Hidrógeno: la vida oculta de la molécula de agua
“Para que nuestros ríos lleguen sanos al mar“
El Agua
El agua se perfila como la materia prima para obtener de forma limpia el hidrógeno, un gas que indudablemente va a jugar un papel clave en el complicado y largo camino hacia la drástica reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. Agua y energía forman un binomio indivisible, y con el hidrógeno esta unión se fortalece. H2O adquiere una nueva perspectiva para la salud y prosperidad del planeta.
El hidrógeno juega un papel decisivo en la transición energética hacia una economía 100 % verde.© Anant Chandra -unsplash.
En 1875, en su popular novela La isla misteriosa, Julio Verne escribió:
- ¿Y qué se quemará en vez de carbón?
- ¡Agua! -respondió Cyrus Smith.
Sí, amigos míos, creo que el agua se usará un día como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizados aislada y simultáneamente, producirán una fuente de calor y de luz inagotable y de una intensidad mucho mayor que la de la hulla. Un día el pañol de los vapores y el ténder de las locomotoras en vez de carbón se cargarán de esos dos gases comprimidos, que arderán en los hornos con un enorme poder calorífico. No hay que temer, pues, mientras esta tierra esté habitada, suministrará elementos para satisfacer las necesidades de sus habitantes, los cuales no carecerán jamás de luz ni de calor, como tampoco de las producciones de los reinos vegetal, mineral y animal. Creo que, cuando estén agotados los yacimientos de hulla, se producirá el calor con agua. El agua es el carbón del porvenir.
Casi 150 años más tarde, se está confirmando de algún modo la profecía del visionario novelista. La reacción del hidrógeno (H2) y el oxígeno (O2) para crear agua (H2O) es una fuente de electricidad limpia cuya aplicación va a más día a día. Lo que Verne no adelantó es que el proceso inverso de descomposición del agua se plantearía como la forma más limpia para la obtención del propio hidrógeno. Un ciclo completo que empieza y acaba en el agua, y que, como veremos, constituye una importante baza para alcanzar los objetivos de reducción de gases de efecto invernadero (GEI), el eje de la lucha contra el calentamiento global.
Una gran fuente de energía oculta y volátil
El hidrógeno verde se plantea como un almacén de energía complementario para renovables, idóneo para alcanzar los procesos “cero emisiones”. © Casey Horner-unsplash.
El hidrógenoes un gas incoloro e inodoro que constituye el elemento más abundante en el universo. El 75 % de la materia visible es hidrógeno, pero en la Tierra es difícil encontrarlo en estado libre en su fórmula molecular - H2 - ya que es extremadamente ligero y volátil, por lo que escapa con facilidad a la gravedad terrestre dispersándose en el espacio interplanetario. Sin embargo, como compuesto, está presente en cantidades incalculables en los hidrocarburos y, sobre todo, en el agua, donde el químico Antoine Lavoisier fue el primero en identificarlo y darle el nombre de “hidrógeno” del latín hydrogenium, “generador de agua”. Lavoisier enunció la más conocida y vital fórmula química: H2O. Actualmente, la energía generada en esta unión con el oxígeno confiere al hidrógeno un papel decisivo en la transición energética hacia una economía 100 % verde. Veremos por qué.
En primer lugar, es necesario revisar los tres tipos de hidrógeno existentes en nuestro sistema económico en función de la sostenibilidad del método usado para obtenerlo:
Hidrógeno gris. Es el obtenido de los hidrocarburos en las propias refinerías o del carbón. Es el método tradicional empleado hasta ahora en muchos procesos industriales y genera GEI, por lo que no es sostenible, y se encuentra entre los objetivos a reducir y eliminar en la lucha contra el calentamiento global.
Hidrógeno azul. Se obtiene del metano (CH4). También se le denomina “bajo en carbono” pues su producción se basa en tecnologías de captura y almacenamiento del CO2 que el proceso genera como residuo. Se plantea como una fuente de energía útil para la transición energética hacia las “cero emisiones”.
Hidrógeno verde. Como se ha mencionado, el hidrógeno se puede obtener por electrólisis del agua, aplicando electricidad a un ánodo y un cátodo, un experimento habitual en las clases escolares de ciencias. Si la electricidad que se aplica proviene de fuentes renovables, obtenemos un proceso 100 % limpio y a este hidrógeno se le denomina “verde”.
El hidrógeno gris se obtiene mediante procesos industriales que generan gases de efecto invernadero.© Veeterzy-unsplash.
¿Por qué es una fuente de energía?
La energía que puede proporcionar el hidrógeno proviene de su reacción con el oxígeno. Esta reacción se puede dar de dos maneras. La primera es una combustión similar a la de los actuales combustibles fósiles, pero que, a diferencia de éstos, la obtención de la energía da como residuo sólo agua. Esta reacción de combustión la ha venido usando, por ejemplo, la NASA en los viajes a la Luna para propulsar las fases de los cohetes que colocaban a los astronautas en órbita y los lanzaban hacia el satélite.
La segunda forma de obtener energía de la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno es la que se desencadena en la denominada “pila de combustible”, un dispositivo en el que se obtiene electricidad y, del mismo modo, como único residuo el agua.Es decir, un proceso inverso al de la electrólisis. De este modo, si utilizamos hidrógeno verde para reaccionar con el oxígeno en una pila de combustible, obtenemos un método de generación de energía totalmente limpio.
La historia de la pila de combustible se remonta a 1843, cuando el físico y jurista galés Sir William Grove publicó un estudio sobre baterías gaseosas, que fue probablemente la fuente de inspiración de Julio Verne para narrar el discurso del ingeniero Cyrus Smith.
También la pila de combustible se hizo famosa en la astronáutica al constituir una fuente de electricidad en los viajes espaciales. En estos casos, el agua resultante se usaba tanto para beber como para refrigerar los sistemas de las naves.
Un almacén muy valioso para la energía solar y eólica
Cuando las placas solares y los molinos de viento producen energía en exceso de la que se está demandando, en lugar de detener la producción, la electricidad se puede derivar a producir hidrógeno por electrólisis. © American Public Power Association-unsplash.
Pero quizá el valor más importante del hidrógeno radica en su capacidad para constituir un almacén de energía. El hidrógeno puede almacenarse en estado gaseoso o líquido y distribuirse a través de cisternas o incluso gasoductos. Esto lo hace especialmente valioso como complemento de las energías renovables, especialmente de la solar y la eólica, para lograr los procesos de cero emisiones.
El problema de estas energías es que su generación depende de variables meteorológicas y astronómicas. En función de la existencia de viento y de su velocidad, los molinos generan más o menos energía o no giran. Si está nublado o hay polvo en suspensión en el aire, las placas fotovoltaicas generan menos electricidad, y ninguna si es de noche. Esto es la causa de que el rendimiento de estas energías renovables sea intermitente y no pueda en muchas ocasiones satisfacer la demanda. Es decir, en términos económicos, se produce la indivisibilidad producción-consumo: las fuentes de energía no puedan garantizar una determinada producción en un determinado momento, sólo se puede consumir cuando se está generando la energía.
Por ello, cómo almacenar la energía renovable, para disponer de ella cuando no se está produciendo, es uno de los principales objetivos tecnológicos de los últimos años. El diseño y la fabricación de baterías de iones de litio - el sistema vigente de almacenaje - han evolucionado mucho, pero el coste, la propia huella de carbono e hídrica de su fabricación, y su obsolescencia en el tiempo hacen que la solución no quede resuelta desde la perspectiva medioambiental.
Y aquí es donde interviene el hidrógeno. Cuando las placas solares y los molinos de viento producen energía en exceso de la que se está demandando, en lugar de detener la producción, la electricidad se puede derivar a producir hidrógeno por electrólisis, en los denominados “electrolizadores”. Este hidrógeno, convenientemente almacenado se puede volver a transformar en electricidad en pilas de combustible cuando convenga. Y esto es lo que hace al hidrógeno tan valioso como posible complemento a las energías solar y eólica.
El camino hacia la rentabilidad
Este sistema aún no está plenamente desarrollado, y genera dudas que se basan en su rentabilidad económica. Según la Agencia Internacional de la Energía, el pasado diciembre, el coste de producción del hidrógeno verde oscilaba en torno a 3,5 - 5 €/kg. Como que cada kilogramo contiene unos 33,3 kWh, esto supone 0,10 €/kWh - 0,15 €/kWh de energía. Sin embargo, en la actualidad la mayoría de los expertos estiman que en los próximos 10 años los costes de producción de hidrógeno verde, descenderán en un 70 %, o incluso más, si los precios de la electricidad procedente de fuentes renovables siguen disminuyendo como también se prevé.
Según un estudio realizado por la Universidad de Stanford y la Universidad Técnica de Múnich, la producción de hidrógeno verde sería claramente rentable si se pudiese almacenar todo el exceso de energía renovable que no se consume.En este sentido, la generación de hidrógeno representaría el elemento regulador del equilibrio en el precio del mercado eléctrico. Si hubiera mucha producción de energía renovable, el precio mínimo del mercado lo indicaría el valor a partir del cual sería más rentable utilizar la electricidad para producir hidrógeno. Una caída del precio llevaría a aumentar la producción de hidrógeno, lo que provocaría a un incremento en la demanda y así se equilibraría el mercado.
Un factor clave para el planeta
El hidrógeno para la automoción se podría distribuir en estaciones de servicio como las actuales de gasolina y gasoil e incluso fabricarse en el domicilio de los usuarios. © Toshihiro Gamo.
En la actualidad, el uso del hidrógeno azul se plantea como un vehículo adecuado en la transición energética del mundo industrializado hacia la neutralidad energética, pues está apoyado por buena parte de la gobernanza que proporciona incentivos para su desarrollo. Pero para alcanzar los plenos objetivos de cero emisiones, el uso del hidrógeno verde debe generalizarse y avanzar para convertirse en el combustible del futuro. El sector del transporte es probablemente el área donde el hidrógeno tiene un campo de aplicación más atractivo, en base a los ya existentes automóviles eléctricos con célula de combustible de hidrógeno (FCEV). El hidrógeno para la automoción se podría distribuir en estaciones de servicio como las actuales de gasolina y gasoil e incluso fabricarse en el domicilio de los usuarios, como ya han propuesto algunas compañías automovilísticas y se vislumbra en varios proyectos apoyados por la Unión Europea.
Con la generación del hidrógeno y su uso energético, el nexo agua-energía adquiere una nueva dimensión: el agua es generadora de hidrógeno y al mismo tiempo resultado de la energía obtenida de ésta. Una generosidad de su naturaleza molecular que abre perspectiva esperanzadora para un planeta sostenible.
Fuente:
Marzo, 2021