sábado, 2 diciembre 2023
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INDUSTRIA

Hidrógeno, ¿el combustible del futuro?

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Imagen artística producida por Bing IA de un automóvil repostando en una hidrogenera.

Al azar

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Cristian-Felipe Claramunt de Pablo »

El hidrógeno es bastante especial por diversos motivos. Algunos de ellos son que es el elemento más abundante del universo, que tiene la composición más sencilla de toda la tabla periódica o que sin él no existirían multitud de compuestos y reacciones químicas que determinan nuestra realidad cotidiana, como por ejemplo las moléculas de agua o la misma actividad del Sol, al que sirve como combustible para propiciarnos luz y calor.

Su abundancia en forma de compuestos y su relativamente sencillo tratamiento para extraerlo han empujado a la sociedad a buscarle usos desde que se descubrió por allí en el 1766 por Henry Cavendish. Actualmente goza de aplicaciones en multitud de industrias productivas, pero lejos de agotar su polivalencia hay un nuevo reto sobre la mesa: suponer una alternativa a los combustibles fósiles.

Para comprender los beneficios del hidrógeno como combustible y las dificultades que puede presentar su implantación a gran escala dividiremos su análisis en las distintas fuentes de producción de hidrógeno, en los desafíos que presenta su almacenamiento y en su uso como vector energético aplicado a la movilidad personal y colectiva.

Producción

Si bien el hidrógeno podría suponer una alternativa ecológica a los combustibles fósiles hay que tener en cuenta su origen para determinar su impacto neto en el ecosistema. Distintas organizaciones políticas y autoridades en materia de energía han establecido sistemas de colores para categorizar su procedencia y con ella su impacto medioambiental (figura 1), y aunque no existe un criterio único a nivel global sí que tiende a distinguir entre fuentes contaminantes y no contaminantes.

Figura 1. Clasificación del hidrógeno en función de sus fuentes utilizada en España.

1. Fuentes contaminantes

Algunos de los colores asociados al hidrógeno procedente de fuentes contaminantes son el negro, el gris o el marrón, entre otros. Este hidrógeno se obtiene como subproducto del tratamiento de hidrocarburos o la combustión del carbón. El color asociado dependerá del uso de energías renovables en el proceso y/o la captura de emisiones de CO2 como producto de la reacción.

Si bien el hidrógeno procedente de estas técnicas puede reducir sensiblemente las emisiones de CO2 [1], sigue teniendo un impacto medioambiental importante y no formaría parte de las políticas ecologistas de los países comprometidos con la implantación de combustibles alternativos, como refleja la estrategia de implantación y uso del hidrógeno como vector energético aprobada por la Comisión Europea [2].

2. Fuentes no contaminantes

Verde, rosa, azul… son algunos de los varios colores utilizados para describir el hidrógeno procedente de fuentes “limpias”, habitualmente mediante electrólisis del agua y que no generan contaminantes o que, de generarlos, son capturados en su totalidad.

La fórmula que describe este proceso es:  2 H2O  ⟶  O2 + 2 H2.

El color del hidrógeno dependerá tanto de la técnica empleada como del origen de la energía utilizada en el proceso, siendo la energía nuclear una especialmente controvertida pues hay países, como es el caso de España, que no la consideran una “energía verde” y actualmente se hallan ejecutando un plan de cierre progresivo de sus centrales [3].

Estas opciones de producción de hidrógeno son aquellas impulsadas por las políticas medioambientales de los países que buscan reducir su huella de carbono y desvincularse gradualmente de su dependencia a la explotación de hidrocarburos. Multinacionales, universidades y otras entidades con actividad investigadora siguen trabajando en diferentes propuestas para rentabilizar una producción de hidrógeno limpio, como por ejemplo, una propuesta del Massachusetts Institute of Technology (MIT) [art. 1] para producirlo gracias a la energía solar y que está prevista su aplicación para el 2024.

Almacenamiento

En este apartado el hidrógeno se enfrenta a un doble reto de rentabilidad y de seguridad: si bien se trata de un combustible con un gran potencial energético por unidad de masa, su baja densidad implica que la cantidad de energía que se puede obtener por unidad de volumen será muy pequeña [4], por lo que resulta prioritario el desarrollo de técnicas de almacenaje que permitan compactar con seguridad grandes volúmenes de gas. Para ello se dispone de diferentes estrategias divididas en función de si el almacenamiento previsto será estacionario o no estacionario.

1. Almacenamiento estacionario

El almacenaje estacionario suele implicar que el hidrógeno se mantendrá en el lugar donde será producido y donde se le dará uso. Recurriendo a instalaciones industriales a gran escala se pueden reducir costes totales y lidiar más fácilmente con los problemas derivados de la relación entre el volumen y la energía obtenida. Este sería el método de almacenamiento para sus usos industriales tradicionales y para el tema que nos ocupa en su uso como carburantes no hay que olvidar el papel protagonista de las estaciones de repostaje de gas hidrógeno o hidrogeneras, que si bien podrían no ser productoras contarían con una tecnología de almacenamiento estacionaria de paso para dar servicio a flotas de vehículos.

2. Almacenamiento no estacionario

Por otro lado el almacenaje no estacionario está destinado a aplicaciones móviles, entre las que destaca su uso como carburante en vehículos de uso personal o colectivo. Presenta desafíos derivados de una tecnología insuficientemente desarrollada que todavía no puede gestionar con facilidad los problemas de eficiencia energética y volumen de gas mencionados anteriormente y que sería indispensable resolver para su implementación general, aunque ya se cuenta con soluciones a pequeña escala que permiten la existencia de vehículos propulsados por hidrógeno en muchas ciudades europeas [5].

Podemos ver un ejemplo del proceso que conecta la infraestructura productiva, el almacenaje estacionario y el no estacionario en la (figura 2).

Figura 2. Secuencia de producción, transporte y uso del hidrógeno verde destinado a combustible.

Se están realizando progresos prometedores y hay una gran inversión en I+D que tantean con soluciones tan creativas como el uso de materiales porosos capaces de capturar las moléculas de gas en lugar de tanques de almacenaje tradicionales o la incorporación en sólidos cristalinos conformando hidruros, entre otras propuestas. Aquí trataremos dos de las más habituales y que pueden tener mayor relación en su uso como combustible: en estado de de gas comprimido y como hidrógeno líquido.

1. Gas comprimido

El hidrógeno comprimido, también llamado CGH2, se almacena en tanques a una presión que oscila entre 150 y los 700 bar según el tipo de contenedor elegido y es una de las opciones más extendidas pues permite tanto un almacenaje de tipo estacionario industrial como su uso a pequeña escala en depósitos no estacionarios de tamaño reducido que pueden ir integrados en los propios vehículos.

Los contenedores a su vez deben estar preparados para resistir una propiedad de este gas que permeabiliza los metales y reduce la ductilidad de los tanques, provocando lo que se conoce como fragilización por hidrógeno [6] y que puede provocar roturas y fugas en las instalaciones. Estas dificultades pueden sortearse mediante ciertos tratamientos térmicos aplicados sobre el metal galvanizado o mediante depósitos fabricados con componentes no metálicos, con la contrapartida de encarecer el producto final y reducir su rentabilidad comercial.

El hidrógeno gaseoso puede ser conservado a muy bajas temperaturas, mejorando su rendimiento energético y suponiendo una seria apuesta para su uso en hidrogeneras [7].

2. Hidrógeno líquido

Este gas puede ser almacenado a temperaturas criogénicas en forma de hidrógeno líquido (a –253 ºC) [8] solucionando con ello algunos contratiempos como el poder reunir mayores volúmenes que en estado gaseoso; sin embargo los costes energéticos derivados de su licuefacción y posterior mantenimiento encarecen el producto final hasta hacerlo poco viable económicamente para ciertas industrias como la automovilística orientada al público general, aunque se haya probado con éxito en circuitos de competición como fue el caso de las pruebas realizadas por Toyota (artículo 2). Citando directamente el artículo y a la luz de las conclusiones de las pruebas, los responsables del ensayo aseguran que el hidrógeno líquido “aumenta la densidad energética por unidad de volumen y mejora la autonomía”, eliminando además la necesidad de presurizar los tanques y permitiendo que estos tengan otras formas distintas, lo que ofrecería “el potencial de mejorar la estructura del vehículo”.

Transformación del hidrógeno en energía

El siguiente paso consiste en convertir ese gas almacenado en energía eléctrica y posteriormente en energía mecánica capaz de mover las partes de un motor. Nos detendremos a hablar de la importancia de la pila de combustible y de los carburantes sintéticos con base de hidrógeno.

1. Pila de combustible

El principio fundamental de la pila de combustible fue propuesto allá en el año 1838 por Sir William Groove y desde entonces se han desarrollado muchas tecnologías derivadas con diferentes aplicaciones industriales y domésticas. Todas ellas guardan algo en común y es el uso de reacciones electroquímicas para obtener energía eléctrica, cosa que en el caso del hidrógeno y los vehículos no resulta diferente.

A continuación realizaremos un breve repaso de las partes comunes de una pila de combustible de hidrógeno [9] y el proceso mediante el cual se transforma la energía química en energía eléctrica. Estos componentes pueden variar en forma, materiales y disposición de un modelo a otro, por lo que a continuación se presenta solo una de las configuraciones posibles.

El ánodo, polo positivo donde se oxida el hidrógeno gas (H2) en dos iones H⁺, liberando sus electrones (e⁻).

El electrolito. Suele consistir en una membrana compuesta por polímeros o en un compuesto alcalino como el hidróxido de potasio (KOH), pero en ambos casos la función que cumple es la de actuar como un filtro que permite el paso de los iones H⁺ pero no de otras moléculas, migrando los iones del ánodo al cátodo.

El cátodo, polo negativo donde reaccionarán esos iones con la aportación del oxígeno gas (O2), el cual se inyecta desde el exterior del vehículo por los conductos de admisión de aire.

Placas bipolares. Dos láminas compuestas de platino o con presencia de este que actúan con un doble propósito: como circuito externo para que los electrones separados en el ánodo viajen hasta el cátodo y se unan a los iones H⁺ y las moléculas de O2, y como catalizador tanto en la fase de separación de los átomos de hidrógeno como en la reacción final con el oxígeno.

Los electrones en su travesía desde una de las placas bipolares hasta la otra generarán la corriente eléctrica necesaria como para recargar la batería del vehículo, completándose la transformación de energía química en energía eléctrica.

La serie de reacciones químicas descritas se pueden expresar del siguiente modo:

Reacción en el ánodo: 2 H2 ⟶  4 H⁺ + 4 e⁻
Reacción en el cátodo: O2 + 4 H⁺ + 4 e⁻  ⟶  2 H2O
Reacción total: 4 H2 + O2  ⟶ 2 H2O

Lo que refleja el hecho de que el único residuo de reacción es agua (H2O), ya sea en estado líquido o en forma de vapor, por lo que obtenemos un vehículo sin emisiones de carbono por uso directo del combustible (figura 3).

Figura 3. Esquema de funcionamiento de una celda de hidrógeno.

Finalmente una vez abastecida la batería de energía eléctrica serán otros componentes del vehículo los encargados de transformarla en la energía mecánica que lo pondrá en movimiento.

2. Combustibles sintéticos

También llamados e-fuel, los combustibles sintéticos se encuentran a medio camino entre los carburantes tradicionales y las opciones con “cero emisiones” ofreciendo la alternativa de las “cero emisiones netas”. Esto se logra capturando el dióxido de carbono de otros medios contaminantes y, en combinación con hidrógeno verde obtenido mediante técnicas sostenibles, se produce un hidrocarburo sintético con unas propiedades similares a las de los combustibles fósiles y compatible con las tecnologías y motores actuales.

Figura 4. Esquema de producción y servicio de combustibles sintéticos.

Si bien la combustión de los e-fuels emite CO2, por la Ley de conservación de la masa o Ley de Lavoisier se expulsaría la misma cantidad de partículas que fueron capturadas y posteriormente utilizadas en la síntesis del combustible, por lo que efectivamente y de forma ideal el uso de estos carburantes no aumentaría las emisiones de carbono a la atmósfera, o hasta podría reducirlas mediante el uso de tecnologías de catálisis ya existentes en los vehículos actuales.

Con todo los e-fuels presentan otros obstáculos a su implementación, como que son muy costosos de producir y que podrían ser vectores de emisión de otras partículas contaminantes y/o nocivas para la salud como el dióxido de nitrógeno [10].

Ante estas dudas y promesas, el papel de los combustibles sintéticos con base de hidrógeno en la movilidad personal parece estar todavía pendiente de dilucidarse.

¿Puede ser el combustible de hidrógeno una alternativa viable?

Llegados a este punto no queda más que formularse la pregunta sobre la viabilidad en el mercado del hidrógeno como combustible, y una posible aunque tal vez algo descorazonadora respuesta sería: depende. ¿Pero de qué, o de quién?

El hidrógeno ha demostrado ser un vector energético lleno de posibilidades y sin importar el devenir de la evolución de los medios de transporte seguirá manteniendo multitud de aplicaciones industriales. En lo referente a la movilidad y siempre que se produzca con medios sostenibles resulta plenamente funcional y coherente con el espíritu de la reducción de emisiones, por lo que los únicos escollos a salvar serían ajenos al más liviano de los elementos. Estos serían la voluntad política, la rentabilidad económica para los explotadores de dichas tecnologías, la creación de una amplia red de hidrogeneras capaces de abastecer una demanda creciente o, incluso, de la aceptación por parte de una sociedad que está participando activamente en una gran cantidad de cambios en aras de proteger la naturaleza y nuestro futuro a medio y largo plazo.

Figura 5. Imagen conceptual de un vehículo repostando en una hidrogenera.

Hoy por hoy el vehículo de hidrógeno existe y parece dispuesto a quedarse. Varios países de la Unión Europea tienen planes ambiciosos para ampliar los puntos de repostaje y diferentes fabricantes de vehículos destinan grandes recursos al desarrollo de una tecnología que ya podemos ver operando en forma de flotas de autobuses, vehículos privados y hasta de alta competición. Solamente el tiempo dirá si seguirá siendo relevante en el futuro de la movilidad y como agente del cambio hacia un planeta más limpio o si dará paso a nuevas alternativas.

Bibliografía

Fuentes

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