Hidrógeno: el pilar faltante para la tercera revolución industrial

El hidrógeno se perfila como uno de los elementos que contribuirán a modificar el panorama energético del mundo. Su aplicación para el almacenamiento de energía es un hecho en la industria del transporte, pero sus posibilidades van más allá. Tras un inicio catastrófico, esta fuente de energía ha recobrado brío. Dos de sus grandes ventajas son sus cero emisiones contaminantes y una disponibilidad prácticamente infinita

Por Juan Pablo Manzano Peña

Un litro de agua podría contener la energía eléctrica que una persona requeriría en toda su vida. Esta posibilidad, que parece futurista, resulta del aprovechamiento del hidrógeno en todas sus formas. Cuando se habla de este elemento, lo primero que viene a la mente es la famosa imagen del Hindenburg, zepelín que ardió en llamas en 1937. Este acontecimiento marcó el fin de la carrera de los dirigibles con hidrógeno, así como de la empresa que los fabricaba.

Desde tal evento, el hidrógeno quedó marcado como un combustible peligroso. Como consecuencia, la investigación y el desarrollo de la tecnología para aprovecharlo se hicieron más lentos, mientras que este vector de energía quedó estigmatizado.

Después de casi 80 años, la reputación del hidrógeno empieza a cambiar. Los expertos han demostrado que el hidrógeno no es más peligroso que cualquier otro combustible fósil. De hecho, su utilización y normativa son similares a las del gas natural, el nuevo combustible de moda, que se considera seguro, limpio y económico. Las bondades que se le atribuyen al gas natural se deben, sobre todo, a los cuatro hidrógenos que conforman su molécula.

No obstante, a diferencia del gas natural, el hidrógeno puro no contiene carbones y es prácticamente infinito. Se trata del elemento más abundante en el universo. En el planeta no se encuentra en grandes cantidades en su forma gaseosa, sino en forma líquida, contenido en la molécula del agua, elemento que compone más de tres cuartas partes del planeta.

Mediante la descomposición de esta molécula, un litro de agua es proclive a transformarse en 1 mil 200 litros de hidrógeno en estado gaseoso y 660 litros de oxígeno puro en estado gaseoso. Por ésta y otras razones, el hidrógeno se proyecta como un combustible realmente limpio y el vector de energía por excelencia.

Historia

El hidrógeno fue descubierto en 1766, en Londres, Inglaterra, por el científico Henry Cavendish, quien lo denominó “flogisto”. Más tarde, Antoine Lavoisier le dio el nombre con el que lo conocemos actualmente. El vocablo “hidrógeno” proviene de las raíces “hydro”, que significa agua, y “gennao”, que significa engendrador; en otras palabras, su significado etimológico sería “generador de agua”.

Más de 100 años después, hasta principios del siglo XIX, comenzó realmente a dársele un uso práctico en los dirigibles, con el fatal desenlace ya mencionado. Durante la Segunda Guerra Mundial, el hidrógeno se empleó como combustible para motores de vehículos de todo tipo, incluidos locomotoras y submarinos, pero sin gran éxito. Este fracaso tecnológico se debió a la baja eficiencia de sus motores y a su mala aplicación.

Más adelante, a mitad del siglo XX, este energético tomó un nuevo impulso, por dos cuestiones importantes. La primera es el calentamiento global y la segunda es la salida del mercado de los combustibles fósiles. Desde entonces se han revalorado las posibilidades de este elemento limpio y prácticamente infinito.

Un gran promotor de los avances tecnológicos en este ramo ha sido, sin duda, la exploración del espacio. Gracias a las industrias aeroespaciales, se dieron grandes avances en la aplicación del hidrógeno como portador de energía. Para ello, se desarrolló de forma segura y eficiente la pila de combustible. Esta pila cuenta con características diferentes a las que se utilizan en los dispositivos electrónicos, cuya vida útil es muy corta. Si se compara una pila de combustible con una batería recargable de litio, son notables las ventajas de las pilas de combustible por su gran autonomía, ya que llega a durar de ocho a 14 veces más que una batería de litio de alta eficiencia.

La pila de combustible funciona mediante membranas de intercambio protónico (Fuel Cell Protone Exchange Molecule). En este proceso se utiliza el hidrógeno como combustible y el oxígeno como desencadenador de una reacción, a fin de transformarlo en energía. Una de sus ventajas es su grado cero de emisiones; de hecho, el único subproducto del proceso es el agua.

Pero no todo es perfecto, también tiene sus inconvenientes, como tener que portar tanques de hidrógeno líquido a alta presión y equipo especializado para hacer la recarga de los tanques. Además, según ciertas investigaciones, la liberación de calor y el vapor de agua que se desprende del proceso contribuyen al efecto invernadero, con el consiguiente calentamiento global, tema que se busca subsanar con la reducción de emisiones de CO₂ y NOX. Este proceso fue descubierto en 1839 por el galés William R. Grove, pero su desarrollo comenzó en la década de los 60 por la National Air and Space Administration (NASA) para producir electricidad y agua en algunas de sus misiones espaciales.

Durante 50 años se han logrado grandes adelantos en investigación y desarrollo para esta tecnología. La industria automotriz la ha adoptado para los autos eléctricos, mediante sistemas que son capaces de almacenar grandes cantidades de energía en forma de hidrógeno y aseguran gran autonomía a los vehículos frente a las baterías recargables de alta eficiencia. Aunque también es posible la utilización con baterías convencionales o de nueva generación, tienen un gran inconveniente: el tiempo de carga.

En un auto con pila de combustible, se requieren unos minutos para tener los tanques al ciento por ciento, mientras que en un vehículo eléctrico se tardaría horas en almacenar la misma energía en sus baterías y con una independencia mucho menor.

Numerosas patentes se han aprobado con diferentes variedades de líquidos y gases compuestos que contienen hidrógeno con diferentes características. Desde hace algunas décadas, también se ha trabajado en las normativas internacionales ISO. El estándar ISO/TC 197 activities-Hydrogen Technologies describe algunas de sus aplicaciones, límites y beneficios. En las aplicaciones para el transporte, el uso del hidrógeno como fuente de energía ha sido resuelto con éxito por diversas compañías; por ejemplo, la empresa BMW desarrolló el automóvil E65 con combustión interna dual, un vehículo que cuenta con dos tanques, uno con gasolina y otro con hidrógeno a alta presión, con la opción de utilizar cualquiera de éstos, según elija el usuario, sin ningún problema ni pérdida de potencia. Aunque hoy en día hay maneras más eficientes de aprovechar sus valores energéticos, ésta es una de las posibles aplicaciones del hidrógeno y una solución considerable para los desafíos ambientales que la humanidad enfrenta.

Actualmente, las tecnologías de hidrógeno se encaminan como uno de los máximos proyectos tecnológicos nunca antes vistos, al englobar la promesa de generar energía limpia, segura e infinita. Los científicos que lo dirigen afirman que un sólo litro de agua será suficiente para generar toda la energía que se requiere a lo largo de toda una vida.

Celda de combustible con membrana de intercambio de protones

1. El combustible de hidrógeno se canaliza a través de placas de flujo de campo hacia el ánodo, de un lado de la celda de combustible, mientras que el agente oxidante (oxígeno o aire) se canaliza hacia el cátodo, del otro lado de la celda. 2. En el ánodo, un catalizador de platino provoca que el hidrógeno se separe en iones positivos de hidrógeno (protones) y electrones con carga negativa. 3. La membrana de polímero electrolítico (PEM, por sus siglas en inglés) sólo permite que los iones con carga positiva pasen a través de ella hacia el cátodo. Los electrones con carga negativa deben viajar a lo largo de un circuito externo hacia el cátodo, creando una corriente eléctrica. 4. En el cátodo, los electrones y los iones de hidrógeno con carga positiva se combinan con oxígeno para formar agua, la cual fluye hacia afuera de la celda.

El hidrógeno y sus variantes

El hidrógeno, como elemento, puede encontrarse en tres variantes; cada una de ellas presenta características propias, relacionadas con la composición de su átomo o isótopos. El protio, cuyo símbolo característico es H, está compuesto por un protón y un electrón y no contiene neutrones. A partir de éste se forman las diferentes presentaciones o isótopos.

El deuterio, cuyo símbolo es D o 2H, está compuesto por un protón, un neutrón y un electrón. Se utiliza como rastreador para estudiar reacciones químicas o rutas metabólicas, ya que puede sustituir un hidrógeno y puede seguirse para ver “adónde va” una molécula o “qué va a hacer”; en resonancia magnética para estudiar estructuras moleculares, o para una hipotética fusión fría (imitando las reacciones que se producen en el Sol), que parece inviable de conseguir hoy en día por las grandes dificultades tecnológicas. Otra aplicación interesante es el estudio de la temperatura de la Tierra a lo largo de toda su historia, el cual se logra al medir la cantidad de deuterio que ha quedado atrapado en el hielo de la Antártida.

El tritio, cuyo símbolo es T o 3H, está compuesto por dos neutrones, un protón y un electrón. Tiene aplicaciones médicas como rastreador, ya que al descomponerse emite electrones de baja energía, pero no rayos gamma, que es un tipo de radiación más peligrosa. La bomba de hidrógeno es, en realidad, una bomba de tritio. El hidrógeno protio se presenta, generalmente, en forma diatómica, es decir, compuesto por dos átomos; por ello, es mejor conocido como H2.

El hidrógeno, en su presentación diatómica, puede formar dos variantes: orto-hidrógeno, cuyos electrones están alineados en sus spines, y para-hidrógeno, cuyos electrones están desalineados en sus spines. En 1929, Bonhoffer y Hacker encontraron que si se enfría y comprime el hidrógeno ordinario, se produce la conversión del orto-hidrógeno en para-hidrógeno. Absorbiendo hidrógeno ordinario sobre carbón a la temperatura del hidrógeno líquido, se produce una conversión catalítica prácticamente completa en para-hidrógeno, que puede ser extraído como gas mediante una bomba.

No hay ningún método conocido para obtener orto-hidrógeno puro. El hidrógeno ordinario es la mezcla más rica: tres partes de orto-hidrógeno y una parte de para-hidrógeno. El para-hidrógeno tiene los puntos de congelación y ebullición ligeramente más bajos y es mucho mejor conductor del calor que el orto-hidrógeno, o que el hidrógeno ordinario.

El para-hidrógeno posee menor energía y es el estado más favorable a bajas temperaturas. Por encima de 0 grados Kelvin, se comienza a incrementar gradualmente la concentración de orto-hidrógeno, hasta que, por encima de la temperatura ambiente, la proporción llega a ser de 3 de orto-hidrógeno por 1 de para-hidrógeno.

Hidrógenos impuros o gases combustibles generados a partir del agua

Una de las posibilidades de este tipo de hidrógeno es el hidroplasma, también conocido como Hho, Browngas o gas oxhídrico. Su composición molecular es similar a la del agua, formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, con valores energéticos singulares. Su aplicación es sólo para sustituir a los fósiles en el tema de combustión. La llama al aire libre de este combustible genera una temperatura casi de 130 °C, pero al entrar en contacto con algún material sólido (por ejemplo, un electrodo de carburo de tungsteno) supera los 5 mil 555 °C que se requieren para sublimarlo.

Otra de las posibilidades es lo que se conoce como OHMASA Gas (Oxigen Hydrogen Mixing Atomic Symmetrized Aeration). Este gas de patente japonesa es prácticamente igual que el hidroplasma, comparte las mismas singularidades energéticas, pero con la diferencia de que es más estable y puede someterse a presiones mayores de 300 psi sin ningún riesgo. Este beneficio se debe a que los átomos de hidrógenos y oxígenos se encuentran unidos a una molécula de agua, lo que se denomina water cluster. Para lograr esta unión es necesaria la utilización de electrodos vibrantes a 100 ciclos por segundo.

Aplicaciones más destacadas del hidrógeno

• Como vector de energía (portador de energía): banco de energía en grandes tanques, como energético para alimentar las pilas de combustible o fuel cells
• Como combustible limpio: sustituto de combustibles fósiles en quemadores, estufas, calentadores de agua, hornos, vehículos de combustión interna y plantas de cogeneración de energía
• Síntesis de amoniaco
• Hidrogenación catalítica para obtener grasas sólidas a partir de aceites vegetales insaturados
• Producción de metanol
• Producción de ácido clorhídrico
• Combustible de cohetes, combinado con oxígeno o flúor
• Hidrocraqueo, rompimiento de hidrocarburos con hidrógeno
• Hidrodesulfuración, eliminación del azufre en el petróleo
• Reducción de minerales metálicos
• Soldadura
• Células combustibles o pilas de combustible
• El tritio, 3H (isótopo radiactivo del hidrógeno), se utiliza en la bomba de hidrógeno y como trazador
• El deuterio, 2H, se utiliza para formar agua deuterada, que se emplea como moderador de neutrones lentos

La posibilidad de que el hidrógeno se posicione como la alternativa tecnológica por excelencia está más cerca de lo que parece. De hecho, algunos países líderes en el tema proyectan que para 2030 tendrán ya la infraestructura necesaria para no depender de fósiles en el tema vehicular. Entre los países del mundo, 10 están buscando ser el número uno en alcanzar esta meta.

Esta evolución se espera que genere un impacto socio-tecnológico tan fuerte en la humanidad, que se concebirá como la tercera Revolución Industrial. A escasos 14 años a partir de ahora, se proyecta un cambio radical en energía y economía, con la diferencia de que esta vez se busca la armonía en el desarrollo de la humanidad y la preservación del medioambiente.

Se pretende utilizar el hidrógeno como banco de energía, con lo cual una gran cantidad de dispositivos electrónicos contaría con pilas de combustible. Artículos tan comunes e indispensables como computadoras, teléfonos celulares, pequeñas plantas de energía portátiles, etcétera, se servirán de las tecnologías del hidrógeno. Cada país podrá tener energía limpia, económica y descentralizada. Se prevé que hará grandes cambios con múltiples beneficios sociales. Uno de los libros que más ha ahondado en ello es La economía del hidrógeno, de Jeremy Rifkin, economista estadounidense.

Los pronósticos para Latinoamérica son poco alentadores, según los expertos. Pero esto no significa que dichas naciones estén condenadas a una crisis energética. La aplicación de esta tecnología y su aceptación por la sociedad está dividida por seis regiones.

• Asia
• Medio Oriente / África
• Europa occidental
• Norteamérica
• Latinoamérica
• Europa del Este

Es probable que los países asiáticos sean los primeros en adoptar esta tecnología. Cada vez es más común ver dispositivos de hidrógeno en la vida diaria del ciudadano promedio en dichas naciones. Actualmente, la industria en Japón y Corea utiliza más productos de generación a gran escala, como sustituto total o parcial para los combustibles fósiles:

• Hidroplasmagasificación de basura
• Destructor térmico de asbestos
• Combustible en grandes hornos y calderas
• Sustituto del acetileno o gas LP, para corte y soldadura de metales
• Combustible doméstico en estufas y calentadores de agua
• Catalizador de combustibles fósiles en generadores de combustión interna

Se considera que los segundos en promover esta tecnología serán Medio Oriente y África. Paradójicamente, en estas regiones es donde se encuentran los yacimientos más grandes de crudo. Latinoamérica, posiblemente, tendrá cierto rezago, y no por sus abundantes reservas de hidrocarburos, sino debido a su aceptación tardía. Sin embargo, Argentina es uno de los países que no entra en esa proyección tan pesimista, dado que se ha convertido en promotor de este cambio, al ser el primer país de Latinoamérica con la estación de servicio de hidrógeno para utilitarios e, incluso, perfilaron como miembros plenarios en la normativa ISO/TC197 referente al hidrógeno.

A pesar de ello, aún faltan algunos años y no está escrito el camino de México, ni Latinoamérica. En México, empresas en sociedad con organismos internacionales han comenzado a invertir en investigación, desarrollo y promoción de diferentes equipos aptos para el mercado latinoamericano. El objetivo es satisfacer las necesidades energéticas de cualquier persona o industria.

El resultado ha sido el desarrollo del equipo demo de hidroplasma más grande de México, que genera bajo demanda 60 litros por minuto, no requiere de tanques de almacenamiento, pues todo lo que se genera es consumido. Un elemento sobresaliente es que la tecnología es ciento por ciento mexicana.

Como en la mayoría de los casos, la introducción de nuevas tecnologías es paulatina, pero no imposible. Es necesario, primero, demostrar sus beneficios económicos, ambientales y operativos. Solo así podrá acelerarse su aceptación y comercialización generalizada.

Consulta el artículo completo en la revista Constructor Eléctrico de marzo 2016

Juan Pablo Manzano Peña
Forma parte de la tercera generación de una familia dedicada a los energéticos y su reciclaje. En 2005 constituyó una empresa dedicada al reciclaje de hidrocarburos y otros materiales peligrosos, con lo que empezó su interés por los energéticos y su optimización. Sus primeras investigaciones fueron en la búsqueda de mejorar la combustión de los hidrocarburos contaminados con agua; después, la utilización de plasma con hidrocarburos de baja calidad, hasta llegar al hidrógeno. En conjunción con Marco Brambila, constituyó la empresa eInnovación Energía Limpia, dedicada a la producción de equipos para el aprovechamiento del hidrógeno como fuente de energía.