Pila de Hidrógeno para la recarga de teléfonos móviles

Una colaboración a tres bandas entre empresas japonesas, Rohm, Aquafairy, y la Universidad de Kyoto, se ha traducido en el desarrollo de un sistema de carga para smartphones mediante pilas de combustible. Los nuevos aparatos de recarga son realmente compactos y eficientes.

Los sistemas de carga que podrían substituir a las actuales baterías en un gran número de aplicaciones de recarga de emergencia (SAI) para dispositvos tales como servidores de internet, ordenadores portátiles, teléfonos móviles o equipos de emergencias de todo tipo.

Utilizan el hidrógeno como combustible para generar electricidad, mediante una célula de combustible normal. La novedad consiste en utilizar finas láminas de hidruro de calcio para almacenar el hidrógeno. El hidrógeno se libera mediante una reacción química entre las hojas de hidruro de calcio + agua, que libera el hidrógeno. Una sola de estas láminas de hidruro de calcio que pesa 3 gr y tiene unas reducidas dimensiones de (38x38x2 mm) es capaz de liberar 4,5 litros de hidrógeno. La célula de combustible puede generar 5 vatios-hora de electricidad. Suficiente para cargar un moderno Smartphone en dos horas.

Rohm dijo que las nuevas células de combustible utilizar un material muy estable, sólido, y seguro, que libera hidrógeno mediante la adición de agua, lo que permite la generación de electricidad mediante una célula de combustible. Al final de la reacción no hay subproductos nocivos como el dióxido de carbono o compuestos orgánicos volátiles (Volatile Organic Compounds). Tan solo obtenemos vapor de agua del aparato.

Una particularidad que hará que estos dispositivos sean utilizados universalmente es que las láminas de “combustible” una vez selladas pueden durar hasta veinte años sin perder sus propiedades, según afirmó un portavoz. Por comparación, las modernas baterías de iónes de litio pierden su capacidad de carga en cuatro o cinco años, independientemente del uso al que se las someta.

Actualmente las empresas, Rohm and Aquafairy han puesto en marcha un proyecto conjunto para un generador de emergencia ,compacto y ligero con capacidad para alimentar aparatos de hasta 400 vatios (Sistema Kinkei). Lo que lo haría idóneo para un ordenador de sobremesa, o un servidor de internet.

De este modo parece que las células de combustible que utilizan hidruro de calcio en lugar de hidruro de magnesio, parece que se colocan en la avanzadilla de este tipo de dispositivos. La principal ventaja del hidruro de calcio, es que este tiene una alta reactividad con agua bajo una amplia gama de temperaturas. El que la reacción se haya vuelto estable solo se consigue mediante la unión con una resina especial.

Ahora, los esfuerzos de colaboración de Rohm, Aquafairy y la Universidad de Kioto se han traducido en planes para (1) definir el tipo de cobertura y el diseño del aparato donde se inserta la lámina de combustible, y que tiene una capacidad de generación de 5Wh para smartphones, (2) la creación de un generador eléctrico portátil con una potencia de salida de 200Wh y (3) una célula de combustible de mayor capacidad 400Wh enfocada a dar electricidad a aparatos esenciales en las catástrofes naturales como los sismómetros (desarrollado en colaboración con el sistema de Kinkei).

"Las pilas de combustible pueden ser más pequeñas, más ligeras y más eficientes que las vaterias convencionales, y por lo tanto se espera una gran expansión en nuevos mercados y aplicaciones”, según un comunicado Rohm.

Rohm, Aquafairy y la Universidad de Kyoto seguirá trabajando en su desarrollo con el fin de evaluar la fiabilidad de la pila de combustible, realizar mejoras y comercializarlo en 2013. La pila de combustible se exhibirá en CEATEC en Japón el mes próximo y en Electronica en Munich, Alemania, en noviembre.

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E.ON ATRAPA A EOLO

Desde tiempo inmemorial la humanidad ha tratado de atrapar a Eolo (izquierda), dios del
viento, ahora, el grupo energético E.ON, podría haberlo logrado. En el centro de la imagen, la diosa Venus.

Una alentadora noticia nos llega desde el grupo energético alemán E.ON. Por primera vez se ha conseguido un método práctico de almacenar la electricidad sobrante de los aerogeneradores. Como saben, el gran problema del viento es su irregularidad, no siempre sopla al gusto de todos. 

Por esa volubilidad, para lograr un suministro relativamente estable de electricidad la potencia instalada de aerogeneradores debe de ser varias veces superior a las necesidades reales de un país. Y aun así, apenas se logra cubrir un 15-20% de la demanda eléctrica al cabo del año.

El problema es que cuando hay un temporal y todos los aerogeneradores se ponen a funcionar simultáneamente, gran parte de la electricidad producida sobra y los aerogeneradores tienen que ser desconectados de la red para que no se produzca una peligrosa sobrecarga. Así resulta paradójico que, cuanto más viento sopla, más energía se desperdicia. Eso impone un límite superior a la cantidad de energía eólica que puede implantar un país. Una vez superado ese límite, los subsiguientes aumentos en la capacidad de generación eólica, solo contribuyen a disminuir la viabilidad económica de todo el conjunto.

Algunas soluciones que se estaban aplicando hasta ahora para evitar ese dispendio energético, consistían en utilizar la electricidad sobrante para bombear agua desde los pantanos situados agua abajo hacia los superiores. Pero no siempre existe esa posibilidad. Otra opción que se encontraba en desarrollo, consistía en producir hidrógeno mediante la catálisis del agua. El hidrógeno producido tenía luego que ser almacenado en depósitos especiales próximos a los aerogeneradores. Después se podía volver a recuperar parte de la electricidad a partir del hidrógeno, mediante una pila de combustible. Pero en la práctica, el sistema resultaba extremadamente caro y muy complejo en el plano técnico. 

La electricidad de origen renovable, ¡cada vez más cerca!

La nueva solución propuesta por E.ON, puede resolver todos estos inconvenientes de una forma práctica y económicamente competitiva. El sistema piloto, utiliza los momentos pico en los que la producción eléctrica supera a la demanda, para producir hidrógeno (mediante electrolisis) y almacenarlo en su red nacional de transporte de gas natural. Según los técnicos de E.ON se ha comprobado la viabilidad de añadir hidrógeno a dichas conducciones hasta una proporción del 5-15% sin causar problemas en la red de tuberías.

Ese hidrógeno inyectado en la red de distribución de gas natural, puede ser utilizado nuevamente para producir electricidad en una central térmica, o bien, puede conducirse directamente hasta el consumidor final, donde es quemado para la calefacción, la cocina o el agua caliente.

Un alentador paso adelante que tendrá que ser probado a mayor escala.

EL DESAFÍO DE LA MOVILIDAD ELÉCTRICA

Mercedes-Benz F125

El número de vehículos eléctricos matriculados en España no llega ni al 5% de lo previsto, a pesar de la fuerte apuesta por este tipo de vehículos que ha impulsado el gobierno de José Luis Rodríguez Zapatero. Según su plan de movilidad sostenible de 600 millones de euros, en el año 2011 se esperaba unas matriculaciones de 20.000 vehículos eléctricos, por más de 50.000 para el año 2012. Las cifras reales distan mucho de tales metas. En los ocho primeros meses del 2011 solo se han vendido 213 coches y 344 motos eléctricas.

¿Qué es lo que está fallando? La sociedad está plenamente concienciada, y el deseo de tener un automóvil silencioso y respetuoso con el medio ambiente es elevado, pero no están dispuestos a obtenerlos a cualquier precio. Mientras el precio de las baterías de Litio-ion supere el precio de un utilitario normal (30.000 euros) y las autonomías de los vehículos eléctricos ronden los 150 km, es poco probable que los ciudadanos se animen a dar el gran salto.

Tal y como vaticinaba en otras entradas, la opción eléctrica pura (con baterías) no es viable a corto plazo, y quizá, tampoco llegue a serlo a largo plazo. Tenemos que llegar a desarrollar una tecnología verdaderamente rompedora y comercialmente competitiva, lo cual no esta resultando una tarea demasiado fácil. En 1899, Henry Ford se acercó al ya entonces famoso Thomas Edison cuando estaba realizando una exposición sobre “Las baterías para hacer funcionar vehículos eléctricos”. Ford, interrumpió a Edison y le mostró un prototipo de coche con motor de combustión interna que estaba preparando. Edison lo escuchó y al finalizar la exposición le dijo: “Joven, está usted bien encaminado. Este coche tiene una ventaja sobre el eléctrico, pues se suministra su propia energía”.

Thomas Parker construyó el primer coche eléctrico en 1844.

No le faltaba razón a Edison como hoy sabemos, la asociación de (gasolina-motor de explosión) se impuso a la de (baterías-motor eléctrico). Y la razón de la victoria no hay que buscarla en las mecánicas; el motor eléctrico es muy superior al de combustión en todos los aspectos en los que se enfrentan (ecología, rendimiento, fiabilidad, densidad de potencia, par motor, coste, rumorosidad, vibraciones…). No, el problema reside en el almacenamiento de energía, como ya comenté en otras ocasiones. En ese caso, el desempeño de la gasolina es muy superior al de cualquier batería ideada hasta el momento. Un solo litro de gasolina almacena unos 10 kWh de energía. Las baterías más capaces montadas hasta la fecha en un automóvil portan 50 kWh de energía eléctrica, lo que equivale a un depósito con solo 5 litros de gasolina.  Por momentos pareciera que la propia leyes de la física se aliaran para impedir que consigamos un dispositivo de almacenamiento de electricidad que sea pequeño, ligero, barato y de rápida recarga, junto con una capacidad de almacenar energía lo suficientemente alta.

Según mi modo de ver el asunto, el problema se resolvería si utilizamos el hidrógeno como vector (almacén de energía) y la célula de combustible para transformar el H2 en electricidad. De este modo se evita el problema del peso, el de la autonomía y el de la recarga rápida. Y aunque el precio del conjunto sigue siendo algo elevado, se han hecho enormes progresos en los últimos 10 años y se espera que sean comercialmente competitivos en unos 5 años. Para ver cómo será esa tecnología en el 2025, lo mejor es fijarnos en la estrella de los automóviles. Mercedes siempre ha ido por delante en lo que a incorporación de nuevas tecnologías al mundo del motor se refiere. Ya lo hizo con el ABS, con el Air Bag, y un largo etcétera. 

En el reciente Salón de Fráncfort, Mercedes ha presentado su prototipo F125, un vehículo híbrido de autonomía extendida que utiliza una pequeña batería de nueva generación junto con una célula de combustible alimentada por hidrógeno. El prototipo cuenta con cuatro motores eléctricos, uno por cada rueda, que rinden en conjunto 231 CV, aunque puntualmente pueden alcanzar los 313 CV. Los motores reciben energía de una batería de litio y azufre que está desarrollando la marca. Esta batería tiene una densidad energética (capacidad de almacenar energía) de 350 Wh/kg (el doble que las actuales) y su capacidad será de 10 kWh, lo que dota al vehículo con una autonomía para recorridos cortos de 50 km. Cuando la batería se agota entra en funcionamiento la pila de combustible que utiliza hidrógeno para suministrar electricidad a los motores. 

Las prestaciones que señala la marca son casi irreales: Acelera de 0 a 100 Km/h en 4,9 segundos (¡como un Ferrari!), alcanza una velocidad máxima de 220 km/h, consumiendo tan solo 0,79 kg de hidrógeno a los cien. Esto supone que su consumo medio es de 2,7 litros de gasoil equivalentes a los 100. Con este sistema la autonomía del F 125 es de unos nada despreciables 1.000 km. Y esas prestaciones las consigue con una berlina de representación que mide casi 5 metros de largo, 1,98 metros de anchura y 1,43 de altura.

Para lograr semejantes cifras, incorpora una serie de tecnologías que pronto trataran de imitar otras marcas. Entre las principales cabe destacar, el depósito de almacenamiento de hidrógeno fabricado con tecnología MOFs que almacena 7,5 kg del gas a solo 30 bares de presión. Cifra muy inferior a los 700 bares que utilizan los depósitos actuales. Eso ahorra peso y volumen, pues el depósito no necesita tener forma cilíndrica, lo que posibilita su instalación aprovechando los huecos que deja los bajos del coche. La tecnología MOFs (del inglés Metal Organic Frameworks) se trata de una estructura porosa realizada con un compuesto de elevada superficie (hasta 10.000 m2/g). Al estar almacenado a menor presión no se pierde energía comprimiendo el hidrógeno hasta las 700 atmósferas, lo que redunda en una mejora del rendimiento global de la producción del hidrógeno hasta su utilización para mover las ruedas del automóvil.

Sin duda, la Estrella del Norte marca el rumbo, ¡sigámosla!

2015, ¡REVOLUCIÓN DEL HIDRÓGENO!

Mercedes-Benz Clase B F-CELL de Seattel a Vancouver.

Siguen sucediéndose las noticias empresariales que marcan el 2015 como la fecha elegida por los principales fabricantes de automóviles del mundo para iniciar la comercialización de sus vehículos de célula de combustible.

Mercedes-Benz ha decidido abrir una nueva planta de producción de células de combustible en Vancouver, Columbia Británica, Canadá. Vancouver es el lugar elegido para la denominada Carretera del Hidrógeno de la British Columbia. En el futuro, se unirá con las Carretera del Hidrógeno de la Costa Oeste de los Estados Unidos. Una carretera en la que se podrá encontrar hidrogeneras de forma regular desde Canadá hasta San Diego, situada al sur de California en la frontera con México.

Daimler esta testando actualmente un cierto número de sus automóviles Clase B F-CELL en California. Para 2012, Daimler espera alquilar en régimen de leasing 70 de sus vehículos de serie a consumidores de California. La pila de combustible de los Mercedes Clase B, junto con la que utilizan los autobuses urbanos Citaro Fuel Cell Hybrid, fueron desarrolladas en Vancouver.

De acuerdo con Daimler, “La construcción de la fabrica diseñada para la producción en serie de pilas de combustible comenzará inmediatamente en los 2000 metros cuadrados destinados para la construcción de la nueva planta de Burnaby. Se espera que la planta esté terminada para principios del 2012. Tras las primeros test de pruebas, la producción en serie a pequeña escala comenzará en 2013. A parte de lograr una gran potencia y eficiencia, las pilas de combustible que se fabricarán en Burnabay tienen dimensiones especialmente compactas. Se espera que las nuevas pilas de combustible se utilicen también en automóviles de mayor tamaño como los Mercedes-Benz Clase C y Clase E.”
Esto es una nueva muestra de que la apuesta de los fabricantes de automóviles por la opción del hidrógeno es muy seria, a pesar de la falta de respaldo de numerosas regiones que no promueven la construcción de infraestructuras de apoyo. Solo Los Ángeles y algunas ciudades de Alemania presentan las infraestructuras mínimas para que los consumidores puedan decantarse por la adquisición de este tipo de vehículos.

En Estados Unidos, la General Motors también está apostando fuerte por el futuro de los vehículos de hidrógeno. Para el año 2015 ha desvelado su plan de lanzar varios miles de vehículos de pila de combustible que distribuirá por los concesionarios de varios países. Para ello está trabajando actualmente en la nueva generación de pila de combustible mediante el modelo de pruebas Hydrogen Gen4. GM confía en producir la pila de combustible con menos de 30 g de platino (combinándolo con nanopartículas de níquel), disminuyendo el precio de producción del caro componente en un 75 por ciento y triplicando su vida útil. El precio del platino en los mercados supera los 85 dólares el gramo, de ahí la necesidad de reducir su utilización en las pilas de combustible. Numerosos equipos de investigación tratan actualmente de sustituirlo por otros compuestos de nanotecnología.

GM GEN4 Vehículo de pila de combustible.

GM cuenta actualmente con un programa de préstamo de 100 vehículos FCV para testar las pilas de combustible en condiciones de la vida real. Otro aspecto que está estudiando GM es la autonomía de sus vehículos de hidrógeno, que se encuentra actualmente en 320 km, mientras que competidores como Toyota y Hyundai consiguen ya los 640 – 800 km. General Motors tendrá que mejorar la autonomía para que sus vehículos sean competitivos en los mercados.

Tendremos que esperar hasta 2015 para comprobar si la revolución que prometen los vehículos de hidrógeno es una realidad, o sigue siendo tema de laboratorio.

ALMACENAJE DE HIDRÓJENO (INVESTIGACIÓN del NIST)

El hidrógeno ha sido promovido como una alternativa limpia y eficiente a la gasolina, pero tiene un gran inconveniente: la inexistencia de una forma rápida y segura de almacenarlo a bordo de un vehículo. De acuerdo con el científico de materiales del NIST, Leo Bendersky, el magnesio dopado con hierro (Mg-4Fe) puede superar este obstáculo. La combinación de la ligereza del magnesio junto con la conductividad para el hidrógeno que ofrece el hierro podría ser la solución. El hidrógeno es capaz de atravesar fácilmente el hierro, por lo que no sirve para almacenar el hidrógeno, pero actúa a modo de capilar o baso conductor del hidrógeno en combinación con el magnesio. Ambos metales juntos permiten una rápida absorción del hidrógeno, así como la liberación del hidrógeno a velocidades adecuadas. Los diminutos gránulos formados a partir de los dos metales podrían constituir una buena alternativa para los depósitos de combustible de vehículos impulsados ​​por hidrógeno.

"Los gránulos de polvo de hierro dopado con magnesio de 1- 2 micras pueden saturarse de hidrógeno en tan solo 60 segundos y lo pueden hacer, a una temperatura de 150 grados Centígrados y una presión bastante baja, que son factores clave para la seguridad en los vehículos”, comenta Bendersky.

Hasta el momento se había comprobado que los gránulos de magnesio puro eran razonablemente eficaces en la absorción de gas hidrógeno, pero sólo a presiones y temperaturas excesivamente altas para los volúmenes que demanda un automóvil de célula de combustible. Un material práctico tendría que alcanzar como mínimo un 6 por ciento de su propio peso en hidrógeno. Además debería ser capaz de repostar de manera segura con hidrógeno en el mismo tiempo que se necesita para repostar un coche con gasolina.

El equipo del NIST utilizó una nueva técnica de medición mediante luz infrarroja para explorar lo que ocurriría si el magnesio se evapora y se mezcla con pequeñas cantidades de otros metales para formar mezclas de grano fino. El equipo encontró que el hierro forma capilares y actúa a modo de canales dentro de los granos de magnesio. La creación de corredores para el transporte de hidrógeno dentro de los granos de metal permite que el hidrógeno muestre una cinética apropiada para este tipo de depósitos. Según Bendersky, los granos de Mn-4Fe podrían llegar a almacenar hasta un 7 por ciento de hidrógeno en peso a presiones y temperaturas moderadas.

Ampliar información aquí. (en inglés)

ALMACENAJE DE HIDRÓGENO (BORANO DE AMONIACO)

Sustituir a los motores de explosión no está resultando tarea fácil y como muestra un dato:

Entre los métodos de almacenar hidrógeno de forma segura y eficaz, uno de los más prometedores es el borano de amoniaco (NH3BH3), un compuesto químico capaz de almacenar y liberar hidrógeno hasta un 12% en peso a temperaturas elevadas (110-150 ºC). A temperatura ambiente ronda el 4,6% por kg, o lo que es lo mismo, una densidad energética de 1.532 Wh/kg, que pasa a ser de 760 Wh/kg cuando la célula de combustible transforma el hidrógeno en la preciada electricidad. Estas cifras superan por mucho a las de las mejores baterías de Litio-ion. Pero aún así, se encuentran a años luz de la densidad energética de la gasolina 3.500 Wh/kg una vez aprovechada por el motor de nuestro automóvil. Y no es que los motores de explosión tengan un gran rendimiento, todo lo contrario. Lo que ocurre es que la densidad energética de la gasolina no tiene rival, ¡de momento! Para que un depósito con hidrógeno pueda compararse a uno con gasolína tendría que multplicarse la densidad energética del borano de amoniaco por 4,6 (a temperatura ambiente). Para ello se investiga la utilización de diversos catalizadores que permitan la reacción de liberación de hidrógeno a bajas temperaturas.

HIDRÓGENO versus ELECTRICIDAD

Que la solución para los problemas energéticos a largo plazo pasa por la electrificación del transporte, es algo en lo que coinciden todos los expertos. Otra cosa es averiguar, ¿cómo y cuándo se producirá tal transición? En este caso, las hipótesis sobre el futuro se suceden y los expertos lanzan sus vaticinios en función de los descubrimientos del momento.

En estos momentos me viene a la memoria una entrevista realizada hace diez años al director de una conocida marca de coches alemanes. En ella, la periodista le preguntaba por la aparente falta de interés de la compañía hacia la economía del hidrógeno, los vehículos eléctricos y todo lo que oliera a investigación en los vehículos del futuro. Su respuesta fue sencilla, dentro de 10 años seguirán vendiéndose vehículos con mecánicas de combustión interna, por qué malgastar dinero en tecnologías poco maduras, en lugar de invertirlo en mejorar las ya existentes. Su idea era que las mecánicas de combustión aún tenían mucho margen de mejora, tanto en términos de eficiencia como de consumo y emisiones. Visto en retrospectiva, no le faltaba razón, las mecánicas diesel actuales logran consumos de poco más de 4 l/100 km con potencias entre los 140 y los 184 caballos. Si lo comparamos con el mejor automóvil de hidrógeno actual, que gasta 2,8 litros de gasolina equivalentes con 140 caballos de potencia, comprobamos que la diferencia es mínima. ¿Realmente interesa comprar un carísimo automóvil de hidrógeno para disminuir el consumo en 1,5 litros? Me temo que no. Los vehículos híbridos (gasolina – eléctricos) consiguen consumos de 3,9 litros, y los híbridos (diesel – eléctricos) prácticamente igualan los consumos del automóvil de hidrógeno. Pero ambos casos lo hacen con una tecnología madura que se puede adquirir a menor coste.

Parece claro que con los altos rendimientos que logran los vehículos híbridos actuales, en sus múltiples versiones; híbridos con mecánicas de gasolina o diesel, híbridos plug-in “con enchufe”, dotados de baterías que les permite funcionar en modo eléctrico para recorridos cortos, e híbridos de autonomía extendida, que funcionan siempre en modo eléctrico gracias a un motor de gasolina que hace las veces de generador eléctrico, no se necesitan carísimas tecnologías experimentales.

Visto esto, me gustaría volver al despacho del presidente de la compañía para hacerle la misma pregunta ¿cómo ve el futuro del automóvil a diez años vista? (Deduzcamos su contestación)

La respuesta indudablemente pasa por la electrificación del transporte, el problema es cómo conseguirlo, mediante una economía basada en el hidrógeno o con automóviles eléctricos de baterías. La tan oída economía del hidrógeno puede llegar a resultar una opción muy derrochadora. Se requiere una gran cantidad de energía para obtener hidrógeno de compuestos naturales como (agua, gas natural o biomasa), para almacenarlo (gas a presión o licuefacción), para transportarlo hasta el usuario final, y para volver a generar electricidad en una pila de combustible. Mucho más práctico, y eficiente, resultaría generar electricidad, transportarla por la red eléctrica y almacenarla directamente en las baterías de los vehículos. Si se observa el gráfico que se presenta a continuación, las pérdidas energéticas desde la producción de electricidad hasta su utilización en el vehículo son más elevadas en la economía del hidrógeno que en una economía basada en baterías. Si pensamos en la obtención de electricidad mediante energías renovables como la eólica, es tres veces más eficiente utilizar la electricidad directamente para recargar una batería que convertirla en hidrógeno, almacenarlo, transportarlo y volverlo a convertir en electricidad mediante una célula de combustible.

Ante una verdad incuestionable como esa podría parecer que la respuesta está clara, pero estaríamos precipitándonos. Aún quedan puntos críticos por solucionar tanto en una alternativa como en la otra. Las baterías tienen que demostrar que son capaces de almacenar la energía eléctrica necesaria para dotar a los automóviles de una autonomía suficiente, con un peso y un precio, contenidos. Ninguno de esos factores lo consiguen en la actualidad. Los precios rondan los 600 euros por kWh, 36.000 euros para la batería de un automóvil con 500 km de autonomía. El tiempo de recarga de una noche es demasiado elevado para plantearse viajar. Su peso es tan elevado que un camión tendría que transportar más de 6 toneladas de baterías para el recorrido de un día. Su vida media es de unos 5 años o 1000 recargas. La autonomía media varía en hasta un 20% dependiendo de la temperatura ambiente. Y para colmo de males, pueden incendiarse y explotar. Tendrán que aparecer nuevos tipos de baterías como las SMCs antes de que podamos hablar en serio de esta opción.

Pero los automóviles de hidrógeno no salen mucho mejor parados. Logran grandes autonomías (hasta 800 km) con tiempos de repostaje de minutos. Pero el precio del automóvil es astronómico. Las células de combustible son muy caras de fabricar, porque utilizan platino en sus electrodos (aunque se están investigando alternativas). Los depósitos de hidrógeno a 700 atmósferas de presión son caros y voluminosos. Y lo que es peor, el hidrógeno sale más caro que la gasolina. Para que los vehículos de hidrógeno sean una alternativa realista, hay que encontrar un método de almacenar hidrógeno realmente competitivo y hay que producir el hidrógeno con centrales nucleares de cuarta generación. Solo en esas condiciones, la economía del hidrógeno se impondría a cualquier otra alternativa.

TODOS los CAMINOS CONDUCEN al HIDRÓGENO

El hidrógeno está de moda, aparece en multitud de publicaciones y eventos a escala internacional. Aunque, realmente, el planteamiento del uso del hidrógeno no es nuevo. El principio que rige el funcionamiento de la pila de combustible fue descubierto en 1839. Posteriormente, uno de los personajes de la novela de Julio Verne La isla misteriosa (1874), sugiere que en el futuro el hidrógeno y el oxigeno, proporcionaran una fuete inagotable de luz y de calor. Pero tuvimos que esperar a las primeras  del siglo XX para ver las primeras aplicaciones industriales del hidrógeno, mientras que en el periodo comprendido entre 1950 y 1970 surgieron los primeros usos como fuente energética. La necesidad de contar con electricidad en las naves espaciales que visitaron la Luna dio un fuerte impulso a su desarrollo. La crisis energética de 1973 evidenció la necesidad de contar con un sistema energético independiente del petróleo.

El hidrógeno es sin duda el medio ideal de almacenar electricidad. La reacción entre el hidrógeno y el oxígeno se produce de en un proceso sencillo, fuertemente exotérmico que conduce a la producción de agua como único subproducto. A todos nos encantaría ver los tubos de escape de los automóviles desprendiendo inocuas nubecillas de vapor de agua. Esa es la revolución ecológica que promete el hidrógeno.  La energía liberada en la formación de agua se puede emplear mediante una pila de combustible en generar electricidad.

El uso del hidrógeno presenta, además, las siguientes ventajas: puede transportarse (en forma de gas, liquido o en adsorción con otros compuestos), existe una amplia variedad de proceso que permiten su transformación en otras formas de energía (electricidad, calor), la conversión hidrógeno-electricidad se produce en ambas direcciones con altos rendimientos, y entre todas las  ventajas, el hidrógeno se puede almacenar. Esto último puede parecer obvio, pero conseguir un método de almacenar energía eléctrica no resulta nada sencillo. Los acumuladores y baterías actuales no tienen capacidad de almacenar grandes cantidades de energía eléctrica en estructuras con volúmenes y pesos reducidos, y a costes económicos.  Esa dificultad para almacenar la energía eléctrica no es algo reciente, desde su descubrimiento se han intentado toda clase de procedimientos para almacenarla, pero los inventos siempre chocan con dificultades físicas aparentemente insalvables.

De ahí que el binomio hidrógeno-célula de combustible se esté investigando tanto en las últimas décadas, pues el hidrógeno proporciona el método eficaz de almacenar grandes cantidades de energía eléctrica. Aunque el cuento realmente no termina aquí. El hidrógeno presenta sus propias dificultades de almacenamiento y su consumo será tan respetuoso con el medio ambiente como lo sea su producción.

 De cualquier modo, una amplia implantación de la economía del hidrógeno permitiría la deslocalización de los recursos energéticos, ya que cada país podría adaptar sus sistemas de producción  de hidrógeno a las fuentes de energía propias. Si se es rico en gas natural se puede priorizar esta fuente (Rusia, Irán), la energía nuclear sería la preferida para Francia, mientras que en países pobres en recursos naturales como España, podríamos elegir la energía térmica solar y la eólica como las fuentes de elección para generar hidrógeno. La multiplicidad de fuentes a nuestra disposición crearía tal competitividad a escala internacional, que el precio del kg de hidrógeno de venta al público podría llegar a ser verdaderamente económico y alejado de la especulación, a diferencia de lo que ocurre con el oligopolio del petróleo.

El uso masivo del hidrógeno también podría acarrera consecuencias medioambientales, aunque estas son de menor entidad comparadas con otras energías. Al ser un gas extremadamente ligero, puede escapar facilmente a la atmósfera desde las conducciones y depósitos. Si se escapa en grandes cantidades podría dañar la capa de ozono estratosférico. Este tipo de escapes se podría ir limitando con el tiempo conforme la legislación fuera más estricta con la manipulación y almacenaje. Como ven, no existe ningún tipo de energía que pueda considerarse beneficiosa al cien por cien.

ALMACENAJE DE HIDRÓGENO




La llama producida por la combustión de hidrógeno es practicamente invisible.
Comparar con la llama producida por los dos cohetes de combustible sólido.

 

Hemos comprobado como el hidrógeno junto con las células de combustible son el método ideal de almacenar electricidad en grandes cantidades. Pero aún faltan escollos tecnológicos por salvar. Las células de combustible son caras de fabricar debido al precio del platino y el hidrógeno es sumamente difícil de almacenar. Hay que tener en cuenta que el hidrógeno gaseoso arde al contacto con el oxígeno del aire (basta con una concentración del 4% de H²). Además la reacción de formación de moléculas de agua puede llegar a ser explosiva, aunque es relativamente menos explosivo que el gas natural. También explota de forma violenta al contacto con el cloro y el flúor. Además al arder, la llama suele ser tan tenue que resulta casi invisible al ojo humano, lo que dificulta la detección de una fuga a plena luz del día. Las llamas de los hidrocarburos son fácilmente observables debido a la presencia de distintas moléculas carbono que les dan sus características coloraciones amarillentas, rojizas o azuladas (dependiendo de la temperatura de la llama). Aunque una ventaja de las llamas de hidrógeno es que tienden a ascender hacia la atmósfera a gran velocidad por lo que permanecen breve tiempo a ras de suelo. Pero en cualquier caso hay que tomar grandes precauciones en el manejo del hidrógeno pues aparte de tremendamente inflamable, el hidrógeno a temperatura ambiente es incoloro e inodoro.

Ante todo hay que aclarar que el hidrógeno no es una fuente de energía, como lo puedan ser la gasolina, el gas natural y demás combustibles fósiles. Eso es debido a que el hidrógeno no se pude hallar libremente en la Tierra. Para conseguir hidrógeno tenemos que producirlo y almacenarlo convenientemente, lo que consume energía. Por tanto el hidrógeno hay que considerarlo como un vector energético, una forma de transportar energía que, mediante las células de combustible, convertimos en  la preciada electricidad. Pero su manipulación es tan peligrosa y compleja que convertirlo en un verdadero almacén energético, lo suficientemente práctico como para utilizarlo en nuestra vida diaria, está resultando todo un reto tecnológico.

A presión y temperatura ambiente, este combustible ocupa un volument tres mil veces superior a la cantidad de gasolina necesaria para almacenar el mismo contenido energético. Para su uso en un automóvil con pila de combustible se necesita almacenar de 4 a 5 kg de hidrógeno para lograr autonomías de hasta 800 km (Toyota FCHV). Cinco kilogramos es muy poco peso pero, al ser un gas tan ligero, ocupa un inmenso volumen (próximo a un campo de futbol). La única solución es almacenarlo a gran presión, de tal modo que quepa en unos pocos depósitos bajo el piso del automóvil. Los primeros depósitos que se idearon para almacenar hidrógeno a gran presión llegaban a los 5.000 psi, pero los depósitos más avanzados como los de Quantum Tecnologys alcanzan los 10.000 psi (700 kg/cm²). Piensen que la presión de inflado de los neumáticos de un automóvil ronda los 2.5 kg/cm² y se darán cuenta de la enorme presión de la que estamos hablando.

Depósito de gas H2 a 700 atmósferas de presión

Pero un depósito que soporte tanta presión interna tiene que conseguir soportar el doble de esa presión en su exterior, para cumplir con las normas de seguridad de los crash test. Por lo que al final del proceso tenemos depósitos blindados con múltiples capas que resultan muy grandes, pesados y costosos. La primera capa suele ser una barrera para que no escape el hidrógeno. Los metales adsorben fácilmente las moléculas de hidrógeno por lo que no sirven como primera barrera. Después se utiliza una estructura diseñada para soportar las enormes presiones y que suele estar compuesta por láminas de carbono entrelazadas (con lo que se disminuye el peso total del conjunto). Finalmente se añaden una o más capas que absorben la energía de los impactos para hacer los depósitos más seguros ante un accidente de tráfico o un disparo.

Depósito de H2 líquido

Otra alternativa de almacenamiento es la licuefacción a temperaturas de 253 grados bajo cero. En este caso los depósitos de hidrógeno han de estar aislados térmicamente o regrigerados con nitrógeno líquido. Aún así, las pérdidas por evaporación son de entre 0.1% y 2% al día. Además hay que tener en cuenta que tanto para comprimir el gas hasta las 700 atmósfera como para la licuefacción se necesita gastar gran cantidad de energía, lo que baja el rendimiento total del conjunto. Esto los convierte en prácticamente inviables para el sector del transporte y se investiga en nuevos métodos, como los materiales con capacidad de retener hidrógeno en elevadas concentraciones (hidruros metálicos, hidruros químicos, microesferas de vidrio o nanotubos de carbono). Sin embargo, todas estas técnicas se encuentran en fase de laboratorio, aún lejos de su aplicación industrial o comercial.