En la búsqueda de nuevas fuentes de energía, renovables y no contaminantes, se está valorando como una de las más modernas, eficaces y menos contaminantes, la utilización de hidrógeno. Vamos a ver las posibilidades que tiene el hidrógeno para convertirse en el combustible del futuro.
El hidrógeno es el elemento químico de menor peso atómico y, por lo tanto, el número uno de la tabla periódica. En condiciones normales, los átomos de hidrógeno se encuentran en pareja, es decir, en forma de gas diatómico H2. Además, es el elemento más abundante en la naturaleza.
Su gran capacidad como combustible se basa en que, al reaccionar con el oxígeno -combustión- libera una gran cantidad de energía y generando como único residuo agua (H2O), según la reacción:
2 H2(g) + O2(g) ——-> 2 H2O(g)
La combustión de cada gramo de hidrógeno genera 34,02 kilocalorías, mientras que la combustión de un gramo de gasolina, proporciona 8,36 kilocalorías. La relación energía producida/peso del combustible para el hidrógeno, es muy superior a la de cualquier otro combustible. Por eso, podemos suponer, en principio, que es el combustible ideal, pero la naturaleza nunca pone las cosas tan fáciles.
Producción de hidrógeno
El hidrógeno no es una fuente de energía porque no se puede extraer como otro tipo de combustibles, sino que hay que hay que producirlo, por lo que se le denomina “vector energético”.
Hay varios métodos que permiten producir hidrógeno:
- Descomposición de la molécula de agua aplicando energía eléctrica, “electrolisis”
Parece que Julio Verne tenía razón en “La isla misteriosa”, publicada en 1874, cuando decía: “El agua será el carbón del futuro”. Y es que, producir hidrógeno en teoría es tan sencillo como aplicar energía al agua, tal y como indica la siguiente reacción:
Energía Eléctrica + 2H₂O → 2 H2 + O2
Pero, desgraciadamente, la cantidad de energía necesaria para generar H2 es mayor que la energía liberada en su combustión.
Por eso, desde el punto de vista energético, solo sería rentable producir hidrógeno como combustible utilizando energías renovables, o aprovechando excedentes de energía eléctrica en momentos de bajo consumo. Este sistema podría ser un método para conseguir el reto muchas veces perseguido de “almacenar” energía eléctrica.
- Reformado a partir de gas natural
El componente principal del gas natural es el metano -CH4-. Si el metano reacciona con vapor de agua a altas temperaturas (700–1100 °C), produce H2, a costes aceptables. Sin embargo, como principal inconveniente encontramos la producción de CO2 y CO como productos secundarios de la reacción, es decir, gases de efecto invernadero que no son bien recibidos.
- Por fermentaciónde materia orgánica mediante bacterias.
Determinados tipos de algas producen hidrógeno bajo ciertas condiciones. Al final de la década de 1990 se descubrió que si las algas eran privadas de azufre, dejaban de producir oxígeno en la fotosíntesis, y, a cambio, producían hidrógeno.
Almacenamiento
El hidrógeno, en comparación con los hidrocarburos líquidos, como la gasolina, el gasóleo o como los gases combustibles (butano, propano, etc.) es mucho más difícil de almacenar, ya que tiene una densidad mucho más baja y requiere de un tanque más grande para almacenar la misma cantidad de peso. La solución es utilizar hidrógeno comprimido a altas presiones, del orden de 500 bares, lo que requiere un consumo de energía adicional y, por tanto, un aumento del coste del producto.
El hidrógeno, también se puede almacenar en forma líquida, como ocurre en los cohetes espaciales. Sin embargo, para conseguir hidrógeno líquido, es necesario mantenerlo a temperaturas del orden de -253°C, por lo que los tanques de almacenamiento requieren sistemas complejos de aislamiento térmico, lo que hace inviable económicamente su utilización.
Generación de energía mediante hidrógeno
Cohetes propulsados por H2
La enorme cantidad de energía que requiere el lanzamiento de un cohete espacial se genera por combustión de hidrógeno y oxígeno puros contenidos en forma líquida en los dos grandes depósitos laterales que se aprecian en la imagen.
En este tipo de lanzamientos los costos son enormes, pero normalmente en las misiones espaciales no se tienen en cuenta, por lo que es posible utilizar esta tecnología.
Motores de combustión interna
En principio es posible, con las modificaciones necesarias, hacer funcionar un motor de gasolina utilizando hidrógeno como combustible y el oxígeno del aire. Sin embargo, esta tecnología se ha desechado, sobre todo por la alta peligrosidad que representa la mezcla directa de ambos gases y porque el nitrógeno contenido en el aire -78%-, produce óxidos de nitrógeno –Nox-, que son agentes contaminantes.
El hidrógeno es altamente explosivo en contacto con el aire, basta con recordar el famoso desastre del dirigible Hindenburg ocurrido en New Jersey, el 6 de mayo de 1937, que navegaba gracias a la menor densidad del hidrógeno con respecto al aire.
Celda o pila de combustible de hidrógeno
La solución actual a la generación de energía a partir de hidrógeno, pasa por el desarrollo de la celda o pila de combustible.
Fue descubierta por William R. Groove en 1848, perfeccionada por Rayleig en 1881 y convertida por la NASA, a mediados del siglo pasado, en un dispositivo para proporcionar energía a los astronautas a partir del oxígeno y el hidrógeno contenido en los tanques de combustible.
Es un dispositivo complejo que permite obtener energía eléctrica mediante la reacción de hidrógeno y oxígeno. No es una reacción de combustión convencional, en la que solo se produce calor. ¿Dónde está la novedad? Vamos a explicarlo de forma muy simplificada. En este proceso que se denomina electrólisis inversa, el hidrógeno reacciona con el oxígeno, se oxida, y pierde electrones. Precisamente el movimiento de estos electrones es lo que produce la corriente eléctrica.
2H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l). 1,23 eV
Para que esta reacción tenga lugar de esta forma y no como combustión y genere rendimientos adecuados, es necesario utilizar catalizadores de alta tecnología, que cada fabricante mantiene bajo alto secreto.
Mediante agrupaciones de múltiples celdas, se pueden conseguir voltajes utilizables, en motores eléctricos de coches, camiones, trenes, etc.
Vehículos que utilizan hidrógeno como combustible
Los vehículos de hidrógeno se consideran vehículos eléctricos, ya que producen la electricidad por sí mismos mediante una celda de combustible.
Con la tecnología actual ya existen varios modelos comerciales a precios comparables a los equivalentes eléctricos recargables.
El más avanzado es el “Hyundai Nexo”, con el que se demuestra la madurez técnica y la viabilidad práctica de esta solución. Se trata de un coche de alta gama, con una potencia de 163 CV y una autonomía de cerca de 700 km. El precio en España es de 68.000 €, un precio algo inferior al de los eléctricos de similares prestaciones. El consumo medio, es inferior a 1 kg. de hidrógeno cada 100 km. El kg. de hidrógeno cuesta actualmente 7 €, pero se espera que cuando se desarrolle el mercado el coste baje considerablemente. En los Juegos Olímpicos de Japón, previstos para 2021, los organizadores tienen planeado que todo el transporte se realice con hidrógeno, a un coste máximo de 4 €.
Toyota tiene previsto producir 30.000 vehículos de hidrógeno anuales a partir de 2020 y para 2030, Hyundai pretende fabricar 700.000 coches movidos por hidrógeno al año.
Esta tecnología, es prometedora también en vehículos industriales, camiones, autobuses y trenes. La empresa Alstom, ha llevado a cabo recientemente en los Países Bajos pruebas de un tren movido por hidrógeno como combustible, con tecnología de celda de combustible, con rotundo éxito.
El mayor inconveniente de los vehículos de hidrógeno, en este momento, son las escasas opciones de repostaje. Alemania cuenta con 77 puntos de repostaje de hidrógeno y otros 45 en marcha. En Francia, el ministerio de Transición Ecológica y Solidaria, el 1 de junio de 2019 destinó 100 millones de euros para poner en marcha 1.000 estaciones de repostaje, y para ayudar a la introducción de hasta 50.000 vehículos en los próximos 10 años.
En España, por el momento, existen ocho puntos de repostaje operativos, denominados “hidrogeneras”.
En un futuro, muy próximo, sabremos si la utilización del hidrógeno, es la solución o una de las soluciones, para sustituir las fuentes de energía actuales por otras renovables y no contaminantes, si es así, estaremos de enhorabuena.
Alfredo Negro Albañil. Doctor en Química. Profesor e investigador, durante 35 años en las Facultades de Veterinaria y Biología de la Universidad de León. Actualmente está jubilado y dedica parte de su tiempo a la divulgación científica en conferencias, prensa y otros medios.
Buenas
Muy interesante. Se puede mencionar también la producción de biohidrógeno fotosintético.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1389556710000390
Unas consideraciones sobre unidades y datos. En el tercer parrafo los valores deben ser kilocalorias. Tanto para la combustión de hidrógeno como gasolina. El valor de combustión de gasolina es más próximo a 11 kcal/g que 8,36 kcal/g.
https://www.thermalfluidscentral.org/encyclopedia/index.php/Heat_of_Combustion
Muchas gracias Nacho por tus comentarios.
Respecto al tema de unidades, estoy de acuerdo, tomo nota.
A largo plazo deberá haber hidrogeneras, porque los camiones lo necesitarán. Y si las hay, los coches eléctricos podrían ser complementados con una pequeña pila de combustible, o sea, autonomía extendida de hidrógeno. No es razonable que el coche lleve a todas partes una pesadísima batería para atender un pico que solo va a usar una docena de días en todo el año. Es mucho mejor dotarle de ligera pila de combustible que atienda ese pico de kilometraje. Puede ser 200 km batería +300 km pila o, a la inversa, 200 km. batería + 300 km. pila
Perdón: 2…a la inversa, 300 km. batería + 200 km. pila9
La mejor manera es la autoproduccion por electrólisis me aceptaron en la universidad por un experimento que sacaba más de 2l por minuto con 5w… Y es mejorable pero claro no interesa y lleva inventado más de 100años todos los que intentaron patentarolo o ponerlo a disposición ala humanidad fue matado! Así que lo que nos van a proporcionar va ser algo que se paga y muy carro por qué no interesa.. también usando unos minerales como el boro b5 se produce de manera totalmente libre de cualquier energía… Pero claro todas las minas de boro pertenecen a NASA es muy simple conseguir una celda de electrólisis con bajo consumo y alta producción es decir efectiva u que puede instalarse en un motor que se autoalimenta!… Por ejemplo a 5v DC a una distancia entre celdas de 1.7-2.3mm y según el amperaje y el electrolito depende el número de placas siempre mejor que sean pares… Importante el tamaño de las placas y material… Pero que es simple cualquiera lo consigue en un par de semanas… Las que venden no son tan efectivas estan diseñados de aquella manera si no no se venderían… Yul Brown fue un descubridor de esta manera de montar la celda tiene un coche en un museo en Sidney que funcionaba 100% a hho ! Y en algunos vídeos que hay de el se revelan datos como los de 5v. Fue persiguido y matado su patente la regalo al estado chino que hasta hoy en día guardan porque. Esta prohibido su desvelo… Un saludo
El hidrógeno como vector energético es, con mucha diferencia, el sistema más caro e ineficiente que existe.
Si hablamos de partir de energía renovable, se requieren unas instalaciones carísimas para su producción y distribución. La energía obtenida al final del proceso tendría un coste inasumible. Otra cosa es que estemos pensando en obtenerlo a partir de gas natural u otros hidrocarburos, con las emisiones de carbono correspondientes. Pero para ese viaje no hacen falta tantas alforjas. Sería la mayor fuente de contaminación del futuro.
Y si hablamos de vehículos de pila de combustible de hidrógeno, son económicamente ruinosos.
Son extremadamente caros y eso no es posible que cambie en un futuro salvo que las futuras tecnologías no tengan nada que ver con las actuales. Y a eso hay que sumar carísimos filtros de aire y catalizadores de platino entre otras piezas de desgaste que penalizan el mantenimiento.
Y el hidrógeno, salvo que se produzca a partir de hidrocarburos (e incluso en ese caso) será mucho más caro que la electricidad. La prueba es que nadie lo usa para generar electricidad, sino para otros usos industriales.