Autor: Andrés Díaz Portugal
De naves espaciales a coches sin emisiones:
- Con hidrógeno a las estrellas
En La Isla Misteriosa, una de las novelas más apasionantes de Julio Verne, publicada en 1874, Ciro Smith es un ingeniero que se va mostrando como paradigma del progreso a través de la ciencia aplicada. Como muchos divulgadores del hidrógeno recuerdan, Smith pronostica ante sus compañeros náufragos que “el agua será el combustible del futuro, a través de los elementos que lo forman”. Recordemos que el hidrógeno es la H del H2O y fue bautizado por Lavoisier como el “generador” de “agua” casi cien años antes de dicha novela. Verne, padre de la ciencia-ficción e inspirador de miles de vocaciones científicas, también pronosticó que llegaríamos a la Luna. Sin embargo, en uno de los pocos cabos sueltos que deja como adivinador, en su novela De la Tierra a la Luna llegamos montados en un proyectil impulsado por pólvora y no por hidrógeno.
Tuvo que ser el ruso Konstantin Tsiolkovsky, conocido como el “Padre de la Cosmonáutica”, el primero que demostró mediante cálculos que el hidrógeno era el único combustible que podía hacer factible el sueño espacial. Paradójicamente, el hidrógeno nos iba a permitir explorar el universo, cuya materia bariónica o materia ordinaria (sin contar con la escurridiza materia negra que sigue intrigando a los astrofísicos) está compuesta en más de un 70% por hidrógeno. Cuando oigamos hablar de hidrógeno como combustible debemos pensar en una molécula de dos átomos, es decir, en H2, que se “quema” para generar energía. Esta oxidación del hidrógeno puede realizarse en un motor de combustión o también por un proceso electroquímico, más controlado, dentro de las llamadas pilas de combustible o fuel cells, la gran esperanza en automoción. Estas formas de H2 combustible a las que aquí nos referimos no deben confundirse con procesos de fusión nuclear de isótopos de hidrógeno como los que se investigan en el proyecto ITER o como los que ocurren en el núcleo de las estrellas, gigantescos reactores de fusión, o en la famosa bomba H.
2. Grandes ventajas y grandes problemas
La razón por la que Tsiolkovsky calculó que solamente el H2 podía propulsar viajes espaciales es su alto poder calorífico por cada kg (unos 120 MJ/kg a temperatura ambiente), casi tres veces más que la gasolina o el queroseno. Esa ventaja es potencialmente decisiva para la adopción del H2 como combustible en muchos ámbitos, además del aeroespacial. El principal problema del H2 es su baja densidad: un kilogramo ocupa 11 m3 lo que resulta en un poder calorífico de unos 0.01 MJ/litro a temperatura ambiente y presión atmosférica. Esto implica que, si no comprimimos el hidrógeno ni lo enfriamos, para almacenar unos 5 kg, que darían a un coche una autonomía de aproximadamente 500 km, deberemos disponer de un tanque de 55 m3: ¡más o menos una habitación entera llena de H2!
Para que no ocupen más “las alforjas que el burro” el H2 debe almacenarse comprimido a grandes presiones (entre 350 y 700 bares). Aunque en las misiones espaciales el combustible de hidrógeno es ya una tecnología madura, donde se almacena en estado líquido (LH2) a temperaturas criogénicas, algunos científicos e ingenieros llevan preguntándose las últimas décadas si es posible el uso del hidrógeno como combustible limpio a gran escala, gracias a su poder calorífico y a que sus emisiones se componen solo de agua. Para lograrlo, deben reducirse costes en todas las etapas desde su producción hasta su uso.
El camino para el uso generalizado del hidrógeno en transporte es aún largo; el pasado año 2020 solamente se matricularon 7 coches de hidrógeno en toda España1. No obstante, algunas compañías siguen perfeccionando la tecnología del Fuel Cell Vehicle (FCV) que puede competir con el coche eléctrico debido a su ventaja en tiempo de repostaje o peso. Uno de los requisitos para la generalización de estos FCV es la aparición de una red de puntos de repostaje de H2, las llamadas “hidrolineras” o “hidrogeneras”. Actualmente, en España solo hay tres operativas, aunque hay decenas proyectadas para los próximos años.
Garantizar la seguridad en el almacenamiento y uso es fundamental para la adopción masiva de este combustible. El hidrógeno, debido a su pequeño tamaño atómico, se “cuela” por la estructura interna de los materiales y pueden producirse fugas accidentales, agravadas por su alta inflamabilidad. Otro problema añadido del hidrógeno como átomo intruso en la estructura de los metales es que los vuelve frágiles, como si de un virus se tratara. Esa fragilización por hidrógeno, término técnico del fenómeno, se intensifica a grandes presiones y provoca que los depósitos hechos con ciertas aleaciones fallen de manera brusca. Los investigadores no se ponen de acuerdo sobre cuál es el mecanismo físico, ya que la microestructura de los materiales es compleja y su interacción con el hidrógeno no es fácil de estudiar experimentalmente. En todo esto ayudan enormemente los avances en el campo de la simulación por ordenador, que permiten incorporar modelos físico-matemáticos complejos cuyos miles de ecuaciones son resueltos por potentes procesadores.
3. Apostando al verde
A pesar de que el H2 es incoloro, también inodoro e insípido, en una exitosa operación de rebranding se le ha dado al hidrógeno la etiqueta de verde, azul o gris, entre otros colores, dependiendo de las emisiones que conlleve su producción. No debemos olvidar que actualmente el 95 % del H2 se produce a partir de hidrocarburos3: este sería el hidrógeno gris y no resuelve el problema de la emisión de gases efecto invernadero. Una posible solución es almacenar en el subsuelo el dióxido de carbono generado en el proceso, reduciendo así el impacto y pudiendo denominar a el H2 producido como azul. Pero todos los focos están puestos en el verde o hidrógeno renovable, es decir, aquel producido a partir de fuentes renovables como solar o eólica. En este último caso el H2 se obtiene “rompiendo” el H2O mediante la electricidad generada por las renovables. Este proceso se conoce como electrólisis y es una de las tecnologías cuya eficiencia debe optimizarse para que el H2 sea el combustible de futuro.
En este punto puede que alguno de los más mayores recuerde noticias en los años 70 sobre milagrosos motores que funcionaban con agua. ¿No está ya por tanto resuelto el problema de los combustibles limpios? ¿Por qué ahora tanto revuelto con el hidrógeno? Uno de los casos más famosos fue el del perito industrial Arturo Estévez Varela, cuyo motor de agua ocupó muchas crónicas de la España de los 70. Todo acabó con acusaciones de estafa: su motor necesitaba boro como aditivo, provocando una reacción que genera hidrógeno, que era el combustible impulsor del “revolucionario” motor4.
Realmente ningún científico se creyó el invento, pero su impacto publicitario alcanzó a gran parte de la sociedad y de la política. Aunque la historia tan berlanguiana de este perito industrial parezca algo ajeno a la actual sociedad tecnológica, ninguna generación está a salvo de estos “vendedores de motores de agua”. Es verdad que podemos usar agua para generar energía a partir del hidrógeno del H2O pero las leyes de la termodinámica, de las que nadie escapamos, prohíben esos motores milagro y son las aguafiestas de una posible revolución energética: para generar hidrógeno a partir de agua debemos invertir más energía de la que luego producirá ese H2 conseguido. Esto es inevitable. En términos técnicos, el hidrógeno no es una fuente de energía, es un vector.
Ante esto y viendo las expectativas suscitadas actualmente por la prensa sobre el hidrógeno como combustible, ¿estamos ante una tecnología con mucho hype o sobreexpectación pero con poca operatividad real? A pesar de los golpes de realidad mencionados, no debemos subestimar el enorme poder calorífico del hidrógeno y su mayor ventaja como combustible: la ausencia total de emisiones de dióxido de carbono cuando se produce a partir de energías renovables. Por tanto, las expectativas están justificadas y el hidrógeno tiene dos misiones claras en el futuro energético global: sustituir a los combustibles fósiles en el sector del transporte y paliar la variabilidad de las fuentes de energía renovable. Los esfuerzos de los investigadores y tecnológicos están ya minimizando las desventajas del H2 de las que antes hablábamos: la dificultad de su almacenamiento, la degradación de materiales o la baja eficiencia en su producción. Esta dedicación viene de décadas atrás, pero está viviendo desde hace aproximadamente dos años un impulso institucional y empresarial nunca antes visto. Aunque una revolución como la que soñaba Ciro Smith parece imposible, apostar por la investigación y tecnología en hidrógeno verde supone avanzar hacia un modelo energético más sostenible.
Referencias:
- 20minutos.es; 29 enero 2021. Los coches de hidrógeno en España ya disfrutan de la primera estación de carga. https://www.20minutos.es/motor/noticia/4561849/0/los-coches-de-hidrogeno-en-espana-ya-disfrutan-de-la-primera-estacion-de-carga/
- nasa.gov; Harbaugh J., 15 enero 2019. SLS Liquid Hydrogen Tank Test Article Loaded into Test Stand. (https://www.nasa.gov/exploration/systems/sls/multimedia/liquid-hydrogen-tank-test-article-loaded-into-test-stand.html)
- International Energy Agency. The Future of Hydrogen: Seizing Today’s Opportunity. IEA; Paris, France: 2019. Report Prepared by the IEA for the G20, Japan. (https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen)
- abc.es; Fernández P., 20 enero 2021. Por qué no prosperó el motor de agua español de los años 70. (https://www.abc.es/motor/reportajes/abci-no-prospero-motor-agua-espanol-anos-70-202101200101_noticia.html?ref=https:%2F%2Fwww.google.com%2F)
