Autor. Ph.D. Yolanda Reyes, 28 noviembre 2022.
Introducción
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.
Si el futuro energético es el hidrógeno; esto dependerá de poder obtener este elemento y para ello se necesita de energía; la cual, se puede obtener a través de generadores de energía de forma renovable, la posibilidad es combinarla con la energía solar para producir la energía necesaria. Esto significa obtener hidrógeno a partir del sol, es decir una fuente limpia que genera un combustible limpio [1].
Sectores como la siderurgia, la aviación y el transporte marítimo y terrestre de larga distancia (camiones y ferrocarriles) se beneficiarán del hidrógeno verde, cuya ventaja es que se quema de forma limpia, pues solo deja vapor de agua.
Uno de los grandes problemas del hidrógeno, es que actualmente el 96% del mismo se genera a partir de hidrocarburos fósiles, mediante reformado de gas natural, debido a que el coste de producción es de 4 a 10 veces más económico que generarlo a través de la electrólisis del 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). 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 [2].
El resultado es que el modelo actual de producción de hidrógeno imperecedera el sistema contaminante y centralizado de generación y distribución dependiente de empresas petroleras. El hidrógeno verde, en cambio, se produce por electrólisis, utilizando una corriente eléctrica para separar el hidrógeno del oxígeno del agua. Si esta corriente eléctrica se genera a partir de una fuente renovable (energía solar, eólica o hidroeléctrica), el hidrógeno limpio producido se conoce como hidrógeno verde. Este proceso no genera emisiones.
Combustibles fósiles o hidrógeno
Así como en la revolución industrial se dio 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.
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 incinerado madera, carbón, petróleo y gas natural, sin embargo, 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 ideal es quemar el hidrógeno puro, A lo largo de la historia se ha dado la transición de quemar menos carbón y más hidrógeno, por lo que el siguiente paso lógico es empezar a quemar el hidrógeno puro.
En este contexto, el hidrógeno es valioso en parte debido a su versatilidad. Se puede quemar como sustituto de los combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural. Todos estos combustibles producen dióxido de carbono cuando se queman, mientras que la quema del hidrógeno puro en una turbina produce solo vapor de agua. No obstante, también cataliza la producción de óxidos de nitrógeno nocivos debido a las altas temperaturas involucradas. Otra forma de utilizar el hidrógeno es en células de combustible (Figura 1), que combinan hidrógeno con oxígeno para crear agua y electricidad, lo contrario de la electrólisis[3].
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, a lo que está surgiendo en el momento presente exista la utilización del hidrógeno como nuevo vector energético que permite un desarrollo compatible con el respecto al medio ambiente.
En la evolución hacia un escenario futuro energético donde el hidrógeno adquiera 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 la atmosfera 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.
Procesamiento de hidrógeno verde a partir de la electrólisis del agua
Actualmente el hidrógeno se produce a partir de combustibles fosil (hidrocarburos como el gas natural y el carbón). Como consecuencia, la producción de hidrógeno es responsable de la emisión de alrededor de 830 millones de toneladas de dióxido de carbono por año, equivalente a las emisiones de CO2 del Reino Unido y Francia combinadas.
La mayor parte del hidrógeno fabricado se obtiene combinando gas natural con vapor a altas temperaturas. Es un proceso que consume mucha energía y emite cantidades considerables de dióxido de carbono, el principal gas de efecto invernadero que impulsa el cambio climático. Pero un porcentaje pequeño y creciente se obtiene al dividir el agua en sus elementos constituyentes mediante electricidad, un proceso conocido como electrólisis.
Por otro lado, el hidrógeno ofrece a largo plazo un atractivo portador de energía, mediante una alternativa no contaminante, el llamado hidrógeno verde. 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 (Figura 2). 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 de contaminantes al medio ambiente serían nulas.
Figura 2. Obtención de Hidrógeno verde por electrólisis del agua, Cortesia de Mackenzie.
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.
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 energías 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, alteran las tecnologías, las infraestructuras, la política y el comercio, pero eso no tiene nada de nuevo, ya han pasado revoluciones y cambios similares por la primera y por la segunda revolución industrial, por lo que, avanzaremos 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.
Conclusión
El hidrógeno verde es el combustible del futuro. La capacidad de emplear un combustible con una huella de CO2 nula representa una revolución en el sector de la energía y el transporte. La gasolina, el gas, el carbón y todo el resto de combustibles serán desplazados paulatinamente por el hidrógeno. Desde el uso industrial hasta el doméstico, el camino a seguir es la utilización del hidrógeno como combustible principal. Además, como ya se mencionó, en última instancia será el elemento regulador del equilibrio del mercado eléctrico.
Referencias
[1]. 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.
[2] https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/2013_htac_annual_report.pdf
[3] Ulises Cano Castillo. Las celdas de combustible: verdades sobre la generación de electricidad limpia y eficiente vía electroquímica.
Sobre el autor. Yolanda C. Reyes, Ingeniero Químico. M.Sc. En Ingeniería Química, PhD. Electroquímica y Corrosión, 30 años de experiencia académica universitaria en docencia e investigación y técnica como asesora en corrosión en la industria de gas y petróleo. Asesor de planes de programas de mantenimiento en la industria petrolera, al frente de obras de servicios en limpiezas químicas y mecánicas de equipos tales como: Calderas, Intercambiadores de calor o similares, con conocimiento, manejo y aplicación de químicos para limpiezas Químicas.
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