Ahora que están en boca de todos las nuevas tecnologías y la enorme incertidumbre sobre lo que puede ser el futuro en términos de generación de energía para los automóviles, tuvimos la oportunidad de platicar con el Dr. José Anaya, Presidente Honorario de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno, quien nos fue desmitificando y poniendo en términos coloquiales lo que es la celda de combustible que descompone las moléculas de agua para generar electricidad que puede ser utilizada en un motor eléctrico para impulsar un automóvil. Sin lugar a dudas, un tema fascinante que nos pone en los linderos de lo que es un futuro cada vez más presente y una alternativa energética limpia con el medio ambiente y que actualmente ya se utiliza como energía de respaldo para la industria de telecomunicaciones y particularmente en la telefonía celular.
CGA - ¿Cómo podemos usar el hidrógeno como combustible?
Dr. José Anaya - Imaginemos que cada vez que generamos electricidad y la usamos, no afectamos nocivamente al ambiente que nos rodea ni a ningún ser vivo en este planeta y que cuando usamos un combustible las únicas emisiones son agua y calor útil. Imaginemos que ese combustible lo podemos obtener de manera sostenible, de un recurso abundante como el agua. Hoy en día ya se cuenta con un combustible y con tecnología que nos permite hacer realidad lo anterior. Este combustible es el hidrógeno cuyas propiedades han sido exploradas y empleadas desde hace muchos años, pero que la llegada del petróleo hizo a un lado por varias razones que hoy en día lamentamos.
El agua, abundante recurso en nuestro planeta y presente dondequiera que se encuentre cualquier ser vivo, está formada por hidrógeno y oxígeno. El primero de estos gases es además el componente más abundante en el universo y contiene la mayor cantidad de energía que cualquier otro combustible por cada gramo de su peso; ésta y otras propiedades favorables lo hace el combustible ideal sustituto del petróleo. Cuando el hidrógeno es utilizado como combustible, puede generar energía eléctrica con la ayuda del oxígeno presente en el aire mediante un dispositivo llamado celda de combustible, una tecnología usada en programas espaciales de la NASA. Al generar electricidad con hidrógeno en una celda de combustible sin quemarlo sin transformándolo electroquímicamente, sólo se producen agua y calor como subproductos convirtiéndose en el combustible más limpio que el hombre conozca.
Por otra parte, las fuentes renovables de energía como el sol y el viento, pueden ser mejor aprovechadas cuando los excedentes instalados almacenen energía en forma de hidrógeno, el cual puede ser obtenido suministrando electricidad producida por aquellas fuentes a un dispositivo llamado electrolizador, el cual extrae hidrógeno del agua. Posteriormente, si el recurso (sol ó viento) no es suficiente ó no está disponible (por ejemplo en la noche cuando el sol no está presente), el hidrógeno puede ser transformado nuevamente en electricidad en una celda de combustible convirtiéndose este sistema en uno totalmente renovable en donde además de electricidad, sólo agua será generada...así es...agua 100% pura.
CGA.- ¿Cómo se produce el hidrógeno?
Dr. José Anaya - Al igual que la gasolina y el gas LP que usamos en casa, el hidrógeno no se encuentra libre en nuestro planeta y debemos gastar para obtenerlo. El hidrógeno se encuentra en forma de agua, plantas y otros seres vivos, pero además se encuentra presente en hidrocarburos de origen fósil y no fósil. Por ejemplo, algunas fuentes de hidrógeno son:
• Biogas generado en rellenos sanitarios y plantas de tratamiento de agua (donde se genera gas metano)
• Esquilmos (desperdicios agrícolas que pueden posteriormente ser fermentados para generar metano ó algún tipo de alcohol)
• Gas Natural (cuyo principal componente es metano)
Este último compuesto es precisamente la materia prima que más se utiliza en la industria para generar hidrógeno. El gas metano es transformado a alta temperatura, mediante procesos con vapor de agua y catalizadores, en un gas rico en hidrógeno el cual es posteriormente purificado para producir hidrógeno grado industrial. En el proceso se genera CO2 gas, el cual es nocivo para nuestro ambiente y la vida en el planeta tierra. Sin embargo, la cantidad de CO2 generado por unidad de energía aprovechada, al usar hidrógeno por ejemplo en una celda de combustible (electricidad ó kilowatts-hora), es mucho menor que la energía que se aprovecharía si se quemara el gas natural. Así recursos no renovables como el gas natural podrían ser mejor utilizados si se emplean en forma de hidrógeno en tanto éste último reemplaza completamente a otras fuentes fósiles de energía. También esta transformación de hidrocarburos ligeros a hidrógeno podría alargar la vida de las reservas existentes de los primeros.
Otro método de producir hidrógeno con mayor pureza y eficiencia que cuando se extrae de gas natural, es la electrólisis del agua en la cual se hace pasar corriente eléctrica a través de un reactor electroquímico. Este método se usa también a nivel industrial pero requiere de energía eléctrica la cual si es generada a partir de combustibles fósiles, resta los beneficios ofrecidos por el uso del hidrógeno.
Así, el mayor potencial del uso de hidrógeno se alcanzaría si éste gas es extraído de manera sustentable por ejemplo mediante electrólisis del agua acoplado a fuentes renovables de energía como el sol, viento, hidráulica ó bien a partir de biogás generado en procesos de descomposición de desperdicios como los agroindustriales, la basura ó aguas residuales.
Otros mecanismos de generación de hidrógeno que se estudian hoy en día son, por ejemplo, a partir de organismos vivos que son capaces de generar hidrógeno en sus ciclos de vida. Estos mecanismos aún no se encuentran disponibles comercialmente.
CGA.- ¿Cómo se almacena y qué infraestructura es necesaria?
Dr. José Anaya.- El hidrógeno se almacena comercialmente en tanques principalmente a presiones altas (hidrógeno presurizado) y en menor escala debido a su alto costo, en forma licuada es decir como hidrógeno líquido. Ambos medios de almacenamiento son industrialmente manejados y para algunas aplicaciones del hidrógeno como combustible son suficientes. Sin embargo, en aplicaciones como el transporte se requiere almacenar mayores cantidades de hidrógeno para ofrecer autonomía en los vehículos. Por ello, se están desarrollando nuevos medios para almacenar hidrógeno de una manera más compacta, esto es, con mayor densidad de energía (energía por unidad de volumen ó de peso). Alternativas relativamente comerciales para ello son los tanques de hidruros metálicos, los cuales contienen aleaciones que son capaces de absorber hidrógeno entre sus átomos metálicos de tal manera que los átomos de hidrógeno se encuentran entre sí, más cerca que cuando el gas está licuado. Esto proporciona la posibilidad de almacenar hidrógeno en un sistema de alta densidad energética. Los hidruros tienen la desventaja de ser pesados y solamente aceptar un bajo porcentaje del gas en relación a su peso. Esto hace que otros medios más ligeros de almacenar en forma sólida al hidrógeno sean estudiados, un ejemplo de ellos es el carbón.
Algunas estrategias para utilizar hidrógeno en algunas aplicaciones que no requieren moverse (i.e. estacionarias) consideran el almacenamiento (e incluso el transporte) de un compuesto que contenga hidrógeno para antes de su uso ser transformado en hidrógeno combustible en el propio sitio de consumo. Por ejemplo, una hidrogenera (sustituto de una gasolinera) podría recibir gas natural y almacenarlo para estar convirtiéndolo en hidrógeno previo a su despacho en los autos. Esta estrategia tiene el sentido de utilizar infraestructura ya existente, aunque existen retos técnicos para la transformación de gas natural a hidrógeno en baja escala. La ciencia y la ingeniería están trabajando para resolver estos retos y hacer realidad el almacenamiento del hidrógeno para su aprovechamiento como combustible limpio.
CGA.- Muchas marcas de autos han lanzado las famosas “celdas de combustible” ¿Qué son y cómo funcionan?
Dr. José Anaya.- El mayor beneficio del uso de hidrógeno como combustible se alcanza cuando éste se emplea en dispositivos de generación de energía eléctrica llamados Celdas de Combustible. Una celda de combustible genera electricidad combinando hidrógeno y oxígeno electroquímicamente sin ninguna combustión de una manera directa y por lo tanto eficientemente. Estas celdas no se agotan como lo haría una batería en tanto se les alimente el combustible, hidrógeno, y el oxidante. Así generarán energía eléctrica y calor mientras se les provea de combustible, siendo los únicos subproductos generados agua 100% pura y ya que esta reacción es exotérmica producirán también calor. La manera en que las celdas de combustible operan es mediante una celda electroquímica consistente en dos electrodos, un ánodo (-) y un cátodo(+), separados por un electrólito. El oxígeno, que puede provenir del aire, pasa sobre el cátodo ó electrodo positivo, mientras que un combustible como el gas hidrógeno lo hace sobre el ánodo. Cuando el hidrógeno es ionizado en el ánodo el gas se oxida y pierde un electrón, al ocurrir esto el electrón toma un camino fuera de la celda de combustible significando una corriente eléctrica. Al final ambos elementos hidrógeno y oxígeno se vuelven a reunir para formar agua.
La energía aprovechable de esta reacción está dada por la diferencia de potencial ó voltaje entre ambos electrodos. Por otra parte, la corriente generada depende de la eficiencia de la celda y del área aprovechada para la reacción. Estos dos factores son de suma importancia tecnológica ya que de ellos dependerá la eficiencia y por lo tanto, la potencia utilizable de estas fuentes generadoras de electricidad. Así, para generar cantidades útiles de energía eléctrica las celdas de combustible pueden ser configuradas a partir de varias celdas unitarias conectadas en serie, además de variar el área de sus electrodos y obtener así el voltaje, la corriente y por lo tanto la potencia, apropiados para la aplicación final.
Existen varios tipos de celdas de combustible pero de manera general se pueden dividir en aquellas de baja temperatura y celdas de alta temperatura. Las primeras aunque son menos eficientes presentan ventajas sobre las segundas debido a una menor complejidad de sus sistemas, una mayor velocidad de respuesta y la posibilidad de ser más compactas. Las celdas de baja temperatura son las que más desarrollo han sufrido e incluyen las celdas de electrolito polimérico (PEFC ó PEMFC), las de ácido fosfórico (PAFC) y las alcalinas (AFC). Las de alta temperatura son altamente eficientes y presentan ventajas como la capacidad de generación de mediana y alta potencia, así como la de poder utilizar combustibles antes de su transformación en hidrógeno. Un ejemplo de ello es el uso de gas natural en celdas de alta temperatura en donde internamente el metano se transforma en hidrógeno y posteriormente en electricidad. Las de baja temperatura en cambio requieren el uso de hidrógeno generalmente de alta pureza. A pesar de las ventajas de las celdas de combustible de alta temperatura como las de óxido sólido (SOFC) y las de carbonatos fundidos (MCFC), éstas celdas aún no alcanzan un grado de comercialización. Las de baja temperatura pueden ser obtenidas (aunque de manera limitada) con compañías que las desarrollan.
Las celdas de combustible al ser generadoras de electricidad encuentran una amplio espectro de aplicaciones que van desde dispositivos portátiles como Laptops, Agendas Electrónicas, teléfonos celulares, autos y autobuses eléctricos, hasta la alimentación de electricidad en hogares, comercios como oficinas escuelas, hospitales y edificios enteros.
CGA. – Muchas gracias Doctor.
Dr. José Anaya .- Gracias a ustedes
Sin duda una alternativa viable, eficiente y limpia es el hidrógeno. El resto es que su obtención sea a partir de una base también limpia y “verde” como la energía solar, el agua y el viento para obtener el hidrógeno llamado verde ya que, como nos lo comentó el Dr. Anaya, también existe otro tipo de hidrógeno llamado negro o café que se produce a partir de combustibles fósiles como el gas natural.
Más que los autos eléctricos, a diesel o con combustibles vegetales, el hidrógeno aparece en el espectro como la posible fuente de energía más importante. Sólo como dato adicional, el hidrógeno produce tres veces más energía que el diesel o la gasolina utilizando la misma cantidad de material combustible.