Hidrógeno como alternativa sustentable a los combustibles fósiles

El hidrógeno es el elemento más liviano y abundante en el universo. Una de sus ventajas es que es el combustible de mayor densidad energética por unidad de masa con 39,5 kWh/kg mientras que el petróleo tiene una densidad energética por unidad de masa de 13,1 kWh/kg, es decir, a igual masa, el hidrógeno contiene 3 veces más energía que el petróleo. Sin embargo, una desventaja del hidrógeno es su densidad energética volumétrica que en condiciones normales es 2,2 kWh/m³ mientras que la densidad energética volumétrica del petróleo es 10.445,3 kWh/m³, es decir, a igual volumen, el hidrógeno contiene solo 0,0002 veces la energía que contiene el petróleo.

El hidrógeno no se encuentra en su estado puro en la naturaleza, por lo tanto, no puede ser considerado como una fuente de energía primaria. Por esta razón, se le conoce como portador o vector energético.

El hidrógeno se puede utilizar como combustible en motores de combustión interna o en celdas de combustible y en ambos casos el producto de la reacción es vapor de agua y oxígeno, sin emitir gases de efecto invernadero en la producción de energía. razón por lo que es considerado un combustible limpio que no contribuye en el aumento de la huella de carbono.

El almacenamiento del hidrógeno es un problema que no está completamente resuelto y es una limitación de importancia para su uso en forma masiva. En condiciones normales el hidrógeno tiene una densidad de 0,083 kg/m³, mientras que la densidad del petróleo es 800 kg/m³, es decir, en un tanque de 60 litros, en condiciones normales, se pueden almacenar 0,005 kg de hidrógeno con una capacidad energética de 0,2 kWh, mientras que en el mismo tanque se pueden almacenar 48 kg de petróleo con una capacidad energética de 629 kWh. O sea, el mismo tanque de 60 litros proporciona una capacidad energética del petróleo 3.145 veces mayor que la del hidrógeno.

Para uso en automóviles, se han desarrollado tecnologías que almacenan hidrógeno en tanques a una presión de 700 bar (700 veces la presión atmosférica). A esta presión el volumen específico del hidrógeno es 38,9 kg/m³ lo cual permite almacenar 6,3 kg de hidrógeno en un estanque de 160 litros (poco peso en mucho volumen a alta presión) y que para un automóvil con motor de combustión interna le daría una autonomía de aproximadamente 150 km y para un automóvil con celda de combustible le daría una autonomía aproximada de 300 km con potencia máxima de 127 kW.

La dificultad para obtener hidrógeno 100% limpio, llamado hidrógeno verde, ha llevado a clasificar el producto resultante en función de su valor sustentable. De este modo, el hidrógeno gris, el más utilizado actualmente en la industria química o en las grandes refinerías de petróleo, es el menos respetuoso con el medio ambiente, pues se sigue requiriendo de combustibles fósiles para su generación. Como alternativa, el hidrógeno azul o bajo en carbono sigue requiriendo de combustibles fósiles, pero su producción emite menos carbono, pues este se separa con un método llamado captura y almacenamiento.

La opción más ecológica es el hidrógeno verde, producido a partir de energías renovables, una alternativa 100% sustentable que, sin embargo, es la menos común del mercado. Otra dificultad para la producción de hidrógeno verde es que la tecnología disponible para su obtención es por electrólisis de agua utilizando electricidad verde y agua desmineralizada. En Chile la electricidad verde se puede obtener de energía solar en el Norte de Chile, pero el agua desmineralizada se transforma en una dificultad.

El hidrógeno es, en principio, la panacea de los combustibles alternativos. En teoría, podría almacenarse en estado gaseoso o líquido y distribuirse a través de gasoductos, pudiendo ser un sustituto de los combustibles fósiles y no emite gases de efecto invernadero al producir energía. Entonces, ¿Cuáles son las razones de que el hidrógeno no se haya convertido ya en la alternativa estrella en el camino hacia un modelo energético sustentable y sostenible en todo el planeta?

El problema hay que buscarlo en las dificultades de producción, las dificultades de almacenamiento y transporte y el costo. Para empezar, a pesar de ser uno de los elementos más abundantes de la Tierra, el hidrógeno no es fácil de obtener, pues no se encuentra en forma pura en la naturaleza, sino que se genera a partir de otras sustancias que lo contienen, entre ellos el agua, el carbón y el gas natural. La forma ideal de producirlo sería obtenerlo directamente del agua –una sustancia presente en el 70% del planeta–, para lo cual sería necesario llevar a cabo un proceso denominado electrólisis, que consiste en la descomposición de las moléculas de agua (H₂O), en oxígeno (O₂) e hidrógeno (H₂). Sin embargo, generalmente este es un proceso costoso para el que se necesita mucha energía eléctrica para alimentar los electrolizadores, la que, en la mayoría de los casos, no procede de fuentes renovables.

Por ello, las dificultades para avanzar en una economía energética global sustentable y sostenible basada en el hidrógeno se pueden resumir en:

• El hidrógeno tiene una alta densidad energética por unidad de masa, pero una muy baja densidad energética por unidad de volumen.
• El hidrógeno en estado puro no existe en la naturaleza, debe ser obtenido por medio de algún proceso. Los procesos más comunes son los que obtienen hidrógeno a partir de combustibles fósiles. Estos procesos no son ambientalmente neutros por lo que contribuyen al aumento de la huella de carbono.
• Existe tecnología (electrólisis) para obtener hidrógeno a partir de agua, pero esta debe ser agua desmineralizada y acondicionada para la electrólisis.
• En el norte de Chile se puede obtener electricidad verde a partir de energía solar, pero el requerimiento de agua desmineralizada es una dificultad.
• El almacenamiento y transporte de hidrógeno es un verdadero problema porque el hidrógeno es un gas de muy baja densidad y su temperatura crítica es muy baja (-249 °C), lo cual implica que para ser licuado se deben alcanzar temperaturas por debajo de los -249 °C.
• Para que sea rentable como combustible, se estima que el costo del hidrógeno verde debiera ser aproximadamente 3,5 US$/kg. En la actualidad el costo del hidrógeno verde es del orden de 3 veces este valor.

Dar una solución a los aspectos antes indicados constituyen un importante desafío para la ingeniería, de cara a ser un real aporte a la sostenibilidad de nuestro planeta y su compromiso con el medio ambiente y el uso de energías renovables no convencionales.

Por: Miguel Alvarez Chavez, Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Docente de Ingeniería Civil Industrial, UST Antofagasta.