El hidrógeno es un combustible limpio que puede suponer una reducción significativa de la emisión de gases de efecto invernadero. No solamente se puede utilizar en la pila de hidrógeno, que se dio a conocer por sus aplicaciones en automoción, sino también en otros formatos y para muchos otros usos, llegando hasta el ámbito turístico.

Las grandes posibilidades de utilizar el hidrógeno como combustible vienen dadas, además de sus propiedades para proveer energía al reaccionar, por su universalidad: es el elemento más simple y abundante del universo. Sin embargo, en la naturaleza del planeta solo se encuentra combinado con otros elementos, como hidrocarburos o agua.

Los problemas de la obtención del hidrógeno

Obtener el hidrógeno de forma aislada, es decir, liberarlo de sus combinaciones con otros elementos, obliga a investigar sobre procedimientos sostenibles para lograrlo.

Además, una vez obtenido en su forma aislada, el hidrógeno precisa tareas de almacenamiento, transporte y distribución específicas.

La pila de hidrógeno

Una pila de combustible es un dispositivo capaz de transformar, de manera directa, energía química de un combustible en energía eléctrica.

Estas reacciones varían con condiciones como la temperatura, por lo que se darán las reacciones de la pila de hidrógeno para una temperatura inferior a 90ºC, es decir, un caso real en una pila PEMFC (pila de membrana de intercambio protónico). Se explicarán, como combustible, el hidrógeno puro y, como comburente, el oxígeno.

Los iones del hidrógeno irán de la superficie del ánodo hacia el cátodo a través del electrolito, donde reaccionarán con el oxígeno produciendo agua. Así, se producen los electrones, que a través de un circuito externo se suministran al cátodo. El electrolito impide el paso de los electrones y separa el combustible y el comburente. Así, las reacciones redox en el ánodo y cátodo de la pila simulan una reacción de combustión.

La energía que se obtiene de este proceso es eléctrica, de manera que no es necesario transformar calor liberado en trabajo mecánico. Además, este proceso no produce emisiones, solo energía limpia.

Todo esto convierte a la pila de hidrógeno en una alternativa destacable en la producción energética en el momento actual, en el que se busca descarbonizar la industria y también la economía. Y todo esto, en línea con el objetivo europeo para el año 2030, para lograr la neutralidad climática.

Las aplicaciones de la tecnología del hidrógeno y las pilas de combustible

Las razones que han motivado el objetivo europeo de lograr la neutralidad climática para el año 2030son las fluctuaciones en los precios del petróleo, la preocupación por el calentamiento global y la demanda creciente de energía.

El uso de hidrógeno como combustible conlleva una minimización de gases GEI (gases de efecto invernadero), proporciona un suministro energético seguro y se puede emplear en sistemas estacionarios de pila de combustible, ofreciendo una alternativa flexible ante la necesidad de energía en forma de calor o electricidad.

La producción de hidrógeno es eficiente y silenciosa y puede ser utilizada por sistemas pequeños y grandes de cogeneración y trigeneración, transporte por carretera, vía férrea, aérea y naval.

Además, la economía del hidrógeno significará una estabilización del precio de la energía y la creación de oportunidades de crecimiento económico a través del desarrollo de un nuevo negocio y el equipamiento de las industrias.

El hidrógeno se utiliza ya para sintetizar amoniaco (40,3 %), en refinerías de petróleo (37,3 %) y en plantas de producción de metanol (10,0 %). El resto es utilizado en el sector farmacéutico, alimentación y electrónica.

Pero también podría utilizarse en muchos sectores, detallados a continuación.

– Aplicaciones portátiles: las pequeñas células de combustible podrían reemplazar a baterías de los equipos electrónicos portátiles hasta los 100 W y a los motores de generación de combustión interna hasta 5 kW (debido fundamentalmente al peso de la célula).

Así sería posible utilizar la pila de hidrógeno no solamente en automoción, sino también en teléfonos móviles, ordenadores portátiles, cámaras reproductores portátiles de sonido y/o imagen, tablets, cargadores de baterías, etc. También para equipos médicos y militares.

Las células de combustible de hidrógeno proporcionan mucha más potencia por unidad de volumen o peso, aunque tienen respuestas más lentas y voltaje más bajo. Otras desventajas son que estos sistemas tendrían problemas de fiabilidad, vida media, peso y volumen; y que el uso de este combustible puede ser peligroso.

– Aplicaciones estacionarias: las células de combustible de hidrógeno se podrían utilizar tanto en grandes plantas de generación de energía estacionaria como para uso doméstico. Las pequeñas unidades de menos de 10 kW pueden suministrar electricidad, calor y agua caliente a viviendas individuales, y las de 100 a 300 kW, a edificios. De hecho, las pilas de hidrógeno ya se están probando en casas individuales y hospitales.

En Estados Unidos, el hidrógeno se utiliza como combustible para usos militares. Sin embargo, todavía es necesaria más investigación y desarrollo para que sean rentables económicamente. También, mejorar los procesos de fabricación, alargar la vida media, reducir el coste de los sistemas y su fiabilidad.

– Aplicaciones en el transporte: el hidrógeno puede utilizarser como combustible en los motores de combustión interna, células de combustible y turbinas de gas. Las pilas de hidrógeno tienen eficiencias de conversión de energía mayores, no tienen partes móviles y solo producen agua en el escape.

Es fácil convertir los motores de conversión de combustible convencional en motores de hidrógeno, por lo que muchos fabricantes ya están trabajando en ello. Los prototipos actuales de vehículos impulsados con hidrógeno aún no tienen las prestaciones de los de diésel o gasolina, pero las pilas de hidrógeno tienen mayor densidad energética que otras baterías y se cargan en menos tiempo. Son una buena fuente de energía para vehículos eléctricos.

Además, estas baterías pueden servir para suplir otros equipos eléctricos de a bordo como las unidades auxiliares de potencia de coches o camiones convencionales. También pueden suplir energía o propulsión en otros transportes como barcos. Los únicos inconvenientes actuales para el uso de esta energía en el transporte son los elevados costes de las pilas de hidrógeno y el resto de los dispositivos para mantenerlas.

A esto hay que añadir los problemas de su almacenamiento y la necesidad de mejorar sus prestaciones a temperaturas bajo cero. También, su tolerancia en las pilas de monóxido de carbono y otros contaminantes presentes en el hidrógeno proveniente de la biomasa o los combustibles fósiles como el metano. También es necesario demostrar la durabilidad de los componentes del sistema de propulsión.

– Aplicaciones espaciales: el hidrógeno se utiliza en la flota actual de space shuttles (lanzaderas espaciales), ya que proporciona mayor eficiencia y seguridad y minimiza la contaminación. Además, es más ligero y silencioso, necesita menor superficie de despegue, los costes son más reducidos y el ruido del despegue se reduce un tercio.

– Aplicaciones militares: la NASA es el primer consumidor de hidrógeno del mundo y Estados Unidos está invirtiendo en la investigación y desarrollo de este sistema de combustible. Las pilas de hidrógeno podrían reducir los gastos de logística en el campo de batalla, reducir costes y contaminación en instalaciones militares como buques y vehículos terrestres. Son sistemas mucho más silenciosos que los de diésel, como los generadores de energía de tanques o en los uniformes avanzados de soldados.

Cómo obtener la materia prima: el hidrógeno

La producción de hidrógeno requiere, a su vez, energía de cualquier tipo; puede ser incluso nuclear.

En Japón se centran en el gas líquido, incluido el metano, así como en otras posibilidades que producen, a su vez, emisiones de monóxido o dióxido de carbono. Pero, en este caso, no estaríamos hablando de energía limpia, por lo que hay que seguir buscando otras posibilidades.

La primera batería basada en hidrógeno se llama Ene-Farm, y fue obtenida en Japón para ser utilizada en el hogar. Extrae hidrógeno de gas líquido y, al mismo tiempo, recoge el calor residual, que puede ser utilizado para calentar agua en las casas. Esta pila es muy eficiente y emite poco CO2.

Respecto a la industria automóvil, fabricantes como Hoda o Toyota están trabajando en obtener un coche que funcione con baterías y depósitos de hidrógeno.

El hidrógeno también puede obtenerse del agua por medio de la producción biológica en un biorreactor de agua o usando electricidad (electrolisis), por procesos químicos (reducción química) o por calor (termólisis). Estos procedimientos podrían ser buenas alternativas la producción de hidrógeno por medio de hidrocarburos, pero todavía están siendo estudiados.

Pasos necesarios para convertirnos en una sociedad del hidrógeno

Como se puede observar, el uso de hidrógeno como combustible plantea grandes ventajas ambientales y económicas. Sin embargo, es necesario el apoyo gubernamental.

Cuando en 2002 Estados Unidos se unió a las iniciativas europeas, el uso del hidrógeno se populariza y en la UE se crea una estructura similar a las del país americano.

Según la Plataforma Tecnológica Europea, para que se dé el cambio social al hidrógeno es necesario que suceda lo siguiente:

• Reducir los costes de las pilas de combustible.
• Mejorar las prestaciones y durabilidad de las pilas.
• Desarrollar sistemas de producción masiva de pilas.
• Reducir los costes de producción y distribución de hidrógeno.
• Conseguir la producción de hidrógeno a gran escala a partir de renovables y fuentes de energía con carbono.
• Obtener nuevos materiales y métodos para almacenar hidrógeno.

Una vez se alcancen estos logros, será posible crear una nueva Economía del Hidrógeno.