viernes, 30 de octubre de 2020

Hidrógeno "verde"

En la entrada anterior os hablaba de un polímero biodegradable que ha sido un auténtico "guadiana" en mi vida académica. Llevo más de treinta años (en diferentes oleadas) oyendo hablar de él como una promesa para resolver el problema de la contaminación por plásticos pero, en cada una de las ocasiones, se ha quedado en eso, en promesa. Pues con el hidrógeno, en otro nivel, me pasa lo mismo. En el libro La isla misteriosa (1874), de Julio Verne, uno de los marineros pregunta a un ingeniero sobre qué usarían para obtener energía cuando el carbón se acabara. Este le contesta que agua, descomponiéndola en sus elementos constituyentes, oxígeno e hidrógeno. Desde entonces, ha llovido mucho. En los años veinte del siglo XX se da un pasito mas que conecta con lo que hoy entendemos por hidrógeno "verde", cuando el famoso genetista y matemático británico, J.B.S. Haldane, ya vislumbraba un futuro de molinos de viento proporcionando la energía necesaria para descomponer el agua por electrolisis y usar el hidrógeno resultante como combustible para generar energía eléctrica. Ha pasado un siglo y ha habido repetidas propuestas para usar el hidrógeno como vector de energía que no detallaré aquí. Si mencionaré que, a comienzos de este siglo XXI, se produjo un rebrote importante, incluso en España, merced a un libro publicado en 2002 por Jeremy Rifkin que llevaba por título The Hydrogen Economy, traducido al castellano ese mismo año, quizás porque Rifkin asesoró al Gobierno de Zapatero sobre el tema.

En realidad, esta entrada es una puesta al día de otra que escribí en 2006 sobre el asunto y que ahora voy a actualizar. En esas semanas se presentó la Tesis Doctoral de Alberto Blázquez, codirigida por un servidor y David Mecerreyes, quien el próximo miércoles, 4 de noviembre, recibirá el Premio a la Excelencia Investigadora instituido por la Real Sociedad Española de Química. Alberto y David son antiguos estudiantes del Búho y, desde entonces, buenos amigos con una excelente carrera científica que ha estado ligada en su mayor parte a la producción de energía. En la Tesis de Alberto nos dedicamos a preparar nuevas membranas de polímeros que pudieran funcionar como elemento fundamental de las llamadas pilas de combustible de hidrógeno, el dispositivo que permite utilizar hidrógeno para generar energía. Estos dispositivos reciben la denominación de pilas porque, como cualquier otra pila, producen energía eléctrica gracias a una reacción química que ocurre en ellas y que los químicos llamamos una reacción de oxidación/reducción. En el caso de las pilas de combustible, la reacción global es la síntesis de agua a partir de hidrógeno y oxígeno, una reacción sencilla e inocua para el medio ambiente, que proporciona además una cantidad importante de energía, con un rendimiento superior al que pueda proporcionar un motor de combustión de gasolina o un motor diesel. A diferencia de las pilas convencionales que todos usamos en nuestra vida diaria, donde los reactivos están empaquetados en la pila y ésta funciona hasta que los mismos se gastan o se recargan, en las pilas de combustible hay que suministrar a la misma, desde el exterior y de forma continua, los combustibles (hidrógeno y oxígeno) que permiten que funcionen (de ahí lo de pilas de combustible). Igual que con las pilas convencionales, las de combustible pueden enchufarse en serie, consiguiendo potencias que lo mismo valen para que funcione un teléfono móvil que un autobús.

Hasta aquí todo parece perfecto para nuestro sueño de reemplazar a los combustibles fósiles con este tipo de alternativa. Pero la vida real es mucho más complicada de lo que parece indicar el planteamiento que acabo de hacer. De los dos combustibles que necesitamos, el oxígeno lo obtenemos sin problemas alimentando la pila con aire, un 21% del cual es oxígeno. Pero el problema radica en el hidrógeno. Aunque está por todos los lados en la naturaleza, rara vez se encuentra en estado puro. Lo normal es encontrarlo combinado. Sobre todo está en el agua (H2O), en los hidrocarburos que nos sirven como combustibles, como las gasolinas o el gas natural que contiene metano, y en los seres vivos (el 10% de nuestro cuerpo es hidrógeno). En definitiva, necesitamos producir hidrógeno puro para poderlo utilizar en las pilas de combustible. En la actualidad, más de la mitad del hidrógeno producido se genera a través del metano del gas natural en una reacción que, al final, además del pretendido hidrógeno proporciona como subproducto CO2. Tal y como están las cosas en el asunto del cambio climático, esa producción de anhídrido carbónico supone un considerable handicap para esta vía, a pesar de la actual disponibilidad del gas natural, derivada de los procesos de fracking que USA ha puesto en marcha. La única solución que se propone es que este proceso vaya acompañado de la captura sistemática del CO2 producido, algo que, por ahora, está muy lejos de ser viable tanto técnica como económicamente.

La otra vía para obtener hidrógeno es la misma reacción que tiene lugar en las pilas de combustible pero al revés. Esto es, aprovechemos la omnipresencia del agua en mares y océanos y extraigamos el hidrógeno contenido en su molécula, descomponiéndola, como proponía el ingeniero de la novela de Verne. ¿Sencillo?. Pues no. Si bien la reacción que ocurre en las pilas es espontánea y produce energía eléctrica y calor, la contraria, la llamada electrolisis o descomposición del agua, sólo ocurre si desde el exterior proporcionamos energía en cantidades respetables. Y aquí se nos complica el asunto. ¿De dónde sacamos esa energía?. De nuevo, recurrir a los combustibles fósiles es la pescadilla que se muerde la cola. Así que no queda más que confiar en que una potencial combinación de energías renovables proporcionadas por el viento (eólica), la luz del sol (fotovoltaica), los pantanos (hidroeléctrica) o las enormes cantidades de energía acumuladas en volcanes y en el interior de la tierra (geotérmica), sean capaces de implantarse con fuerza en procesos de génesis de hidrógeno que luego se use en las pilas de combustible. De ahí lo de hidrógeno "verde", que queda muy bien sobre el papel pero que, para conseguirlo, vamos a sudar. Aunque, estrictamente hablando, no es ciencia ficción. Naciones con recursos geotérmicos importantes como Islandia llevan años transformando su economía en una que tenga como vector de funcionamiento al hidrógeno. Y el resto de energías renovables también van mejorando con el transcurso de los años. Pero sigue habiendo muchos problemas por resolver, lo que está en el fondo de que llevemos muchos años hablando de la economía basada en el hidrógeno y esta no acabe de consolidarse.

Ahora parece (de nuevo) renacer con fuerza ante las pretensiones globales de descarbonizar nuestras fuentes de energía en breve plazo y no recurrir a la energía proporcionada por las centrales nucleares. Pero en esta nueva reaparición, como en las previas, vuelve a haber discrepancias entre partidarios y detractores. Esta misma semana, los diarios del Grupo Vocento han publicado un suplemento (Innova+, del que no puedo poneros enlace) que da por seguro que el futuro es el hidrógeno y detalla muchos aspectos en los que sería la solución a los combustibles fósiles  en automóviles, aviones, barcos,.... Y en esa vía parece ir la petrolera Repsol, de la mano de su Consejero Delegado (otro estudiante y amigo de este vuestro Búho). Pero, sin negar las potencialidades del hidrógeno y solo unos días antes, el Director Ejecutivo (o CEO que dicen los modernos) de Cidetec (también alumno y amigo y van cuatro en esta entrada) viene a decir en una entrevista en el Diario Vasco que, al menos en lo tocante a los automóviles, el hidrógeno ha perdido la batalla frente a los vehículos eléctricos provistos de baterías de litio. Los eléctricos están ya aquí y a los basados en el hidrógeno se les sigue esperando. Y pone una fecha futura de 20/25 años (largo me lo fiais Don Sancho, una vez más) como para que pudiéramos ver al hidrógeno bien implantado en automoción. Ya Rifkin, en 2002, consideraba como posible que, para estas alturas del siglo, todos anduviéramos en coches movidos por hidrógeno y es obvio que es una predicción fallida.

Para remachar lo que dice el CEO de Cidetec basta con ver lo que, en fechas recientes, han hecho las grandes empresas automovilísticas, abandonando, en gran parte, sus planes de futuro basados en coches que reposten en hidrogeneras. Este artículo de la Sala de Prensa de la web de Volkswagen, de marzo de este año, lo explica con claridad meridiana, sobre todo en la tercera de las figuras que en él aparecen, figura que compara la eficiencia en poner en la calle un automóvil basado en baterías de litio, frente a uno basado en las pilas de combustible a base de hidrógeno que nos interesaron en la Tesis de Alberto. Y solo unas pocas semanas más tarde, Mercedes anunciaba, sin ambages, el fin de su aventura en el coche de hidrógeno por ser muy costoso.

Una vez más, en estas cosas de futuro, ver venir......

5 comentarios:

aurora ruiz galán dijo...

Mis felicitaciones por el contenido de este artículo y por esa superior trayectoria científica tuya, que tan bien queda reflejada en los alumnos que mencionas.

¿La energía basada en el hidrógeno ...? Supongamos que los problemas de cómo obtenerlo de forma rentable y sin añadir carga contaminante a la atmósfera estuvieran ya resueltos, y el hidrógeno se hubier convertido en el combustible universal para obtener la energía que se necesita. Sospecho que no pasaría mucho tiempo sin que la Naturaleza hiciera evidente que no es una energía sostenible.

Reflexionemos acerca de: «Aunque está por todos los lados en la naturaleza, rara vez se encuentra en estado puro.» El hidrógeno no se encuentra libre porque no es retenido por el campo gravitatorio de la Tierra. Si el hidrógeno se produce a partir de agua, para que no haya pérdida de agua en el Planeta ese hidrógeno ha de ser convertido de nuevo en agua cuantitativamente, sin pérdidas. ¿Hay algún proceso industrial que no tenga pérdidas? Creo que no. Es decir, la producción de hidrógeno a partir de agua no devolverá la misma cantidad de agua en la combustión, ¿o sí?

Si no la devuelve, estaremos perdiendo agua en la Tierra. Puede pensarse que el hidrógeno que no revierta en agua quedará flotando y alguna vez volverá a ser agua. La realidad es que no hay hidrógeno flotante, porque la gravedad de la Tierra es insuficiente para retenerlo. La pérdida será mínima, si los procesos industriales son muy eficientes, pero el consumo actual de energía es astronómico, con lo que la pérdida acumulada llegará a ser importante a la vuelta de no mucho tiempo. No sé si me explico.

Anónimo dijo...

Interesante reflexion, Aurora. No obstante me temo que antes de que la cantidad de hidrogeno perdida por la Tierra sea significativa, la especie humana habra desaparecido.
Tampoco creo que el hidrogeno tenga opcion frente a las baterias en los coches, no obstante si Mercedes y VW han abandonado unos proyectos, Hyundai y Toyota siguen. Y parece que en el transporte pesado si que el hidrogeno tiene ventaja.
Benito

Sergio Monge dijo...

Lo ideal sería que pudieramos utilizar toda la energía que producen las renovables fuera de tiempo, la que no usamos porque se produce cuando no hay demanda (p.ej. fuertes vientos por la noche), para generar ese hidrógeno tan costoso energéticamente de producir. Sería la forma de almacenar energía que hemos estado buscando y sin la cual es imposible depender de renovables.

Pero para ello habría que aumentar considerablemente la producción de energía renovable, y a ser posible situar las hidrogeneras cerca de esas fuentes de producción, lo que no siempre va a ser posible porque, por ejemplo la costa nos suele gustar ocuparla para vivir y probablemente los paneles solares y los molinos nos molesten.

Igor dijo...

Excelente artículo con el que coincido plenamente. He trabajado varios años con pilas de combustible y creo que hay un 3 factores más a añadir para la dificultad de que el H2 sea competitivo en automoción:
- El B.O.P o Balance Of Plant de la pila de combustible (es decir, todo aquello que se necesita alrededor de la celda electroquímica que genera la electricidad) es muy complejo y caro (caudalímetros, reguladores de presión, etc.) y muy difícil que llegue a simplificarse tanto como en una batería.
- Las tecnologías de almacenamiento del H2 en el vehículo están lejos de ser óptimas
- El coste de una hidrogenera es brutal si lo comparamos con una electrolinera, por lo que va a ser complicado desplegar una infraestructura equivalente a las gasolineras actuales

Si a todo esto le unimos que los Km de autonomía de los coches eléctricos ya es tan alta como los de H2 (y se sigue mejorando), creo que que el único nicho que le queda al H2 son los transportes pesado de larga distancia y el almacenamiento estacionario estacional (meses de almacenamiento).

Un saludo

Igor

Yanko Iruin dijo...

Muchas gracias a los cuatro por vuestros comentarios.Aurora en su excelente línea de siempre. El "anónimo" Benito, que creo saber quién, es sabe mucho de estos temas y en el pasado aprendí mucho de él. Y si el Igor del último comentario es el Igor que yo creo, no os lo perdáis porque lleva mucho tiempo trabajando con pilas de combustible. Así que, para mi, sus opiniones, viniendo de quien vienen, van a misa. Sergio creo que es nuevo en esta sala, pero su comentario amplia el contenido de mi entrada. Gracias a todos. Es un placer tener seguidores así.

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