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La ciencia responde

Hidrógeno, ¿una alternativa energética viable?

El modelo energético actual está basado en el uso de combustibles de origen fósil obtenidos a partir del petróleo y el gas natural, materias primas no renovables. La búsqueda de fuentes de energía alternativas dentro de un modelo sostenible es un reto de presente y de futuro. El uso del hidrógeno como combustible ofrece una alternativa limpia y eficiente que podría resolver muchos de los problemas derivados del sistema actual.

Miguel Baya García y José A. Mata Martínez 21/11/2017 a las 06:00
El hidrógeno abunda en la naturaleza, pero no en estado puro sino formando compuestos químicos, uno de ellos el aguaHeraldo

¿Qué ventajas e inconvenientes tiene el modelo energético actual?

Desde tiempo inmemorial el ser humano se ha servido de los distintos recursos que ha encontrado en la naturaleza para mejorar su nivel de vida. Una de las necesidades principales y, además, aspecto clave para el desarrollo socioeconómico ha sido el disponer de fuentes de energía eficaces y abundantes. En épocas pretéritas la fuente principal de energía provenía de la madera y del carbón vegetal. Ya en los siglos XVIII y XIX la revolución industrial se abrió camino ligada al uso y explotación masiva del carbón mineral. Posteriormente, el desarrollo de la tecnología eléctrica hizo de la electricidad una de las principales fuerzas motrices de la Segunda Revolución Industrial, junto con el gas y el petróleo.

El modelo energético actual, heredado de la Segunda Revolución Industrial, está basado en gran parte en el uso de combustibles de origen fósil, fundamentalmente obtenidos a partir del petróleo y gas natural. En ambos casos se trata de materias primas no renovables, cuyo uso masivo derivará inevitablemente en el agotamiento de las fuentes naturales.

El uso de estos combustibles implica además la liberación de ingentes cantidades de dióxido de carbono, que se acumula en las capas bajas de la atmósfera, produciendo un incremento notable del efecto invernadero sobre la superficie terrestre. Ello está generando un aumento de la temperatura sobre la corteza, dando lugar a preocupantes desequilibrios medioambientales.

¿Y cuáles son las ventajas e inconvenientes del hidrógeno como fuente de energía?

El hidrógeno es un excelente combustible debido a su elevada densidad energética y nula emisión de gases de efecto invernadero. Su combinación con el oxígeno atmosférico produce una gran cantidad de energía por unidad de masa, aproximadamente tres veces más que la gasolina, generando agua como único subproducto. Por ello, el hidrógeno parece a priori un candidato ideal para sustituir a los combustibles fósiles como fuente de energía limpia. El modelo energético basado en la utilización del hidrógeno como fuente principal de energía se conoce con el nombre de ‘economía del hidrógeno’.

Desafortunadamente existen algunos inconvenientes que dificultan la implantación de la economía del hidrógeno en nuestra sociedad. El principal es que este gas no se encuentra de modo natural en la corteza terrestre. A día de hoy, el hidrógeno se produce principalmente en procesos no sostenibles que hacen uso de sustancias fósiles, fundamentalmente hidrocarburos y carbón, y que suponen la generación adicional de dióxido de carbono. La producción de hidrógeno a través de otras vías medioambientalmente sostenibles es, a día de hoy, económicamente poco competitiva.

El segundo inconveniente es la naturaleza gaseosa y altamente inflamable del hidrógeno. En condiciones normales (presión y temperatura ambiental), un depósito de 50 litros lleno de hidrógeno (gas) solo contiene unos 4 gramos de combustible, por lo que genera unas 3.000 veces menos energía que un depósito análogo lleno de gasolina. Así, para la utilización eficaz del hidrógeno, este debe ser almacenado en alta concentración (de forma comprimida a alta presión), lo que conlleva importantes riesgos de seguridad. Ello supone una dificultad importante de cara a su implementación como combustible de uso doméstico.

Alternativas al uso del hidrógeno… ¿qué son los líquidos orgánicos portadores de hidrógeno?

Una de las soluciones que se proponen para minimizar riesgos de seguridad es el uso de los llamados ‘líquidos orgánicos portadores de hidrógeno’ (‘liquid organic hydrogen carriers’, LOHC). Los LOHC son compuestos químicos de naturaleza orgánica y líquida que actúan como almacén de hidrógeno durante largos períodos de tiempo en condiciones seguras. Por tanto, pueden ser transportados fácilmente y sin riesgos y, en las condiciones adecuadas, son capaces de liberar hidrógeno de modo rápido y eficaz para su utilización inmediata. El compuesto deshidrogenado generado puede ser recuperado e hidrogenado de nuevo, lo que permite su reutilización.

Un líquido orgánico portador de hidrógeno eficiente debe cumplir varios requisitos. Por un lado, debe almacenar una gran cantidad de hidrógeno por unidad de masa. Además, el LOHC debe ser capaz de dehidrogenarse e hidrogenarse de forma reversible. Esto implica que ambos procesos deben ocurrir en condiciones suaves y de modo eficiente, lo que garantiza la utilización del líquido orgánico portador de hidrógeno como generador de hidrógeno y su recuperación posterior, sin emitir subproductos contaminantes al medio ambiente.

El viaje del hidrógeno: del agua a la aplicación

Hidrógeno, ¿una alternativa energética viable?

Tengo un coche de hidrógeno con LOHC

En la estación de servicio, un coche de hidrógeno para a repostar. No hay peligro alguno, pues el combustible es un líquido orgánico portador de hidrógeno (LOHC) que actúa como almacén de este elemento.

Ya en el depósito del vehículo, tiene lugar de modo controlado el proceso de deshidrogenación de este líquido; se obtiene un subproducto y, por supuesto, el hidrógeno gas, que es inmediatamente empleado como combustible, generando energía motriz y liberando vapor de agua a través del tubo de escape. Consumir directamente el hidrógeno nada más generarlo, sin acumularlo, es una garantía de seguridad.

La próxima vez que haya que repostar, el usuario descargará en la estación de servicio el subproducto generado y llenará de nuevo el depósito con el combustible LOHC.

El subproducto generado en la operación se envía a planta desde las estaciones de servicio para su hidrogenación y recuperación del LOHC. El líquido orgánico portador de hidrógeno será otra vez distribuido para su uso como combustible en un nuevo ciclo.

Producción sostenible. La ciencia sigue haciéndose preguntas

La implementación de los líquidos orgánicos portadores de hidrógeno resolvería los problemas derivados del uso práctico de hidrógeno como combustible, facilitando su uso doméstico. Sin embargo, quedaría por resolver otro aspecto principal: la producción sostenible de hidrógeno. Hoy en día, la mayor parte del hidrógeno se produce mediante procesos termoquímicos y a partir de gas natural, carbón o biomasa, métodos de producción no sostenibles. Existen otras vías alternativas que hacen uso de energía eléctrica o fotovoltaica para obtener el hidrógeno a partir de agua. El desarrollo de estas vías limpias de producción de hidrógeno a un coste económico razonable es un objetivo fundamental a conseguir en un corto-medio plazo y supondría un impulso definitivo para la entrada en una nueva era: la Tercera Revolución Industrial.

Quién y qué se investiga hoy

Los investigadores químicos se afanan por lograr la ‘división del agua’ (‘water splitting’) en sus elementos constituyentes: hidrógeno y oxígeno. La naturaleza es fuente de inspiración: en la fotosíntesis, una serie de procesos químicos concatenados convierten finalmente el dióxido de carbono y el agua en azúcares y oxígeno que se libera a la atmósfera. Grupos de investigación punteros trabajan en el diseño de catalizadores que faciliten la división del agua, reduciendo el sobrecoste energético asociado. La complejidad de los procesos involucrados en la transformación y la importancia del objetivo de fondo hacen de este uno de los grandes retos de la ciencia actual.

Miguel Baya García Departamento de Química Inorgánica de la Universidad de Zaragoza, Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea José A. Mata Martínez, Instituto de Materiales Avanzados, Universitat Jaume I





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