Hidrógeno

¿Generador de agua?

Porque su combustión produce energía y agua, suele ser idealizado como el “combustible del futuro”. Pero el hidrógeno ya hace bastante tiempo que se está utilizando como vector de energía y, lejos de las aspiraciones ambientalistas, la mayor parte de los millones de toneladas que se producen y consumen anualmente generan dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero.

19 Mar 2018 POR Gabriel Stekolschik

Foto: Anne/Flickr.

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Su nombre proviene del griego, y significa “que genera agua”. Es el átomo más simple y, también, el más abundante del universo. Paradójicamente, es el elemento químico más antiguo –se habría formado minutos después del Big Bang– y, según parece, es el elemento del futuro.

Se trata del hidrógeno, un átomo muy “sencillo”: en su forma más abundante (99,985 %), está formado tan solo por un protón y un electrón.

Precisamente por su simplicidad, la molécula de hidrógeno (formada por dos átomos de hidrógeno unidos entre sí, y simbolizada como H2) es el compuesto que contiene más cantidad de energía por unidad de peso. De hecho, un gramo de H2 puede proporcionar 39 Watt-hora (Wh), en tanto que un gramo de gas natural puede brindar unos 12 Wh. Por otra parte, la combustión –es decir, la quema en presencia de oxígeno– del H2 es una reacción química cuyo producto final es el agua, una ventaja ambiental importante si se compara con el resto de los combustibles que, cuando se queman para obtener energía, producen gases tóxicos y de efecto invernadero.

Estas propiedades particulares convirtieron al H2 en un emblema del futuro, en lo referente a la producción y uso sostenible de energías “limpias” (que no afectan el ambiente). Pero, a la hora de aprovecharlo, aparece un primer problema: su abundancia universal contrasta con su disponibilidad en nuestro planeta. Porque, a temperatura ambiente, el H2 es un gas, y es tan liviano que, cuando está libre, se escapa hacia el límite superior de la atmósfera.

“En la Tierra, el hidrógeno prácticamente no se encuentra libre, sino que está unido a innumerables compuestos; principalmente el agua y los hidrocarburos”, explica Horacio Corti. En consecuencia, a diferencia de los combustibles fósiles, que pueden quemarse directamente para usufructuar su energía, el hidrógeno debe –primero– “extirparse” de los compuestos a los que está unido para –entonces sí– poder utilizarse.

Es decir, no es una fuente primaria de energía, como el petróleo, el gas o el carbón, sino que es un vector energético, porque transporta energía que proviene de fuentes diversas.

¿Energía limpia?

Por su carácter de vector energético, el H2 solo puede considerarse “limpio” si para su producción se usan fuentes que no contaminan. Actualmente, casi todo el H2 que se produce en el mundo es “sucio”, pues alrededor del 95% se obtiene de combustibles fósiles mediante procesos que emiten dióxido de carbono (CO2), un gas de efecto invernadero.

El resto se obtiene mayoritariamente a partir de la electrólisis del agua (H2O), una técnica que permite separar los átomos de hidrógeno de los de oxígeno utilizando energía eléctrica. En este caso, podría hablarse de H2 “limpio” si esa electricidad fuese generada por fuentes que no contaminan (molinos eólicos o paneles solares, por ejemplo). Pero, todavía, gran parte de la energía eléctrica se genera a partir de la quema de combustibles fósiles.

Otra fuente –relativamente minoritaria– de H2 es la biomasa (material biológico vivo o muerto). Este método de obtención de H2 también emite CO2 como subproducto. Pero, como se trata de CO2 que originalmente fue atrapado por las plantas mediante la fotosíntesis, el aporte neto de CO2 a la atmósfera es prácticamente nulo.

“Nosotros producimos hidrógeno a partir de etanol (NdR: alcohol etílico) obtenido de la caña de azúcar”, consigna Miguel Laborde desde la Planta Piloto de producción de hidrógeno a partir de bioetanol, inaugurada en 2007 y situada en Ciudad Universitaria.

En cualquier caso, el proceso de “extirpación” del hidrógeno de los compuestos a los que está unido cuesta bastante energía. Por lo tanto, los métodos para su obtención deben ser suficientemente eficientes como para lograr un balance positivo entre la energía que se gasta y la que se consigue.

Gas huidizo

El H2 fue pensado originalmente como un sustituto de los combustibles fósiles en los vehículos de transporte. Esto planteó el problema de almacenarlo de manera compacta y liviana. Como tiene un índice de fuga, a través de pequeños orificios, mayor que todos los demás gases, requiere de tanques especiales para guardarlo.

Además, su densidad es muy baja, lo cual significa que para contener una gran masa de H2 en un espacio pequeño se lo tiene que comprimir a muy altas presiones. También se lo puede guardar como líquido, aunque a temperaturas extremadamente bajas. En ambos casos –comprimir el gas o enfriarlo– se requiere de un aporte significativo de energía.

Los intentos por “apresar” al H2 de manera eficiente llevaron últimamente a la búsqueda de materiales sólidos que puedan unirlo “transitoriamente” en cantidades relativamente grandes de manera que, cuando se necesite utilizarlo, pueda “liberarse” fácilmente. “Puede ser un método interesante porque sería una forma más segura de almacenamiento, pero todavía está en etapa de investigación”, aclara Corti.

Una vieja novedad

La producción de H2 no es algo nuevo. En el mundo –incluida la Argentina– se lo utiliza desde hace muchísimo tiempo como materia prima industrial. Por ejemplo, para la refinación de petróleo o la fabricación de fertilizantes, vidrios, productos farmacéuticos o alimentos. La industria resolvió el problema del transporte del H2 produciéndolo dentro de sus establecimientos (in situ), mayoritariamente a partir de gas natural.
Tampoco es novedoso el uso del H2 como combustible. De hecho, el primer motor de combustión interna, patentado en 1807, se alimentaba con este gas.

No obstante, quemar el H2 para obtener energía es un método muy poco eficiente: “Cuando se quema el hidrógeno en una máquina térmica, como un motor, el rendimiento no supera el 30%”, ilustra Corti, y añade: “Una forma más eficiente de utilizar el H2 es usarlo en una celda de combustible, donde se pueden alcanzar rendimientos de hasta el 80%”.

La celda –también llamada “pila”– de combustible tampoco es una tecnología nueva: fue inventada en 1839. “En la década de 1960 se utilizó en el módulo espacial que llevó al primer hombre a la Luna”, comenta Corti. Se trata de un dispositivo que, mediante la inyección de H2 y oxígeno, produce agua y energía eléctrica. Es decir, el proceso inverso a la electrolisis descripta anteriormente.

En definitiva, el H2 como combustible es una realidad desde hace largo tiempo. “La tecnología está. Hoy el problema del hidrógeno como combustible es que, en costos, todavía no compite con los vehículos que usan combustibles fósiles”, indica Corti.

Competencia eléctrica

“Yo creo que el uso a gran escala del hidrógeno como combustible estará destinado fundamentalmente a los medios de transporte pesado, como barcos, camiones, trenes o colectivos”, opina Miguel Laborde, y agrega: “La gran competencia para el hidrógeno como combustible es el auto eléctrico chico, porque un vehículo pequeño no tiene espacio suficiente para almacenar la cantidad de gas necesaria para alcanzar la misma autonomía que brinda una batería”.

Para resolver el problema del almacenamiento del H2 en los vehículos, las principales marcas de automóviles y ómnibus ensayan diversos sistemas, que combinan distintos tipos de celdas de combustible con diferentes clases de combustible.

En ese camino, la automotriz japonesa Nissan promete para 2020 (en coincidencia con los Juegos Olímpicos de Tokyo) la presentación de un prototipo muy particular. Porque, si bien es un vehículo eléctrico, la electricidad se la proveerá una celda de combustible alimentada con hidrógeno que está situada en el mismo vehículo. “La idea es espectacular y la toman de la industria, que produce su propio hidrógeno in situ”, se entusiasma Laborde.

El científico explica que “en lugar de tener un tanque de hidrógeno a muy alta presión tiene un tanque similar al de la nafta, pero con una mezcla de bioetanol y agua, la cual, dentro del coche y a través de un catalizador, se transforma en hidrógeno y CO2. Ese hidrógeno alimenta a una pila de combustible que genera la energía eléctrica que carga la batería que hace mover al vehículo. Por otra parte, como el etanol proviene de biomasa, el efecto final del CO2 en la atmósfera es neutro”.

Más allá de la industria automotriz, el H2 como vector de energía también puede aprovecharse para almacenar la energía solar y la energía eólica, en un proceso completamente “limpio”: “Se puede aprovechar la energía del Sol o del viento para producir hidrógeno mediante la electrolisis del agua, y almacenarlo en un tanque. Luego, cuando se necesita, se puede usar con una pila de combustible para generar electricidad”, explica Laborde.

Hidrógeno argentino

El Laboratorio de Procesos Catalíticos de la Facultad de Ingeniería de la UBA, que Laborde integra desde su creación en 1992, es pionero a nivel mundial en las investigaciones dirigidas a obtener hidrógeno a partir de la mezcla etanol-agua (la tecnología que utilizará el auto de Nissan). Sin ir más lejos, en el año 2005, vendió a la empresa española Abengoa un proceso catalítico para producir hidrógeno a partir de alcohol empleando catalizadores existentes en el mercado y, en 2007, creó y patentó un catalizador novedoso que produce hidrógeno a partir de una mezcla etanol-agua.

En 1998 se presentó en sociedad el primer auto argentino a hidrógeno, y en 2005 se inauguró la primera planta de Latinoamérica de producción de hidrógeno a partir de energía eólica en la localidad de Pico Truncado, en Santa Cruz.

En 2006, se aprobó la Ley 26.123 para promover el desarrollo de la tecnología, la producción, el uso y aplicaciones del hidrógeno como combustible y vector de energía. “Nos pidieron a un grupo de especialistas que elaboremos un Plan Nacional de Hidrógeno para usarlo en la reglamentación de la ley” recuerda Laborde. “Trabajamos durante dos años y armamos un Plan con programas de corto, mediano y largo plazo”, dice, y concluye: “La ley nunca se reglamentó”.