviles, las pilas de combustible son silenciosas, no producen vibraciones y por ello, en teoría, requieren poco mantenimiento, (estas afirmaciones no son válidas para algunos de los componentes auxiliares).
Las pilas de combustible se clasifican normalmente atendiendo al electrolito que utilizan. Entre las de baja temperatura están las alcalinas y las de polímeros (también conocidas como de membrana intercambiadora de protones, o por las siglas en inglés PEM). Las de metanol directo son un tipo particular de pilas PEM que consumen directamente metanol. Las pilas de combustible de media temperatura son las de ácido fosfórico, y las de alta temperatura son las de carbonatos fundidos y las de óxidos sólidos.
A día de hoy, las pilas que levantan más expectativas son las de polímeros para aplicaciones móviles o de poca potencia (transporte, aplicaciones residenciales y aplicaciones portátiles) y las de óxidos sólidos para generación centralizada o distribuida de electricidad.
El hidrógeno pretende ser el combustible intermediario entre la generación de energía renovable y el usuario, evitando el problema de la discontinuidad de generación y movilidad en el caso del transporte.
Una hidrogenera es una estación de servicio que dispensa hidrógeno.
Es un concepto relativamente nuevo y se pretende que cuando los medios de transporte usen pilas de combustible en sustitución del gasóleo o gasolina puedan surtirse de hidrógeno en hidrogeneras. Se espera que las estaciones de servicio vayan poco a poco reemplazando los combustibles fósiles basados en el petróleo por hidrógeno.
Las hidrogeneras pueden obtener el hidrógeno por electrolisis del agua con la energía eléctrica renovable excedente proveniente de los parques eólicos o de paneles solares, que pueden estar instalados como cubiertas.
La generación distribuida, otro concepto relativamente novedoso, se refiere a la articulación de un conjunto de pequeñas plantas situadas cerca del usuario final, o en su mismo emplazamiento y que pueden bien estar integradas en una red o bien funcionar de forma autónoma, alimentadas, por ejemplo, por paneles de energía fotovoltaica. Sus usuarios pueden ser fábricas, empresas comerciales, edificios públicos, barrios o residencias privadas. La generación distribuida aporta una solución ante el peligro de un corte de energía. En esta perspectiva, el usuario se puede convertir en su propio productor, al usar pilas de combustible que pueda recargar.
Al igual que con otros combustibles como el gas natural o la gasolina, la seguridad es uno de los temas primordiales a tener en cuenta en el uso del hidrógeno. La seguridad debe ser considerada en todos los aspectos del ciclo energético del hidrógeno: producción, transporte, almacenamiento y distribución, y utilización. Por ello es necesario disponer de normas, códigos y reglamentos técnicos relativos al uso del hidrógeno y las pilas de combustible.
La combustión de hidrógeno puro produce, exclusivamente, calor y agua. Al no generarse carbono y debido a la presencia del vapor de agua (que absorbe calor), un fuego producido por hidrógeno tendría menor poder de dispersión de calor que el fuego producido por un hidrocarburo.
El hidrógeno tiene un rango de inflamabilidad muy amplio (entre el 4% y el 74% de concentración en el aire) y requiere muy poca energía (0.02 mJ) para iniciar la combustión. Como ejemplo, en concentraciones inferiores al 10% la inflamabilidad es similar a la del gas natural o la gasolina, ampliamente utilizados en todo tipo de situaciones y aplicaciones en el día a día.
En el caso del hidrógeno, el riesgo de una explosión es mucho menor que otros combustibles más habituales ya que se vuelve explosivo en concentraciones entre el 18,3% y el 59% En comparación, los vapores de gasolina pueden explotar en concentraciones de poco más del 1%. A esto hay que añadir que, mientras el hidrógeno tiende a subir y dispersarse en el ambiente, otros gases más pesados como el propano o los vapores de la gasolina tienden a acumularse cerca del suelo, lo que aumenta el riesgo de una explosión.
Por último, es importante recordar que el hidrógeno no es tóxico ni contaminante, no mancha, no huele, y con la tecnología actual, su producción no perjudica al medio ambiente.
Hoy, potentes corporaciones globales de la automoción apuestan ya decididamente por coches impulsados por pilas de combustible: Audi, Honda, Toyota… Esta última ha liberado todas sus patentes, como ya hizo Tesla con el coche eléctrico, para favorecer su implantación.
Fuentes:
Jeremy Rifkin. La economía del hidrógeno. CNH2. Centro Nacional del Hidrógeno. (Puertollano, España).