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El gran potencial energético del primer elemento de la tabla periódica

Hidrógeno ecológico

31 de marzo de 2009

El hombre ha empleado muchos combustibles a lo largo de la historia. Digamos que ha echado mano de todo aquello que se podía quemar, pero el hidrógeno como combustible no fue conocido hasta tiempos modernos ya que no se encuentra libre en nuestro entorno. Sabemos de nuestra época escolar que, como elemento, el hidrógeno ocupa el primer lugar de la tabla periódica y está formado por moléculas diatómicas. Es componente de la mayoría de las moléculas orgánicas, desde hidrocarburos a medicamentos, pasando por plásticos e incluso de la gran mayoría de las moléculas que componen el ser humano.

Sabemos que el hidrógeno puede obtenerse fácilmente por electrólisis del agua, proceso que necesita, al menos, la misma energía que se puede obtener en su combustión. Y no olvidemos que la energía liberada por unidad de masa cuando se combina con el oxígeno es la más elevada de entre todas las reacciones químicas (284,5 kJ/mol). Por todo ello, el hidrógeno puede ser un combustible muy útil ya que concentra un gran potencial energético por unidad de masa y su residuo de combustión no es más que vapor de agua. En cierto sentido es comparable a la electricidad, que es también muy energética y su consumo no es contaminante.

El problema más importante de la electricidad es la dificultad de almacenar grandes cantidades de energía eléctrica. De esta manera, un sistema mixto que permitiera una interconversión entre hidrógeno y electricidad de forma eficiente podría ser de gran utilidad. Aquí aparecen las pilas de combustible: en sus electrodos los átomos se recombinan de manera que una reacción de combustión da lugar a una corriente eléctrica. Y, ventajosamente, la mayoría de la energía liberada en la reacción es eléctrica y, en menor medida, calorífica. Su gran ventaja además es que permiten soslayar las limitaciones de rendimiento de las máquinas térmicas tal como manda el segundo principio de la termodinámica (η = 1 - Tbaja/Talta). Hay que tener en cuenta que un automóvil impulsado por un motor de combustión Otto tiene un rendimiento global alrededor de un 22%. Por otro lado, un vehículo eléctrico puede tener un rendimiento real de un 90%, por ejemplo, el Tesla Roadster (http://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_Roadster). Así pues, podríamos decir que el vehículo ideal sería un sistema híbrido en el que la propulsión fuera eléctrica y el almacenamiento, químico.

El hidrógeno provee una energía altamente concentrada y que, debido a su baja masa específica, es conveniente para la automoción y el transporte

El hidrógeno provee una energía altamente concentrada y que, debido a su baja masa específica, es conveniente para la automoción y el transporte.

Respecto a la producción de hidrógeno, tan importante es que el coste sea bajo como que se emita una mínima cantidad de dióxido de carbono, siendo preferible una fuente de energía primaria de origen renovable. Como podemos ver en la figura 1, el empleo de residuos forestales podría ser una de las fuentes más convenientes para producir hidrógeno.

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Figura 1. Coste y emisiones de CO2 para producir H2 a partir de distintas fuentes de energía primaria. (Hyways, European Hydrogen Energy Roadmap (http://www.hyways.de).

Además del tema de su producción, otro impedimento a la implantación del hidrógeno como vector energético es el coste y la dificultad de transportarlo. Las distintas alternativas existentes (el almacenarlo a altas presiones, licuarlo o secuestrarlo en matrices sólidas) tienen todas grandes inconvenientes. En cualquier caso, de la misma manera que existe una red europea de gas natural, ya se prevé la construcción de una red extensa de hidrogenoductos (Figura 2).

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Figura 2. Propuesta de red europea de hidrogenoductos. (Hyways, European Hydrogen Energy Roadmap (http://www.hyways.de).
Para simplificar algunos de los problemas relacionados con el almacenamiento y transporte del hidrógeno se pueden emplear reacciones de reformado para producirlo in situ a partir, por ejemplo, de etanol

El informe Hyways propone que Europa sea líder mundial en la implantación del hidrógeno ya que es un potencial generador de riqueza e implicaría la creación de gran número de puestos de trabajo. El desarrollo de toda la tecnología necesaria debería empezar inmediatamente para cumplir el objetivo de que en el año 2020 haya 2.500.000 de hidro-vehículos en la calle.

Una posibilidad atractiva para simplificar algunos de los problemas relacionados con el almacenamiento y transporte del hidrógeno es emplear reacciones de reformado para producirlo in situ a partir, por ejemplo, de etanol. Y mejor todavía si este etanol es ‘bioetanol’ dado su origen renovable. La producción de etanol se incrementa cada año un 12,5%, estando actualmente en unos 50 millones de metros cúbicos anuales, de los que en Estados Unidos se produce el 40%. En Europa se producen unos 5 millones de metros cúbicos, con un aumento superior al 20% anual, especialmente por la contribución de Alemania. Una de las ventajas del etanol es que el precio se ha mantenido constante en los últimos años, oscilando entre 0,4 y 0,6 /litro. Además, tanto su contenido energético como los medios para transportarlo son o pueden ser muy parecidos a los de la gasolina, por lo que su distribución utilizando las infraestructuras actuales sería muy sencilla. Así pues, se podría producir hidrógeno in situ, ya sea en vehículos, como en instalaciones móviles o portátiles, mediante la reacción de reformado mencionada anteriormente (Figura 3) que permite convertir una mezcla de vapores de agua y etanol en hidrógeno y dióxido de carbono.

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Figura 3. Esquema del uso renovable del hidrógeno como vehículo energético.
Se ha diseñado y fabricado un dispositivo catalizador que realiza de manera eficiente la reacción de reformado a una temperatura menor (320 °C) que otros anteriormente construidos y además no necesita activación ni regeneración

En el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (CSIC) y en el Instituto de Técnicas Energéticas (Universidad Politécnica de Cataluña), gracias a las estudiantes de doctorado Elena Taboada (CSIC) y Montserrat Domínguez (UPC) y bajo la dirección de los autores de este artículo, se ha diseñado y fabricado un dispositivo catalizador que realiza de manera eficiente esta reacción a una temperatura menor (320 °C) que otros anteriormente construidos y además no necesita activación ni regeneración, funcionando a pleno rendimiento a los 2 minutos de alcanzar la temperatura de reacción.

El catalizador consiste en un sustrato de canales hecho de cordierita y recubierto de una capa de aerogel poroso de sílice que contiene nanopartículas de cobalto del mismo modo que un ‘plum cake’ contiene pasas (Figura 4). El gas de reacción, a su paso por los canales, es atrapado por la matriz porosa y dirigido a la nanopartículas de catalizador donde se produce la reacción de reformado. Hay que tener en cuenta que la reacción es endotérmica, por lo que el hidrógeno resultante acumula un 15% más de energía que la del etanol introducido, lo que puede ser interesante para aprovechar calor residual. En una etapa posterior y mediante una membrana se pueden obtener el hidrógeno y el dióxido de carbono por separado. Dependiendo del tipo de membrana, el hidrógeno puede tener una pureza superior al 99,999%.

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Figura 4. Vista del catalizador (izquierda) e imagen de microscopio electrónico donde se observa su porosidad. En la ampliación se idealiza el aerogel de sílice (gris) sobre la cordierita (marrón) con las nanopartículas de cobalto (azul).

En aplicaciones móviles y portátiles se podría disponer de un pequeño equipo que produjera el hidrógeno en función del caudal necesario para la aplicación. Debería consistir en un depósito de etanol y uno de agua, un inyector de vapor, un regenerador de calor que caliente los gases de entrada en parte con el calor de enfriado de los de salida, la cámara de catálisis, y la etapa de separación. El hidrógeno podría almacenarse en un pulmón intermedio y el dióxido de carbono, almacenarse o eliminarlo como residuo. Dado que la cantidad de hidrógeno almacenado podría minimizarse, los riesgos asociados con el empleo de gas hidrógeno serían mucho menores a los habituales. Del mismo modo, el dispositivo podría utilizarse para la generación a demanda de hidrógeno en laboratorios de análisis, por ejemplo, para la utilización de cromatógrafos de gases, y en la industria para evitar el almacenamiento masivo del hidrógeno como reactivo en cilindros y/o tanques a alta presión.

Sobre el ICMAB

El Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) es un centro de investigación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) regido por un Patronato. Su objetivo es el de la realización de la investigación, dirigida a la obtención y a la caracterización de los materiales de interés industrial. Sus actividades se centran en la síntesis, la preparación, la cristalización y la caracterización de los materiales y nanomateriales funcionales de altas prestaciones llegando, en algunos casos, a la construcción de prototipos de dispositivos basados en estos materiales.

Sobre el INTE

El Instituto de Técnicas Energéticas (INTE) desarrolla tareas de investigación y de transferencia tecnológica centradas principalmente en temas relacionados con las radiaciones ionizantes de origen natural y artificial, su uso, sus riesgos y su impacto ambiental. Dispone de un laboratorio de calibrado en el área de las radiaciones ionizantes, un laboratorio de dosimetría termoluminiscente y un laboratorio de medidas de bajas actividades, integrado en la Red Espaciada de Vigilancia Radiológica Ambiental Española que gestiona el Consejo de Seguridad Nuclear.

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