La teoría del empleo del hidrógeno como fuente energética

La teoría del empleo del hidrógeno como fuente energética se remonta a 1.839, cuando William Grove demostró que se podía generar corriente eléctrica a partir de una reacción electroquímica entre hidrógeno y oxigeno. Hoy en día y, partiendo de este descubrimiento, miles de científicos de todo el mundo persiguen el objetivo de lograr convertir el hidrógeno en una fuente de energía limpia, barata y aplicable a cualquier uso.

Con la situación energética actual, caracterizada por una dependencia casi total de combustibles fósiles y de la energía nuclear y, ante los riesgos por contaminación nuclear, las amenazas del previsible agotamiento de los recursos fósiles y del calentamiento global del planeta, a la par que se mantienen las crecientes exigencias energéticas de la sociedad actual, es imprescindible encontrar una fuente energética capaz de suplir a las anteriores, ya que el resto de energías (solar, eólica, hidráulica, etc.), a pesar del enorme desarrollo experimentado en los últimos años, son incapaces de cubrir los requerimientos actuales.

Combustible para cohetes

La industria aeroespacial ha sido la pionera y precursora del empleo de hidrógeno como combustible de los cohetes espaciales, gracias a lo cual, hoy en día se conoce como comprimir y almacenar hidrógeno en una célula o pila de combustible, produciendo únicamente un residuo de agua y calor. La clave para cambiar a una economía energética basada en el hidrógeno está en lograr producir y manejar el hidrógeno de forma barata y limpia, ya que en la naturaleza no se encuentra en estado puro y hay que obtenerlo a partir de diferentes materias primas.

El hidrógeno es un gas incoloro, inoloro, insípido, altamente inflamable, relativamente estable, muy poco viscoso, no es tóxico ni contaminante. Es el más ligero de los gases conocidos y, de los combustibles empleados, es el que tiene mayor contenido energético por unidad de peso y, de los que menos por unidad de volumen. Por todo ello y, ante el riesgo de fugas y la dificultad de su transporte y almacenamiento, se convierte en un gas cuya manipulación requiere de cuidados especiales.

Tipología de esta fuente de energía

El hidrógeno no existe libre en el ecosistema terrestre; ni en la atmósfera ni bajo tierra como otros gases, aunque ocasionalmente se ha encontrado en las emanaciones de erupciones volcánicas y en las capas altas de la atmósfera. Donde si existe es fuera de la misma; en el sol, en el espacio, etc., por lo que su obtención requiere partir de otras fuentes que lo contienen (gas natural, carbón, biomasa, agua, aguas residuales, basuras domésticas, etc.) tras aplicar diversos procesos de separación caracterizados por un consumo energético superior al que proporcionará el hidrógeno obtenido (vector energético del proceso). Por ello se dice que el hidrógeno no es una fuente de energía primaria, pues primero hay que tener otra energía para producir el hidrógeno.

Existen numerosos métodos de obtención del hidrógeno basados principalmente en la electrolisis del agua, procesos térmicos aplicados sobre compuestos ricos en este elemento y procesos biológicos.

Una de estas opciones, obtenerlo a partir del agua, se logra separando el oxígeno por electrólisis. De este modo se parte de un elemento prácticamente inagotable que, tras la combustión del hidrógeno y, de forma residual, volverá a obtenerse. En este caso, es preciso consumir energía eléctrica procedente de centrales nucleares, centrales térmicas, con su correspondiente carga contaminante, o de alguna fuente renovable para no emitir gases de efecto invernadero.

Por otro lado y, a partir de hidrocarburos o de materiales ricos en carbono, es necesario separar el carbono mediante procesos térmicos de oxidación-reducción donde, a elevadas temperaturas, el combustible se oxida como CO2 y H2O para reducirse posteriormente a CO y H2. Con esta opción, las emisiones de CO2 son elevadas, por lo que el proceso se desestima para grandes producciones.

El resultado del proceso

Finalmente, aunque todavía en una fase inicial de desarrollo se encuentran los procesos biológicos (biohidrógeno) donde muchos expertos tienen depositadas sus esperanzas. Actualmente se puede obtener hidrógeno mediante el aprovechamiento de procesos naturales de fotosíntesis, fermentaciones aerobias o anaerobias, etc. que, de forma natural, se producen en determinados tipos de algas, líquenes, bacterias, etc. En este sentido destaca el descubrimiento por parte de un equipo de investigadores del Instituto de Ciencias de los Materiales de la Universidad de Valencia de un catalizador basado en el molibdeno y obtenido a partir de la acción de diferentes enzimas que, al entrar en contacto con el agua, separa fácilmente el hidrógeno.

En cualquier caso y, de forma general, la costosa y/o difícil obtención del hidrógeno a gran escala resta los beneficios de su uso como energía alternativa, por lo cual, las actuales líneas de investigación continúan buscando métodos de síntesis de hidrógeno de forma rápida, barata y medioambientalmente aceptable a partir de recursos limpios y, si es factible, mediante la aplicación de fuentes de energía renovables.

Sistema de aprovechamiento energético

En cuanto al aprovechamiento energético del hidrógeno, existen actualmente dos sistemas; la fusión de núcleos de hidrógeno y las pilas de combustible. En el primer caso y, todavía en una fase experimental, se pretende emular de forma controlada el proceso de producción energética que acontece en el interior de las estrellas, basado en reacciones de fusión nuclear en condiciones de presión y temperatura muy elevadas, en las que dos núcleos atómicos de hidrógeno se funden para dar lugar a un núcleo de helio. En este sentido, la Unión Europea, Rusia, Canadá y Japón, a los que se sumarán Estados Unidos y China, están promoviendo desde 1.987 un gran proyecto, denominado proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) con el que se espera llegar a controlar esta energía.

La fuente de energía más asequible a los usos de nuestra vida cotidiana y que, en algunos casos, ya se está empleando, es la pila de combustible. Esta es un generador de electricidad que basado en la reacción de electrolisis del agua, que emplea hidrógeno y oxígeno del aire, produce agua y libera electrones y calor. Además y, a diferencia de las pilas convencionales que agotan los reactivos electroquímicos, este tipo de pilas no contamina y renueva continuamente el hidrógeno consumido.

Distintas vías de inversión, proyectos

El desarrollo de este tipo de fuente energética esta siendo impulsada en los últimos años principalmente por las multinacionales automovilísticas, que están destinando partidas presupuestarias multimillonarias a la investigación y desarrollo de las pilas de combustible. Estados Unidos es el país que más recursos económicos está invirtiendo en este sector de investigación (durante el año pasado, 1.200 millones de dólares de gasto público y más de 100 millones por fabricante de automóviles), muy por delante de la Unión Europea dentro de su Programa Marco de Investigación y Japón, donde se prevé comercializar 50.000 pilas de combustible para vehículos en 2010. Por otro lado, existen otras líneas de investigación que pretenden lograr variantes de pilas de combustible destinadas a aplicaciones industriales, generación de energía eléctrica y calorífica, etc.

La mayoría de las empresas automovilísticas desarrollan actualmente líneas de investigación para lograr “el coche del futuro”. Entre ellas, BMW presentó hace pocos años el primer coche de hidrógeno que se fabricará en serie. Con la denominación 750 hL, cuenta con un motor de 12 cilindros que desarrolla una potencia de 204 CV capaz de acelerar de 0 a 100 en 9,5 segundos y alcanzar una velocidad máxima de 226 Km/h. De forma paralela pretenden conseguir hidrógeno mediante electrolisis a través de una fuente de energía renovable y, en colaboración con las grandes multinacionales de la energía, prevén además crear una red de estaciones para el suministro de hidrógeno. Con todo ello, el objetivo de esta compañía para elaño 2.0202 es que el 20% de sus coches funcionen con hidrógeno.

En el año 2.001 y, con un presupuesto total de 52 millones de euros, se inició el proyecto CUTE con el objeto de crear un autobús destinado al transporte público alimentado a partir de una pila de combustible de hidrógeno. En este proyecto y, al amparo de la Unión Europea, participan las ciudades de Madrid, Londres, Oporto, Luxemburgo, Hamburgo, Barcelona, Stuttgart, Estocolmo y Amsterdam, en consorcio con Daimler-Chrysler. Como consecuencia, en estas ciudades circulan más de treinta unidades de estos vehículos y, por ejemplo, en Madrid, de forma pionera se introdujeron dos unidades hace más de dos años y, hoy en día, además de ampliar este parque, se cuenta con una estación de servicio que carga la pila de combustible en 15 minutos. En este sentido, cabe citar que es Islandia el país que mayor inversión económica ha realizado en la reconversión de su flota de transporte público por carretera.

En definitiva y si todo sigue la tendencia prevista, según los expertos nos encontramos ante una nueva revolución energética y/o industrial basada en el elemento más simple y común del universo, que eliminará drásticamente el actual ritmo de contaminación ambiental, ya que solo se desechará agua y calor, pero para lograrlo todavía es preciso avanzar en las investigaciones dedicadas al desarrollo de esta floreciente tecnología.