El hidrógeno que viene

El primer del tren con pilas de hidrógeno circula ya por Baja Sajonia. Foto.

Empeñados como parece que estamos en hacer de la electricidad la única fuente de energía para el futuro, nos hemos olvidado del mayor reservorio de combustible no contaminante del mundo: el hidrógeno. El pasado 18 de septiembre, Alemania puso en circulación el primer tren del mundo impulsado por pilas de hidrógeno que transforman el hidrógeno y el oxígeno en electricidad, eliminando por tanto las emisiones contaminantes causadas por la combustión.

Alemania, que está liderando el uso de las renovables y el abandono de los combustibles fósiles, se une a Japón, que ha apostado claramente por un futuro energético a base de hidrógeno. Algunas compañías, como Honda, DaimlerChrysler, Ford Motor Company, General Motors/Opel, Hyundai, Kia, Renault/Nissan y Toyota están desarrollando proyectos relacionados con los vehículos de hidrógeno. Algunas de ellas incluso han apostado estratégicamente por un futuro energético basado en las tecnologías de hidrógeno.

Pero, ¿de qué hablamos cuando hablamos del hidrógeno? Empezaré por la abundancia. El hidrógeno es el elemento químico más abundante: nueve de cada diez de los átomos del universo son átomos de hidrógeno (H). Donde más abunda es en las estrellas y en los planetas gaseosos gigantes donde aparece en estado de plasma. En la Tierra es otra cosa. Bajo las condiciones normales de presión y temperatura terrestres, el hidrógeno no se presenta en forma monoatómica, sino molecular o diatómica (H₂) siempre en estado gaseoso. En ese estado es muy poco abundante en la atmósfera terrestre debido a que su pequeña masa (es el elemento más liviano de la tabla periódica) le permite escapar a la atracción gravitatoria terrestre más fácilmente que otros gases más pesados (el oxígeno, por citar un ejemplo, es 16 veces más pesado). Aunque el hidrógeno es el decimoquinto elemento más abundante en la superficie terrestre, la mayor parte del mismo se encuentra formando parte de compuestos químicos tales como los hidrocarburos o el agua.

El gas hidrógeno es altamente inflamable y se quema en concentraciones de 4% o más en el aire, concentraciones que, afortunadamente para todos, no se alcanzan ni de lejos en nuestra atmósfera. Y es que el hidrógeno se quema violentamente en el aire; la ignición se produce automáticamente a una temperatura de 560 °C. Para usarlo como combustible, lo que hacen las pilas de hidrógeno es mezclarlo con oxígeno, generando con ello energía y liberando vapor de agua. Pero vayamos por partes. Si uno quiere emplear una pila de hidrógeno, lo primero que tiene que conseguir es hidrógeno puro, lo cual es relativamente fácil.

Configuración sencilla para demostrar de la electrólisis del agua en casa. Necesitará: un vaso de agua; dos lápices afilados en ambos extremos; una batería de 9 voltios o un adaptador de 9-12 V; algunos trozos de alambre para empalmar y una cucharadita llena de sal de mesa. Después de conectar todo, se formarán burbujas en las puntas de los lápices de inmediato. Se formarán burbujas de oxígeno en el electrodo + o ánodo. Las burbujas de hidrógeno se formarán en el otro electrodo, el cátodo. La cantidad que se forme será el doble de la cantidad de oxígeno. El agua pura es un aislante y la electrólisis puede avanzar demasiado lentamente. La sal de mesa es suficiente para el propósito de esta demostración. El uso de NaCl como electrolito produce algunas impurezas en forma de cloro gaseoso en el ánodo, pero eso no debería ser importante para el propósito de esta demostración. Algunas cosas para variar: intente quitar la madera del lápiz para aumentar el área de contacto del grafito con el agua. Pruebe a ver qué pasa si varía la temperatura del agua.

Hoy día, la manera más económica de producir hidrógeno comercial es a partir del gas natural mediante un proceso de reformado con vapor. Sin embargo, las reservas de gas natural son finitas, al igual que las del petróleo y, por lo tanto, no es una fuente fiable. También se puede extraer hidrógeno del carbón y de las arenas bituminosas, si bien hacerlo aumentaría drásticamente la emisión de dióxido de carbono a la atmósfera. Se podría utilizar también la energía nuclear; pero la cantidad de residuos nucleares aumentaría considerablemente, el uso del agua dulce disponible para enfriar los reactores se dispararía, supondría una amenaza grave a la seguridad en esta era de terrorismo, e incrementaría sustancialmente el coste de la energía que los contribuyentes y los consumidores tendrían que pagar.

El hidrógeno también se puede obtener del agua por medio de producción biológica en un biorreactor de algas o usando electricidad, por procedimientos químicos (por reducción química) o por calor (por termólisis); estos métodos están menos desarrollados en comparación con la generación de hidrógeno a partir de hidrocarburos, pero su crecimiento aumenta, ya que sus bajas emisiones en dióxido de carbono permiten reducir la contaminación y el efecto invernadero.

Dejaré para otro día el empleo de los biorreactores de algas y me ocuparé del proceso de electrólisis del agua (H₂O). La electrólisis del agua es su descomposición en sus dos componentes, oxígeno e hidrógeno, por medio de una corriente eléctrica suministrada por una fuente de alimentación, una batería o una pila, que se conecta mediante electrodos al agua. Para disminuir la resistencia al paso de corriente a través del agua a esta se le suele añadir un electrolito fuerte como una sal de sodio.

Imaginen ahora una planta de generación renovable de electricidad cercana a una gran fuente de agua salina; sí esa en la que está pensando, el océano. La electricidad necesaria para la electrolisis se produciría mediante aerogeneradores costeros o mediante el aprovechamiento de las mareas (mareomotriz) o de las olas (undimotriz). Una planta industrial de electrolisis descompondría el agua en oxígeno (posteriormente liberado a la atmósfera sin problema contaminante alguno) e hidrógeno, que tras un almacenaje en depósitos como se hace con el gas, estaría disponible para ser usado como combustible fuente. Luego, desde los almacenes se trasladaría hasta las unidades de consumo (fábricas, hogares o estaciones de servicio para automóviles), de la misma forma que hacemos con el gas: a través de gasoductos (perdón, de hidroductos) que podrían ser los mismos que actualmente distribuyen gas natural hasta los cuartos de calderas de nuestras casas.

La empresa australiana Atlantis ha construido en Escocia esta planta que aprovechará el impacto de la luna sobre la marea a través de turbinas. La planta lleva 269 turbinas que producirán 398 MW de energía limpia, lo que significará que podrá abastecer a 175.000 hogares escoceses. Foto. 

En octubre de 1842, William Robert Grove, juez y científico galés, envió una breve carta al famoso físico Michael Faraday, de la Royal Institution en Londres, acerca de una nueva batería que había inventado. Aunque de construcción sofisticada, su simpleza resultaba extraordinaria. Mezclaba hidrógeno por un lado y oxígeno por el otro para producir agua… y electricidad. Allí comenzó la historia de las pilas de combustible.

En un futuro no muy lejano, allí donde hoy se encuentra una caldera que quema gas, gasoil o cualquier otro combustible productor de gases de efecto invernadero, habrá una pila de combustible capaz de generar electricidad con el hidrógeno que llegará por hidroductos comerciales. Bastará con inyectar oxígeno procedente de la calle para generar la electricidad que demande todo el edificio con un rendimiento que casi triplica al de la quema de combustibles tradicionales y sin emitir gases contaminantes. La pila de combustible produce vapor de agua como residuo; el vapor podrá usarse para la calefacción en invierno y, acoplado a una máquina de absorción, para transformar el calor en frío y tener aire acondicionado durante el verano.  

¿Ciencia ficción? No. El fabricante de automóviles japonés Honda, la única firma que ha obtenido la homologación para comercializar su vehículo impulsado por pila de combustible de hidrógeno, el FCX Clarity, en Japón y Estados Unidos, ha desarrollado también la Home Energy Station, (HES), un sistema autónomo y doméstico que permite obtener hidrógeno a partir de energía solar para repostar vehículos de pila de combustible y aprovechar el proceso para generar electricidad y agua caliente para el hogar.

En California ya funcionan de decenas de estaciones de servicio con hidrógeno, como esta de Thousand Oaks.

Como Japón, las regiones y los gobiernos nacionales de toda Europa ya han comenzado a establecer sus programas de investigación y de desarrollo del hidrógeno, y están en las etapas iniciales de introducción de las tecnologías de hidrógeno en el mercado. En 2006, la República Federal de Alemania destinó 500 millones de euros a la investigación y al desarrollo del hidrógeno, y comenzó a elaborar sus planes para crear una hoja de ruta nacional en materia de hidrógeno, con el objetivo declarado de liderar a Europa y al mundo hacia la era del hidrógeno en la década de 2020.

En 2018, los modelos Mirai movidos por hidrógeno fabricados por Toyota circulan en Alemania y en Dinamarca. Dinamarca cuenta ya con diez estaciones de servicio que suministran hidrógeno (ESH) y rellenan el depósito en unos minutos. Alemania dispone ya de 45 ESH. Con la adecuada planificación, es posible circular por este país sin quedarse seco. Gracias a una inversión de 350 millones de euros, Alemania planea instalar 400 surtidores y aspira a convertirse en la potencia europea del hidrógeno.

En octubre de 2007, la Comisión europea anunció una colaboración público-privada multimillonaria con miras a acelerar la introducción de la economía del hidrógeno en los 27 Estados miembros de la Unión europea, con un enfoque centrado predominantemente en la producción de hidrógeno a partir de fuentes energéticas renovables. El futuro ya está en nuestras puertas. © Manuel Peinado Lorca. @mpeinadolorca.