Hidrógeno y celdas combustibles
Quemar combustibles para producir energía trae graves problemas, el hidrógeno brinda otra posibilidad

Por Richard Engel, Centro de Investigación de Energía Schatz, Arcata, California, EUA y Alejandra Basualto, Universidad de Chile


Producción y uso de hidrógeno con una celda combustible

Al despuntar el siglo XXI, tenemos disponibles una gran variedad de alternativas para satisfacer nuestras necesidades de energía. Sin embargo, obtenemos la mayoría de nuestra energía por medio de la combustión.

Nuestros combustibles son en su mayor parte hidrocarburos, compuestos químicos que incluyen el hidrógeno y el carbono. Los hidrocarburos son combustibles de alto valor energético, pero su combustión introduce una variedad de contaminantes en la atmósfera.

Esto no solo resulta en smog y enfermedades respiratorias, sino que produce también grandes cantidades de dióxido de carbono. Este gas atrapa el calor del Sol en la capa inferior de nuestra atmósfera, elevando las temperaturas globales. Incluso, sin considerar la contaminación, tendremos que enfrentar el hecho que casi todos nuestros combustibles no son renovables. La cantidad de estos combustibles que podemos sacar de la tierra es limitada. Cuando se agote, tendremos que buscar nuevas fuentes de energía.

Energía: la próxima generación
Hay alternativas a nuestra dependencia del carbón, el petróleo y el gas natural para satisfacer nuestras necesidades de energía. Algunas alternativas, tales como la energía hidroeléctrica y nuclear, ya se utilizan en amplia escala. Pero las grandes represas y embalses desplazan comunidades, destruyen cuencas hidrográficas, y reducen la población de peces nativos.

La energía nuclear produce desperdicios radiactivos y provoca riesgos de desastres en las plantas eléctricas, como vimos en Three Mile Island y Chernobyl a fines del siglo XX. Aun si podemos manejar con seguridad la energía nuclear, el uranio que impulsa las plantas nucleares puede agotarse dentro de cien años o menos, porque también es un combustible no renovable.1 Una nueva generación de tecnologías energéticas aprovecha los recursos limpios que nunca se van a terminar, específicamente la energía eólica y la energía solar.

Estas son fuentes de energía seguras, renovables y confiables que se pueden utilizar en gran escala y centralizada, tal como hemos acostumbrado a hacer durante los últimos 100 años. Pero estas tecnologías realmente funcionan mejor en aplicaciones de pequeña escala, por ejemplo en casas o aldeas.

En la economía basada en la energía renovable que viene, veremos los módulos fotovoltaicos y los calentadores de agua solares instalados virtualmente en los techos de todas las casas. Los generadores eólicos se encontrarán dispersos en los campos y agrupados donde el viento sopla fuerte durante todo el año. A medida que pagamos cada vez más por nuestra energía, el costo estable o en disminución de estas tecnologías renovables nos parece cada vez mejor.

Aunque la energía renovable se está volviendo más económica, hay un problema técnico muy importante que debemos resolver antes de poder adoptar una economía basada en la energía renovable. La energía eólica y solar no están siempre disponibles cuando las necesitamos. ¿Cómo podemos mantener las luces encendidas cuando el sol no brilla, o cuando el viento no sopla? No es posible almacenar la electricidad directamente.

Lo que necesitamos es una forma de energía que podemos almacenar y convertir fácilmente y rápidamente en electricidad. Por supuesto existen varias tecnologías para hacerlo, como las baterías, los volantes de inercia, y los ultra-condensadores, pero el hidrógeno está emergiendo como la manera más efectiva para almacenar la energía.

Hidrógeno y las celdas de combustible
El hidrógeno no es fuente primaria de energía. No es un combustible que podamos extraer directamente de la tierra como el gas natural. Se puede producir hidrógeno a partir del agua utilizando un electrolizador, impulsado por electricidad obtenida de la energía solar o eólica. Este electrolizador divide el agua, produciendo oxígeno puro e hidrógeno.

El hidrógeno se puede comprimir y almacenar en tanques por horas, días, e incluso por varios meses hasta que se lo necesite. El hidrógeno representa energía almacenada. El hidrógeno se puede quemar como cualquier combustible para producir calor, impulsar un motor, o producir electricidad en una turbina. Pero la celda de combustible es una manera más limpia y más eficiente de utilizar el hidrógeno.

Corte transversal de una celda combustible de menbrana de intercambio protónico

La celda de combustible recombina el hidrógeno y el oxígeno para producir energía eléctrica. El único subproducto es agua pura. En otras palabras, la celda de combustible es como un electrolizador funcionando al revés. La agrupación de la celda de combustible, el electrolizador, el almacenaje de hidrógeno y la fuente de energía renovable constituyen el “ciclo de hidrógeno renovable” (Fig. 1). Este ciclo se convertirá en el corazón y el alma de nuestra economía energética del futuro, tal vez durante todo el período de nuestras vidas.

La situación actual
Docenas de compañías y laboratorios investigadores en Norteamérica, Europa y Asia están desarrollando las celdas de combustible y los electrolizadores. Sin embargo, todavía no hay productos de celda de combustible listos para su venta “al detalle” a consumidores individuales.

Varios investigadores y empresas están desarrollando celdas de combustible que funcionarán utilizando combustibles fósiles en vez de hidrógeno electrolizado puro. Esta técnica tiene la ventaja de que estos combustibles siguen siendo baratos y disponibles en todas partes. A los precios actuales, es más económico producir el hidrógeno utilizando los combustibles fósiles que hacerlo por medio de la electrólisis. Sin embargo, los combustibles fósiles no serán baratos ni abundantes en el futuro. Además, el proceso de reformar estos combustibles

para su uso en celdas de combustible no evita el problema de la emisión de dióxido de carbono en la atmósfera. El hidrógeno solar, en comparación, nos ofrece una solución energética que resuelve todos estos problemas.

Hay varias clases de celda de combustible, cada una con características especiales que las hacen apropiadas para aplicaciones específicas. Celdas de combustible de las clases carbonato derretido, ácido fosfórico y óxido sólido, por ejemplo, funcionan muy eficientemente a temperaturas elevadas y son ideales para impulsar plantas de energía grandes y centralizadas que operan por largos períodos con cargas constantes.

En cambio, las celdas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM) funcionan a bajas temperaturas y se prenden rápidamente; por eso, son apropiados para el uso en vehículos y generadores de energía en pequeña escala para casas. Incluso algunos investigadores están desarrollando micro-celdas de combustible PEM para impulsar aparatos tan pequeños como los teléfonos celulares y las computadoras portátiles.

El precio que debemos pagar
Si las celdas de combustible son tan maravillosas, ¿por qué todavía no las vemos en cada casa y automóvil? El obstáculo mayor es el gran costo inicial. Los sistemas de celda de combustible actualmente cuestan por lo menos $5 000 USD por kilovatio, y puede ser muy difícil encontrarlos a cualquier precio. El costo tendrá que rebajarse hasta $1 500 USD o menos para competir con las otras tecnologías para la generación de energía eléctrica.2 En el futuro ocurrirán cuatro cosas que van a hacer la energía de hidrógeno más atractiva económicamente:

Avances técnicos en las celdas de combustible van a resultar en la producción de mayor potencia a menor costo
Producción en gran escala va a reducir el costo por unidad.
En comparación con los aumentos en el costo del petróleo, el hidrógeno se convertirá en una ganga.
El aumento de la atención respecto de la eficiencia energética, reducirá nuestro uso de energía por persona, haciendo más factible la adopción de tecnologías relativamente costosas, como las celdas de combustible.

La buena noticia para la economía es que, una vez construido un sistema de energía renovable, obtiene su “combustible” gratis, y el costo de mantenimiento es muy bajo. Los sistemas para la generación de hidrógeno son realmente muy sencillos y tienen pocos componentes móviles que se agotan.

Hidrógeno y el mundo en desarrollo
Para Cuba, hay buenas y malas noticias respecto al uso de hidrógeno. El hidrógeno y las celdas de combustible son muy portátiles, y el hidrógeno se puede generar y usar virtualmente en cualquier lugar. La tecnología de las celdas de combustible va a ser especialmente útil en regiones donde el sistema eléctrico central no es confiable o donde no lo hay. El Centro de Investigaciones de Energía Schatz ha fabricado sistemas de celda de combustible portátiles y completos que proveen hasta 200 V y caben en una caja de sólo 40 cm por cada lado. Estos sistemas podrían proveer energía para clínicas médicas móviles, científicos o ingeninieros trabajando en el campo, o casas rurales.

La mala noticia es el alto costo. Las celdas de combustible todavía están económicamente fuera del alcance de los consumidores de energía en los países ricos, y eso quiere decir que van a pasar muchos años hasta que la tecnología esté ampliamente disponible y económica en los países en desarrollo.

Sin embargo, no tenemos que esperar hasta que se reduzca el precio de la celda de combustible. Las tecnologías renovables, como la energía solar y eólica, ya son económicas en varias aplicaciones. También podemos trabajar ya para educar a los científicos, inversionistas, políticos, y al público en general sobre la tecnología del hidrógeno renovable y aumentar el apoyo para esta alternativa de energía sustentable. Los maestros de química y física en las escuelas y colegios pueden incorporar información sobre las celdas de combustible en su currículo escolar. Los empresarios pueden forjar enlaces con empresas extranjeras que están comercializando las celdas de combustible.

Lo que debemos hacer
La era del hidrógeno todavía puede estar lejana para los países ricos y también para los países en desarrollo, pero es seguro que viene. Cuando los pozos de petróleo comiencen a secarse y la economía global se afecte por los cambios climáticos, no habrá alternativa. Todavía nos queda tiempo para evitar dificultades ecológicas y económicas si promovemos la energía limpia. Si tomamos las decisiones correctas hoy, nuestros hijos podrán respirar aire más limpio y beber agua más pura de lo que podemos hoy... y al final del día, ellos regresarán a sus casas iluminadas por energía limpia producida por medio del hidrógeno. La decisión está en nuestras manos.

1 Häfele, Wolf: pp.136-144 “Energy from Nuclear Power” Scientific American, septiembre, 1990.
2 Departamento de Energía de ls Estados Unidos/Centro Federal de Tecnología Energética: “Fuel Cells: Addressing Future Global Power Needs”, Disponible en línea a: http://www.fetc.doe.gov/publications/brochures/pdfs/Fuelcells.pdf, July, 1997.