Producción-almacenamiento-distribución. Se debe crear esta infraestructura para que funcione la nueva economía del hidrógeno. Al igual que en el caso de las pilas de combustible, este triple campo de investigación es una prioridad para la Europa de la energía.
¿Cómo se puede producir el hidrógeno que necesitan las pilas de combustible para funcionar?. En un futuro más o menos cercano habrá dos vías principales directamente disponibles: la electrólisis y el reformado de hidrocarburos(1). No obstante, los conocimientos industriales acumulados revelan que hacen falta adaptaciones tecnológicas y comerciales a la hora de lanzar las pilas de combustible.
El huevo y la gallina de la electrólisis A medio y largo plazo, la hipótesis ideal (ya que es la más ecológica y que da un hidrógeno especialmente puro) sería la de laelectrólisis del agua. Técnicamente, este procedimiento está perfectamente controlado y se utiliza sin problemas en una serie de aplicaciones industriales. La electrólisis es cara, en razón de su coste y del consumo de electricidad que supone, así que pocas veces se utiliza para obtener cantidades importantes de hidrógeno.
Dentro del marco de la economía del hidrógeno, el recurso a la electrólisis recuerda el problema del huevo y de la gallina. Sería absurdo producir hidrógeno para reducir la contaminación si luego se utiliza electricidad proveniente de centrales térmicas que sí contaminan. Por lo tanto, este modo de producción sólo puede tener sentido si se apoya en una oferta de energías renovables a precios muy competitivos. Ahora bien, éstas se desarrollan muy lentamente y deben aún probar que pueden responder a la demanda (futura) para el suministro del mercado de las pilas de combustible. Así, se están desarrollando actualmente dos unidades-pilotos de electrólisis alimentadas por generadores eólicos en Grecia y en Canarias, dentro del marco del proyecto europeo RES2H2. Se trata de demostrar en condiciones reales una capacidad fiable de producción del hidrógeno. Esta prueba tendrá un valor significativo para este recurso cuyo potencial resulta ser estratégico en toda la fachada marítima meridional de Europa.
El reformado, mejor candidato inmediato La vía más corriente actualmente es la extracción del hidrógeno a partir de los recursos fósiles, más concretamente de los hidrocarburos. Teniendo en cuenta la importancia de los mismos en todos los sectores de distribución de la energía, esta última elección es la que se impone más claramente para el advenimiento de las pilas de combustible a corto y medio plazo.
La operación se practica sobre todo a través de diversas técnicas llamadas “de reformado”. La mezcla del carburante (principalmente el gas natural, el recurso fósil menos contaminante) con el vapor de agua, en presencia de catalizadores apropiados y a alta temperatura, produce hidrógeno y dióxido de carbono. Existen igualmente procedimientos por oxidación. Esta producción se acompaña de diferentes formas de purificación que tratan de la desulfuración, la eliminación de la concentración en óxido de carbono, etc.
El reformado se explota principalmente a gran escala para las necesidades de la industria química, particularmente para la síntesis de amoniaco que representa actualmente cerca de la mitad de la demanda mundial de hidrógeno. Por lo tanto, la aplicación de esta tecnología a la alimentación específica de las pilas de combustible plantea en principio un problema de adaptación del proceso a nuevas dimensiones.
En efecto, hay que concebir formas de reformado que se adapten a las centrales de pilas de combustible a fin de satisfacer las necesidades regionales o locales. Se pretenden suprimir las emisiones de gas de efecto invernadero y otros derivados contaminantes, por lo que un aspecto importante es el secuestro de las emisiones de CO2 y las operaciones de purificación del hidrógeno producido por el gas natural (o de otros hidrocarburos como el metanol, el metano, la nafta, etc.). Más compleja aún es la puesta a punto de reformadores de pequeño tamaño, adjuntos a las pilas de combustible y colocados en vehículos que serían alimentados entonces “con las bombas de las gasolineras” con diversos carburantes.
Las promesas de “lo vegetal” y “lo vivo” En un horizonte más lejano, el mundo vegetal, que constituye una gigantesca reserva de energía solar captada a través de la fotosíntesis, representa una fuente potencial importante de producción de hidrógeno. De hecho la gasificación de la biomasa hace posible la producción de biocarburantes. Aunque se tienda a utilizarlos como motores de combustión interna, también se les puede reformar. Además, por vía termoquímica, la biomasa puede proporcionar directamente hidrógeno en estado gaseoso. Por lo tanto, los campos de investigación son amplios y las perspectivas aún tienen que ser valoradas, tanto en términos de rendimiento, de calidad, de dimensiones como de costes. Por otro lado, estas perspectivas interfieren con el futuro de las actividades agrícolas y forestales. Se lanzaron en este campo cerca de una decena de proyectos europeos del quinto programa marco, con una inversión comunitaria del 50% de la inversión total de 23 millones de euros.
Sin duda otra vía, más futurista, es la de la producción biológica directa de hidrógeno a partir de algas microscópicas o de bacterias. Algunas investigaciones recientes muestran que en el transcurso del proceso fotosintético de estos organismos, un complejo sistema enzimático, conocido con el nombre de hidrogenasa, puede favorecer la formación de moléculas de hidrógeno en ciertas condiciones. Nos situamos aquí en un campo eminentemente potencial, cuya factibilidad y aplicaciones concretas siguen estando poco definidas.
Almacenamiento del volumen
La opción del almacenamiento sólido del hidrógeno en nuevos materiales metálicos o carbonados es uno de los temas claves para el futuro del sector energético. En la tabla periódica de arriba aparecen algunos candidatos muy estudiados: son aleaciones a base de los elementos más ligeros (en rojo), particularmente aleaciones de magnesio, níquel y litio, compuestos a base de aluminio (alanatos) y de boro (borohídrido). En ellos se interesan los proyectos Fuchsia, Historhy e Hymosses del quinto programa marco y el proyecto integrado Storhy del sexto.
Aunque el hidrógeno posea todas las bazas para convertirse en un vector energético determinante, tiene que superar dos obstáculos que podrían frenar su utilización. Si bien es el más ligero de los átomos existentes, es también el más voluminoso en su estado gaseoso a temperatura y presión corrientes. Además, su capacidad de liberación de energía hace que sea un gas especialmente inflamable(2). Por lo tanto, antes de utilizarlo, habrá que resolver la compleja problemática de su almacenamiento y su distribución en las condiciones requeridas de volumen y de seguridad, así como del coste de sus operaciones. Estos aspectos, así como la puesta a punto de las pilas de combustible, forman ciertamente el segundo “nudo” tecnológico que condiciona la llegada de la economía del hidrógeno.
Actualmente existen diferentes “soluciones” pero están lejos de garantizar resultados (tecnológicos o económicos) satisfactorios para que se puedan generalizar el almacenamiento y la circulación de este precioso vector. Cada una de estas estrategias puede presentar ventajas específicas pero tiene que ser evaluada en función del consumo de energía que puede necesitar y del aumento de peso que supone (sobre todo en el caso de las aplicaciones de transportes).
Compresión - licuefacción La forma de almacenamiento más corriente consiste en comprimir el gas y confinarlo en depósitos protegidos. Las presiones utilizadas van de 350 a 700 bares. Este proceso, ampliamente experimentado en las utilizaciones industriales del hidrógeno, precisa de un consumo de energía equivalente al 10% de su poder calorífico (PCI). El almacenamiento puede hacerse en botellas de 10 litros y más, y los depósitos fijos de tamaño medio (estaciones de distribución) pueden llegar a 10.000 m3. Se almacenan volúmenes mayores en depósitos subterráneos.
Las cubiertas de contención del hidrógeno (ya se trate de tanques, depósitos o de gasoductos de aducción) están reforzadas para resistir a la presión. Están formadas por metales que resisten a la corrosión (como el aluminio reforzado con fibras de carbono) y no presentan ninguna posibilidad de infiltración a través de átomos muy ligeros de hidrógeno.
Varios prototipos de automóviles de pilas de combustible están equipados con depósitos de compresión, pero la débil densidad volumétrica del hidrógeno así almacenado incide negativamente sobre su autonomía. Algunos ensayos de introducción de polímeros pretenden reducir su peso para los vehículos. Igualmente, se está investigando sobre la resistencia a los choques y las tecnologías de adaptación de los accesorios auxiliares (válvulas, eductores de presión, etc.).
Para superar el problema del volumen de almacenamiento y del peligro de inflamabilidad del hidrógeno, éste también puede licuarse, pero esta transformación sólo se realiza a una temperatura especialmente baja (a menos de 253º C) o en presencia de presiones muy elevadas. Tales tecnologías criogénicas son corrientes en la industria (3), pero plantean un coste real en términos de energía (del 25 al 30% del poder calorífico del hidrógeno). Aunque el material de los depósitos no tiene las mismas limitaciones de resistencia, debe poseer cualidades de aislamiento térmico (depósitos de doble pared). Los prototipos de BMW, Opel y DaimlerChrysler están dotados así de esta opción por vía líquida. Existen estaciones de servicio pilotos en Munich, Alemania.
Almacenamiento sólido, la solución idónea para el futuro Con respecto a estas tecnologías, la vía más prometedora, que sería decisiva para el florecimiento de las pilas de combustible en el sector de los transportes y de las aplicaciones portátiles, parece ser la del almacenamiento sólido. Algunos materiales nuevos (compuestos de aleaciones metálicas o nanotubos carbonados) tienen la capacidad de absorber, a temperaturas corrientes, átomos de hidrógeno en los espacios intersticiales de su estructura de base metálica. En condiciones catalíticas apropiadas y a través de una ligera calefacción (del orden de los 80ºC, que podría ser obtenida por el propio calor emitido por la pila de combustible) un fenómeno de desabsorción libera después el hidrógeno y haría posible su utilización como combustible.
Se espera mucho de la puesta a punto de esta perspectiva tecnológica. “El almacenamiento sólido aporta una solución a las cuestiones de seguridad planteadas por la compresión al estado gaseoso”, subraya Jiri Muller, investigador en el Institutt for Energiteknikk (IFE) de Kjneller (Noruega), participante en el proyecto StorHy. Este organismo posee un reactor nuclear que permite análisis muy detallados del posicionamiento de los átomos de hidrógeno en una amplia gama de complejos de hidruros metálicos. Participa activamente en numerosos trabajos europeos llevados a cabo en este campo. “Con el mismo volumen se podría llegar a depósitos con una capacidad comparable a la del almacenamiento del hidrógeno en forma líquida. Además, el acceso al depósito, cuando se abre para llenarlo, no plantearía el problema de la estanqueidad. Se pretende también llegar a soluciones que reúnan los mejores resultados en términos de estabilidad, reversibilidad fácil del almacenamiento, de peso del depósito y, por supuesto, de coste”.
(1) Paralelamente al reformado, otro modo de producción del hidrógeno es la gasificación por combustión parcial de los recursos fósiles (carbón e hidrocarburos pesados). Pero, de nuevo, estas tecnologías sólo se aplican a escalas muy importantes y conllevan operaciones costosas de depuración. La investigación sobre los dispositivos de capacidades débiles no permite entrever, aún, perspectivas cercanas a la factibilidad. (2) El hidrógeno en estado gaseoso, aunque sea muy volátil, se dispersa rápidamente en la atmósfera, lo que compensa un poco su peligrosidad. (3) Los líderes en Europa son entre otros Air Liquide (Francia), Linde Gas (Alemania), Air Products (Reino Unido).
En las primeras convocatorias del sexto programa marco se han seleccionado ya siete Proyectos Integrados que abarcan toda la gama del sector del hidrógeno. A nivel de la producción, el proyecto Chrisgas va a trabajar sobre las perspectivas ...
Energía nuclear, solar térmica e hidrógeno
Las centrales nucleares, que no emiten CO2, están entre los candidatos para proporcionar la electricidad necesaria para la electrólisis del agua (en particular para su producción en horas bajas) al igual que las energías ...
Un terreno virgen
La utilización del hidrógeno como vector combustible en los transportes avanza en un terreno aún casi virgen en el campo de las normas de seguridad, las especificaciones industriales y los procedimientos de inspección periódicos, ...
H2 y PC6
En las primeras convocatorias del sexto programa marco se han seleccionado ya siete Proyectos Integrados que abarcan toda la gama del sector del hidrógeno. A nivel de la producción, el proyecto Chrisgas va a trabajar sobre las perspectivas ofrecidas por la gasificación de la biomasa. El proyecto Naturalhy se refiere a las infraestructuras de distribución del hidrógeno así como al gas natural. En lo que se refiere al almacenamiento, el proyecto Storhy se centra en las tecnologías de hidrógeno comprimido y licuado, pero están previstos también la continuación y el desarrollo de los trabajos ya en curso(1) sobre el almacenamiento sólido.
De forma horizontal, la red de excelencia Hysafe se interesa por las cuestiones de seguridad en todas las etapas de la cadena, mientras que el proyecto Hyways va a elaborar una “hoja de ruta” europea para llegar a un sistema energético sostenible del hidrógeno. El aspecto relacionado con el final de la cadena también comporta un proyecto integrado, denominado Zero Regio, orientado hacia el desarrollo de flotas de vehículos dotadas de pilas de combustible. Además, el proyecto Hyice se concentra en su utilización directa como carburante no contaminante para motores de combustión interna, una modalidad que constituye una primera etapa rápidamente aplicable en el desarrollo de la economía del hidrógeno.
Las centrales nucleares, que no emiten CO2, están entre los candidatos para proporcionar la electricidad necesaria para la electrólisis del agua (en particular para su producción en horas bajas) al igual que las energías renovables. No obstante, también se puede extraer hidrógeno del agua por otra vía, denominada termoquímica: a temperaturas que superan los 1.000ºC, la molécula de agua puede disociarse por “craqueo” por el efecto del calor.
Instalación europea de captación de energía solar térmica en la Plataforma solar de Almería (España).
A este respecto, en los proyectos actuales que tratan de las futuras centrales de cuarta generación a alta temperatura, la industria nuclear podría producir a la vez electricidad y calor. La aplicación que más se menciona para la utilización de esta última es la desalinización del agua del mar, pero este recurso podría entrar igualmente en las operaciones de producción del hidrógeno.
Otra vía interesante de producción intensiva de calor es el sector de la energía solar térmica. El proyecto europeo Heliosol (compuesto por cuatro socios de Grecia, Reino Unido, Alemania y Dinamarca) estudia los procedimientos catalíticos complejos que podrían hacer que este enfoque fuera interesante.
Un terreno virgen
La utilización del hidrógeno como vector combustible en los transportes avanza en un terreno aún casi virgen en el campo de las normas de seguridad, las especificaciones industriales y los procedimientos de inspección periódicos, ya sea tanto a nivel de los componentes y sistemas a bordo de los vehículos como de las estaciones de alimentación en combustible. Tal es el objetivo del importante proyecto EIHP2 (European Integrated Hydrogen Project– Phase II), que reúne una amplia representación de los sectores industriales interesados. Pretende sentar las bases de una harmonización europea (e internacional) de estos aspectos esenciales.
Modelo de la propagación de una nube gaseosa inflamable que mezcla el aire y el hidrógeno (en una proporción del 4%), diez segundos después del desencadenamiento de un escape en un camión cisterna en un barrio urbano.
La hora H2
