Energía del hidrógeno
El hidrógeno es el elemento que más abunda en el universo, y sin embargo, en la tierra, es raro encontrarlo en estado libre, la energía radiante que recibimos procedente del sol se debe a la reacción de átomos de hidrógeno en la estrella, que al unirse forma átomos de helio desprendiendo gran cantidad de energía. [1] Esta energía estelar es un factor fundamental para que la vida en la tierra se mantenga.[2]
Hidrógeno como energía
Numerosos técnicos y científicos investigan en el proceso de fusión. Si logran controlarlo de forma eficiente se podrían abastecer todas las necesidades energéticas actuales y futuras, sin que se presente el problema de agotamiento de las reservas. Mientras que en el sol la reacción de fusión se da por su propio tamaño, es decir, gracias a su gravedad, en la tierra esto no es posible, por lo que el uso de la fusión tendrá que deberse a la evolución de la tecnología. No es probable que esto ocurra antes de la mitad del siglo XXI.
El hidrógeno es el combustible más limpio que existe: es versátil y extremadamente eficaz, un combustible revolucionario y no solo en sentido técnico. Transformara las relaciones sociales a lo largo y ancho del planeta. Los que tienen mayor poderío económico son los que tienen mayor control de la energía y de su economía.
Así pues si el futuro es del hidrógeno depende de poder obtener este elemento y para ello se necesita de energía. se puede pensar en un conjunto de generadores de energía de forma renovable, la posibilidad es combinarla con la energía solar para producir la energía necesaria. Esta puede ser la manera en que múltiples energías renovables puedan ser un excelente complemento del hidrógeno. Esto sería obtener hidrógeno a partir del sol, es decir una fuente limpia que genera un combustible limpio.
Uno de los grandes problemas del hidrógeno es que actualmente el 96% del mismo se genera a partir de hidrocarburos fósiles, sobre todo mediante reformado de gas natural. Y esto es así porque el coste de producción es de 4 a 10 veces más barato que hacerlo mediante la electrólisis de agua (1.5$/kg vs 6-15$/kg, respectivamente). Además, producir un kilogramo neto de hidrógeno por reformado de gas natural produce doce veces más CO2 que la electrólisis con electricidad de origen eólico (11,89 vs 0,97 kg de CO2 eq/ kg H2). El resultado es que el modelo actual de producción de hidrógeno perpetua el sistema contaminante y centralizado de generación y distribución dependiente de empresas petroleras. Todo esto sin contar que la producción de hidrógeno es sobre tres veces menos eficiente energéticamente que el uso de electricidad almacenada directamente en baterías. No obstante, es posible que a largo plazo la eficiencia y coste de la electrólisis mejore y pueda tener sentido desde el punto de vista económico y energético, incluso como medio para almacenar energía excedente de renovables. Pero no es menos cierto que la densidad y coste de las baterías (nuevas químicas) sigue también mejorando, de modo que el hidrógeno nunca llegará a compensar. [3]
Combustibles fósiles o hidrógeno
Así como en la revolución industrial se dio en durante el siglo XIX y se basó en el uso del carbón como recurso energético, se puede afirmar también que durante el siglo XX y hasta la actualidad vivimos en la época del petróleo, ¿Se iniciara en el siglo XXI la era del hidrógeno?
El siglo XX le perteneció al petróleo, alimentos, ropa, farmacéuticos, plásticos, materiales de construcción, energía, todo esto se fabrica o deriva a partir del petróleo.
En primer lugar es necesario aclarar que el hidrógeno a diferencia del carbón y el petróleo no es un recurso natural, no es un recurso que se puede obtener de la naturaleza por tareas de minería o extracción como es el caso de los recursos fósiles en general.
Por siglos y a lo largo de la historia se han quemado madera, carbón, petróleo y gas natural, aunque hay que aclarar que realmente lo que se quema es el hidrógeno que contienen estos materiales, es decir, lo que no se quema termina en el aire en forma de carbón, lo cual es contaminación, por lo que se llega a la conclusión que lo mejor sería quemar el hidrógeno puro, si analizamos los materiales que a lo largo de la historia hemos estado quemando, vemos que la transición que se ha llevado de la madera, carbón, petróleo y gas natural, es una transición de quemar menos carbón y más hidrógeno, por lo que nos llevaría a que el siguiente paso lógico es empezar a quemar el hidrógeno puro.
El hidrógeno es un portador de energía, al igual que la electricidad es necesario obtenerlo a partir de otras materias primas (agua, biomasa, recursos fósiles) y para convertir esas materias en hidrógeno hay que seguir unas transformaciones en las que se consume alguna fuente de energía primaria (nuclear, renovable o fósil). En la actualidad se utiliza el hidrógeno en multitud de procesos industriales, por lo tanto se podría decir que el hidrógeno es un viejo conocido de la industria, sin embargo, su papel ha sido el de un componente más de los que intervienen estos procesos. Por lo contrario lo que está surgiendo en el momento presente se la utilización del hidrógeno como nuevo vector energético que permite un desarrollo compatible con el respecto al medio ambiente.
Por otro lado el hidrógeno ofrece a largo plazo un atractivo portador de energía. Se trata de tomar agua de la naturaleza y separarla en sus partes (hidrógeno y oxígeno) mediante electricidad de origen renovable, almacenar el hidrógeno, transportarlo, distribuirlo y, finalmente, utilizarlo siguiendo procesos térmicos convencionales (motores de combustión interna o turbosina) o electroquímicos como son las pilas de combustible, devolviendo a la naturaleza la misma cantidad de agua que previamente habíamos obtenido de ella. En conversión térmica del hidrógeno se emitirían óxidos de hidrógeno, aunque en una proporción inferior a los emitidos con los combustibles fósiles, mientras que en la utilización de pilas de combustible las emisiones serían nulas.
Hay un solo inconveniente para el hidrógeno, a diferencia de los otros materiales, el hidrógeno no se encuentra en yacimientos, se encuentra en la madera, carbón, petróleo y gas, pero sobre todo se encuentra en el agua, es decir la mejor manera de extraer el hidrógeno es del agua, hay mucha agua pero… ¿Cómo extraer el hidrógeno del agua?
Si se le aplica una corriente eléctrica al agua esta se separa en hidrógeno y Oxígeno, estos son gases y estos pueden almacenarse, y puedes invertir el proceso, mezclando oxígeno e hidrógeno en una pila de combustible obtienes agua y electricidad. pero aunque suene extremadamente sencilla hay una redundancia, para extraer el hidrógeno se sigue necesitando electricidad.
Con energías renovables, agua y utilizando como vectores energéticos el hidrógeno y la electricidad será posible atender a todos las necesidades energéticas con una emisión de contaminantes prácticamente nula, si un escenario así llega a implantarse, entonces se podría decir que se habría producido la revolución del hidrógeno y habríamos entrado a la era del hidrógeno.
En la evolución hacia un escenario futuro energético en que el hidrógeno tome importancia como opción energética es posible imaginar que se seguirán usando los demás recursos disponibles ya sean fósiles o nucleares, sin embargo por primera vez en la historia se pasara al establecimiento de un sistema de energía basado en unos recursos naturales por un lado inagotables y por otro con una distribución por el mundo más igualitaria que la que hoy tiene los combustibles fósiles.
En varios aspectos el hidrógeno es un combustible más seguro que la gasolina, aunque debemos que considerar que cualquier combustible con un alto contenido energético es un peligro por sí mismo, pero si existe algún accidente y el tanque donde se almacena el hidrógeno se rompe, el hidrógeno al ser más ligero que el aire escaparía directamente hacia arriba alejándose de sus ocupantes, algo que no ocurriría con la gasolina, esta se derramaría y si hay ignición esta envuelve al vehículo en llamas. La gasolina es inflamable, el gas es inflamable y aun así los usamos, son combustibles y arden, eso es lo que se supone que deberían de hacer, por lo que el hidrógeno no es muy diferente en ese aspecto a los demás combustibles que hoy usamos.
El ocaso del petróleo
Aunque diversos estudios dan diferentes resultados sobre las reservas disponibles y la duración de las mismas, el agotamiento de los combustibles fósiles es un hecho y mientras los científicos intentan descubrir formas de controlar eficazmente el proceso de producción de energía de la fusión, es necesario llevar a la humanidad hacia una forma de energía más seguro, duradero y no contaminante. El hidrógeno junto con la electricidad renovable como portadores de energía, ofrece esta posibilidad.
Muy pronto dejará de haber petróleo, lo bueno es que está en puerta una nueva fuente de energía, que es el hidrógeno, algunos analistas de tendencias, fabricantes de automóviles y algunos políticos del mundo declaran que se acerca el fin de la era del petróleo y hablan del hidrógeno como el principal candidato para el futuro.
La economía del hidrógeno
El objetivo primordial del hidrógeno debe de ser la repartición igualitaria de la energía en todo el mundo, todos y cada uno de los habitantes del planeta debería tener acceso a la energía gracias a las energía renovables y al hidrógeno, es decir, si los países más pobres dejan de depender del petróleo, el hidrógeno podría liberar al tercer mundo de su posición de dependencia para siempre.
Se puede decir que ha habido tres revoluciones industriales, la primera revolución industrial se dio con la unión de la imprenta con la máquina de vapor y el ferrocarril cuyo efecto multiplicador se materializó en el siglo XIX, la segunda se dio por la unión del telégrafo el teléfono y la electricidad con el petróleo y el motor de combustión interna. La tercera revolución industrial tendrá un impacto tan grande como las otras dos y vendrá con la unión de dos factores, la descentralización de las comunicaciones y la capacidad de compartir energía de manera equitativa por todo el mundo, una distribución descentralizada del hidrógeno.
La tecnología no está totalmente desarrollada, es costoso, existen muchas empresas y protagonistas comerciales que intentaran detenerlo, intereses políticos en juego, es muy complicado generar una infraestructura, etc…, cuando cambian de régimen energético se producen las revoluciones más perturbadoras de la historia, perturban las tecnologías, las infraestructuras, la política y el comercio, pero eso no tiene nada de nuevo, ya han pasado revoluciones y cambios similares y ya pasamos por la primera y por la segunda revolución industrial, ya dimos esos pasos, podremos pasar de los combustibles fósiles al hidrógeno, será muy difícil, no es un lujo o capricho, se trata de supervivencia y adaptación, del futuro que queremos para las futuras generaciones y de cómo queremos gastar nuestro dinero, ese debe de ser nuestro legado y patrimonio, abrirnos a las cosas nuevas que den posibilidades a las futuras generaciones.
Celdas de combustible
La primera celda de combustible fue construida en 1839 por sir William Grove, un juez y científico galés que demostró que la combinación de hidrógeno y oxígeno generaba electricidad además de agua y calor.
El interés de usar las celdas de combustible como un generador vino hasta comienzos de los años sesenta, cuando el programa espacial de los Estados Unidos seleccionó las celdas de combustible para proporcionar electricidad y agua las naves espaciales Gemini y Apollo. Hoy la aplicación espacial no es la única aplicación práctica ya que las celdas de combustible están en un momento en el que la tecnología le permite estar en posición de competir con las tecnologías convencionales de generación eléctrica, ofreciendo grandes ventajas sobre ellas.
Las celdas de combustible representan un desarrollo potencialmente revolucionario, ya que en lugar de utilizar combustión para generar electricidad utilizan la reacción electroquímica entre el hidrógeno del combustible y el oxígeno del aire para producir electricidad, agua y calor.
Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de una reacción directamente en energía eléctrica. Por ejemplo puede generar electricidad combinando hidrógeno y oxígeno electroquímicamente sin combustión. Estas celdas no se agota como una batería, ni necesita recarga ya que generara energía mientras se le provea de combustible.
La manera en que operan es mediante una celda electroquímica consistente en dos electrodos, un ánodo y un cátodo, separados por un electrolito. El oxígeno proveniente del aire pasa por un electrodo y el hidrógeno gas pasa sobre el otro. Cuando el hidrógeno es ionizado en el ánodo se oxida y pierde un electrón; al ocurrir esto, el hidrógeno oxidado (ahora en forma de protón) y el electrón toman diferentes caminos migrando hacia el segundo electrodo llamado cátodo. El hidrógeno lo hará a través de electrolito mientras que el electrón lo hace a través de un material conductor externo (carga). Al fin la de su camino ambos se vuelven a reunir en el cátodo donde ocurre la reacción de reducción o ganancia de electrones del oxígeno gas para formar agua junto con el hidrógeno oxidado. Así, este proceso produce agua 100% pura, corriente eléctrica y calor útil, por ejemplo energía térmica.
Las celdas de combustible son un grupo de tecnologías que usan diferentes electrolitos y operan a diferentes temperaturas, por lo que se puede hablar de celdas de combustible que operan a altas temperaturas y las que operan a baja temperatura. Otra diferencia a partir de la temperatura de operación es el uso de diferentes materiales.[4]
Referencias
- Hortal, Mario Aguer; Barrera, Ángel Luis Miranda (12 de enero de 2012). El Hidrógeno: Fundamento de un futuro equilibrado. Ediciones Díaz de Santos. ISBN 9788499690780. Consultado el 2 de diciembre de 2017.
- Mario Aguer Hortal, Ángel Luis Miranda Barrera. El hidrógeno: fundamentos de un futuro equilibrado. DIAZ DE SANTOS.
- https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/2013_htac_annual_report.pdf
- Ulises Cano Castillo. Las celdas de combustible: verdades sobre la generación de electricidad limpia y eficiente vía electroquímica.