El hidrógeno ¿Cómo convertir el combustible del futuro?

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"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).

 

Una vez obtenido y almacenado el hidrógeno deberemos convertirlo en energía térmica o eléctrica para poder utilizarlo correctamente. La conversión en energía térmica, mediante combustión, es simple ya que su alto poder calorífico asegura que el proceso se realizará de forma homogénea y estable.

Asociar un motor de combustión interna a una fuente energética basada en hidrógeno permitirá mover cualquier tipo de vehículo (motocicletas, automóviles, autobuses, barcos, etc.) con leves modificaciones en dicho motor. Ahora bien, si el objetivo es convertir la energía química del hidrógeno en energía eléctrica necesitaremos un equipo especial: La Pila de Combustible.

Una pila de combustible podemos definirla como una batería electroquímica que convierte la energía química del combustible que la alimenta en energía eléctrica. Debemos diferenciar claramente las pilas de combustible cuyo reactante se encuentra en el interior de la pila y las que el reactante se suministra desde el exterior.

Las pilas tradicionales se clasifican dentro del primer grupo. Estas pilas funcionan produciendo electricidad mediante una reacción electroquímica con el reactante que se encuentra en su interior y que no pueden ser regenerados. Estas pilas son las que se pueden adquirir en cualquier comercio para alimentar pequeños equipos electrónicos y electrodomésticos. Una variante de este primer grupo estaría constituido por pilas cuyo reactante se encuentra dentro de la propia pila pero que una vez agotada puede volver a recargarse. Podemos encontrarla en teléfonos móviles y cámaras fotográficas.

El segundo grupo de pilas se caracterizan por emplear reactantes que son suministrados desde el exterior, produciendo electricidad de forma continua. Estas son las pilas de combustible, basadas en el hidrógeno.

La mayoría de las pilas de combustible son, en realidad, una suma de pilas individuales, que reciben el nombre de células o celdas de combustible. Una célula de combustible consta de dos electrodos, ánodo (-) y cátodo (+) –ambos con cierto contenido de platino– separados por un electrolito sólido o líquido. Aunque el funcionamiento de todas las pilas de combustible responde al mismo principio fundamental, entre ellas existen notables diferencias de diseño, características de operación y potencia.

Así, se pueden encontrar desde pilas de 1W que funcionan a temperatura ambiente hasta módulos de 250 kW que operan a 1.000 ºC de temperatura. La clasificación habitual de las pilas de combustible está basada en el tipo de electrolito que utilizan, ya que éste determina características fundamentales de la pila, y, en consecuencia, sus posibles campos de aplicación.

Las pilas de combustible se contaminan con mucha facilidad si la calidad del hidrógeno no es la más alta. Además sus horas de funcionamiento son muy limitadas aun. Esto unido a su alto coste de manufactura, determina que en los próximos años la investigación de esta tecnología sea clave para conseguir pilas de combustible más robustas y económicas, permitiendo de esta forma que la economía basada en el hidrógeno sea una realidad.

El hidrógeno ¿Cómo almacenar el combustible del futuro?

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Por las propiedades físicas del hidrógeno, almacenarlo supone todo un reto, sobre todo cuando se trata de hacerlo  en contenedores pequeños como pueden ser depósitos para vehículos. Un kilo de hidrógeno genera la misma energía que casi tres de gasolina. Su poder calorífico es muy alto, entorno a los 33 kWh/kg (el petróleo tiene también un poder calorífico alto pero mucho más reducido que el del hidrógeno: 12 kWh/kg).

Sin embargo, ese kilo ocupa mucho volumen, ya que la densidad del hidrógeno es bajísima, por lo que la cantidad de energía que aporta el hidrógeno por unidad de volumen –su densidad energética– es también muy baja. Tan baja que, de utilizar hidrógeno sin "tratar", los coches serían "depósitos con ruedas". 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.

La solución a este problema se conoce desde hace décadas. Para realizar un almacenamiento de cualquier gas, con un volumen reducido, tenemos dos alternativas. La primera de ellas es incrementando la presión dentro del contenedor. La segunda es enfriando el gas. En este caso el contenedor debe estar lo suficientemente aislado del exterior para no sufrir pérdidas térmicas. En este segundo caso la presión dentro del contenedor puede igualar la presión atmosférica del exterior.

 

La industria del hidrógeno está desarrollando depósitos, de forma cilíndrica que pueden almacenar hidrógeno a grandes presiones. Depósitos de hasta 200-350 bares ya están disponibles en el mercado, aunque nuevos materiales (composites de fibras de carbono con polímeros o aluminio) permiten alcanzar presiones de hasta 700 bares, lo que implicaría un depósito de menos de 100 litros para conseguir una autonomía de 400 kms.

 

Almacenar el hidrógeno líquido, disminuyendo su temperatura hasta los 253ºC bajo cero, reduce su volumen hasta 700 veces, como contrapartida la energía necesaria para mantener esta temperatura equivale al 30-40% de la energía disponible en el hidrógeno almacenado.

 

En los últimos años se está investigando mucho en sistemas más eficientes. Hasta la fecha, las tres alternativas que más convencen son el almacenamiento del hidrógeno en hidruros metálicos,  nanotubos de carbono y nanohorns (nanocuernos) 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 aumentando ligeramente 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 lo que 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. Últimamente se están desarrollando nuevas estructuras denominadas Nanohorns.

Un gran número de estudios han explorado la posibilidad del almacenamiento de hidrógeno en materiales porosos, aunque siempre se ha tropezado con el mismo problema a la hora de utilizar los nanotubos de carbono para este fin, y es que este proceso es sólo posible a temperaturas por debajo de los -196 ºC debido a la interacción baja entre el hidrógeno y el carbono.

No obstante, según se ha descubierto, el uso de los nanohorns de carbono hace el proceso más viable en el sentido de que la interacción entre el hidrógeno y los nanohorns de carbono es más fuerte que la que aparece en el caso de los nanotubos de carbono.

Los resultados muestran que el hidrógeno interactúa de una forma más fuerte con estructuras carbonosas de este tipo que con los nanotubos de carbono tradicionales, sugiriendo que los nanohorns y las estructuras similares pueden ofrecer posibilidades significativamente mejores como un medio más ligero para las aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno.

El hidrógeno ¿Cómo producir el combustible del futuro?

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En el siglo XIX comenzó a separarse el hidrógeno y el oxígeno que forman el agua aplicando una corriente eléctrica. El proceso denominado electrólisis es una tecnología conocida y tan sencilla que forma parte de los experimentos que se realizan en las clases de química de las escuelas.

 

La electrólisis es muy límpia y produce un hidrógeno de gran pureza. Sin embargo, en la actualidad sólo se produce por este sistema el 4% de los 45 millones de toneladas de hidrógeno que se consumen en el mundo cada año. El problema es que la electrólisis requiere un aporte considerable de electricidad. Si esta electricidad no proviene de fuentes renovables el beneficio en cuanto a sostenibilidad del sistema desaparece.

 

Producir electricidad por medios renovables tiene muchas ventajas pero también algunos inconvenientes. El principal es la intermitencia en la producción de energía eléctrica. En el caso de que se utilice un sistema de electrólisis para producir hidrógeno anexo a un sistema renovable el hidrógeno producido en los momentos de funcionamiento del sistema actuará como almacén de energía que podrá ser utilizada cuando no haya sol o viento, o bien, transportado a otros emplazamientos donde las condiciones atmosféricas no sean las idóneas para producir energía eléctrica mediante fuentes renovables. De esta forma se eliminaría uno de los grandes problemas asociados a la intermitencia de la producción eléctrica mediante fuentes renovables.

 

La otra opción para producir hidrógeno, la más barata, es partir de gas natural mediante la bien conocida tecnología del reformado con vapor, que consiste en romper las moléculas de gas con vapor de agua en presencia de un catalizador. Por este motivo es el método más utilizado, casi la mitad del hidrógeno se produce de esta manera. Como, además, la utilización de gas natural es también la opción menos contaminante a partir de combustibles fósiles, este gas parece el candidato en mejor posición para liderar la producción de hidrógeno en un futuro próximo. Con este procedimiento el hidrógeno también puede obtenerse a través de propano y butano, metanol, etanol, acetona y gasificación de carbón (gasógeno).

 

A partir de estas dos formas de producción de hidrógeno se derivan multitud de variantes, aunque el principio fundamental de cada una de ellas es el aquí descrito.

 

Por lo tanto, actualmente, ninguno de los dos sistemas es viable para la producción de hidrógeno para fines energéticos. El primero de ellos por su alto coste y el segundo por el deterioro ambiental y consumo de combustibles fósiles que hace que el sistema no sea sostenible.

 

Trabajar en disminuir los costes de producción de hidrógeno por fuentes renovables es clave para resolver el primer de los grandes problemas que un sistema energético basado en el hidrógeno tiene.

 

Los tres grandes problemas del hidrógeno

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Mucho se ha hablado del nuevo modelo energético que vendrá liderado por el hidrógeno como vector energético. Este nuevo modelo permitirá liberarnos de una vez por todas de los combustibles fósiles y posibilitará un crecimiento económico sin límites durante los próximos siglos.

Si esto es así. ¿Por qué no termina de materializarse este nuevo orden energético mundial?¿Por qué siempre que se habla de la energía del hidrógeno se dice que será el futuro pero que hoy aun no está lo suficientemente madura para competir con las fuentes energéticas tradicionales?

 

Durante las próximas tres entradas de este blog intentaremos dar respuesta a estas preguntas.

 

Para empezar diremos que los problemas más importantes que hoy en día tiene la energía basada en el hidrógeno, que deberá de solucionar antes de poder competir con las fuentes energéticas tradicionales, son fundamentalmente tres. El primero de ellos es la producción del propio hidrógeno. El segundo es el almacenamiento del mismo y el tercero es la transformación de la energía química del hidrógeno en energía térmica o eléctrica.

El hidrógeno es el elemento más abundante del universo. Un 75% de todo el universo, incluido el planeta Tierra y nosotros mismos, está compuesto de hidrógeno. Pero el gran inconveniente es que este hidrógeno no se encuentra libre en la naturaleza, como está el carbón, el petróleo o el gas. Hay que "extraerlo" de compuestos más complejos.

 

En el mundo se producen cada año alrededor de 45 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 de la producción se emplea para elaborar fertilizantes basados en amoníaco.
 

También se utiliza hidrógeno en la fabricación de metanol y el agua oxigenada, así como para "hidrogenar" los aceites orgánicos comestibles derivados de la soja, los cacahuetes, los cereales y el pescado, además de para refrigerar motores y generadores.

 

Quien mejor conoce al hidrógeno es la industria petroquímica, que lleva años utilizándolo como materia prima de una amplia gama de productos derivados del petróleo y para reducir la cantidad de partículas, aromáticos y azufre presentes en la gasolina y el gasóleo.

Podemos encontrar hidrógeno en el petróleo, la madera, el gas natural, pero sobretodo en el agua. Dependiendo de donde vayamos a extraer el hidrógeno deberemos realizar un proceso u otro. Si se encuentra en el agua realizaremos una electrólisis para separar las moléculas de hidrógeno y oxígeno que forma el agua. Si queremos extraer el hidrógeno que forma parte de las cadenas de hidrocarburos utilizaremos un sistema denominado "reformado con vapor" (actualmente el proceso más barato, más utilizado y menos ecológico de todos). Por último, la utilización de energías renovables para la obtención de hidrógeno será la última opción posible, muy ecológica pero menos rentable en el corto plazo.

Durante el siguiente post analizaremos estas formas de producción de hidrógeno, estudiando cada ventaja e inconveniente de los distintos procesos. En los siguientes analizaremos los aspectos relacionados con su almacenamiento y conversión energética.

La eficiencia energética que España no quiere

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En estos días en los que abundan los buenos deseos y las promesas y esperanzas de prosperidad, nos encontramos con un incumplimiento más, el enésimo, por parte del gobierno de España.

La anunciada publicación del Real Decreto por el que se regulará el programa de eficiencia energética aprobado mediante Directiva Comunitaria 2012/27/UE (conocida como la del ahorro del 20% del consumo energético en 2020) y que debía de haberse traspuesto al ordenamiento interno español, resulta que no sólo no se ha publicado, sino que nadie sabe a ciencia cierta cuando se realizará la trasposición de la misma.

Aunque esto no debería extrañarnos mucho porque España, junto a Portugal, han sido los dos únicos países que se han mostrado en contra de esta Directiva no votándola. Se arguye que en España estamos muy avanzados en materia de eficiencia energética y que todo lo que teníamos que hacer antes de 2020 en este sector, ya está hecho.

El sector de la eficiencia energética es uno de los más pujantes en todos los países de la Unión Europea e incluso, fuera de las fronteras comunitarias, se están produciendo grandes inversiones relacionadas con el ahorro energético, también en países en vías de desarrollo.

En una situación económica, como la actual, no deben descartarse ninguna posibilidad de generación de empleo y riqueza, máxime cuando estos desarrollos contribuyen ha disminuir el consumo de combustibles fósiles que son una carga económica trascendental para nuestra balanza de pagos.

En vez de eso, se sube el recibo de la luz, el precio de los combustibles y de los transportes públicos. Queda de manifiesto que los grandes lobbies energéticos ejercen mucha no, muchísima, presión al gobierno para que no posibilite la entrada en el mercado de nuevas empresas que hagan perder a las grandes compañías cuotas de mercado.

La trasposición de distintas Directivas que hemos ido recogiendo en este blog, todas paradas por el gobierno, hubiera permitido la entrada en vigor de las certificaciones energéticas en edificios, del autoconsumo y del balance eléctrico neto, permitiendo la creación de empleo que impulsaría la economía hacia el crecimiento sostenible. Ahora tendremos que seguir esperando mientras la Unión Europea nos sanciona una vez más por incumplimiento normativo.