El Hidrógeno como combustible verde

Autor: Miguel Angel Carlos Quinteros

Una de las grandes lecciones que nos está dejando la pandemia de la COVID-19 es, sin lugar a dudas, que el cese de la actividad humana en el sector industrial energético y de transporte, responsables de la liberación de gases contaminantes o desechos tóxicos al ambiente, está permitiendo a la naturaleza mostrar nuevamente su estado más puro, en el cual los cielos de diversas ciudades lucen cada vez más claros y los ríos y mares más limpios. 

Este logro alcanzado por un virus en meses, a causa del aislamiento social implementado por la mayoría de países, nos ha permitido apreciar la forma más pulcra del medio ambiente en décadas. Este hecho nos hace preguntarnos ¿realmente queremos volver a realizar nuestras actividades cotidianas tal cual lo hacíamos antes de la cuarentena? Es evidente que nos encontramos en un momento ideal para migrar hacia fuentes de energía más amigables con el planeta y combustibles mucho menos contaminantes. Dentro de estos últimos, una fuente alternativa a los combustibles fósiles tradicionales, y por el cual se tiene gran expectativa, es el hidrógeno. 

Pero ¿Por qué el hidrógeno es tan prometedor frente a las demás? La gran característica que tiene el hidrógeno y que lo ha llevado a posicionarse como la panacea de los combustibles alternativos es que su quema solo produce agua y no otros gases contaminantes, por lo que no genera un impacto negativo en el medio ambiente (Brandon y Kurban, 2017). En este sentido, el hidrógeno no es una fuente de energía en sí, sino un portador de energía que no disponible en la naturaleza (Presteur et al. 2017). De hecho, este es uno de los factores que no han permitido establecer al hidrógeno como la alternativa estrella a los combustibles fósiles. 

Son múltiples los desafíos que deben superarse para convertir al hidrógeno en un combustible alternativo viable, destacándose 4 principalmente: la producción, el almacenamiento, la generación de energía y la seguridad (Demirbas, 2017).

 

Producción de hidrógeno 

Existen múltiples fuentes potenciales de hidrógeno en nuestro planeta, aunque estos compuestos químicos son generalmente moléculas que poseen en su estructura a nuestro elemento de interés, por lo que se requiere de un costo energético para extraer hidrógeno a partir de ellas. La fuente más abundante de hidrógeno es el agua, aunque también se puede extraer de hidrocarburos, ya sea combustibles fósiles o biomasa. Actualmente la mayor parte del hidrógeno que se extrae para uso industrial se extrae casi exclusivamente de hidrocarburos in situ para su uso inmediato (IEA, 2019). 

Si bien la producción de hidrógeno a partir de biomasa es carbono neutral, las grandes superficies de tierra que se requieren para el tratamiento de biomasa generan un impacto ambiental negativo (Gondal et al. 2018). Por otro lado, su producción a partir de combustibles fósiles como el gas natural emite niveles considerables de CO2 y representa alrededor del 6% del uso global de esta fuente de energía (IEA, 2019). Por estos motivos, la producción tradicional a partir de estas fuentes es perjudicial para el medio ambiente. 

Es en este contexto que la mejor alternativa planteada para la producción de hidrógeno es la electrólisis del agua (Chi y Yu, 2018), proceso en el cual se aplica energía eléctrica al agua para dividirla en sus elementos oxígeno e hidrógeno. No obstante, si bien actualmente esta alternativa representa alrededor de 5% de todo el hidrógeno industrial, el proceso aún no ha logrado la eficiencia y escalabilidad necesarias para una aplicación mayor (Chi y Yu, 2018). Además, para llevarse a cabo requiere energía producida de otras fuentes que usualmente son combustibles fósiles. Sin embargo, el auge de las energías renovables, así como el desarrollo de fuentes de energía de aplicación directa a la producción de hidrógeno va a permitir su implementación a niveles industriales sin repercusiones negativas para el medio ambiente.

 

Almacenamiento de hidrógeno 

El almacenamiento de hidrógeno es un problema que ha sido objeto de investigación científica durante décadas (Abe et al. 2019). Una fuente de almacenamiento eficiente debe lograr almacenar la mayor cantidad de hidrógeno en el menor volumen posible. El problema es que este es un gas muy explosivo que puede detonar si se le aplica el nivel de presión incorrecto. Los métodos actuales incluyen el almacenamiento mecánico en un tanque de gas comprimido o hidrógeno líquido, la fisisorción, el grafeno y otras estructuras de carbono, metales y nanocristales metálicos y compuestos,, entre otros (Abe et al. 2019). Cada uno de estos métodos tiene sus ventajas y desventajas, pero todas las tecnologías de almacenamiento deben cumplir los requisitos de seguridad, actuación, adaptación técnica para la infraestructura y escalabilidad (Abe et al. 2019). 

Generación de energía de hidrógeno 

Para producir energía a partir de este gas se utilizan las denominadas celdas de combustible, los cuales son dispositivos electroquímicos que convierten continuamente la energía química en energía eléctrica (y calor), mientras se suministre combustible (hidrógeno) y un oxidante (oxígeno) (Lin et al. 2018). Estas pilas no requieren recarga y funcionan de manera silenciosa y eficiente y, con el hidrógeno de combustible, genera solo energía y agua. 

Hasta ahora, uno de los principales obstáculos en la aplicación de celdas de combustible ha sido su vida útil insuficiente: la mayoría de las celdas de combustible exhiben una disminución importante del rendimiento después de 1000 horas de operación (Hoogers, 2003). No obstante, la variación en los mecanismos operativos de estos tipos de celdas puede permitir su aplicación para sistemas móviles, tales variaciones permiten tener tipos de celda diferentes como las celdas de combustible de membranas de intercambio de protones y las celdas de combustible alcalinas, los cuales satisfacen el rango requerido de temperatura de operación y proporcionan suficiente densidad eléctrica para su aplicación en vehículos (Ligen y Girault, 2018). 

Seguridad 

El uso y almacenamiento de hidrógeno conlleva algunos riesgos, principalmente la inflamabilidad, que requieren ciertas precauciones y medidas de seguridad. Otro aspecto relacionado con esto es el impacto ambiental del ciclo del hidrógeno, que depende de los métodos utilizados para producirlo, almacenarlo y usarlo (Baykara, 2018). 

Desarrollo actual 

Diversas compañías vehiculares, como Kia Motors, Honda, Ford Motor Company, Hyundai Motor Company y otros, vienen desarrollando vehículos que puedan funcionar a partir de hidrógeno como combustible. 

Asimismo, múltiples países ya están tomando medidas para estar a la vanguardia en la implementación del hidrógeno como fuente de energía. 

• Australia se encuentra en desarrollo de proyectos que combinan energía solar y eólica para impulsar la producción de hidrógeno.
• China apuesta por el hidrógeno verde como una forma de descarbonizar el transporte y se encuentra en el desarrollo de celdas de combustible para este elemento. 
• Alemania ya ha implementado al hidrógeno en diversas aplicaciones que incluyen el transporte y en el sector industrial para que deje de depender del carbono tradicional. 
• Japón, que es probablemente el mercado más avanzado de hidrógeno verde a nivel global, lidera el desarrollo de vehículos con celdas de combustible de hidrógeno y planea implementar su uso como una alternativa al gas natural (Deign, 2019). 

A pesar de que el uso de hidrógeno como una alternativa de fuente energética que reemplace a las fuentes tradicionales se encuentra aún en desarrollo, los diversos esfuerzos que realizan tanto compañías como países nos muestran una perspectiva entusiasta para que en el futuro el hidrógeno pueda servir como una de las principales fuentes de energía verde que no tenga repercusiones negativas para el medio ambiente. 

 

BIBLIOGRAFÍA: 

Abe, J. O., Popoola, A. P. I., Ajenifuja, E., & Popoola, O. M. (2019). Hydrogen energy, economy and storage: review and recommendation. International Journal of Hydrogen Energy, 44(29), 15072-15086.

Baykara, S. Z. (2018). Hydrogen: a brief overview on its sources, production and environmental impact. International Journal of Hydrogen Energy, 43(23), 10605-10614.

Brandon, N. P., & Kurban, Z. (2017). Clean energy and the hydrogen economy. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 375(2098), 20160400.

Chi, J., & Yu, H. (2018). Water electrolysis based on renewable energy for hydrogen production. Chinese Journal of Catalysis, 39(3), 390-394.

Deign, J. (2019). 10 Countries moving toward a green Hydrogen Economy. Greentechmedia. Disponible en: https://www.greentechmedia.com/articles/read/10-countries-moving-towards-a-green-hy drogen-economy 

Demirbas, A. (2017). Future hydrogen economy and policy. Energy Sources, Part B: Economics, Planning, and Policy, 12(2), 172-181.

Gondal, I. A., Masood, S. A., & Khan, R. (2018). Green hydrogen production potential for developing a hydrogen economy in Pakistan. International Journal of Hydrogen Energy, 43(12), 6011-6039.

Hoogers, G. Fuel Cell Technology Handbook, ed. G. Hoogers. 2003.

IEA (2019), The Future of Hydrogen, IEA, Paris. Disponible en: https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen

Ligen, Y., Vrubel, H., & Girault, H. H. (2018). Mobility from renewable electricity: Infrastructure comparison for battery and hydrogen fuel cell vehicles. World Electric Vehicle Journal, 9(1), 3.

Lin, R. H., Xi, X. N., Wang, P. N., Wu, B. D., & Tian, S. M. (2019). Review on hydrogen fuel cell condition monitoring and prediction methods. International Journal of Hydrogen Energy, 44(11), 5488-5498.

Preuster, P., Papp, C., & Wasserscheid, P. (2017). Liquid organic hydrogen carriers (LOHCs): toward a hydrogen-free hydrogen economy. Accounts of chemical research, 50(1), 74-85.

Minh, N. Q., & Takahashi, T. (1995). Science and technology of ceramic fuel cells. Elsevier.