Sin embargo, la novedad estriba en considerar al hidrógeno como un combustible
ECOticias.
Con frecuencia se oye hablar del hidrógeno como vector
energético, o de las pilas de combustible como sistema de producción de
energía eléctrica. Aparecen en radio, televisión y prensa escrita, unas
veces como novedades tecnológicas, y otras como una realidad palpable y
al alcance del público. El hidrógeno, su composición, producción y
características, son conocidos desde hace tiempo; de hecho, es un
producto químico habitualmente empleado en industrias como la
petroquímica o la fabricación de cristal.
Sin embargo, la novedad estriba en considerar al hidrógeno como un
combustible, es decir, como algo que puede quemarse o transformarse,
para lograr mover los vehículos, la industria y, en definitiva, la
sociedad tal y como la conocemos. Como combustible, el hidrógeno arde,
al igual que arden la gasolina o el gas natural, pero con la diferencia
de que la única emisión producida es vapor de agua, sin presencia de
dióxido de carbono. Así pues, estamos ante un combustible “limpio” a la
hora de su utilización.
No obstante, hay una diferencia palpable entre los combustibles como
el gas natural y el hidrógeno: este último hay que producirlo. Así,
mientras que el carbón, el petróleo o el gas natural son fuentes de
energía, y se encuentran en la naturaleza, el hidrógeno hay que
producirlo, a partir de una fuente de energía primaria; se dice, por
tanto, que se trata de un “vector energético”.
El hidrógeno como vector energético
Como ya se ha dicho, las dos principales características del
hidrógeno, considerado como combustible, son: que solo produce vapor de
agua como único residuo al ser empleado, y que ha de ser producido, al
no encontrarse en estado puro en la naturaleza. Podría pensarse que esto
último es un problema: ha de producirse, en vez de encontrarse
directamente en pozos o yacimientos.
Sin embargo, lejos de ser un inconveniente, este hecho es una
ventaja: cada país, cada región, puede producir el hidrógeno que
necesite a partir de las fuentes primarias de las que disponga; así, es
posible producir hidrógeno desde combustibles fósiles, desde energía
nuclear y, por supuesto, desde cualquier fuente de energía renovable.
Con ello, el hidrógeno se convierte en un interesante vector energético.
De hecho, muchos autores, pensadores y políticos hablan ya de una
“Economía del Hidrógeno”, que no es más que el momento en el que este
gas sea empleado ampliamente como combustible, conviviendo con la
energía eléctrica (el otro gran vector energético del futuro), y
habiendo desplazado a los combustibles fósiles.
¿Qué argumentos se dan para dar por cierto el futuro de la Economía
del Hidrógeno? Básicamente, los argumentos se agrupan en tres grandes
grupos: a) Seguridad del suministro; como se ha dicho anteriormente, el
hidrógeno puede ser producido a partir de los recursos locales (Polonia,
por ejemplo, considera el carbón, Francia la energía nuclear y España
las energías renovables); por ello, se considera un sistema más seguro
que la importación masiva de combustible, dado que no se depende de la
voluntad de otros países.
b) Sostenibilidad medioambiental; ya se ha comentado que el hidrógeno
es limpio en su utilización; una adecuada producción, basada, por
ejemplo, en fuentes renovables, lo hace también limpio en esta parte del
ciclo. Por ello, puede considerarse como plenamente sostenible.
c) Equilibrio de la balanza de pagos y desarrollo de las economías
locales; la posibilidad de producir el propio combustible que se
necesita localmente, frente a la necesidad de importarlo, mejora la
balanza de pagos, así como las economías internas. Además, conlleva la
creación de puestos de trabajo especializados.
Es cierto que hay otros argumentos, como el posible fin del petróleo,
pero, desde luego, son menos realistas que los expuestos arriba.
Fundamentos de la producción de hidrógeno
Son numerosos los sistemas que pueden considerarse para la producción
de hidrógeno; básicamente, todos emplean una materia prima (una
molécula que contenga hidrógeno) y una fuente de energía (calor,
electricidad, etc.) para extraer el hidrógeno. Los métodos más
destacables, por ser los más empleados, son dos: procesado (o reformado)
de combustibles y electrólisis del agua. Además, existen otros métodos
más minoritarios (pero alguno de ellos con futuro prometedor), como el
water-splitting del agua mediante energía solar térmica, los ciclos
termoquímicos, la fotólisis, procesos foto-biológicos, etc.
1. Reformado de combustibles
Básicamente, casi cualquier molécula de combustible puede ser “reformada” para producir hidrógeno. La fórmula general es:
Alcohol o hidrocarburo + Agua, oxígeno o ambos -> Hidrógeno + Dióxido de carbono
Es decir, que cualquier alcohol o hidrocarburo, combinado con oxígeno
(o aire), vapor de agua, o una mezcla de ambos, puede transformarse en
hidrógeno y dióxido de carbono; no obstante, para que esta reacción se
dé, es necesario que coincidan las adecuadas condiciones de presión y
temperatura, así como la presencia del catalizador apropiado.
Formalmente hablando, esa reacción se denomina “de hidrogenación”, mejor
que de reformado, si bien este último nombre se ha extendido.
Como quiera que la reacción en la realidad no es ideal, a la derecha
de la ecuación aparecen otros subproductos (no deseados), como metano o,
más inconvenientemente, monóxido de carbono. El monóxido de carbono
(CO) es un compuesto dañino para los catalizadores, incluso para los de
la pila de combustible, por lo que ha de eliminarse; esto se lleva a
cabo añadiendo agua (en una reacción que se denomina Water Gas Shift, o WGS) u oxígeno (en una reacción que se denomina CO Preferential Oxidation o COPROX); las ecuaciones correspondientes son:
CO + H2O -> H2 + CO2
CO + ½ O2 -> CO2
Cuando se considera toda la cadena completa de procesos y reacciones
(reformado, WGS y COPROX), se suele hablar de “procesado” de
combustibles para producir hidrógeno. El reformado de gas natural
mediante vapor de agua para producir hidrógeno es bien conocido, y
empleado masivamente desde hace décadas para producir hidrógeno en
refinerías y plantas petroquímicas.
2. Electrólisis del agua
La electrólisis del agua es un método de producción de hidrógeno por
el cual la molécula de agua se separa en hidrógeno y oxígeno por medio
de electricidad:
2H2O → O2 + 2H2
El electrolizador es el equipo encargado de la electrólisis del agua.
En el electrolizador, la electrolisis del agua se produce mediante
reacciones de oxidación-reducción cuando se hace pasar una corriente
eléctrica entre dos electrodos, ánodo y cátodo, separados por un
electrolito.
Tecnologías
Los electrolizadores pueden clasificarse en función del electrólito,
que es el medio por el que se conduce la carga de un electrodo a otro.
Según esta clasificación, existen principalmente tres tipos de
electrolizadores:
•Alcalino.
• Membrana Polimérica (Proton Exchange Membrane: PEM).
•Óxido Sólido (SOEC).
El tipo de electrólito empleado determina la constitución interna del
equipo, los materiales empleados, y las diferentes reacciones químicas
que se producen en el cátodo y en el ánodo.
| Tipo electrolizador | Alcalino | PEM | Oxido sólido |
|---|---|---|---|
| Carga transportada | OH- | H+ | O2- |
| Reactivo | Agua | Agua | Agua/CO2 |
| Electrolito | Hidróxido de sodio o potasio | Polímero | Cerámico |
| Electrodos | Níquel | Grafito con plata o polímero | Níquel o cerámico |
| Temperatura | 80ºC | 80ºC | 850ºC |
| Carga transportada | Reacción en el cátodo | Reacción en el ánodo | |
|---|---|---|---|
| Alcalino | OH- | 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- | 2OH- → H2O +1/2 O2 + 2e- |
| PEM | H+ | 2H+ + 2e- → H2 | H2O → 1/2 O2 + 2H+ + 2e- |
| Óxido Sólido | O2- | H2O + 2e- → H2 + O-2 | O2- →1/2 O2+2e- |
Las distintas tecnologías se encuentran en diferentes estados de
madurez; mientras que las tecnologías alcalina y PEM se encuentran en
estado comercial, los electrolizadores de óxido sólido se encuentran
todavía en desarrollo, aunque con resultados prometedores. En concreto,
la electrólisis alcalina es la más implantada, pudiéndose encontrar
equipos de gran tamaño.
Integración con energías renovables
La electrólisis es un proceso eficiente y limpio, y cuando la
producción de hidrógeno se realiza a partir de electricidad procedente
de energías renovables, dicho hidrógeno es considerado de origen limpio,
ya que no se producen emisiones de dióxido de carbono en el proceso. El
hidrógeno producido por electrólisis a partir de energías renovables es
una opción viable para la producción limpia de este combustible en un
futuro.
Por otra parte, en la actualidad, una de las principales desventajas
de la utilización y aprovechamiento de las energías renovables es la
aleatoriedad de su oferta o la falta de simultaneidad de ésta con su
demanda. Así, la energía eólica, la solar o la mareomotriz, mejorarían
sensiblemente su rendimiento si se almacenasen en períodos de exceso de
oferta, de modo que pudiesen ofrecer su servicio también en las
situaciones en las que la demanda supere a la oferta, o en el caso de
instalaciones de producción aisladas, como forma de almacenamiento
energético a largo plazo. Para el caso concreto de la producción de
energía offshore, al tratarse de almacenamiento de grandes
cantidades de energía, la utilización del vector hidrógeno es altamente
recomendable; de hecho, el uso de baterías presenta inconvenientes como
una capacidad de almacenamiento reducida, un precio elevado y una vida
útil no excesivamente larga.
Utilización de hidrógeno: motores y pilas de combustible
1. Motores y turbinas de hidrógeno
Las aplicaciones basadas en la combustión, como son los motores y las
turbinas, obtienen energía mecánica a partir del combustible; esta
energía puede ser convertida posteriormente en energía eléctrica, si se
desea, en un alternador. Siendo el objetivo fundamental la obtención de
energía desde una fuente limpia, renovable y sostenible, las
aplicaciones basadas en la combustión de hidrógeno se consideran dentro
de las posibles tecnologías futuras para dicho fin.
Estas aplicaciones emplean una tecnología robusta, tradicionalmente
usada con otros combustibles (gasolina, gas natural, etc.); ahora, se
les añade el desafío tecnológico de su adaptación para ser utilizados
con hidrógeno. Ésta no es una tarea sencilla, ya que el hidrógeno
presenta una combinación de características en la combustión, como son
su alto poder calorífico, su alto rango de inflamabilidad, su baja
densidad, etc., que hacen que la adaptación no sea directa, siendo
necesario en algunos casos encontrar soluciones particulares. Sin
embargo, dadas las temperaturas que se obtienen en los productos de
combustión, se pueden plantear distintos esquemas de hibridación con
pilas de combustible de alta temperatura o generadores de vapor. Como
ventaja adicional, este tipo de tecnología, en comparación con otras,
presenta un coste más reducido, lo que permite considerarla como otra
opción para la conversión de energía desde el hidrógeno.
1.1. Tecnologías
Motores
En los motores, la alta temperatura de autoencendido del hidrógeno
hace que sea más interesante la adaptación de motores de encendido por
chispa. Generalmente, el bloque motor se encuentra formado por los
cilindros y pistones, así como por los sistemas de inyección, generación
de chispa (bujías), admisión y escape. El hidrógeno es inyectado en la
corriente de aire en una precámara; luego, la mezcla de gases entra en
los cilindros, donde se comprime y quema debido a la chispa generada en
la bujía, y esto provoca el movimiento de los cilindros (energía
mecánica) y consecuentemente, el movimiento de un eje. Esta energía
mecánica puede ser transformada en energía eléctrica en un alternador.
Turbinas
Una turbina de gas es un motor térmico rotativo de combustión interna
donde, a partir de la energía aportada por el hidrógeno (o una mezcla a
partir de este gas), se produce energía mecánica, y se genera una
importante cantidad de calor en forma de gases. Las turbinas de
hidrógeno son turbomáquinas térmicas generadoras cuya franja de
operación va desde los motores de pequeña potencia (por ejemplo
microturbinas de 30 kW) a las grandes plantas de generación de potencia.
Habitualmente se entiende por turbina de hidrógeno el conjunto formado
por un compresor, una cámara de combustión, y una turbina propiamente
dicha. El aire es aspirado de la atmósfera y comprimido para después ser
introducido a la cámara de combustión, donde se mezcla con el
combustible y se produce la ignición. Los gases calientes, producto de
la combustión, fluyen a través de la turbina, donde se expanden y mueven
el eje, que acciona el compresor de la turbina y el alternador.
1.2. Aplicaciones
Los motores de combustión interna alternativos operados con hidrógeno
son una tecnología en desarrollo. Un ejemplo de esto se puede encontrar
en el sector de la automoción, donde las grandes compañías como BMW,
Mazda, MAN y Ford, entre otros, disponen de vehículos que emplean el
hidrógeno como combustible. Por otra parte, los grupos electrógenos
basados en la combustión son una tecnología muy utilizada, teniendo
múltiples aplicaciones, entre las que destacan la generación de energía
eléctrica en emplazamientos aislados o en obras. En aplicaciones
estacionarias de pequeña y media escala, las principales compañías del
sector de los generadores eléctricos están apostando por el hidrógeno en
sus desarrollos de I+D. En lo referente a las aplicaciones de turbinas y
microturbinas con hidrógeno para la generación eléctrica a gran escala,
es importante señalar que son tecnologías que están siendo
desarrolladas por las principales empresas fabricantes, estando además
contempladas dentro de los programas nacionales de energía de países
como Estados Unidos y Japón.
2. Pila de combustible
Es un dispositivo electroquímico capaz de generar electricidad a
partir de un combustible (generalmente hidrógeno) y un comburente
(generalmente oxígeno), obteniendo como único residuo vapor de agua.
Debido a esto, las pilas de combustible son dispositivos de conversión
de energía, que tienen la capacidad de producir energía eléctrica
continuamente, siempre que se alimente el combustible y el comburente a
sus respectivos electrodos.
2.1. Tecnologías
Las pilas de combustible comúnmente se agrupan según el tipo de electrolito que emplean:
• PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell): pila de combustible polimérica.
• DMFC (Direct Methanol Fuel Cell): pila de combustible de metanol directo.
• AFC (Alkaline Fuel Cell): pila de combustible alcalina.
• PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell): pila de combustible de ácido fosfórico.
• MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell): pila de combustible de carbonatos fundidos.
• SOFC (Solid Oxide Fuel Cell): pila de combustible de carbonatos fundidos.
En la siguiente tabla se presentan las características principales de las tecnologías listadas anteriormente.
| Pila de combustible | Combustible | Potencia típica |
|---|---|---|
| PEMFC | Hidrógeno, gas de reformado, metanol | 1 kW – 250 kW |
| DMFC | Metanol | 10W – 1,5 kW |
| AFC | Hidrógeno | 10 – 100 kW |
| PAFC | Hidrógeno, gas de reformado, gas natural | 100 – 400 kW |
| MCFC | Gas natural, hidrógeno | 300 kW – 3 MW |
| SOFC | Gas natural, hidrógeno | 1 kW – 2 MW |
2.2. Aplicaciones
Los sistemas de generación de energía eléctrica basados en la
tecnología de las pilas de combustible se emplean en diferentes
aplicaciones.
Aplicaciones portátiles
Las pilas de combustible están revelándose como unas fuentes de
energía eléctrica portátiles prometedoras. La mayor parte de estos
sistemas que han sido construidos hasta el momento, han venido usando la
tecnología PEMFC o las DMFC para aplicaciones de muy baja potencia.
Aplicaciones en transporte
Los sistemas basados en pilas de combustible aplicables a la
automoción operan a temperaturas relativamente bajas (menores de 100
ºC), lo cual representa una ventaja en cuanto a que el tiempo de
calentamiento inicial es reducido, se evitan los riesgos asociados a las
altas temperaturas y el rendimiento de la conversión electroquímica es
mejor.
Aplicaciones estacionarias
Los sistemas basados en pilas de combustible de alta temperatura (por
encima de los 200 ºC) pueden ser empleados en aplicaciones de
cogeneración, produciendo electricidad, agua caliente y una cierta
cantidad de calor, pudiendo aprovecharse esta energía térmica generada
en aplicaciones domésticas o industriales.
El hidrógeno en el panorama nacional e internacional
La mayoría de los países tienen algún tipo de estrategia o posición
de cara a la futura “Economía del Hidrógeno”; como países más avanzados,
destacan Estados Unidos, Alemania, Canadá o Japón. Las políticas y
estrategias varían en cada uno de ellos, pero todos coinciden en que
estas tecnologías jugarán un papel destacado en el futuro próximo. En
España, diferentes asociaciones y grupos trabajan por el desarrollo del
sector. Entre ellos, cabe destacar la Plataforma Tecnológica Española
del Hidrógeno y de las Pilas de Combustible (PTE-HPC), la Asociación
Española del Hidrógeno (AeH2), o la Asociación Española de Pilas de
Combustible (Appice). Todas ellas organizan eventos y actividades
(incluyendo cursos, seminarios y congresos) en torno al hidrógeno y las
pilas de combustible, y contribuyen al desarrollo de la estrategia
nacional.
Plataforma Tecnológica Española del Hidrógeno y de las Pilas de Combustible (PTE-HPC) www.ptehpc.org
La Plataforma Tecnológica Española del Hidrógeno y de las Pilas de
Combustible (PTE-HPC) es una iniciativa promovida por la Asociación
Española del Hidrógeno y amparada por el Ministerio de Economía y
Competitividad. En la Plataforma participan numerosas entidades del
panorama nacional cuyas actividades guardan algún tipo de relación con
las tecnologías del hidrógeno y las pilas de combustible. Estas
entidades aportan su experiencia, conocimiento y visión en la
elaboración de documentos que permitan establecer las directrices
científicas, tecnológicas e industriales que deban adoptarse para
facilitar la incorporación de estas tecnologías, de forma que no sólo se
den soluciones energéticas sino que al mismo tiempo se impulse un nuevo
sector industrial y de servicios tecnológicos.
El principal objetivo de la PTE-HPC es facilitar y acelerar el
desarrollo y la utilización en España de sistemas basados en pilas de
combustible e hidrógeno, en sus diferentes tecnologías, para su
aplicación en el transporte, el sector estacionario y el portátil. Tiene
en cuenta toda la cadena de I+D+i. En líneas generales, la Plataforma
dota a las entidades de opinión acerca de innovación, les proporciona
valiosa información y facilita su integración en una posición
privilegiada en el sector nacional del hidrógeno y de las pilas de
combustible.
Asociación Española del Hidrógeno (AeH2) www.aeh2.org
El objetivo principal de la Asociación Española del Hidrógeno es
fomentar el desarrollo de las tecnologías del hidrógeno como vector
energético, y promover su utilización en aplicaciones industriales y
comerciales. Se pretende que el beneficiario principal de los logros de
la asociación sea el conjunto de la sociedad, y no los propios
asociados, tanto por los beneficios medioambientales como por el impulso
industrial que, a largo plazo, se esperan obtener. Los campos que la
Asociación pretende cubrir, sin descartar otros futuros en función del
avance tecnológico, son:
• Producción de hidrógeno centralizada y distribuida a partir de combustibles fósiles.
• Producción de hidrógeno a partir de otras fuentes de energía (fuentes renovables, y nuclear).
• Almacenamiento, transporte y distribución de hidrógeno.
• Utilización del hidrógeno en procesos con combustión.
• Utilización de hidrógeno en procesos tecnológicos para generación de electricidad.
• Utilización de hidrógeno en pilas de combustible.
• Uso de pilas de combustible en generación de electricidad distribuida y centralizada.
• Uso de pilas de combustible en aplicaciones de transporte, portátiles y de sistemas auxiliares de potencia.
• Utilización de hidrógeno en procesos e instalaciones industriales.
• Normativa y seguridad.
Asociación Española de Pilas de Combustible (Appice) www.appice.es
El 17 de junio de 2002 se firmó el Acta de constitución de la
Asociación Española de Pilas de Combustible (Appice), que nace del afán
común de un grupo de personas, empresas e Instituciones públicas y
privadas vinculadas con la ciencia, la tecnología, el uso y las
aplicaciones de las pilas de combustible. Unos meses más tarde, el 30 de
octubre, se organizó una sesión en el salón de actos del Ciemat para su
presentación y difusión entre todos los estamentos virtualmente
interesados (empresas, centros tecnológicos, centros de investigación,
universidades), con asistencia de la prensa para su divulgación a toda
la sociedad.
La finalidad de la Asociación Española de Pilas de Combustible es
favorecer el desarrollo científico y técnico de esta tecnología, dar a
conocer su potencialidad en los ámbitos nacional e internacional y
suministrar formación e información a los agentes sociales interesados.
Conclusión
Países y regiones comienzan ya a escribir sus estrategias de
transición hacia la Economía del Hidrógeno, un paradigma energético en
el que este gas será un vector energético, producido y utilizado,
conviviendo con la electricidad. En este paradigma, cada localidad o
región podrá producir el hidrógeno que necesite, más o menos
centralizadamente, a partir de las fuentes de las que disponga; y
alimentará con ese hidrógeno su transporte, su industria y sus hogares.
Hoy en día, las pilas de combustible y el hidrógeno se emplean
asiduamente en el sector defensa, en telecomunicaciones o en el espacio;
y, poco a poco, y gracias a proyectos de demostración, cada vez son
usadas en más áreas. Es un reto tecnológico, pero también una
oportunidad de futuro en torno a la que muchas empresas, nacionales e
internacionales, ordenan sus programas de I+D.
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