¿Por qué el Hidrógeno? ¿Por qué recurrir al hidrógeno? Algunas respuestas a esta pregunta son tanto de un optimismo excesivo como de un pesimismo exagerado. Tan a menudo en este tipo de debates, la verdad se encuentra entre estos dos extremos. Ella resulta de tendencia graves: Explosión de la demanda energética, encarecimiento de los recursos fósiles y el recalentamiento del planeta imputable al efecto invernadero.

Etapas criogénicas del lanzador Ariane 5, curso de soldadura en Cryoepace (etapa superior ESC_A en primer plano y

etapa principal EPC en el segundo). La propulsión espacial, aunque cuantitativamente limitada, constituye una de las

primeras utilizaciones industriales del hidrógeno como vector energético

A la pregunta de recurrir al hidrógeno, algunos medios no se privan de dar respuestas de un optimismo excesivo, mientras que otros lo hacen con un pesimismo exagerado. Entre los primeros figuran afirmaciones según las cuales el hidrógeno es un combustible limpio, poderoso y universal y que por lo tanto se debe generalizar su empleo y preguntándose ¿Por qué no lo había pensado antes? En el rango de los segundos, aquellos que aseguran que es necesario producir el hidrógeno que no existe en estado natural y que en fabricarlo, consumen mucha energía, que no mejora el balance ambiental y complica los sistemas que lo utilizan. La “buena respuesta” debe indudablemente basarse en dos hechos que los estudios serios muestran. El primero es que los recursos fósiles darán satisfacción aun en el 2050, con más de un 60%

1 de las necesidades mundiales en energía

(actualmente satisfacen el 85%) y ¡el consumo energético habrá duplicado! El complemento, de la oferta existente, no podrá ser suplido por energía renovable y nuclear. La segunda es que las emisiones de CO2 pasaran largamente el nivel de concentración de 550 ppmv

2 que traerá como

consecuencia el aumento de la temperatura planetaria inaceptable para el medio ambiente.

1 Estudio de Royal Dutch-Shell (2001) Energy needs, Choices

and Possibilities. Scenarios to 250(www.shell) 2 El nivel actual es de 370 ppmv.

La única solución encarable para resolver esta aparente incompatibilidad es la limitación de las emisiones de CO2 producido por los combustibles fósiles, por secuestración. En claro esto significa la transformación del combustible fósil por la extracción de los átomos de Carbono una vez convertidos en CO2, estos serán almacenados en gigantescos depósitos geológicos como los pozos petroleros o de gas natural una vez estos han sido agotados (ver ¿Secuestrar el CO2 dentro de reservorios geológicos?, p. 20). Los restos de esta transformación- en general conocido como reformado, es un gas sintético combustible. Una vez purificado es convertido en hidrógeno puro, que puede ser utilizado como un nuevo vector energético sustituto de los hidrocarburos, sin los molestos átomos de carbono que fatalmente se convierten en CO2 en el transcurso del ciclo de vida. El interés del hidrógeno no se limita solamente a la valoración de los combustibles fósiles, más bien, al uso de éste como otras formas de energía primarias. En efecto estas energías alternativa son de dos tipos: Sea que ellas proporcionan directamente energía eléctrica (fotovoltaica, eólica, geotérmica) que deben ser utilizadas simultáneamente o transformada en hidrógeno (electrólisis) para ser almacenado o utilizado en medios móviles (transporte) o fijos (industrias), sea que ellas proporcionan hidrógeno directamente (termoquímica) o indirectamente (transformación de la biomasa).

Las cualidades evidentes El átomo de hidrógeno es, bajo la forma de agua, muy abundante sobre la tierra. Su molécula es la más energética, 120 MJ/kg, es 2,2 veces mayor que la del gas natural (tabla).

propiedad Valor numérico

Masa atómica 1,0079

Constante del gas 4 124,5 J/kg K

PCI (Poder calórico inferior)

33,33 kWh/kg/ 3 kWh/Nm3

(gasolina 12kWh/kg, 8,8 kWh/l) La energía contenida en 1 Nm

3

de hidrógeno es equivalente a 0,34 litros de gasolina, 1 kg de hidrógeno es equivalente a 2,75 kg de gasolina 10 800 kJ/Nm

3

PCS( Incluye la energía del vapor de agua)

39,41 kWh/kg/ 3,55 kW/Nm3 12

770 kJ/Nm3

Densidad gaseosa a 273 K 0,0899 kg/Nm3

(gas natural: 0,6512 kg/Nm3)

Calor específico (Cp a 273 K)

14 199 J/kg/K

Temperatura de ebullición (a 1013 mbares)

20,268 K

Algunas características físico-químicas del hidrógeno molecular

El hidrógeno tiene un contenido energético de 39,4 kWh/kg, mientras que el carbón, según su forma oscila entre 7,8 y 8,7 kWh/kg, es decir 5 veces menos por unidad de masa. El hidrógeno no es contaminante, no es tóxico, su combustión en el aire produce solo agua (H2O). Es el más ligero de los gases, estos es una ventaja desde el punto de vista de la seguridad (posee una gran velocidad de difusión en el aire) en ambiente abiertos. Fuera de la condiciones de confinación (encerrado con una mescla de aire), el hidrógenos es más seguro que el gas natural (ver seguridad del hidrógeno: Una tecnología sin falla, clave de la aceptación social, p. 96). Su transporte en tanques y su almacenamiento (bajo presión o líquido) es fácil. Los modos de producción son variados (ver como producir hidrógeno, p. 31) es el combustible ideal de las pilas a combustible, el medio más eficaz para convertir la energía química en energía eléctrica (ver les sub-capítulo Los convertidores de energía, p.64). Una aceptación no ganada. La ligereza del hidrógeno implica una densidad energética volumétrica menos favorable al transpòrte y almacenamiento bajo su forma gaseosa, que para el gas natural (en un factor de 4 a 200 barias, por ejemplo). Sus límites de inflamabilidad y de detonación espontanea en mescal con aire son mayores que el presentado por el gas natural, en un factor próximo a 5 (Tabla en el artículo “Seguridad del hidrógeno”). Su combustión térmica a altas temperaturas, en presencia del aire, generan óxidos de nitrógeno. Considerado en general como un gas peligroso, su imagen en el público no es buena y su aceptación aún no se ha ganado.

Los ensayos del prototipo HidroGen, sobre un Peugeot Partner,

han constituido, al principio del año 2000, un hito importante en

la realización de un vehículo equipado con una pila de

combustible, alimentado con hidrógeno comprimido. Le CEA está

asociada al grupo PSA-Peugeot-Citroën en este desarrollo.

Los grandes programas de R & D en marcha. La escogencia del hidrógeno como vector de energía del futuro hace hoy la casi unanimidad de los científicos, los industriales y los políticos tantos franceses (programa PACo, CNRY Pila de combustible, ver r 4) como europeos (6ª PCRDT de la Unión Europea, “Hydrogen and Fuel Cell

Technology Platform”) e internacionales ( Esados Unidos, Japón, Canada…). Todos reconocen que existen bloqueos pero tienen la confianza en los investigadores para resolver a mediano plazo los actuales problemas. Así todos los países industrializados tienen hoy programas de investigación, desarrollo y demostración que conllevan en forma encadenada y vertical de la producción al uso del hidrógeno, así como por otro lado el desarrollo de normas, reglamentos y procedimientos de seguridad, la formación y el impacto sociocultural. Los candidatos más atractivos. De aquí a algunos años aparecerá una fase más industrial. Su lanzamiento será tanto un un negocio como una voluntad política, que de madurez tecnológica. Los “muy optimistas” como los “muy pesimistas” se retiran de escena de dos en dos. Los primeros admitirán que el hidrógeno no ha pretendido ser la respuesta universal a todas las situaciones energéticas: algunos vectores continuarán como la electricidad y oros que se desarrollarán (como combustibles líquidos de la biomasa). Los segundos constatarán que la necesaria secuestración del CO2, proveniente de los combustibles fósiles, como el desarrollo de energías alternativas, impondrán un nuevo vector energético: El hidrógenos es el candidato más atractivo.

Prototipo de avión que Boeing destina para la experimentación

de la utilización aeronáutica de la pila a combustible. La

adaptación de un moto planeador de la firma austriaca Diamond

Aircraft Industries, realizado por el centro de investigación

español del constructos americano, con el concurso de varios

industriales europeos. El primer vuelo está previsto para fines

del 2004 o principios del 2005.

La energía en todos sus estados. ”Nada se pierde nada se crea” parafraseando a Lavoisier, padre de la química moderna. Este adagio verdadero para las especies químicas lo es también para la energía. En efecto, la energía es una entidad multiforme que puede ser transformada bajo muy variados aspectos. Toda vez que las energías primarias directamente accesibles en la naturaleza están limitadas en número: Elegía fósil (carbón, petróleo, gas), la energía nuclear y las energías renovables (hidráulica, biomasa, solar, eólica, geotérmica, mareas). Estas energías es lo que se llama la mescla o el ramillete energético (figura 1).

Figura 1. Esquema energético

Para la mayoría de las aplicaciones es necesario convertir la energía a fin de hacerla compatible con el uso que se espera darle. Evidentemente la naturaleza de forma muy ingeniosa ha puesto a punto todos los primeros convertidores energéticos. Las plantas por la fotosíntesis, garantiza la conversión de los rayos de energía lumínica en energía química. El cuerpo humano mismo permite convertir la energía química en energía mecánica vía el sistema muscular. Por su lado el hombre ha inventado numerosos convertidores (figura 2). El primero en su antigüedad es el fuego

3, que

convierte la energía química (combustión) en lumínica y calor. Más recientemente un aparato de televisión convierte la energía eléctrica en lumínica y en mecánica (sonido). En efecto, numerosos sistemas de energía son la asociación de varios convertidores, como por ejemplo una central nuclear que realiza la conversión de energía nuclear en térmica (reactor), luego el calor en

3 En realidad el hombre hace uso del

fuego, en lugar de haberlo inventado, luego descubre como producirlo.

mecánica (turbina) y al final la mecánica en eléctrica (alternador). Desafortunadamente el segundo principio de la termodinámica nos enseña que toda transformación de energía tiene un costo: una parte más o menos significativa es disipada en forma de calor inutilizable (el roce en un sistema mecánico por ejemplo). En el caso de la energía nuclear actual, la energía eléctrica no representa más de un tercio (1/3) de la energía inicialmente contenida en el seno del combustible (material radiactivo). Es evidente que sería mejor utilizar la energía consumiéndola al momento de producirse. Pero muchas veces el sitio

de consumo está muy lejos del sitio de producción, y muchas veces las energías concomitantes, no están

disponibles (energía solar de noche). Una buena gestión de la energía demanda entonces la puesta en sitio a la vez de una red eléctrica para la distribución y la capacidad de almacenar la energía

Figura 2 Conversión de las seis principales

formas de energía y algunos ejemplos de

convertidores de energía.

El transporte de la energía es garantizado por el intermediario de un

vector energético, la actualidad estos son: la electricidad y el calor. Pero un nuevo vector puede convertirse en preponderante: El hidrógeno que se convertiría en electricidad con el uso de pilas de combustible. Al fin para que la energía esté siempre disponible es necesario poder almacenarla, poner en conserva se pudiese decir. Este almacenamiento puede ser realizado de diversas formas. La energía puede ser almacenada en forma mecánica (energía potencial en el caso de una represa o dique hidroeléctrico o energía cinética en el caso de un volante o masa inercial), térmica (recipiente aislado térmicamente), Química (depósitos de combustible, pilas y acumuladores) incluso en forma magnética (bobinas superconductoras). La gestión de la energía es por lo tanto un arte sutil, que asocia producción transformación transporte y almacenaje. En el contexto actual del debate energético parece evidente que las redes eléctricas se van a desarrollar y multiplicar en una aproximación multimodal (gestión simultánea de varias redes asociando fuentes de

energía diversificadas). Por lo tanto las nuevas energías están llamadas a jugar un papel esencial.

¿Cómo funciona una pila a combustible?

Principio de funcionamiento de una celda

a combustible. Ejemplo de una membrana

intercambiadora de protones. EME

representa el conjunto electrodos-

membrana.

La pila a combustible se apoya sobre un principio conocido desde hace muchos años, pues es en 1839, que sir

William Grove construye la primera celda electroquímica funcionando con hidrógeno como combustible, poniendo así en evidencia la posibilidad de producir corriente eléctrica por la conversión directa de la energía química del combustible. La pila a combustible tiene la particularidad de utilizar dos gases, el hidrógeno H2 y el oxígeno O2, como una pareja electroquímica, las reacciones de óxido reducción que se producen en la pila son

particularmente simples. La reacción se

produce en el seno de una estructura (la célula electroquímica elemental) esencialmente compuesta de dos electrodos (el ánodo y el cátodo) separados por un electrolítico, material que permite el paso de los iones. Los electrodos ponen en juego

catalizadores para activar de un lado la reacción de oxidación del hidrógeno y del otro lado, la reacción de reducción del oxígeno. En el caso de una pila a electrolítico acido (o pila intercambiadora de protones), el hidrógeno del ánodo es disociado en protones (o ion de hidrógeno H

+) y en electrones,

siguiendo las reacciones de oxidación: .

En el cátodo, el oxígeno, los electrones y los protones se recombinan para formar agua:

.

El principio de la pila a combustibles es entonces el inverso del de la electrólisis del agua. La tensión termodinámica de tal célula electroquímica es de 1,23 volt (V). Siempre, en la práctica, la pila presenta una diferencia de potencial de 0,6 V para densidades de corriente de 0,6 a 0,8 A/cm

2. El rendimiento de esta

célula es por lo tanto de alrededor de 50%, la energía disipada es evidentemente en forma de calor.

Principio del funcionamiento de un acumulador de Litio. En el transcurso de la utilización, durante la descarga del acumulador, el Litio libera por el electrodo negativo (material de intercalación anfitrión <H>) bajo la forma iónica Li

+

migra a través del electrolito conductor iónico y se intercala entre la red cristalina del material activo del electrodo positivo (compuesto de la inserción de Litio en forma de óxido metálico <MLi>). El paso de cada ion Li

+ dentro del circuito interno del

acumulador es exactamente compensado por el paso de un electrón en el circuito externo, generando así una corriente eléctrica. La densidad de energía másica liberada de estas reacciones es a la vez proporcional a la diferencia de potencial entre los dos electrodos y a la cantidad de Litio que es intercalado en el material de inserción. Ella es igualmente inversamente proporcional a la masa total del sistema. El Litio es al mismo tiempo el más ligero (con una masa molar atómica de 6,94 g) y el más reductor de los metales: los sistemas electroquímicos que lo emplean pueden alcanzar tensiones de 4 V contra 1,5 V de otros sistemas. Esto permite a las baterías de litio, ofrecer la más alta densidad de energía másica y volumétrica (típicamente

más de 160 Wh/kg y 400 Wh/l), superiores en un 50% de promedio sobre las baterías convencionales. El principio de funcionamiento del acumulador de Litio es el mismo sea que este utilice un electrodo negativo hecho de Litio metálico o a base de carbón. En este segundo caso la cadena tecnológica es llamada ion-litio, debido a que el Litio nunca está en forma metálica en el acumulador, y hace “yo-yo” entre los dos componentes de inserción del litio contenidos en los electrodos positivo y negativo en cada carga o descarga del acumulador.

Acumuladores, pilas y baterías: mejoras continuas en sus capacidades. Los acumuladores y pilas son sistemas electroquímicos que permiten acumular y almacenar energía. Estos restituyen en forma de energía eléctrica expresada en vatios horas (Wh) la energía química generada por reacciones electroquímicas. Estas reacciones son activadas en el seno de una célula elemental entre dos electrodos inmersos en un electrolito, al momento que una carga es conectada entre sus bornes, por ejemplo un motor eléctrico. El acumulador está basado en un sistema electroquímico reversible. Él es recargable, en oposición a una pila que no lo es. El termino batería es ahora utilizado para caracterizar el ensamblaje de células elementales recargable. Un acumulador sea cual sea la tecnología utilizada está identificado por tres magnitudes. Su densidad de energía másica (o volumétrica), en vatios hora por kilogramos (Wh/kg) o vatios hora por litro (Wh/l), correspondientes potencia eléctrica almacenada, por unidad de masa o de volumen. Su densidad de potencia másica en vatios por kilogramo (W/kg) o volumétrica vatios por litro (W/l), representa la potencia que puede ser suministrada por unidad de tiempo, en relación a su masa o volumen. Su número de ciclos

4, expresa el número

de ciclos, que es la duración de vida, es decir el número de veces que el acumulador puede restituir el 80% de su valor nominal de la energía, este suele ser el parámetro más importante en el caso de aplicaciones móviles o portables. Hasta el fin de la década de los ochenta, las dos principales tecnologías en el mercado de acumuladores era los acumuladores de plomo (para el arranque de automóviles y alimentación de emergencia de centrales telefónicas) y los acumuladores de níquel-cadmio (herramientas portátiles, juguetes e iluminación de emergencia). La tecnología de plomo, más conocida comúnmente bajo el nombre de baterías de plomo, es calificada igualmente como sistema plomo-acido.

4 Ciclo corresponde a una carga y una

descarga.

En efecto las reacciones químicas puestas en juego implican al óxido de plomo constituyente del electrodo positivo (impropiamente llamado cátodo) y el plomo del electrodo negativo (ánodo), los dos sumergidos dentro de una solución de ácido sulfúrico que constituye el electrolito. Estas reacciones tienden a convertir el plomo y el óxido de plomo en sulfato de plomo, con la formación de agua. Para recargar la batería, estas reacciones deben ser revertidas por la circulación de una corriente eléctrica impuesta. Los inconvenientes mostrados sobre la tecnología de plomo (peso, fragilidad, utilización de un líquido corrosivo) han conducido al desarrollo de acumuladores alcalinos de mayor capacidad (cantidad de electricidad restituida en la descarga) pero con una fuerza electromotriz menor (diferencia de potencial entre los bornes en circuito abierto). Sus electrodos son, sean a base de níquel y cadmio (níquel-cadmio), sean a base de óxido de níquel y zinc (zinc-níquel) o de óxido de plata acoplados a níquel, zinc o hierro (acumuladores a óxido de plata). Todas estas tecnologías utilizan una solución de hidróxido de potasio como electrolítico. Las tecnologías de plomo como los acumuladores alcalinos, se caracterizan por una gran fiabilidad, pero su densidad energética másica continua siendo débil (30 Wh/kg para el plomo y 50 Wh/kg para el níquel-cadmio). Al principio de la década de los noventas, con el crecimiento del mercado de aplicaciones portátiles dos caminos tecnológicos nuevos ha emergido: los acumuladores de níquel- metal hidruro y los acumuladores de litio (ver el detalle sobre el funcionamiento de los acumuladores de litio). EL primer camino pone en juego electrodos positivos a base de níquel y electrodos negativos constituidos de una aleación capas de absorber hidrógeno, sumergidos en una solución de hidróxido de potasio concentrado que permite alcanzar una densidad de energía másica de 70 u 80 Wh/kg. El segundo camino ya había sido objeto de estudios en la década de los setenta, dentro de la perspectiva de conseguir una pareja de electroquímicos que presentasen las

mejores capacidades que las ofrecidas por los acumuladores de plomo y de níquel-cadmio utilizados hasta el momento. Los primero modelos han estado concebidos con un electrodo negativo a base de litio metálico. Sin embargo esta tecnología se ha enfrentado a una pésima restitución del electrodo negativo de Litio, en el momento de las cargas consecutivas, es por esto que a partir de los años 80 se ha tomado un desarrollo del electrodo negativo a base de carbono, utilizado como compuesto de inserción del litio, la tecnología de ion-litio ha nacido. Los industriales japoneses se han puesto en marcha rápidamente para convertirse en pioneros de las nuevas tecnologías. Algunos fabricantes de equipos portátiles han considerado que la fuente de energía es un elemento estratégico en el desarrollo de sus equipos. Es así como Sony, que originalmente no es un fabricante de acumuladores, decide movilizar muchos recursos en los años 80, a fin de hacer progresar la tecnología y hacerla industrial. En febrero de 1992, Sony sorprende al mundo con el lanzamiento de los primero acumuladores de ion litio, con densidades de energía másica limitada (90 Wh/kg), después de esto son considerables las mejoras al lograr mayores niveles de densidad energía másica (160 y hasta 180 Wh/kg en 2004) al optimizar el peso de los acumuladores eliminando las partes inútiles en el peso y vlumen de los acumuladores. Las densidades de energía másica para 2005 ya estaban por encima de los 200 Wh/kg.