La humanidad se ve abocada a afrontar grandes retos medioambientales en las próximas décadas, derivados del uso masivo de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas) desde la Revolución Industrial a mediados del siglo XVIII. Todavía cubren en torno al 85 % de la demanda energética mundial.
Los combustibles fósiles no son más que vectores energéticos, esto es, portadores de energía, que se libera al reaccionar con oxígeno. Esta reacción, denominada combustión, produce dióxido de carbono, principal responsable del efecto invernadero y del calentamiento global.
La sustitución de estos vectores energéticos contaminantes por otros respetuosos con el medioambiente –los llamados combustibles verdes– es la única vía para evitar los graves efectos medioambientales asociados al cambio climático que ya se empiezan a manifestar en forma de sequías, inundaciones e incendios, entre otros.
Hidrógeno marrón e hidrógeno verde
La inmensa mayoría del hidrógeno (H₂) producido se obtiene por la ruptura de la molécula de agua en oxígeno e hidrógeno.
Si bien la combustión de hidrógeno solo genera agua, en torno al 95 % del que se produce actualmente es de tipo hidrógeno marrón, ya que en su obtención se utilizan combustibles fósiles y, por tanto, se emite CO₂.
Así, alcanzar los objetivos de descarbonización planteados por la Comisión Europea para los próximos treinta años supone incrementar radicalmente la producción del llamado hidrógeno verde. Este se produce utilizando energía de fuentes sostenibles (como la eólica, fotovoltaica, geotérmica, termosolar, mareomotriz) para conseguir la ruptura de la molécula de agua.
Alcanzar los objetivos de descarbonización planteados por la Comisión Europea para los próximos treinta años supone incrementar radicalmente la producción del llamado hidrógeno verde.
Adicionalmente, la integración de estas fuentes de energía sostenible con sistemas de producción de hidrógeno contribuye a paliar algunas de las limitaciones fundamentales de las primeras, como son la intermitencia y el eventual desfase entre producción y demanda. El hidrógeno producido almacena la energía sobrante, que será liberada más adelante.
Tecnologías de producción de hidrógeno
La ruptura del agua se puede llevar a cabo utilizando diferentes aproximaciones: por ciclos termoquímicos (usando vapor a temperaturas intermedias y altas), electrolisis de agua líquida (baja temperatura), electrolisis de vapor de agua (alta temperatura), fotoquímicamente, etc.
Los ciclos termoquímicos constan de al menos dos etapas:
- En la primera, un óxido metálico se reduce (pierde parte del oxígeno que contiene) por calentamiento en un gas adecuado.
- En la segunda etapa, se hace reaccionar vapor de agua con el óxido reducido. De esta forma, el oxígeno del agua se incorpora al óxido metálico y el hidrógeno se libera en forma de moléculas H₂.
Si el calentamiento del sistema se consigue con energía termosolar de concentración, esto es, concentrando la radiación solar con dispositivos ópticos adecuados, se produce hidrógeno totalmente verde.
En las diferentes tecnologías de electrolisis, las moléculas de agua se rompen aplicando energía eléctrica. Existen dos grandes tipos de electrolizadores de agua, muy diferentes y con grados de madurez dispares:
- Los que trabajan con vapor de agua en torno a 800℃. Se encuentran en una etapa de demostración o como prototipos precomerciales.
- Los que trabajan con agua líquida (llamados de baja temperatura). Son sistemas comerciales y ya existen instalaciones industriales que los usan para producir hidrógeno en grandes volúmenes.
A su vez, existen dos tipos de electrolizadores de baja temperatura: los que funcionan en medio ácido y los que lo hacen en medio básico. Estos últimos son los más abundantes ya que no necesitan metales preciosos como el platino o el iridio, lo que es imprescindible para los primeros.
Se están explorando otras aproximaciones para producir la ruptura del agua, pero no pasan aún del nivel del laboratorio.
Almacenamiento y transporte
El uso masivo de hidrógeno como combustible requiere que se pueda almacenar, transportar y utilizar de una manera segura allí donde se necesita y para las aplicaciones que lo demandan. El almacenamiento y distribución presentan problemas asociados a la baja densidad y temperatura de ebullición del hidrógeno.
Para el almacenamiento existen dos tipos de métodos: los basados en propiedades físicas (gas a presión, gas a presión enfriado y liquido) y los basados en la formación de compuestos con gran cantidad de hidrógenos.
Ambos tipos de métodos tienen inconvenientes. Los primeros asociados al riesgo de manejar sistemas a alta presión y bajas temperaturas. Los segundos, a la necesidad de obtener un compuesto que posteriormente se descomponga liberando hidrógeno.
Una aproximación similar a este segundo método es el uso como combustible del compuesto obtenido. El caso más exitoso es el amoniaco, que se puede emplear en motores de combustión.
Para el transporte de hidrógeno, se proponen soluciones de tipo físico similares a las comentadas en relación con el almacenamiento. Además, se contempla la construcción de redes de transporte por tuberías especiales, o mezclar hidrógeno con gas natural y utilizar gasoductos para el transporte y separar la mezcla en destino. Todas estas aproximaciones tienen limitaciones aún por resolver.
¿Cómo se obtiene energía del hidrógeno?
La combustión del hidrogeno puede hacerse a través de dos métodos:
- De manera directa, a través de un proceso químico con producción de calor (en un motor de combustión similar al que se usa para el aprovechamiento de los combustibles fósiles).
- Por un proceso electroquímico en el que la energía química del H₂ se transforma directamente en electricidad. Este proceso se lleva a cabo en una celda (o pila) de combustible y es más eficiente, pero la tecnología necesaria está aún en desarrollo. La adaptación de los motores al uso de hidrógeno parece más sencilla.
Nos encontramos en un momento crucial para abordar los retos energético y medioambiental. El hidrógeno verde está llamado a contribuir de una manera decisiva a la resolución de ambos. Conseguirlo supone resolver los problemas que aún persisten en su producción, almacenamiento, transporte y uso. El reto es notable, pero el éxito supondrá disponer de energía abundante, barata y limpia en el futuro.
Ulises Julio Amador Elizondo, Catedrático de Química Inorgánica, Universidad CEU San Pablo y Mª Teresa Azcondo, Catedrática del Área de Química Inorgánica, Universidad CEU San Pablo
