El hidrógeno es un combustible limpio. Cuando se consume en una celda de combustible, solo produce agua. Se puede emplear para almacenar, transportar y proporcionar energía. El hidrógeno se puede producir a partir de una variedad de recursos energéticos, como gas natural, energía nuclear, biomasa, energía eólica y energía fotovoltaica.
Estas cualidades convierten al hidrogeno en combustible atractivo para aplicaciones de transporte y generación de electricidad. Se puede usar en industrias, viviendas, almacenamiento de energía o movilidad sostenible.
El hidrógeno puede obtenerse de diversas maneras. Unas formas son más eficientes que otras. Una de las alternativas más importantes para generar hidrógeno gaseoso es a partir de agua mediante electrolisis. Sin embargo, existen otros métodos igualmente efectivos que son actualmente utilizados en la industria.
¿Cómo funciona el combustible de hidrógeno?
El hidrógeno presurizado entra en la pila por la parte del ánodo, forzando este gas a través del catalizador mediante presión. Cuando la molécula de hidrógeno entra en contacto con el platino del catalizador, se divide en dos iones (H+) y dos electrones.
Los electrones son conducidos a través del ánodo para llegar al circuito externo. Este proceso genera electricidad que se emplea en el motor eléctrico generando el movimiento en la máquina.
En el cátodo, el oxígeno pasa a través del catalizador y forma dos átomos de oxígeno cargados muy negativamente. Eso atrae a los iones de antes (H+) y se combinan junto con 2 electrones que vuelven del circuito externo. Todo junto forma una molécula de agua (H2O), que es expulsada como residuo del proceso.
¿Por qué no usamos hidrógeno como combustible?
Cada día tenemos menos motivos para evitar este combustible limpio, sin embargo, aun quedan unos inconvenientes que conducen a emplear otro tipo de combustibles. Los principales motivos son:
✅ Es un combustible costoso económicamente. Aunque el hidrógeno es muy abundante, hacerlo útil para transformarlo en una celda de combustible aun es una alternativa desfavorable.
✅ Es inflamable. Por ese motivo, la seguridad de los elementos de carga de hidrógeno sigue siendo una preocupación.
✅ Hay pocas instalaciones que producen hidrógeno a gran escala. Esto repercute en el suministro y en el precio final de este combustible.
✅ Es difícil de almacenar. Se trata de una diferencia de otros combustibles tradicionales, como el carbón, que es sencillo y se puede hacer casi de cualquier manera.
Técnicas para la obtención de hidrógeno como combustible
Los principales son:
✅ Reformado por vapor a partir de gas natural.
✅ Descomposición catalítica a partir de gas natural.
✅ Oxidación parcial de aceites pesados.
✅ Gasificación del carbón.
✅ Ciclos termo-químicos puros e híbridos.
✅ Procesos foto-químicos, foto-electroquímicos y foto-biológicos.
Todos estos procesos requieren extraer el hidrógeno de otra molécula. Las moléculas más abundantes para estos procesos son: el agua y los hidrocarburos.
¿Por qué el hidrógeno es un combustible sostenible?
Antes de nada es necsario aclarar que el hidrógeno es un vector de energía. Es decir, que hay que emplear energía para producirlo pero luego ese hidrógeno se puede utilizar como fuente energía cuando se necesite.
El aporte del hidrógeno como combustible sostenible es que en lugar de emitir CO2, los vehículos que funcionan con hidrógeno sólo expulsan agua como único residuo.
Estos vehículos disponen de un depósito donde almacenan a presión este gas. Posteriormente, ese hidrógeno se dirige a la pila de combustible. Allí sucede una reacción química, que da como resultado la electricidad. Esta energía acciona el motor electrico, y así se impulsa el vehículo. Lo mejor de todo es el desecho final de todo el proceso, ya que se trata sólo vapor de agua.
El hidrógeno no solo es un aliado de la movilidad sostenible de los automóviles, también se utiliza como combustible del transporte en general. Así podemos ver umerosas aplicaciones en el transporte público, camiones, trenes e incluso, barcos.
Ventajas del combustible hidrógeno
La revolución que vive el hidrógeno es sin duda, la consecuencia de las innmerables ventajas que aporta como combustible.Entre ellas podemos destacar:
Es un renovable y abundante
El hidrógeno es la fuente energética con mayor disponibilidad en el planeta. No existe otro elemento con mayor presencia en la naturaleza.
Produce agua como residuo
Si el hidrógeno es obtenido a través de una energía renovable no genera residuos que necesiten gestionarse, ya que el único subproducto es agua.
Es un combustible limpio
El hidrógeno es una energía muy limpia. Es muy diferente a los combustibles fósiles que durante su combustión producen más de 200 sustancias en su mayoría tóxicas y generadoras del efecto invernadero que amenaza al planeta.
Es una energía de carga rápida
Los vehículos propulsados por hidrógeno tienen como ventaja que su abastecimiento de combustible es rápido. Esto marca la diferencia con los vehículos eléctricos que usan un tiempo de carga promedio hasta de 4 horas. La operación de recarga de combustible puede durar máximo cinco minutos.
Presenta gran autonomía
Los vehículos con tecnología a hidrogeno tienen una autonomía en carretera muy similar a los vehículos convencionales, por tener un sistema de almacenamiento de combustible.
Esta característica lo diferencia a los vehículos eléctricos que no recorren largas distancias sin ser conectado para su lenta carga eléctrica.
Tiene buenos parámetros de seguridad
El hidrógeno es muy inflamable, pero se requiere la presencia de oxígeno y una fuente energética que sea la que inicie ignición.
En caso de fuga, el gas produce un fuego de hidrógeno, que es singular, porque provoca una llama vertical no muy peligrosa y controlable.
La industria aeroespacial utiliza hidrógeno como combustible. Por ese motivo, existen avanzados protocolos de seguridad para reducir este tipo de riesgo.
Es un combustible silencioso
Los vehículos no son ruidosos, por lo que se reduciría el impacto sónico en las avenidas de las grandes ciudades, muy diferente a los vehículos convencionales que pueden generar contaminación sónica por su sistema de expulsión de gas.
Es un combustible combinable
Existe la posibilidad de adaptar los vehículos de gasolina a hidrógeno para ajustarlo a esta nueva tecnología. Capta el oxígeno que se encuentra en la atmósfera, para combinarlo con hidrógeno a alta presión y generar electricidad y vapor de agua.
🥏 Tipos de procesos para obtener combustible de hidrógeno
Por lo tanto, el combustible de hidrógeno se puede producir a través de varios métodos. Los métodos más empleados en la actualidad son el reformado de gas natural y la electrólisis. Otros métodos incluyen procesos biológicos y impulsados por energía solar.
💥 Procesos térmicos
Los procesos térmicos para la producción de hidrógeno suelen implicar el reformado con vapor. Este es un proceso de alta temperatura en el que el vapor reacciona con un combustible de hidrocarburo para producir hidrógeno.
Muchos combustibles de hidrocarburos se pueden reformar para producir hidrógeno. Los más habituales son: el gas natural, el diesel, el carbón gasificado y la biomasa gasificada. Hoy en día, la mayor parte de todo el hidrógeno se produce a partir del reformado con vapor de gas natural.
El reformado de vapor-metano representa el proceso más empleado para generar hidrógeno como combustible. Los productores comerciales de hidrógeno y las refinerías de petróleo utilizan el reformado con vapor de metano para separar los átomos de hidrógeno de los átomos de carbono en el metano (CH4). El reformado con vapor de metano se genera con el vapor a alta temperatura (1300 ° F a 1800 ° F) y a una presión de 3 a 25 bar (1 bar = 14,5 libras por pulgada cuadrada). En estas condiciones reacciona con el metano en presencia de un catalizador para producir hidrógeno, monóxido de carbono. y una cantidad relativamente pequeña de dióxido de carbono.
Actualmente, para la producción de hidrógeno en instalaciones industriales y refinerías de petróleo el gas natural es la principal fuente de metano .
El biogás, también llamado biometano , es una fuente de hidrógeno para varias plantas de energía de pila de combustible. El biogas procede de la descomposición de gases de vertedero o fangos de depuradoras. Los biocombustibles y los combustibles derivados del petróleo también son fuentes potenciales de metano.
💥 Procesos electrolíticos
El agua se puede separar en oxígeno e hidrógeno mediante un proceso llamado electrólisis. Los procesos electrolíticos tienen lugar en un electrolizador. Este equipo funciona de manera muy similar a una celda de combustible sólo que de forma inversa. En lugar de usar la energía de una molécula de hidrógeno crea hidrógeno a partir de moléculas de agua.
La electrólisis es un proceso que separa el hidrógeno del agua mediante una corriente eléctrica. La electrólisis se usa comúnmente para demostrar reacciones químicas y producción de hidrógeno como combustible.
A gran escala, el proceso se denomina power-to-gas . Esta denominación vienede la imagen, donde la energía es electricidad y el hidrógeno es gas. La electrólisis en sí misma no produce ningún subproducto o emisión que no sean hidrógeno y oxígeno. La electricidad para la electrólisis puede provenir de fuentes renovables como la energía hidroeléctrica, solar o eólica.
Si la electricidad para la electrólisis se produce a partir de combustibles fósiles (carbón, gas natural y petróleo) o combustión de biomasa, los efectos ambientales existen. En este caso, el hidrógeno como combustible no sería totalmente limpio, y su clasificación daría los diferentes colores del hidrógeno.
💥 Procesos impulsados por energía solar
Los procesos impulsados por energía solar utilizan la luz como agente para la producción de hidrógeno. Hay algunos procesos impulsados por la energía solar, incluidos fotobiológicos, fotoelectroquímicos y termoquímicos solares.
Los procesos fotobiológicos utilizan la actividad fotosintética natural de bacterias y algas verdes para producir hidrógeno.
Los procesos fotoelectroquímicos utilizan semiconductores especializados para separar el agua en hidrógeno y oxígeno.
La producción de hidrógeno termoquímico solar utiliza energía solar concentrada para impulsar reacciones de división del agua a menudo junto con otras especies como los óxidos metálicos.
💥 Procesos biológicos
Los procesos biológicos utilizan microbios como bacterias y microalgas y pueden producir hidrógeno a través de reacciones biológicas. En la conversión de biomasa microbiana, los microbios descomponen la materia orgánica como la biomasa o las aguas residuales para producir hidrógeno, mientras que en los procesos fotobiológicos los microbios utilizan la luz solar como fuente de energía.
La producción biológica de hidrógeno está en investigación. Hasta ahora se ha desarrollado probando diferentes organismos, tipo de sustratos y sus concentraciones. Las investigaciones han estudiado el papel de la adición química y las condiciones de operación, como por ejemplo, la temperatura, el pH, la agitación y los sistemas de iluminación.
El hidrógeno solar es combustible
Un factor importante para que el hidrógeno se ajuste a un modelo de energía limpia es que el ciclo completo del mencionado gas sea libre de carbono. Para esto es fundamental obtenerlo a través de fuentes energéticas con bajas o nulas emisiones de gases de efecto invernadero.
En este sentido la alternativa más obvia es la producción de hidrógeno a partir de energías renovables como la solar o la eólica. Este concepto impulsa la generación del denominado hidrógeno verde.
Sin embargo, la continua búsqueda de nuevos combustibles ha impulsado a tecnologías innovadoras. Un ejemplo de esto, es la primera batería de hidrógeno híbrida integrada del mundo, que se combina con paneles fotovoltaicos de techo para ofrecer un fuente de energía duradera y fiable.
Otra empresa de hidrógeno emplea pilas de combustible PEM que se alimentarán del hidrógeno que se obtiene del agua y que es absorbido por el hidruro metálico. Allí se almacena, dentro de un recipiente seguro de manera fiable y a largo plazo. La aplicación de este combustible se está probando en bicicletas de reparto.
¿Cuánto cuesta producir combustible de hidrógeno?
Una investigación publicada a primeros del 2023 en la revista Nature Energy se propuso cuantificar el coste de producción de combustible de hidrógeno empleando electrólisis. El objetivo era determinar si se trataba o no de una alternativa viable desde el punto de vista comercial.
Los investigadores recopilaron datos sobre los costes y precios del hidrógeno y los compararon con los precios de la electricidad en el mercado mayorista y datos de generación de energía eólica durante un año entero en Alemania y Estados Unidos.
La conclusión fue que los sistemas híbridos, es decir, generación de hidrógeno a partir de energía renovable, pueden llegar a ser rentables a partir de los 3,23 euros el kilo.
Los costes de los electrolizadores están disminuyendo considerablemente. Esto implica una reducción del gasto asociado a la generación de hidrógeno y un acercamiento al objetivo anterior.
