Hidrógeno y transporte


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La causa principal del calentamiento global son las emisiones de gases de efecto invernadero (especialmente de CO2) de origen humano entre las que se encuentran las generadas por el transporte de mercancías y viajeros. Esto se debe a que la mayor parte de los combustibles usados en él son de origen fósil (proceden prácticamente en su totalidad del petróleo). Por lo tanto, para reducir las emisiones contaminantes del transporte es preciso integrar las energías renovables en este sector.


¿Cómo se pueden integrar las energías renovables en el sector transporte?

La integración de energías renovables no es directa. Existen tres alternativas, de las que hablamos en un post anterior:
- la utilización de biocombustibles,
- la utilización de vehículos eléctricos alimentados con electricidad de origen renovable
- la utilización de vehículos de hidrógeno (obtenido a partir de fuentes renovables)

El transporte actual utiliza en gran medida combustibles líquidos. La única fuente renovable de energía que puede dar lugar a combustibles líquidos de forma directa es la biomasa, con ejemplos como el biodiesel, el bioetanol y el biometanol. Algunos de estos biocombustibles pueden utilizarse directamente en los vehículos convencionales con pequeñas modificaciones. Además, tanto la biomasa como los biocombustibles pueden utilizarse para producir hidrógeno.

¿Cuál es el interés del hidrógeno?

El hidrógeno es el elemento más ligero de la tabla periódica y tiene un enorme poder calorífico, 2.4 veces superior al del metano y 4 veces superior al del carbón. Presenta la ventaja de que durante su utilización como combustible solo genera H2O, evitándose por tanto las emisiones de CO2. No todo son ventajas, su principal inconveniente es que no se encuentra libre en la naturaleza, si no que forma parte de moléculas más o menos complejas como el agua, los hidrocarburos y la biomasa. En este sentido el hidrógeno tiene un papel similar al de la electricidad, y por ello ambos son considerados vectores energéticos, intermedios que se pueden obtener a partir de una variedad de energías primarias y que se pueden utilizar en dispositivos muy diversos. La principal diferencia con la electricidad es que el hidrógeno es mucho más fácil de almacenar (especialmente si no existen problemas de espacio) y por tanto ayuda a combatir la intermitencia de las energías renovables, pudiéndose almacenar los excesos de producción para momentos de mayor consumo o de ausencia temporal de energía renovable accesible.

Al hablar de hidrógeno, al igual que con la electricidad, hay un concepto que debe quedarnos claro. En función de cómo lo hayamos producido tendremos un vector energético más o menos limpio. La electricidad es limpia cuando se obtiene con aerogeneradores eólicos, y sucia cuando se obtiene a partir de centrales térmicas convencionales. De igual modo, el hidrógeno obtenido a partir de fuentes de energía renovables será  limpio (me gusta llamarlo hidrógeno verde) y el obtenido a partir de gas natural (alrededor del 95% del hidrógeno mundial se produce a partir de combustibles fósiles) es bastante sucio (llamémoslo hidrógeno negro). La variedad de fuentes a partir de las cuales se puede producir permitiría una transición suave y progresiva desde el sistema energético actual basado en combustibles fósiles (usándolos para producir hidrógeno negro en los primeros estadios de la transición) hacia uno limpio basado en la economía del hidrógeno, del hidrógeno verde, claro.

El hidrógeno es tan limpio como el proceso por el que se haya producido (ver nota final). Fotos de pixabay
 
¿Cómo se puede producir el hidrógeno de forma sostenible?

Podemos obtener hidrógeno a partir del agua en un proceso conocido como electrólisis que permite la disociación del hidrógeno y el oxígeno al hacer pasar una corriente eléctrica. La opción más sencilla sería utilizar las energías renovables para producir electricidad y esta electricidad para producir hidrógeno. Sin embargo ¿para qué vamos a producir hidrógeno si tenemos ya la electricidad de origen renovable lista para utilizarla? Y además esta transformación es bastante poco eficiente por lo que el hidrógeno no puede competir en precio con el hidrógeno obtenido por reformado de gas natural. Por tanto este método solo será útil para almacenar de forma eficiente excedentes de electricidad renovable, por ejemplo en lugares que no estén conectados a la red eléctrica.


Existe otra posibilidad menos desarrollada para extraer el hidrógeno del agua utilizando calor como fuente de energía. El calor puede ser bien de origen renovable, procedente de energía solar térmica (con concentradores solares) u obtenido a partir de energía nuclear. Se trata de los ciclos termoquímicos. En este proceso ocurren una serie de reacciones en serie que tienen lugar a temperaturas diferentes y en distintos reactores. En unas se produce O2 y en otras H2 y al obtenerse por separado se evita la recombinación de ambos. Los productos químicos que se añaden funcionan en un ciclo cerrado por lo que globalmente la reacción es solamente la de descomposición del agua. Actualmente se están estudiando muchas sustancias para llevar a cabo esta reacción buscando optimizar la temperatura y la ciclabilidad del proceso.
Ciclos termoquímicos. Aunque hay tres reacciones encadenadas, globalmente H2O --> H2+O2

El hidrógeno se puede extraer también de otros compuestos, entre los que se incluyen los combustibles fósiles y la biomasa (incluyendo aquí los biocombustibles). Los procesos de obtención son bastante similares independientemente del origen del hidrógeno y son diferentes en función de que se trate de precursores sólidos o líquidos/gaseosos. Para obtener H2 a partir de carbón o biomasa sólida suelen utilizarse procesos de gasificación, mientras que en el caso de gas natural o biocombustibles se emplean principalmente procesos de reformado. En estos procesos el hidrógeno se obtiene mezclado con otros gases, entre los que destaca el CO2.

El hidrógeno obtenido a partir de biomasa es verde en cuanto procede de biomasa, puesto que se asume que el CO2 fijado por la biomasa durante su crecimiento compensa el CO2 liberado (se dice que la biomasa tiene un ciclo de CO2 nulo o que tiene emisiones netas nulas).
Sin embargo, al utilizar combustibles fósiles (principalmente carbón o gas natural) el hidrógeno que producimos está indisolublemente unido al CO2 que se emite, por lo que para que sea una producción de hidrógeno verde es necesario implantar procedimientos de captura de CO2 que eviten las emisiones de este gas a la atmósfera. Es más, estos sistemas de captura podrían instalarse también en instalaciones de producción de hidrógeno a partir de biomasa. En este caso especial tendríamos emisiones netas de CO2 negativas puesto que se produce una reducción del CO2 atmosférico.

Gasificación y reformado

La gasificación y el reformado son procesos químicos que se llevan a cabo sobre los combustibles sólidos líquidos/gaseosos respectivamente.

La gasificación consiste en transformar un combustible sólido en un gas combustible mediante una serie de reacciones que tienen lugar en presencia de un agente gasificante, generalmente aire, oxígeno o vapor de agua. La composición del gas resultante depende del sólido empleado, del agente gasificante y de las condiciones de gasificación pero está formado principalmente por CO (monóxido de carbono, no me he comido el 2) e hidrógeno. Esta mezcla CO+H2 se denomina gas de síntesis, porque es el punto de partida de la síntesis de las principales familias de compuestos químicos incluyendo metanol, formaldehído, amoniaco, compuestos aromáticos o petróleo sintético. En las centrales de gasificación (IGCC) esta mezcla se utiliza para generar electricidad. Si queremos utilizar el hidrógeno es preciso purificarlo, para lo cual existen diversos procedimientos.

El reformado consiste en hacer reaccionar un combustible líquido o gaseoso (alcoholes o gas natural, por ejemplo) con vapor de agua, obteniéndose H2 y CO2. Estas transformaciones a hidrógeno se llevan a cabo con la ayuda de catalizadores que son sustancias químicas que modifican la velocidad de una reacción sin intervenir en la reacción global, consiguiendo que tengan lugar a temperaturas más bajas y a la vez se produzca una conversión elevada del precursor de partida hacia el producto deseado, hidrógeno en este caso (con elevada conversión y de forma selectiva). En este proceso también es necesario purificar el hidrógeno.

Estos procedimientos parecen menos atractivos pero son los más utilizados a nivel industrial pues emplean una tecnología barata y fácil de extender a otras aplicaciones y producen elevados rendimientos.


Alternativas para la producción de hidrógeno





Ahora que ya sabéis cómo se produce el hidrógeno queda pendiente saber las alternativas que hay para su utilización en vehículos. Pero será en una próxima entrada.

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Gracias de nuevo a Ana Ribera (@molinos1282) por su lectura y comentarios preliminares
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Nota: a efectos de emisiones de CO2 la energía nuclear se considera una energía limpia, puesto que no tiene contribución de CO2 . Esto no es exclusivo del punto de vista científico sino que se hace por convención. De hecho cuando vemos tuits como este de Red Eléctrica Española
nos llenamos de satisfacción, pero casi nunca leemos el siguiente...