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Hidrógeno

Hidrógeno

Es el carburante de las estrellas. Pero también un combustible con una gran densidad energética, que puede no producir emisiones y es capaz de ayudarnos con el desafío energético de nuestro planeta. Tiene un solo problema: producirlo no es tan fácil. Sin embargo, el desarrollo de las tecnologías para obtenerlo de manera no contaminante, con la ayuda de las fuentes renovables, abre las puertas a un nuevo futuro.

¿Qué es?

La energía del universo

Entre los diferentes elementos que componen la materia el hidrógeno es el más liviano y el más abundante. Constituye casi el 90% de la masa visible del universo, en su mayoría en forma gaseosa, constituida por una simple molécula de dos átomos (H2) que, en una atmósfera rica en oxígeno como la atmósfera terrestre, arde de manera similar al metano. De hecho, entre los combustibles convencionales, es el que cuenta con el mayor contenido de energía por unidad de peso, tres veces mayor que el de la gasolina.

Pero el hidrógeno también es el propulsor a partir del cual se producen las reacciones de fusión nuclear con las que arden las estrellas. Por tanto, es desde este elemento extraordinario donde se origina la energía renovable que la Tierra recibe cada día del Sol. Además, utilizado en las celdas de combustible, se combina con el oxígeno para producir energía eléctrica y agua. Por todas estas características, ponemos nuestra esperanza en que el hidrógeno pueda brindarnos, de forma sostenible y no contaminante, la energía que necesitamos para la calefacción, para los electrodomésticos de nuestras viviendas y para la industria. En particular, puede desempeñar un papel decisivo en la descarbonización de las industrias de alta densidad energética, como la industria siderúrgica o la química.

El hidrógeno verde

Solo verde es realmente ecológico

Solo hay un problema. Aunque es el elemento más abundante en el universo, el hidrógeno elemental no existe en la naturaleza. Solamente es posible encontrarlo enlazado con otros elementos, como por ejemplo en el agua (molécula de hidrógeno y oxígeno) o en los hidrocarburos (cadenas de hidrógeno y oxígeno). Para separarlo del resto de los elementos con los que se encuentra en la Tierra es necesario “extraerlo” suministrando energía para favorecer el proceso de separación, con costes económicos y a menudo influyendo negativamente en el medioambiente.

Ya que el hidrógeno elemental no se encuentra en la naturaleza y que para producirlo hace falta otro tipo de energía, se le considera más un vector energético que una fuente de energía, como lo son, en cambio, la energía solar y la eólica.

Solamente el llamado “hidrógeno verde”, que se obtiene al separarlo del agua a través de un proceso de electrólisis alimentado con energía renovable, tiene realmente un impacto cero, sin producción de emisiones contaminantes y sin consumir valiosos recursos naturales. Desde hace tiempo la comunidad científica y tecnológica está comprometida en hacer más fácil y conveniente la producción de hidrógeno verde y, gracias al enorme progreso realizado en los últimos años, el objetivo ya parece estar al alcance de la mano. Es por eso que muchos expertos opinan que se aproxima una nueva era energética dominada por el hidrógeno, que seguirá a la del petróleo, destinada a acabarse. 

Historia

De los laboratorios de los alquimistas a las naves espaciales

Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim, astrónomo y alquimista suizo, trabajando metales con ácidos fuertes en su laboratorio, realiza el primer experimento para extraer hidrógeno en forma de gas (H2).

El químico británico Robert Boyle repite el experimento de Paracelso y se da cuenta de que el gas producido es inflamable. Lo llamó “solución inflamable de hierro”.

El químico francés Antoine Lavoisier le dio al gas ya descubierto por Paracelso y Boyle el nombre de hidrógeno, demostrando así que la combustión del gas generaba agua.

Los estudiosos Jan Rudolph Deiman y Adriaan Paets van Troostwijk consiguen por primera vez descomponer el agua generando unas chispas con la ayuda de unos hilos de oro.

Los químicos William Nicholson y Johann Wilhelm Ritter realizan el primer experimento diseñado para obtener la electrólisis del agua, o sea la separación de hidrógeno y oxígeno a través de la electricidad.

El físico y químico británico Michael Faraday publica las dos leyes de la electrólisis, más conocidas como Leyes de Faraday.

Sir William Grove, juez y físico galés, inventa la celda de combustible, un dispositivo electroquímico capaz de convertir la energía química de un combustible como el hidrógeno y un oxidante como el oxígeno en energía eléctrica.

El inventor francés Jean-Joseph Étienne Lenoir crea el Hippomobile, un carro con un propulsor de dos tiempos alimentado con una mezcla de gas hidrógeno extraído del agua por electrólisis.

August Wilhelm von Hoffmann inventa el voltámetro de Hoffmann, un aparato que efectúa la electrólisis del agua y mide las cantidades de hidrógeno y oxígeno emitidas en el proceso.

Zygmunt Florenty Wroblewsky, físico y químico polaco, descubre que la temperatura crítica del hidrógeno corresponde a 33 Kelvin (-252,87°C), es decir aquella por debajo de la cual el elemento se presenta en forma líquida y no gaseosa. 

El físico e ingeniero ruso Dmitry Lachinov desarrolla un método para obtener la electrólisis del agua también en ámbito industrial.

Carl Bosch lanza la comercialización del método patentado por su compañero Fritz Haber, luego llamado proceso Haber-Bosch.

La sociedad estadounidense Standard Oil pone en marcha las tres primeras plantas para el reformado por vapor, el proceso a través del cual se obtiene hidrógeno del metano.

La sociedad eléctrica Norsk Hydro transforma un camión equipándolo con un reformador que extrae hidrógeno del amoníaco utilizado para la combustión interna.

Se perfecciona la técnica de almacenamiento del hidrógeno líquido a baja temperatura en el ámbito del proyecto estadounidense para el desarrollo de la bomba de hidrógeno.

El hidrógeno líquido se utiliza como propulsor para las últimas etapas de los cohetes Centaur y Saturn, desarrollados por la Nasa.

La Nasa equipa la cápsula espacial de la segunda misión Gemini con una celda de combustible de hidrógeno y oxígeno, con la potencia de 1 kW, capaz también de producir agua potable para los astronautas.

Roger Billings convierte una furgoneta Ford Modelo A en un vehículo a hidrógeno, transformando su motor de combustión interna.

General Motors produce la furgoneta GM Electrovan, la primera de celdas de combustible diseñada para el mercado. Posteriormente, el proyecto fue archivado por sus costes demasiado elevados.

Honda lanza el Honda FCX, el primer coche con celdas de combustible destinado a la producción industrial, resultado de un proyecto comenzado en los años 90.

La sociedad británica AFC Energy presenta la primera celda de combustible de hidrógeno destinada a recargar vehículos eléctricos.

Cómo se produce

La electroquímica encuentra las energías renovables

En la actualidad un 95% del hidrógeno utilizado en la Tierra, sobre todo para uso industrial, se obtiene a través del reformado del metano o la gasificación del carbón, con procesos que generan cantidades considerables de emisiones de gas carbónico y que además son, actualmente, los más económicos a disposición. Existen también otras formas de extraer el hidrógeno, por ejemplo a través de procesos termoquímicos y, principalmente, mediante electrólisis del agua. Se trata de sistemas llamados electrolizadores que requieren cierto aporte de energía eléctrica y, por lo tanto, para llegar a ser realmente sostenibles, tendrían que alimentarse con fuentes renovables como la energía eólica o fotovoltaica.

De momento, las plantas de producción de hidrógeno verde a gran escala todavía no son competitivas con respecto a las plantas tradicionales desde el punto de vista económico, sin embargo la esperada reducción del coste de los electrolizadores, la enorme mejora de la eficiencia de las celdas fotovoltaicas y los generadores eólicos y la consiguiente disminución del coste del kWh de fuentes renovables están cambiando rápidamente el escenario.

¿Cómo funciona entonces una planta de este tipo? Su corazón es el electrolizador, o celda electrolítica, donde se produce la separación del agua en sus elementos constitutivos, hidrógeno y oxígeno. El agua se pone en contacto con dos electrodos, un ánodo de carga positiva y un cátodo de carga negativa. La corriente eléctrica disocia las moléculas en iones hidrógeno H+ e iones hidróxido OH-. En el cátodo, los iones hidrógeno adquieren electrones en una reacción de reducción y se convierten en hidrógeno gaseoso. En el ánodo, los iones hidróxido ceden electrones en una reducción de oxidación, determinando la formación de oxígeno.

Si la celda electrolítica se encuentra cerca de una planta de fuentes renovables, una parte de la producción de electricidad, por ejemplo la parte excedente respecto a la capacidad de transporte de la red, puede ser aprovechada para alimentarla. Así, con el hidrógeno producido se realiza un

“almacenamiento químico” que puede utilizarse posteriormente, cuando haga falta, como materia prima en el proceso de producción del acero o como combustible para facilitar calor a alta temperatura. 

Ventajas

Es supereficiente y no produce emisiones

  • El hidrógeno es el carburante con mayor densidad energética: 1 kg contiene la misma energía que 2,4 kg de metano o que 2,8 kg de gasolina.
  • Por la facilidad con la que la energía eléctrica puede convertirse en hidrógeno, representa el vector energético más eficiente a nuestra disposición para almacenar posibles excedentes de producción de electricidad de fuentes renovables.
  • Otra característica importante del hidrógeno es la alta eficiencia de conversión. En un vehículo a hidrógeno con celdas de combustible, hasta el 60% de la energía química del hidrógeno se convierte en energía motriz para el vehículo, mientras que el rendimiento mecánico de los motores térmicos, como los de gasolina o gasóleo, fluctúa entre el 20% y el 35%.
  • El hidrógeno es muy utilizado en la industria y fácil de almacenar y transportar, por ejemplo en conductos como los que se emplean para el gas.
  • El hidrógeno es el único combustible que, comoquiera que se utilice, tanto en motores térmicos como en celdas de combustible, no produce emisiones contaminantes sino solamente agua.
¿Sabías que?

¿Gasoductos de hidrógeno? Sí, pero con inteligencia

Hace poco se ha planteado la idea de ampliar la distribución del hidrógeno utilizando los conductos que se utilizan para el gas en las ciudades. La idea consiste en mezclar el hidrógeno con el metano y así producir una mezcla que también podría utilizarse en las viviendas para la calefacción o la cocina.

Sin embargo, una solución de este tipo plantea dos problemas: de esta forma se reducirían solo en parte las emisiones contaminantes que produce la combustión del metano (al ocupar el 10% del espacio de la tubería con hidrógeno, las emisiones se solo se reducirían aproximadamente en un 1%), perdiendo así muchas de las ventajas del hidrógeno. Además, podrían plantearse problemas de seguridad, dependiendo de la efectiva capacidad de controlar la composición exacta de la mezcla de gases en todos los tramos de la red.

Una solución más eficaz para ampliar la distribución del hidrógeno podría llevarse a cabo, inicialmente, utilizando conductos cortos para conectar las plantas de producción de hidrógeno verde a los consumidores finales que viven en las cercanías de la planta y que podrían aprovechar todas las ventajas de este fenomenal vector energético para poner en marcha un fuerte proceso de descarbonización. Así, una vez conseguida una reducción considerable de la demanda de gas, podríamos plantearnos la idea de ampliar estas “islas” de distribución iniciales a un número más elevado de usuarios, tanto industriales como residenciales.

Fuentes: para los datos iniciales sobre el hidrógeno
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032119308275

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