El hidrógeno y las celdas de combustible

Elena Vigil
Doctora en Ciencias Técnicas.
Presidenta de la Cátedra de Energía Solar,
de la Universidad de La Habana.
Miembro de la Junta Directiva
de CUBASOLAR.

El elemento químico de menor número atómico puede cargar con la solución para el caos energético que destruye la Tierra.

La humanidad ha logrado maravillas gracias a los combustibles fósiles no renovables (carbón, petróleo y gas natural), pero con un costo medioambiental muy alto. También, el uso acelerado de estos, fundamentalmente por los países desarrollados, que constituyen alrededor de 30 % de la población mundial, ha llevado a la disminución de los rendimientos de las minas y los pozos más asequibles. Por otra parte, la demanda crece debido al incremento de la población mundial y al necesario desarrollo del restante 70 % de la población.

 

Está cercano el momento en que la demanda supere a la extracción y que el precio del petróleo crezca incontrolablemente. Además, su negativa influencia medioambiental, que amenaza la existencia de la especie humana, constituye un costo adicional que no se carga de forma adecuada al de los combustibles fósiles. Por lo tanto, se impone, a tiempo, buscar otras fuentes de energía, sobre todo renovables y limpias. En este contexto, el hidrógeno se presenta como el portador energético ideal, porque se obtiene del agua y su combustión produce agua. O sea, es un ciclo que no introduce desbalance en la naturaleza.

El HIDRÓGENO COMO PORTADOR ENERGÉTICO
¿De dónde sale la energía que porta el hidrógeno?
Al unirse el hidrógeno con el oxígeno se forma agua y se desprende energía, usualmente en forma de calor (proceso similar a la combustión de gas natural o petróleo). También este proceso puede dirigirse para que se produzca directamente energía eléctrica. Tal es el caso de las llamadas «celdas de combustibles», que se analizarán más adelante. Estos usos del hidrógeno como portador energético no están relacionados con su fusión «caliente» o bomba de hidrógeno, ni con su fusión «fría», que los científicos no han podido lograr y donde la energía es de carácter nuclear.

¿Qué limita el uso del hidrógeno como combustible?
1. Su costo. El hidrógeno se obtiene fundamentalmente reformando el gas natural o por electrólisis del agua; lo que aún es costoso porque el precio de la electricidad está determinado por el del petróleo. Se ve como perspectivo obtener el hidrógeno utilizando alguna de las energías renovables. Se tiene como perspectiva la fotovoltaica cuando disminuya su costo, porque convierte directamente en electricidad la energía solar. Se investigan otras formas de obtenerlo que todavía no están en escala comercial, como el uso de algas y bacterias que lo producen de efluentes; como las aguas albañales o la ruptura de la molécula de agua con radiación solar directa. En ambos casos, las soluciones técnicas existen, pero aún son costosas.

2. La limitada cultura del uso del hidrógeno hace que muchos teman que pueda originar explosiones. Sin embargo, otros consideran que no es más peligroso que el gas en nuestras cocinas o la propia gasolina, con la ventaja de que al ser más ligero que el aire se disipa más rápido. Si bien este gas ocupa un volumen mayor que la gasolina, lo cierto es que se utiliza de él tres veces menos peso para producir una misma cantidad de energía. La mayoría de los científicos considera que se aprenderá a manejarlo, como se hizo con la gasolina y el gas.

¿Por qué ya se utiliza el hidrógeno como combustible en naves espaciales, submarinos, aviones, vehículos y celdas de combustible?
En los primeros, porque se está dispuesto a pagar más por una solución técnica superior; en los últimos, porque el problema de la contaminación ambiental ya es tan crítico en grandes ciudades con muchos vehículos que el costo medioambiental, unido a la pronosticada alza de los precios del petróleo hace que los países desarrollados se preparen para un gran cambio en la infraestructura energética actual.

¿Qué se pudiera hacer en Cuba?
1. Mantenernos al día sobre los métodos de producir hidrógeno con energía solar. Tener un método rentable de producir hidrógeno disminuirá la dependencia de combustibles líquidos importados y contribuirá de manera decisiva a la salud del medio ambiente.

2. Pudiera evaluarse la producción y almacenamiento del hidrógeno, como un medio para almacenar la electricidad sobrante de bajo costo que se produce como resultado de la cogeneración en la industria azucarera. El hidrógeno almacenado podría utilizarse en el movimiento de los vehículos vinculados al transporte de caña en la zafra, que tienen un recorrido corto y admiten tanques relativamente grandes. Los motores de combustión interna son adaptables para utilizar hidrógeno.

3. Para objetivos específicos puede ser importante el desarrollo de sistemas energéticamente autónomos.


La agrupación de la celda de combustible, el electrolizador,
el almacenaje del hidrógeno y la fuente de energía renovable
constituyen el ciclo del hidrógeno renovable.


LAS CELDAS DE COMBUSTIBLES
El daño ambiental más palpable por el público, producto del consumo de energías fósiles, es la contaminación producida por el transporte en las grandes ciudades. Esto ha originado que estén en desarrollo, y ya pronto comercializándose, autos con celdas de combustible y motores eléctricos.

¿Qué es una celda de combustible?
Es un dispositivo que al suministrársele hidrógeno y oxígeno produce electricidad y agua. Hace la función inversa a la de un electrolizador de agua. Las celdas de combustible varían mucho en dimensiones y potencias, acorde con lo cual se seleccionan los materiales de que se fabrican. Se ha dicho hasta que sustituirán a la pequeña batería del reloj de pulsera, y existen celdas de combustible con potencias de megawatts.

En Japón, por ejemplo, en plantas de generación eléctrica se produce y almacena hidrógeno cuando conviene, y se utilizan grandes celdas de combustible para apoyar el suministro eléctrico en las horas-pico, uniformando la generación y reduciendo los costos.

¿Por qué se habla tanto de las celdas de combustible en estos momentos?
El surgimiento de un nuevo material polimérico en la última década (membrana separadora de iones) ha permitido lograr celdas de combustible suficientemente pequeñas para autos, con lo que se logra una solución a la contaminación en las grandes ciudades causada por los combustibles fósiles. Además, las transnacionales del transporte y del petróleo están conscientes de que este alcanzará su máximo de extracción antes de veinte años, lo que disparará los precios. Sienten también gran presión social, por lo que divulgan ampliamente los esfuerzos que hacen en el desarrollo de vehículos con motores eléctricos y celdas de combustible transmitiendo un mensaje tranquilizador.

Los autos con motores eléctricos y celdas de combustible son silenciosos y pueden no tener emisiones gaseosas, lo que sin duda cambiará el ambiente de las ciudades.

¿Por qué los carros eléctricos no son la solución?
Han fracasado hasta ahora, lamentablemente, porque no llenan las expectativas de los usuarios por la frecuencia de recarga y la velocidad del auto. La nueva idea es alimentar el motor eléctrico, más eficiente que el de combustión interna, con una celda de combustible productora de electricidad.

¿Cómo se aprovisionan de combustible los autos con celdas de combustible?
Los autos experimentales de diversas firmas utilizan distintos combustibles, de donde extraen el hidrógeno a bordo; por ejemplo, metanol o gasolina. Esto permite continuar utilizando la red existente de venta de combustible. Sin embargo, es poca la disminución de la contaminación cuando se utiliza gasolina o metanol extraídos del petróleo respecto a los actuales motores de combustión interna, aunque para el público son «coches verdes». Existen también carros verdaderamente limpios que emplean el hidrógeno líquido (lo que implica mantener el tanque a muy baja temperatura), o que almacenan el hidrógeno en forma de hidruros (sólidos), por lo que el «llenado» del tanque es más engorroso. El peso y la dimensión del tanque dificultan el uso del hidrógeno gaseoso comprimido en el caso de los autos; otros vehículos pueden admitir tanques mayores. Se investigan mucho las formas de almacenar hidrógeno para los autos.

Otros usos perspectivos de las celdas de combustible
Además de sustituir las baterías de distintos tipos, con la ventaja de no agotarse, las celdas de combustible permiten el desarrollo de sistemas con autonomía energética total, a partir de la combinación con energía fotovoltaica u otra renovable que sea asequible. Por ejemplo, con la energía fotovoltaica, además del suministro eléctrico para la instalación cuando hay Sol, se electroliza agua y se produce hidrógeno. La energía se almacena más eficientemente en hidrógeno que en baterías. El hidrógeno puede utilizarse en lugar del petróleo y la gasolina (calderas, cocinas, transporte) y convertirse en electricidad cuando se requiera empleando celdas de combustible. Un sistema en Alemania almacena la energía necesaria para el invierno durante el verano cuando la radiación solar es mayor (nunca tanta como la nuestra).

¿Qué importancia tienen para Cuba las celdas de combustible?
1. Necesitamos alternativas a la gasolina contaminante y con un componente importado significativo. No obstante, junto con la solución de este problema descrita por los países desarrollados habría que valorar el uso del etanol proveniente de la industria azucarera, que puede llegar a competir con el petróleo cuando su precio suba, es renovable por proceder de la biomasa y no incrementa el contenido de CO2 en la atmósfera, porque antes en la planta de caña se retira de ella.

2. Puede valorarse el uso de estas celdas para uniformar la generación eléctrica.

3. Los sistemas autónomos pueden ser necesarios para algún objetivo específico.

...creo que el agua un día será empleada como combustible, que el hidrógeno
y el oxígeno que la constituyen, usados juntos o separados constituirán
una inagotable fuente de luz y calor, de una intensidad superior a la del carbón...
Por lo tanto (...), el agua será el carbón del futuro.


Julio Verne.