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Cómo funcionaría una economía del hidrógeno

Apple, Panasonic y Toyota son algunas de las empresas que invierten en las tecnologías relacionadas con las pilas de hidrógeno

Las baterías que utilizamos a diario a menudo son tóxicas y difíciles de tratar, pero en el caso de determinadas celdas de combustible no se generan contaminantes en operación y podrían sustituir a los motores tradicionales

La tendencia es que cada consumidor particular sea simultáneamente productor de energía, con lo que el esquema central de energía productora frente a ciudad como sumidero de energía podría cambiar

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Cell fuel - Foto Argonne National Laboratory

Cell fuel. / Argonne National Laboratory

A estas alturas es posible que hayas escuchado el concepto de economía basada en hidrógeno o al menos te hayas tropezado con alguna noticia relacionada con nuevas tecnologías vinculadas a dicho elemento, el más ligero de la tabla periódica. ¿No es así?

Varios ejemplos. En marzo de 2008, Panasonic anunciaba el desarrollo de un proyecto piloto consistente en el suministro de energía mediante hidrógeno a 200 hogares en Japón. El día de Navidad de 2011, el diario The Telegraph filtraba una solicitud por parte de Apple a la Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos para registrar un diseño de pila de hidrógeno. El día de Reyes de este año Toyota presentó su vehículo de combustible de hidrógeno FCV en el Consumer Electronics Show de Las Vegas. Ahora bien, ¿qué son las pilas de hidrógeno y por qué le podrían interesar a Panasonic, Apple y Toyota?

Qué es una pila de hidrógeno

Actualmente, las pilas –o baterías– que utilizamos a diario producen su energía eléctrica mediante reacciones electroquímicas de especies que están almacenadas en sí mismas, y que a menudo son tóxicas y difíciles de tratar.

En el caso de la celdas de combustible (Fuel Cell en inglés), encontramos una estructura similar a la de las baterías tradicionales formada por dos electrodos y un electrolito, pero esta vez el ánodo es alimentado continuamente por un combustible (generalmente hidrógeno, pero también puede ser metanol u otros); y el cátodo, por una especie reductora (generalmente oxígeno puro o aire). Nótese que ahora los reactivos no están almacenados en el propio dispositivo, sino que deben ser suministrados a la celda constantemente.

Finalmente, los electrodos están separados por un electrolito que es un aislante electrónico, pero conductor de iones. En definitiva, la principal diferencia entre una batería tradicional y una pila de combustible estriba en la capacidad de almacenar energía, ya que la celda de combustible es un reactor que sólo la transforma, esto es, suministra potencia.

Las pilas poliméricas como solución ecológica

Esquema de funcionamiento de una pila de hidrógeno polimérica

Esquema de funcionamiento de una pila de hidrógeno polimérica.

Esta figura ilustra el esquema básico de la celda de combustible más popular, la llamada de membrana polimérica o PEMFC por su acrónimo en inglés (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell o proton exchange). Su principal particularidad radica en que su electrolito está compuesto por una membrana polimérica. Cada átomo de hidrógeno se oxida en el ánodo liberando iones H+ que viajan por la membrana, y electrones que son los responsables de producir corriente eléctrica. El cátodo por su parte reduce los iones H+ que viajan por el electrolito al reaccionar con el oxígeno del aire generando agua.

Es decir, a diferencia de las contaminantes baterías tradicionales, esta tecnología no genera ningún vertido contaminante, su único residuo es agua destilada. No en vano la tecnología de las celdas de combustible nace en el sector aeroespacial durante una de las misiones Gemini para proporcionar energía –y agua– a los astronautas utilizando los tanques de hidrógeno y oxígeno de las naves.

Además, la eficiencia efectiva en conversión de la energía química a electricidad de estas pilas está en torno al 50% sin considerar la cogeneración (aprovechamiento del calor residual del proceso termodinámico de conversión), mientras que los motores térmicos tienen números mucho peores: una central térmica convencional tiene una eficiencia alrededor del 30% y un motor diésel de última generación, en torno al 40%.

Por otra parte, el hidrógeno es un elemento virtualmente inagotable, ya que aunque actualmente se extrae de forma masiva del gas natural se puede extraer también del agua mediante electrolisis. Ahora bien, no se trata de una fuente de energía en sí misma, ya que no existe en yacimientos como en el caso del petróleo. La producción de hidrógeno susceptible de ser utilizado en pilas de combustible requiere energía, lo que lo convierte en un vector de energía entre la fuente inicial precursora del hidrógeno y la electricidad generada por la pila.

Existen varios tipos de celdas de combustible, dependiendo de la temperatura de operación, los reactivos, los materiales o la carga de potencia que deben asumir. Pero el más popular y extendido por su rango de aplicación es la celda PEM: puede alimentar desde terminales móviles a prototipos de coches, pasando por su uso para consumo doméstico.

La razón de su versatilidad reside en el concepto de modularidad. Cuando hablamos de pila de hidrógeno, estamos tratando con un apilamiento o stack de celdas de combustible conectadas en serie; ahora el voltaje de cada celda (0,7 V) se suma, y de esta manera se pueden construir pilas para distintos rangos de demanda de potencia.

La patente imaginada por Apple es un diseño enfocado tanto a baterías externas como integradas en los propios dispositivos que permitiría aumentar su capacidad y, por ende, podría alargar el tiempo de descarga. El prototipo FCV pensado por Toyota ha sido probando durante más de un año en Norteamérica, y tiene una autonomía de 480 km por cada depósito, que se tarda en rellenar entre tres y cinco minutos.

¿Por qué no tengo un móvil con batería de hidrógeno?

El lector escéptico señalará que ya han pasado más de dos años y aún nadie ha recargado una batería de hidrógeno de su teléfono móvil, sea cual fuere la marca. El registro de la patente es un indicador –otro más– de la dirección a la que apuntan las grandes empresas a medio-largo plazo. Las revoluciones energéticas requieren tiempo para que unas tecnologías desplacen a otras, y más aún cuando las tecnologías tradicionales están muy asentadas y tienen un alto grado de satisfacción entre los consumidores.

El cambio de tendencia no vendrá impulsado por un auge de la conciencia verde entre los consumidores, sino que estará motivado por un precio más atractivo de la nueva tecnología.

En este punto es necesario subrayar el papel del transporte como el principal sector de penetración de la economía del hidrógeno: el fenómeno de la escalada de precios de los combustibles tradicionales y, paralelamente, el abaratamiento debido a la evolución de la curva de desarrollo de los nuevos vehículos basados en hidrógeno, harán surgir un cruce de tendencias en el cual un consumidor prefiera un coche de hidrógeno frente a uno tradicional por razones estrictamente económicas (este fenómeno ya está ocurriendo con los coches eléctricos).

El economista Jeremy Rifkin apunta en su famoso libro La economía del hidrógeno(PDF) cómo la crisis energética debida al hundimiento del petróleo impulsará un nuevo paradigma energético basado en hidrógeno. Es habitual la mueca de rechazo ante el augurio tantas veces repetido de alcanzar el pico de producción; sin embargo, es innegable que la sinergia de los fenómenos de aumento de la demanda mundial, por un lado, y de los gastos de extracción y prospección en lugares cada vez más remotos, por otro, hacen que la tendencia del precio del petróleo sea irreversible a largo plazo.

El proceso de cambio comenzará cuando el consumidor que no quiere renunciar al vehículo como una de sus commodities se plantee otras posibilidades, alzándose el coche de hidrógeno como una alternativa atractiva por su mejor autonomía frente al coche exclusivamente eléctrico.

La generación distribuida

A partir de aquí, la psicología del comprador se enfocará indefectiblemente hacía las tecnologías de hidrógeno que rápidamente identificará como fiables, económicas y ventajosas frente a otros métodos de soporte energético.

Probablemente, el sector del transporte sea el quicio que desplace el hidrógeno hacia otros ámbitos. Como ejemplo, el Toyota FCV puede proporcionar energía a un hogar medio durante una semana con el depósito lleno en caso de emergencia. A partir del vehículo –o quizá de su teléfono o portátil–, el consumidor se planteará utilizar esa misma tecnología para alimentar su propia casa.

La tendencia a largo plazo es que cada consumidor particular sea simultáneamente productor de energía, es decir, que pueda generar y almacenar su propio hidrógeno a partir de agua en los picos de rendimiento de un sistema de energía renovable instalado en su vivienda, para después exportar dicha energía cuando el sistema la demande. Además, el hidrógeno producido permitiría cargar el coche o los dispositivos electrónicos, y utilizarlo para su consumo doméstico. En definitiva se trata de una utilización del hidrógeno como vector de energía que une la producción en picos con el consumo en valles. De esta manera se almacena energía destinada a perderse, y puede aplicarse tanto a escala doméstica como en centrales nucleares adaptadas, lo que permitiría una producción masiva de hidrógeno.

De esta manera, el cambio de paradigma radicaría en que el consumidor dejaría de ser un agente pasivo de demanda de energía para transformarse en un consumidor-generador. Actualmente, el sistema de producción de electricidad se basa en grandes centros de producción como las centrales nucleares o térmicas, y grandes sumideros de energía, como las ciudades.

El nuevo escenario que se plantea aquí tiene un reflejo claro con el nuevo paradigma de la información establecido con internet, donde los circuitos de información son dinámicos y el informado puede ser simultáneamente informador.

Por supuesto, la gestión de una red dinámica de consumo y generación de electricidad representa un gran reto que, en caso de superarse, supondría el establecimiento de una red eléctrica más sólida, ya que ahora el sistema no sería tan vulnerable a la desaparición de un gran centro de producción de electricidad, puesto que podría ser cubierto por un gran número de pequeños productores.

Los problemas de la generación, distribución, almacenamiento y termodinámica

Son varios los cuellos de botella de índole tecnológica que retrasan la aparición del hidrógeno en el mundo de la energía. Uno de los principales problemas a los que se enfrenta el hidrógeno es su infraestructura, su circuito de distribución desde la generación hasta el consumidor final.

El hidrógeno actualmente se extrae masivamente del gas natural mediante tratamiento químico. Este hidrógeno, en principio, no es apto para las pilas poliméricas, dado que se requiere un alto grado de pureza debido a los contaminantes que se arrastran de la reforma del gas natural que inutilizan los catalizadores de la pila, como el platino.

Aunque ya hay estudios que proponen soluciones o sustitutos del sistema de catalización, lo cierto es que el mejor hidrógeno producible para las pilas poliméricas es el proveniente de la electrolisis del agua. Es aquí donde se observa claramente el encaje que tiene el hidrógeno como sistema de almacenaje de la energía producida mediante fuentes renovables cuando producen por encima de la demanda, tanto a nivel doméstico como en grandes sistemas como los parques eólicos.

Por otra parte, el hidrógeno es el elemento más liviano de la tabla periódica y, por lo tanto, se difunde y escapa fácilmente en cualquier circuito de tuberías. Su almacenamiento para posterior transporte es muy complejo y costoso, y las posibilidades son reducidas, a saber: licuado, a presión o atrapado químicamente en hidruros metálicos.

Hoy por hoy, el almacenamiento y la producción rentable son los principales escollos tecnológicos que impiden el auge del hidrógeno. En cualquier caso, California y Japón están acometiendo la construcción de una red de hidrogenaras que, a modo de gasolineras ecológicas, solventan momentáneamente estas problemáticas.

No obstante, además de los óbices técnicos, la propia naturaleza del sistema de producción juega en contra del hidrógeno en su candidatura a combustible del futuro. La energía aportada por los hidrocarburos tradicionales siempre es varias veces mayor que la energía invertida para extraerlos, mientras que en el hidrógeno es menor. Esto implica que por cada unidad de energía invertida en romper la molécula del agua para obtener hidrógeno, ese hidrógeno aplicado en una pila producirá siempre menos de una unidad de energía. Además es un hecho inapelable, ya que se trata de una limitación termodinámica. En otras palabras, si queremos sustituir toda la energía proveniente de la combustión de hidrocarburos por hidrógeno, emerge el problema de conseguir energía suficiente para producir todo ese hidrógeno.

En cualquier caso, es difícil prever la aparición y asentamiento de la generación distribuida basada en hidrógeno augurada por Jeremy Rifkinn en 2002, quizá su penetración en el ámbito energético se restrinja a aplicaciones puntuales. Lo que es seguro es que se trata de una alternativa interesante que algunas grandes empresas tecnológicas están tanteando.

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