Es el elemento químico más abundante. El hidrógeno está presente tanto en nuestro cuerpo como en el aire que respiramos, en el agua que bebemos, pero también en plantas y animales, en las estrellas y los planetas que componen el universo. Más ligero que el aire, incoloro, inodoro y extremadamente inflamable, a pesar de su simplicidad, el hidrógeno es una de las mayores esperanzas mundiales en términos energéticos.
El hidrógeno verde, sin emisiones contaminantes asociadas a su uso o producción, es una de las últimas etapas de un viaje científico y tecnológico que abarca cinco siglos. Y es una apuesta segura hacia los objetivos globales de eficiencia energética y neutralidad de carbono.
Que es el Hidrogeno?
En la tabla periódica, el hidrógeno (H2) es el primer elemento químico y también el más ligero y simple, con un átomo compuesto de un solo electrón alrededor de un protón. El hidrógeno no es mucho más que un componente de otros elementos y estructuras. No se puede extraer, por lo que su necesidad y todo su potencial requieren una producción basada en la industria.
António Vidigal, de EDP Inovação, recuerda que «el hidrógeno no es una fuente de energía. Es, como la electricidad, un portador de energía». Y como portador, el H2 es «complementario a la electricidad y se puede utilizar para una serie de usos que no son electrificables». En esta versatilidad reside gran parte del poder transformador del H2.
El físico y alquimista suizo, Paracelso, fue el primero en encontrar hidrógeno en sus experimentos científicos en el siglo XVI. Sin embargo, no pudo identificar la sustancia.
El hidrógeno se puede producir de varias maneras, pero se destacan dos: una que sigue siendo la más utilizada, el reformado con vapor; y otra cuyo potencial es incuestionable, la electrólisis del agua.
Reformado con vapor: en la técnica más utilizada en la actualidad; el hidrógeno se consigue a través del calentamiento de un combustible fósil a elevadas temperaturas, principalmente el gas natural. El contacto con el vapor de agua hace que las moléculas de hidrógeno se separen y también libera dióxido de carbono (CO2). Las formas de hacer que esta técnica sea más eficiente incluyen el uso de biomasa como fuente de metano para que sirva como combustible y capturar el CO2 emitido.
Electrólisis del agua: cuando la corriente eléctrica fluye a través del agua en un electrolizador, se descompone en sus elementos constituyentes (oxígeno e hidrógeno). Este proceso, si se utiliza electricidad procedente de fuentes renovables, da lugar al H2 verde. El electrolizador siempre trabaja con un cátodo, que «concentra» las burbujas de hidrógeno, y un ánodo, donde se añade oxígeno.
Pero hay tres tipos diferentes de electrolizadores:
- Alcalino, que utiliza hidróxido de sodio y potasio en agua para acelerar la separación de las moléculas, a una temperatura de 80 ºC;
- PEM, con una membrana de polímero que separa las dos partes de cada celda del electrolizador. A 80 ºC los protones de hidrógeno también atraviesan la membrana por uno de los lados, dejando oxígeno del otro lado.
- SOEC, que utiliza una partición en óxido sólido, un material cerámico que atraviesa el oxígeno para el lado del ánodo, quedando el hidrógeno en la mitad inicial. Esta técnica funciona a temperaturas más elevadas (500 ºC).
Se necesita una gran cantidad de energía eléctrica para la producción de hidrógeno (55 kWh y nueve litros de agua para un kilogramo de H2), por lo que la reducción del precio final depende del desarrollo de la tecnología y del constante crecimiento de las energías renovables. «El mayor problema en este momento es la capacidad de escalar la industria que fabrica los electrolizadores», explica António Vidigal, recordando que el 70 % del coste del hidrógeno electrolítico está en la energía que se utiliza en su producción. Señala que «los sistemas existentes tienen dimensiones del orden de las decenas de MW y estamos comprometidos con la construcción de electrolizadores de cientos e incluso miles de MW».
Fue en 1766 que el científico inglés, Henry Cavendish, identificó el gas como «aire inflamable» y describió que liberaba agua después de quemarse. Antoine Lavoisier, en 1783, llamó hidrógeno al elemento químico, en una adaptación de las palabras griegas para «creador de agua».
A pesar de los mitos que rodean al hidrógeno, el H2 se puede utilizar tanto en la industria, como en la movilidad y la calefacción, pero también en la producción de energía eléctrica. António Vidigal lo ve como un verdadero «aliado de la electricidad, al permitir el almacenamiento, aspecto crítico para operar un sistema dominado por las energías renovables, que tienen un carácter intermitente». Es una opción para equilibrar las capacidades o necesidades de energía eléctrica en función de la mayor demanda o del exceso de producción en el dominio de las renovables.
Para el espacio y más allá
Desde que se comenzó a estudiar el hidrógeno, se han explorado dos características: ser extremadamente inflamable y también extremadamente ligero. Por lo tanto, no es de extrañar que, en 1807, fuera el origen del primer motor de combustión interna. El francés, Isaac de Rivaz, utilizó una mezcla de hidrógeno y oxígeno como combustible. Más de un siglo después, el H2 ya ayudaba a llevar las misiones Apolo de la NASA a la Luna. Combinado con oxígeno en las pilas de combustible, que generan energía eléctrica, puede alimentar tanto motores como sistemas eléctricos de vehículos u otros equipos.
El H2 tiene una capacidad energética casi tres veces mayor que la de los combustibles convencionales. Es decir, un kilogramo de hidrógeno equivale a casi tres kilogramos de gasóleo o gasolina.
Paralelamente (tras décadas de experimentar con globos), dado que la densidad de este gas es menor que la del helio, se creó el primer dirigible en 1852 por otro francés, Henri Giffard. Allanó el camino para una ampliación que puso a los zepelines de hidrógeno junto a los aviones en las primeras décadas del siglo XX.
La industria química y petroquímica, la refrigeración, la generación de energía eléctrica, la calefacción, la producción de fertilizantes, los semiconductores, la soldadura y el corte de metales son solo algunos de los usos del hidrógeno. Pero las aplicaciones del hidrógeno en el transporte no se limitan a los cohetes espaciales. Los vehículos de hidrógeno son una realidad y se espera que su crecimiento, ya sea para el transporte terrestre, ferroviario, marítimo o aéreo, vaya de la mano con los avances en la producción de H2.
El primer vehículo propulsado por pilas de combustible fue el tractor Allis-Farmers, en el año 1959, seguido por la furgoneta Chevrolet Electrovan en el año 1966. Honda, Toyota y Hyundai son las empresas que más apuestan por el hidrógeno en la actualidad.
Gas o líquido, inflamable, pero seguro
Al ser un gas en su forma natural, el hidrógeno se puede convertir en líquido si se enfría a temperaturas muy bajas, por debajo de menos 250 ºC. El escocés, James Dewar, lo consiguió en el año 1898, allanando el camino para este nuevo uso. Además, se puede combinar con otros materiales tanto para uso como para almacenamiento.
El hidrógeno se puede almacenar de tres maneras:
- Como gas comprimido. En tanques o depósitos a presiones que, cuanto más elevadas sean, mejor volumen energético garantiza al hidrógeno y facilitan el transporte. El hidrógeno se puede mover a través de gasoductos, no metálicos, ya que el H2 deteriora estos materiales, así como en autotanques o cisternas. En el futuro, se podrá reutilizar o reemplazar las tuberías de gas natural por hidrógeno para rentabilizar estas estructuras. Las cavernas subterráneas que actualmente se utilizan para almacenar gas natural también pueden recibir H2.
- Como líquido. De esta manera, almacenado en cámaras o tanques criogénicos, el hidrógeno consigue el mejor equilibrio entre volumen y potencial energético. Sin embargo, la licuefacción es un proceso costoso y provoca pérdidas del 30 %; solo es adecuada para el transporte a largas distancias.
- Integrado en materiales tipo «esponja». Ciertos hidruros metálicos, polímeros o fibras permiten la absorción y el almacenamiento de hidrógeno. El desarrollo de esta tecnología facilitará su uso sin necesidad de elevadas presiones, muy bajas temperaturas o tanques de gran volumen.
A pesar de ser muy inflamable, incluso en forma líquida, y de la complejidad técnica para mantenerlo a bajas temperaturas, el hidrógeno tiene una de sus grandes ventajas en el almacenamiento a largo plazo, ya que se puede almacenar sin deteriorarse ni disiparse.
Por ahora, el principal reto es su volumen. Reducir la escala de almacenamiento en tanques o envases más pequeños, pero con elevada capacidad energética, para que pueda ser una solución verdaderamente viable en las aplicaciones del día a día, será uno de los principales puntos de inflexión en la forma en que vemos y utilizamos la energía.
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