El hidrógeno: ¿última oportunidad para un sistema energético sostenible?

El consumo de energía primaria a nivel mundial se ha incrementado durante la última década a un ritmo promedio del 2% anual, lo que implica que el consumo total de energía se duplica cada 35 años. Recientemente, las tasas de crecimiento anuales han sido incluso mayores con valores del 3,3 y 2,9% en los años 2002 y 2003, respectivamente. Una tasa de crecimiento sostenida del 3% nos llevaría a una duplicación del consumo energético anual en apenas 24 años. Estos aumentos en la demanda de energía han tenido lugar a pesar de los importantes logros alcanzados en cuanto a la mejora de la eficiencia de las transformaciones energéticas. El constante incremento de la población mundial y el desarrollo económico que están experimentando determinados países y zonas geográficas, de los que China representa el máximo exponente, son las principales razones de la aceleración en la demanda de energía. Sólo en el año 2003, la energía total consumida por ese país experimentó un incremento del 13,8%.

En la actualidad, las fuentes de energía primaria fundamentales son los combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón) que, en conjunto, aportan más del 80% de la energía total que consumimos. El resto se distribuye entre energía nuclear, energía hidroeléctrica y otras energías renovables. Este sistema energético plantea una serie de problemas de gran magnitud, entre los que cabe citar:

- Es previsible que los combustibles fósiles, a excepción del carbón, se agoten en las próximas décadas. Actualmente la relación reservas probadas / producción anual (R/P) para el petróleo y el gas natural es de 41 y 67 años, respectivamente. Cierto es que de forma continua se realizan descubrimientos de nuevos yacimientos, pero también que el consumo de ambos tipos de combustibles crece sin pausa, por lo que más tarde o más temprano se producirá un descenso paulatino de la relación R/P. Por otro lado, cabe pensar que los efectos de esta situación sobre los mercados y los precios de la energía se harán sentir mucho antes de que se produzca el agotamiento del petróleo y del gas natural. Se estima que antes del año 2030 la producción de petróleo y gas natural no podrá cubrir la demanda de estos tipos de combustibles fósiles.

- Las reservas de petróleo y gas natural muestran una distribución geográfica muy heterogénea, concentrándose en zonas de elevada inestabilidad geopolítica. El 63% de las reservas de petróleo y el 41% de las de gas natural se localizan en Oriente Medio. Los efectos de esta concentración de recursos energéticos sobre los precios, la economía y la estabilidad mundial son bien conocidos.

- El uso de combustibles fósiles como fuente de energía lleva asociado un coste medioambiental muy importante, con una degradación de la calidad del aire como consecuencia de las emisiones de diferentes contaminantes (SOx, NOx, hidrocarburos, partículas sólidas, etc.). De entre todos los problemas generados, sin duda en la actualidad el más grave y acuciante es la acumulación en la atmósfera de CO₂ y otros gases de efecto invernadero que están provocando un incremento de la temperatura media del planeta, con el consiguiente riesgo de alteraciones en el clima.

Estos factores evidencian claramente que nuestro actual modelo energético no es sostenible, por lo que urge la búsqueda de nuevas alternativas y fuentes de energía sustitutivas de los combustibles fósiles. La energía nuclear de fisión presenta su propia problemática y riesgos ambientales, mientras que el desarrollo de procesos de fusión de forma controlada no resulta una meta alcanzable a medio plazo, ni siquiera en el horizonte de la segunda mitad del siglo XXI. Las energías renovables tradicionales (hidráulica, eólica, solar, biomasa, etc.) han experimentado un fuerte crecimiento a lo largo de la última década, pero por sí solas tampoco parece que puedan sustituir por completo a los combustibles fósiles. Se corre el riesgo de que se produzca una inversión en la evolución histórica que, a lo largo de los siglos XIX y XX, ha permitido utilizar paulatinamente combustibles más limpios y con menores emisiones de contaminantes, pasando del carbón al petróleo, primero, y al gas natural, después. Las cifras de años recientes muestran una cierta marcha atrás con incrementos en el consumo de carbón del 9,1 y 6,9% en los años 2002 y 2003, respectivamente, tasas muy superiores a las experimentadas por el petróleo y el gas natural. Como consecuencia el carbón ha pasado de aportar el 24,1% de la energía primaria consumida a nivel mundial en el año 2001 al 26,4% en el año 2003, es decir, un incremento de más de 2 puntos porcentuales sobre el total de energía primaria. Aunque los datos del año 2004 todavía no están disponibles, cabe anticipar una participación todavía mayor del carbón como consecuencia del fuerte incremento experimentado por el precio del barril de petróleo. El carbón no presenta problemas de limitación en el volumen de reservas pero, de mantenerse esta tendencia, se agravarían enormemente los problemas medioambientales con un incremento muy importante en las emisiones de contaminantes, y en especial de CO₂.

Se han propuesto diferentes métodos para conseguir el confinamiento del CO₂ generado a partir de combustibles fósiles, lo que en todos los casos requiere el desarrollo de una serie de etapas de captura, presurización y transporte de CO₂. Entre las alternativas contempladas se encuentra la inyección de CO₂ líquido en océanos a una profundidad superior a 2 km. o en depósitos subterráneos (yacimientos agotados de gas natural y formaciones geológicas). El confinamiento de CO₂ implica, por tanto, importantes costes energéticos y económicos. Asimismo, existe un elevado grado de incertidumbre respecto de la estabilidad a medio/largo plazo del CO₂ capturado, así como sobre los posibles efectos medioambientales que puede tener su confinamiento en grandes cantidades.

Se comprende que, en este contexto, el posible uso del hidrógeno como fuente de energía haya despertado un enorme interés. La reacción entre el hidrógeno y el oxígeno es un proceso sencillo, fuertemente exotérmico, que conduce a la formación de agua como único producto. La energía liberada se puede aprovechar directamente o se puede emplear para generar electricidad mediante una pila de combustible. El uso del hidrógeno como fuente de energía presenta, además, las siguientes ventajas: el hidrógeno se puede transportar grandes distancias en fase gas o líquida, existe una amplia variedad de procesos que permiten su transformación en otras formas de energía, la interconversión hidrógeno/electricidad tiene lugar en ambas direcciones con una elevada eficacia y, a diferencia de lo que sucede con la energía eléctrica, es posible acumular y almacenar hidrógeno en grandes cantidades. Un sistema energético basado en el hidrógeno permitiría una amplia deslocalización de los recursos energéticos, ya que cada país podría adaptar los sistemas de producción de hidrógeno a las fuentes de energía propias, evitándose la actual dependencia en el suministro de energía procedente de determinadas zonas geográficas. Esta relación de potenciales ventajas explica que el hidrógeno esté "de moda" y que en los últimos años se haya producido una extraordinaria proliferación de acontecimientos respecto de su uso como fuente de energía: artículos científicos, libros, revistas, páginas web, asociaciones, redes, plataformas, congresos, conferencias, proyectos, prototipos, declaraciones políticas, etc. El término "economía del hidrógeno" se ha acuñado y aplicado con bastante éxito para referirse a un futuro más o menos próximo en el que el hidrógeno será el principal vector energético.

El hidrógeno se postula como una nueva fuente de energía que puede remediar las limitaciones y problemas derivados de la actual dependencia de los combustibles fósiles. Realmente, el concepto no es nuevo. En 1839 se descubre el principio de funcionamiento de las pilas de combustible. Posteriormente, uno de los personajes de la novela de Julio Verne "La isla misteriosa", publicada en 1874, sugiere que en el futuro "...hidrógeno y oxígeno, usados juntos o por separado, proporcionarán una fuente inagotable de luz y calor". En los años 20 y 30 del siglo XX se producen las primeras aplicaciones industriales del hidrógeno, mientras que en el periodo 1950-70 se desarrollan usos puntuales del hidrógeno como fuente de energía. La crisis energética de 1973 evidencia el gran potencial de un sistema energético basado en el hidrógeno. Sin embargo, posteriormente se produce un cierto decaimiento del interés en el hidrógeno como consecuencia del descenso en los precios del petróleo a lo largo de las décadas 1980-90. La situación actual, con un coste del barril de petróleo superior a 50$ y la percepción generalizada de los daños sobre el medio ambiente que está causando el uso de combustibles fósiles, es la ideal para promover el desarrollo de la economía del hidrógeno.

La posible sustitución del petróleo y del gas natural por hidrógeno confirmaría la evolución histórica en cuanto a la composición de los combustibles, que ha seguido un proceso paulatino de descarbonización. El carbón, combustible fósil predominante en el siglo XIX y que posee una relación C/H de 2, fue desplazado a lo largo del siglo XX en primer lugar por el petróleo (C/H = 0,5) y, a continuación, por el gas natural (C/H = 0,25). La introducción del hidrógeno durante el siglo XXI supondría llevar al extremo este proceso alcanzando una relación C/H de cero. La descarbonización lleva implícito el uso de combustibles cada vez más limpios y que conducen a una menor producción de CO₂.

Sin embargo, no todo son luces respecto del uso generalizado del hidrógeno como fuente de energía. Existen, actualmente, importantes limitaciones tecnológicas y económicas que afectan a las diferentes fases del proceso: producción, almacenamiento, transporte, distribución y utilización del hidrógeno. Asimismo, es previsible que se presenten dificultades en cuanto a su aceptación social, derivadas de la percepción de riesgo que supone la elevada inflamabilidad del hidrógeno, así como la necesidad de llevar a cabo su transporte y almacenamiento a altas presiones. El principal inconveniente de un sistema energético basado en el hidrógeno se deriva del hecho de que no se trata de una fuente de energía primaria, al no encontrarse libre en nuestro planeta (la concentración de hidrógeno en la atmósfera es inferior a 1 ppm). Por ello, el hidrógeno ha de obtenerse y producirse a partir de compuestos que lo contienen como es el caso del agua, hidrocarburos y alcoholes, mediante procesos que implican un importante consumo de energía primaria. En este esquema, el hidrógeno actúa como un vector energético, permitiendo el transporte de energía desde la fuente primaria hasta la aplicación final. La afirmación de que el hidrógeno es una fuente de energía totalmente limpia, sin emisiones y renovable debe, por tanto, matizarse. El hidrógeno podrá considerarse una fuente de energía renovable siempre y cuando la energía primaria consumida en su generación así lo sea. Asimismo, en un balance global habrán de considerarse, asociados al hidrógeno, las emisiones y efectos medioambientales correspondientes a la fuente de energía primaria. Si el hidrógeno se obtiene, por ejemplo, a partir de electricidad que, a su vez, procede de una central térmica de carbón, habrá de considerarse como una fuente no renovable, que lleva asociadas importantes emisiones de CO₂ y otros contaminantes.

A continuación se analizan brevemente los principales procesos que permiten producir hidrógeno:

1. Reformado de gas natural con vapor de agua. Mediante este proceso el metano, componente mayoritario del gas natural, se transforma en una mezcla de CO₂ y H₂. La transformación tiene lugar a elevada presión y temperatura, lo que implica un coste energético significativo con una eficacia global de aproximadamente el 65%. El reformado con vapor de agua también se puede aplicar a otras materias primas como es el caso del carbón o de los hidrocarburos obtenidos del petróleo, aunque con mayores emisiones de CO₂. Únicamente, si este proceso parte de productos derivados de la biomasa, las emisiones globales de CO₂ podrán considerarse casi nulas.

2. Oxidación parcial de hidrocarburos (gasificación). El contacto con una atmósfera deficiente en oxígeno a elevada temperatura provoca la transformación del hidrocarburo de partida en CO y H₂. Este proceso permite la obtención de hidrógeno a partir de cualquier tipo de hidrocarburo, aunque la eficiencia global es sólo del 50%. Los procesos de gasificación son también aplicables para la producción de hidrógeno a partir de carbón o biomasa.

3. Electrolisis. El paso de una corriente eléctrica permite romper la molécula de agua en hidrógeno y oxígeno. La eficiencia es elevada, situándose en el intervalo 65-85%. El hidrógeno así obtenido se encuentra libre de CO₂ y de otros gases contaminantes, al menos aparentemente. En un balance global, la existencia o no de estas emisiones dependerá del origen de la energía eléctrica consumida. Si ésta procede de combustibles fósiles, el CO₂ se habrá generado en la central térmica productora de electricidad y en este caso la eficacia energética del proceso en su conjunto será mucho menor. Por ello, existe un gran interés en el desarrollo de procesos electrolíticos de producción de hidrógeno en los que la energía eléctrica se haya generado "in situ" mediante una fuente renovable, principalmente energía solar fotovoltaica o energía eólica. En la actualidad, la principal limitación de esta vía es el elevado coste del hidrógeno así producido, del orden de cinco veces el coste del hidrógeno obtenido por reformado.

4. Fotoprocesos. En este apartado se engloba un conjunto de procesos que tienen en común la utilización de la radiación solar para producir hidrógeno a partir del agua o la biomasa. Las técnicas fotobiológicas se basan en el ciclo de la fotosíntesis de las plantas y de algunas bacterias y algas. Uno de los problemas que presentan es que la mayor parte de las enzimas capaces de catalizar la disociación del agua se inhiben en presencia de oxígeno. Los procesos fotoquímicos tratan de imitar el proceso natural de la fotosíntesis utilizando moléculas sintéticas. En los procesos fotoelectroquímicos (fotoelectrolisis) se utilizan materiales fotovoltaicos y semiconductores que al ser expuestos a la luz producen una diferencia de potencial eléctrico, la cual a su vez provoca la escisión de la molécula de agua. Los fotoprocesos presentan eficiencias energéticas bajas (
5. Procesos termoquímicos. Se basan en el empleo de calor para provocar la disociación del agua en hidrógeno y oxígeno. La transformación puramente térmica resulta inviable desde un punto de vista práctico ya que sería necesario alcanzar temperaturas del orden de 3000ºC. Como alternativa, se ha propuesto el desarrollo de diferentes reacciones químicas mediante complejos procesos multietapas, lo que permite reducir apreciablemente la temperatura de operación.

Las tecnologías de producción de hidrógeno a partir de fuentes renovables se encuentran todavía en fase de incubación. De hecho en la actualidad el 99% del hidrógeno producido procede de combustibles fósiles, estimándose que transcurrirán entre una y dos décadas hasta que se desarrollen procesos comerciales de obtención de hidrógeno basados en fuentes renovables.

Otro de los retos fundamentales que debe afrontar un sistema energético basado en el hidrógeno es la necesidad de crear una red completa de nuevas infraestructuras para su transporte, almacenamiento y distribución: depósitos, tuberías, estaciones de bombeo, estaciones para el llenado de vehículos ("hidrogeneras"), etc. Los problemas a solventar no son sólo de índole económica, dadas las grandes inversiones a realizar, sino también tecnológicos. El transporte y almacenamiento de hidrógeno pueden llevarse a cabo como gas comprimido o licuado. A presión y temperatura ambiente el hidrógeno ocupa un volumen 3000 veces superior al de una cantidad de gasolina con el mismo contenido energético. La baja densidad del hidrógeno hace necesario que su transporte y/o almacenamiento en fase gas se realicen a presiones elevadas (entre 200 y 500 atm), lo que implica un coste energético adicional asociado al trabajo de compresión, además de plantear cuestiones de seguridad. Otra alternativa, es la licuefacción del hidrógeno, para lo cual resulta necesario alcanzar temperaturas de - 253ºC. En este caso, los depósitos de hidrógeno han de estar aislados térmicamente o bien refrigerados con nitrógeno líquido. Aún así, las pérdidas por evaporación de parte del hidrógeno líquido pueden ser importantes, entre un 0,1 y un 2% al día. A estas pérdidas energéticas, habría que sumar el consumo de energía producido en el proceso de licuefacción. Ninguna de estas dos alternativas parece viable para el uso de hidrógeno como combustible en el sector del transporte, lo que puede suponer un auténtico cuello de botella en el desarrollo de vehículos impulsados con hidrógeno al limitar la autonomía de los mismos. Por ello, se están estudiando otros métodos de almacenamiento de hidrógeno en vehículos como es el uso de diferentes materiales que tienen la capacidad de retener hidrógeno en elevadas concentraciones como es el caso de hidruros metálicos, hidruros químicos, esponjas de hierro, microesferas de vidrio, nanotubos de carbono, etc., aunque hasta la fecha ninguno de ellos parece poder cumplir los requerimientos necesarios en términos de volumen, peso, condiciones de liberación del hidrógeno y tiempos de llenado y descarga del depósito.

Respecto del uso final del hidrógeno para producir energía existen diferentes alternativas, entre las que cabe citar su utilización como combustible en motores de combustión interna, turbinas y pilas de combustible. La aplicación del hidrógeno en motores de combustión interna permite obtener eficiencias energéticas superiores en un 20% a las de motores de gasolina, aunque se produce una pérdida de potencia debido al menor contenido energético de la mezcla presente en el cilindro del motor. Asimismo, el accionamiento de turbinas mediante la combustión de hidrógeno conduce a mayores eficiencias y evita problemas de formación de depósitos y de corrosión de los materiales de la turbina. En todos estos procesos el producto principal que se forma es agua, sin apenas presencia de gases contaminantes. Únicamente, en los procesos de combustión que operan a elevada temperatura se produce también la formación de pequeñas cantidades de NOX.

No obstante, la alternativa de mayor potencial futuro y que ha despertado un mayor interés es la generación de electricidad por alimentación del hidrógeno a pilas de combustible a través de un proceso electroquímico. La energía eléctrica se genera por oxidación electroquímica del hidrógeno (se alimenta al ánodo) con oxígeno (se alimenta al cátodo). Esta transformación tiene lugar con una eficiencia de aproximadamente el 60%. Dependiendo del electrolito se distinguen diferentes tipos de pilas de combustible: disoluciones alcalinas, membranas de intercambio de protones, ácido fosfórico, carbonatos fundidos y óxidos sólidos. Las pilas de combustible suelen operar con voltajes comprendidos entre 0,6 y 0,8 V, mientras que la temperatura de trabajo viene determinada por el tipo de electrolito. Las pilas de membranas de polímero operan a temperaturas comprendidas entre 60 y 80ºC. En el extremo opuesto se encuentran las pilas de óxidos sólidos que necesitan alcanzar temperaturas de hasta 1000ºC. Para su uso en automóviles, las pilas de combustible basadas en membranas de intercambio de protones parecen ser una de las alternativas más interesantes. En la mayor parte de los casos el hidrógeno alimentado a la pila de combustible ha de poseer una elevada pureza, lo que hace necesario reducir hasta niveles extremadamente bajos la concentración de otros componentes que pueden acompañar al hidrógeno en función de su origen. En la actualidad las principales limitaciones de las pilas de combustible están relacionadas con su durabilidad y elevado coste.

El uso masivo del hidrógeno como vector energético puede tener también sus consecuencias medioambientales. El hidrógeno es un gas extremadamente ligero, que posee la capacidad de infiltrarse a través de pequeños huecos e intersticios de los materiales de construcción. Cabe esperar que las fugas de hidrógeno a lo largo de la red de tuberías, depósitos de almacenamiento y estaciones de suministro sean considerables. Se ha especulado con la posibilidad de que el hidrógeno así liberado pueda afectar negativamente al ozono estratosférico. No obstante, estas fugas se podrían minimizar con un sistema descentralizado de distribución del hidrógeno en el que éste se produzca, no en grandes plantas, sino directamente en instalaciones de menor tamaño localizadas en las proximidades de los puntos de consumo.

Como resumen, podemos concluir que, aunque no todos son aspectos favorables y que todavía existen muchas incógnitas por despejar, el uso del hidrógeno como vector energético será probablemente una realidad a medio plazo. Esta opción no está completamente exenta de riesgos y de potenciales efectos negativos. Además, los retos tecnológicos que han de alcanzarse requerirán de un ingente esfuerzo científico, tecnológico y económico. Sin embargo, los beneficios que se pueden derivar de la economía del hidrógeno son de tal magnitud que a priori compensan a los anteriores. Las previsiones más razonables auguran una transición a la economía del hidrógeno en dos etapas. En la primera, el hidrógeno se obtendría a partir de combustibles fósiles de menor impacto ambiental, principalmente gas natural. Este periodo de transición, que podría prolongarse durante varias décadas, daría paso finalmente a un sistema energético en el que el hidrógeno se obtendría enteramente de fuentes renovables. El camino por recorrer para el desarrollo de la economía del hidrógeno parece todavía bastante largo y con numerosas incertidumbres. Pero, por otro lado, no se vislumbran, al menos a medio plazo, otras alternativas viables para el desarrollo de un sistema energético sostenible y compatible con el medio ambiente.