Hidrógeno: ‘generador de agua’ y energía. ¿Qué es, de dónde viene y cómo se produce el Hidrógeno?



Hidrógeno: "generador de agua" y energía. Qué es y cómo se produce este combustible alternativo

«Sí, amigos míos, creo que algún día se empleará el agua como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno de los que está formada, usados por separado o de forma conjunta, proporcionarán una fuente inagotable de luz y calor, de una intensidad de la que el carbón no es capaz […] El agua será el carbón del futuro«.

 Julio Verne, “La isla misteriosa” (1874)

De esta manera respondía el ingeniero Cyrus Harding, personaje de la novela de Julio Verne La isla misteriosa, a la pregunta sobre lo que ocurriría si se agotara el carbón.

De esto hace ya más de un siglo. Pero parece que, como en otras ocasiones, el tiempo acabará dando la razón al escritor, tan amigo de imaginar el futuro.

Tema de incontables artículos en revistas científicas, protagonista de congresos internacionales y noticia cada vez más habitual en periódicos de medio mundo, el hidrógeno ha seducido, entre otros muchos, a investigadores, presidentes de grandes multinacionales y hasta líderes políticos, que ven en él al sustituto del petróleo, el carbón de nuestros días.

Los científicos, sin embargo, advierten que el agua no puede ser el carbón del futuro. Por algo que debería ser obvio y, aun así, parece que no lo es tanto. El agua no es un combustible que pueda quemarse directamente en un motor o alimentar una pila de combustible. Sino sólo la materia prima de la que, con un aporte de energía, puede extraerse el hidrógeno; y que, por tanto, el hidrógeno, que sí es un combustible, no es una fuente primaria de energía. Por eso el hidrógeno nunca podrá sustituir ni al petróleo que mueve nuestros coches, ni al carbón que quemamos para producir electricidad, ni al gas natural que nos calienta, ni a nada.

Por no mencionar que, hoy por hoy, el hidrógeno se produce fundamentalmente a partir de los mismos recursos naturales y fuentes de energía de los que se supone sustituto. Aun así, la pareja formada por el hidrógeno y la pila de combustible se perfila como parte importante de la solución a los problemas energéticos del mundo a medio-largo plazo. Pero sólo parte.

¿Qué es el Hidrógeno?

Incoloro, inodoro y no tóxico, el gas hidrógeno es el más sencillo de todos los elementos. El átomo de hidrógeno común está formado sólo por un protón y un electrón. Como no tiene neutrones –las partículas sin carga pero con masa que mantienen unidos los protones en el núcleo– es también el elemento más ligero de todos. Casi 15 veces más que el aire.

Responsable del brillo de las estrellas y fuente de la energía que recibimos de la que tenemos más cerca, el Sol, el hidrógeno es, además, el elemento más abundante del Universo. Las tres cuartas partes de la materia cósmica son hidrógeno, que podríamos utilizar como combustible si estuvieran a nuestro alcance. Pero no lo están. Júpiter, la acumulación de hidrógeno que tenemos más cerca, se halla a millones de kilómetros de la Tierra. Es demasiado lejos para un planeta que todavía está intentando viajar a Marte.

Afortunadamente para los que la habitamos, el elemento más abundante de la corteza terrestre no es el hidrógeno. Se trata del oxígeno, seguido por el silicio, el aluminio, el hierro y el calcio. Y, lo más importante, en la Tierra prácticamente no existe hidrógeno en estado libre. Y es que es tan ligero que casi podríamos decir que no pesa. La fuerza de gravedad de nuestro planeta no puede retener un elemento con una masa tan insignificante y el poco hidrógeno que se produce de manera natural –por ejemplo, el que contienen los gases volcánicos– se escapa rápidamente hacia la atmósfera. Eso no quiere decir que en la Tierra no haya hidrógeno, como sabemos.

¿De dónde se obtiene el Hidrógeno?

Además de en el agua –de la que forma parte en una proporción del 11,19 % en peso– y de otros muchos compuestos químicos, como los ácidos o los alcoholes, el hidrógeno, esencial para la vida, forma parte de toda la materia orgánica, incluidas las personas, que somos un 10% hidrógeno. Hay hidrógeno, por tanto, en la biomasa y el biogás; pero, sobre todo, en la biomasa y el biogás de hace millones de años, que hoy quemamos en forma de carbón, petróleo y gas natural. Rompiendo los enlaces de las moléculas que lo contienen mediante diferentes tecnologías, se consigue producir hidrógeno. Y, una vez almacenado y transportado, utilizarlo como combustible o en otras aplicaciones.

¿Cómo se produce el Hidrógeno?

Desde el siglo XIX el hombre sabe cómo separar el hidrógeno y el oxígeno que forman el agua aplicando una corriente eléctrica. El proceso se llama electrólisis y se trata de una tecnología conocida. Es tan sencilla que forma parte de los experimentos que se realizan en los colegios. La electrólisis, además, es limpia y produce un hidrógeno de gran pureza. Aun así, hoy por hoy sólo el 4% de los 45 millones de toneladas de hidrógeno que se consumen en el mundo cada año se produce a partir del agua, la gran reserva de hidrógeno de la Tierra. El problema es que la electrólisis requiere un aporte considerable de electricidad. Y la electricidad es cara. Sobre todo si procede de una fuente de energía renovable, que es la única manera de garantizar la limpieza del proceso de principio a fin.

La opción más barata a día de hoy es producir hidrógeno a partir de gas natural

Mediante la igualmente bien conocida tecnología del reformado con vapor. Consiste en romper las moléculas de gas con vapor de agua en presencia de un catalizador. Por eso es el método más utilizado: el 48% del hidrógeno se produce hoy de esta manera. Como, además, es también la opción menos contaminante a partir de combustibles fósiles con la tecnología actual, el gas natural parece el candidato en mejor posición para liderar la producción de hidrógeno en un futuro próximo.

Convertir el carbón en gas calentándolo hasta 900ºC es la forma más antigua de producir hidrógeno. Así es como se obtenía el gas ciudad, que contenía hasta un 60% de hidrógeno. La gasificación de carbón representa hoy el 18% de la producción mundial; y, como el carbón es un recurso abundante en muchas partes del mundo, podría seguir siendo una alternativa si se desarrollan tecnologías limpias. Y, en general, el reformado de todos los hidrocarburos y alcoholes: el 30% del hidrógeno que se consume en el mundo procede de la gasolina. Pero el hidrógeno producido a partir de fuentes fósiles será siempre poco limpio –en su elaboración se emitirá, cuando menos, CO2– y nada renovable. Por lo que todos los sistemas basados en ellas serán, como mucho, tecnologías de transición.

¿Cómo podría producirse en el futuro?

Con agua y electricidad de origen renovable, coinciden los expertos. Pero también se investigan otras alternativas. Una posibilidad es la fotoelectrólisis. Básicamente consiste en sumergir en el agua una célula fotovoltaica fabricada con un material semiconductor que hace las veces de electrolizador. Combinando en uno los dos pasos de la electrólisis tradicional, se eliminan costes y se consiguen eficiencias un poco mayores.

Existen, sin embargo, dos tecnologías de producción de hidrógeno a partir de fuentes renovables que no incluyen electricidad. Su coste y, por tanto, viabilidad podrían ser interesantes a medio plazo. La primera incluye la gasificación de biomasa, un poco más cara que el reformado de gas, pero rentable donde la biomasa sea abundante y barata; y diferentes tratamientos de los análogos «bio» de los hidrocarburos y alcoholes: biodiesel, biogás y bioetanol.

La segunda opción es utilizar energía térmica de alta temperatura. Por eso también tiene muchas esperanzas puestas en el hidrógeno la industria nuclear, que trabaja en el desarrollo de nuevos reactores de alta temperatura con los que realizar lo que se conoce como hidrólisis térmica. Porque para separar el agua en hidrógeno y oxígeno sólo con calor hacen falta temperaturas de al menos 2.000 ºC. Son difíciles de alcanzar con energía solar y casi imposibles de manejar. Sin embargo, insertando una cadena de reacciones intermedias, la temperatura se rebajaría a unos 850 ºC. Puede que en futuro no tan lejano ésta sea la forma de obtener hidrógeno «bueno, verde y barato» a partir de la energía solar.

Se han propuesto otras formas de obtener hidrógeno más o menos exóticas. Desde la producción biológica por medio de microorganismos hasta la llamada electrólisis gravitacional, pero de momento sus resultados son puramente anecdóticos.

¿Porqué utilizar el Hidrógeno?

Para empezar, porque es un buen combustible, capaz de proporcionar más energía por unidad de masa que cualquier otro combustible conocido. 33,3 kWh por kg, frente a los 13,9 kWh del gas natural o los 12,4 kWh del petróleo, por ejemplo. Se trata también de un combustible limpio a nivel local, que, cuando se quema, lo único que produce, además de energía, es básicamente vapor de agua. Librándonos, entre otras, de las emisiones de CO2, el principal gas de efecto invernadero. Y gracias a la pila de combustible el hidrógeno es, además, un intermediario energético eficiente y tan versátil como la electricidad –que, conviene recordar, tampoco es una fuente de energía, sino un «vector energético«. Que es como llaman los expertos a estas formas intermedias de la energía, que permiten transportarla y convertirla después en otras formas de energía.

Como todo buen vector energético, el hidrógeno, al igual que la electricidad, puede obtenerse a partir de un amplio abanico de recursos naturales utilizando prácticamente cualquier fuente de energía. Con lo que no haría falta importarlo (siempre y cuando en su fabricación se utilizaran recursos y fuentes primarias de energía autóctonas y renovables).

Pero, por encima de todo, el hidrógeno puede almacenarse.

Esta capacidad de servir de almacén de energía, que no tiene la electricidad, es la que da sentido al «despilfarro» energético y económico que, según algunos, supone la transformación de energía eléctrica en un hidrógeno cuyo fin es convertirse otra vez en (menos) energía eléctrica; y la que convierte al hidrógeno en el complemento ideal de las energías renovables. Especialmente la eólica y la solar, que sólo funcionan cuando sopla el viento y hay sol. En las horas de baja demanda el viento y el sol se utilizarían no para cargar de energía unas aparatosas, contaminantes y siempre insuficientes baterías. Sino para producir hidrógeno. El que podríamos utilizar después en una pila de combustible para producir electricidad en casa o viajar en un coche «movido por el viento» sin necesidad de instalar un aerogenerador en el techo del vehículo.

Con el apoyo del hidrógeno, las renovables se abrirán paso en el sector de la automoción y se convertirán en las (verdaderas) sustitutas del petróleo.

¿Cómo se almacena el Hidrógeno?

Por las propiedades físicas del hidrógeno, almacenarlo supone todo un reto. Sobre todo cuando se trata de hacerlo en un contenedor pequeño, ligero, seguro y barato, como tiene que ser el depósito de un coche. Puede parecer extraño, cuando se sabe que un kilo de hidrógeno genera la misma energía que casi tres de gasolina. Sin embargo, ese kilo ocupa mucho volumen, por lo que la cantidad de energía que aporta el hidrógeno por unidad de volumen –su densidad energética– es bajísima. Tan baja que, de utilizar hidrógeno sin «tratar», los coches serían «depósitos con ruedas» o se quedarían sin combustible casi antes de arrancar. Para almacenar 4 kg de hidrógeno, que es la cantidad que consume un coche a pila en una distancia de 400 km, se necesitaría un depósito equivalente a un globo de más de 5 m de diámetro.

Naturalmente, la solución al problema pasa por reducir el volumen del hidrógeno como se reduce el volumen de todos los gases. Comprimiéndolo, o enfriándolo hasta licuarlo. Técnicamente, lo más sencillo es comprimirlo a una presión de 200-350 bares. Pero el hidrógeno sigue ocupando muchísimo: a 200 bares, almacenar los 4 kg exigiría un depósito de 250 litros.

El desarrollo de nuevos materiales –composites de fibras de carbono con polímeros o aluminio, por ejemplo– está permitiendo almacenarlo a presiones de hasta 700 bares, que permiten embarcar mayor cantidad con menos volumen.

En estado líquido, el hidrógeno ocupa 700 veces menos que a temperatura ambiente y a presión atmosférica. Pero se necesita frío, mucho frío, para alcanzar los 253 ºC bajo cero que necesita el hidrógeno para cambiar a este estado. Y para generar tanto frío hace falta, cómo no, energía: el 30-40% de la que obtendríamos de ese hidrógeno. Aún así, un coche típico necesitaría un depósito de más de 100 litros de capacidad para mantener iguales prestaciones que uno de gasolina. También añadiríamos el problema que supone mantener líquido el hidrógeno a pesar de la temperatura ambiente exterior.

En los últimos años se está investigando mucho en sistemas más eficientes. Hasta la fecha, las dos alternativas que más convencen son:

El almacenamiento del hidrógeno en hidruros metálicos y en nanotubos de carbono.

  • Los hidruros metálicos. Son combinaciones del hidrógeno con ciertos metales o mezclas de metales, que se obtienen enfriando la mezcla metálica e introduciendo hidrógeno a presión. El atractivo de este sistema radica en que la reacción es reversible: calentando el hidruro y disminuyendo la presión, el hidrógeno se libera y puede ser utilizado como combustible. Es una forma de almacenamiento estable y segura. Pero tiene el inconveniente de que los hidruros que operan a baja temperatura –que pueden liberar el hidrógeno a sólo 40-90 ºC y tienen mayor capacidad de almacenamiento– son muy lentos y pesados. Por ello resulta más adecuada para otras aplicaciones.
  • Los nanotubos de carbono, que almacenan hidrógeno con mejor eficiencia y pueden operar a temperatura ambiente, pueden llegar a ser la solución. Pero aún queda mucho por hacer en este aspecto. Puede que menos apasionante, pero fundamental si realmente pretendemos que en el futuro el hidrógeno mueva nuestros coches.

De momento, algunas marcas han optado, como solución transitoria. Incorporan en el vehículo un reformador que convierte en hidrógeno otro combustible primario que ocupe menos –metanol o gasolina, por ejemplo– mientras el coche anda.

¿Cuál es la utilidad?

En el mundo se producen cada año alrededorde 50 millones de toneladas de hidrógeno. Sin embargo, sólo una mínima parte de ese hidrógeno se utiliza para producir energía, principalmente en aplicaciones espaciales. Casi la mitad se emplea para elaborar fertilizantes basados en amoníaco.

También se utiliza hidrógeno en la fabricación de metanol y agua oxigenada. Así como para «hidrogenar» los aceites orgánicos comestibles derivados de la soja, los cacahuetes, los cereales y el pescado. Además para refrigerar motores y generadores. Pero quien conoce bien al hidrógeno es la industria petroquímica. Lleva años utilizándolo como materia prima de una amplia gama de productos derivados del petróleo y para reducir la cantidad de partículas, aromáticos y sobre todo azufre presentes en la gasolina y el gasóleo. La utilización del hidrógeno como combustible abre a la industria del petróleo las puertas de un nuevo mercado. Junto a las empresas especializadas en la producción y el suministro de gases, ocuparán un lugar privilegiado, por lo menos al principio.

Un poco de historia

En 1766 el científico británico Henry Cavendish identifica el hidrógeno como algo diferente del oxígeno y describe el agua como un compuesto de estos dos gases.

En 1785, Antoine Lavoisier repite el experimento y da al «aire inflamable» de Cavendish el nombre por el que le conocemos hoy. Hidrógeno, que significa en griego «generador de agua«.

Menos de 10 años después los militares franceses construirían el primer generador de hidrógeno con el fin de utilizar el gas en globos de reconocimiento.

El hidrógeno comenzó a ser utilizado por la aviación en los años 20. Entonces los alemanes decidieron utilizarlo como combustible secundario de los zepelín que cruzaban el Atlántico. Hasta entonces el hidrógeno servía sólo para mantener la fuerza de ascensión de dirigibles y globos. La historia acabó en 1937. Cuando el tristemente célebre Hindenburg se incendió justo antes de aterrizar en Nueva Jersey (EEUU), en medio de una tormenta eléctrica, con un centenar de personas a bordo. Aunque 34 de los 36 fallecidos murieron al arrojarse por la borda aterrorizados y no quemados, aunque en los primeros momentos las llamas eran anaranjadas y no de un tenue azul como son las del hidrógeno, aunque ni uno solo de los supervivientes había percibido el olor a ajo que se utilizaba para poder detectar un escape de hidrógeno, el mundo culpó de la tragedia al inflamable hidrógeno.

Hasta los 50 ingleses y alemanes experimentaron con su uso en los motores de explosión de coches, camiones, locomotoras y hasta submarinos…

Pero el hidrógeno ya tenía su leyenda negra. La segunda oportunidad llegó en 1973, con la crisis del petróleo. Una época en que los gobiernos dedicaron millones a la investigación en el potencial «sustituto del petróleo«. Pero la crisis pasó…. Afortunadamente, en países como Canadá, EEUU, Alemania o Japón la industria –y en especial dos sectores, el aeronáutico y el de la automoción– nunca se detuvo. Y, cuando en 1992 el mundo empezó a preocuparse por un nuevo problema ligado al petróleo, el cambio climático, ya teníamos mucho camino andado. Gracias a ellos hoy no partimos de cero.

Fuente: Energías renovables para todos. Paloma Asensio

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