Producción biológica de hidrógeno

El día 29 de Octubre de 2008 Javier Sampedro publicó en El País un reportaje titulado "El hidrógeno también pincha. Bush y Schwarzenegger creyeron en una economía sin petróleo basada en el átomo más abundante. Pero tratarlo no era limpio ni barato. Los proyectos se abandonan."^[1] En su reportaje, Sampedro analiza el uso del hidrógeno como fuente de energía alternativa al petróleo y concluye negando su utilidad práctica. Su principal argumento crítico está basado en la baja eficiencia de los procesos de producción y almacenamiento de hidrógeno actualmente en funcionamiento. Sin embargo, el autor excluye de su análisis propiedades que hacen atractivo el uso del hidrógeno, como por ejemplo la posibilidad de obtenerlo independientemente de los combustibles fósiles. El reportaje presenta un escenario incompleto que dirige al lector hacia la aceptación de la inutilidad de usar hidrógeno como fuente energética alternativa.

Aunque los argumentos presentados por Sampedro son correctos en líneas generales, éstos no son suficientes para analizar el tema objetivamente. Es cierto que los procesos actuales de producción de hidrógeno a partir de hidrocarburos suponen aproximadamente un 90% de la producción y son económicamente deficientes.^[2]

La producción de hidrógeno mediante métodos electroquímicos es incluso más costosa que la anterior, aunque se obtiene un gas de gran pureza útil en aplicaciones que van más allá de su uso como combustible. Un análisis basado simplemente en la eficiencia de dichos métodos de producción deriva irremediablemente en la conclusión de que "el hidrógeno también pincha". En los párrafos que siguen mostraré que el mencionado reportaje no revela toda la verdad, que es posible producir hidrógeno mediante técnicas diferentes a las que actualmente se practican y que, eventualmente, se podrían desarrollar sistemas de producción de hidrógeno económicamente viables.

	La producción biológica de hidrógeno aparece como una alternativa prometedora a los métodos actuales y es objeto de programas de investigación

Hay en marcha proyectos de investigación, en los que participan químicos, bioquímicos y microbiólogos, que estudian multitud de procesos en los que existe producción o consumo biológico de hidrógeno. Estos proyectos tienen como objetivo final facilitar la manipulación y explotación de sistemas biológicos de producción de hidrógeno que, además de ser económicamente viables, sean renovables, sostenibles y limpios. El sustrato utilizado para la producción de hidrógeno debe ser renovable, el método de producción debe ser sostenible, y el proceso completo de producción -desde la fabricación de los materiales usados hasta el reciclaje de la biomasa involucrada en el proceso- debe ser lo menos contaminante posible. Es dentro de este contexto, que la producción biológica de hidrógeno aparece como una alternativa prometedora a los métodos actuales y es objeto de programas de investigación.

Muchas bacterias incluyen entre sus capacidades metabólicas la de producción (y la del consumo) de hidrógeno.^[3] Algunos de estos microorganismos utilizan como sustratos azúcares, ácidos orgánicos sencillos o incluso materiales orgánicos de mayor complejidad. Parte de la energía contenida en los sustratos se disipa en forma de hidrógeno con el objeto de mantener un determinado equilibrio electroquímico en la célula. Estas bacterias pueden ser utilizadas para producir hidrógeno mediante procesos de reciclaje de residuos procedentes de la agricultura o de la industria alimentaria contribuyendo así a un plan energético sostenible.

Otros microorganismos utilizan compuestos inorgánicos (SH₂ o H₂O) como sustratos de un metabolismo capaz de generar hidrógeno. Dentro de este segundo grupo, son de enorme interés aquellos con capacidad fotosintética oxigénica, como las cianobacterias y algas verdes microscópicas del tipo Chlamydomonas por ser capaces de transformar una fracción de la energía que reciben de la luz solar en energía química contenida en la molécula de hidrógeno. ^[4]

Cuando la fotosíntesis y la producción de hidrógeno ocurren simultáneamente el proceso se conoce como fotobiolisis directa y el resultado neto es el de producción de oxígeno e hidrógeno a partir de agua. La combustión de hidrógeno con oxígeno genera energía en forma de calor y vapor de agua, cerrando el ciclo. El hidrógeno producido fotosintéticamente es por tanto una energía de carácter renovable, al contrario que el hidrógeno producido a partir de un combustible fósil. Como ventaja adicional, la actividad fotosintética de dichos organismos está ligada a la captura de CO2 que se incorpora en la biomasa. Actualmente, los puntos débiles de los procesos biológicos de producción de hidrógeno son su baja viabilidad económica y la dificultad de producirlo a gran escala. [5] Se necesita mejorar los catalizadores de reacción (proteínas del tipo hidrogenasa[6] o nitrogenasa[7]), de manera que aumenten las tasas naturales de producción de hidrógeno de los microorganismos que las contienen. Para ello hemos de investigar los aspectos bioquímicos y genéticos de la producción biológica de hidrógeno. Se requiere establecer condiciones de cultivo que permitan una producción estable de hidrógeno durante períodos prolongados de tiempo al tiempo que se mantiene control sobre la cantidad de biomasa en el reactor y su resistencia a virus y otras contaminaciones. Para ello es importante profundizar en el conocimiento de la fisiología y ecología de estos organismos. Se requieren diseños de reactores que permitan iluminación natural a gran escala y al mismo tiempo minimice posibles efectos fotoinhibitorios.

Actualmente, los puntos débiles de los procesos biológicos de producción de hidrógeno son su baja viabilidad económica y la dificultad de producirlo a gran escala

La solución a los problemas de producción masiva y viabilidad económica de la producción biológica de hidrógeno requerirán un esfuerzo científico y tecnológico conjunto de ingenieros, químicos y biólogos.

Incluso en el supuesto de que la utilización directa a gran escala de hidrógeno como combustible de automóviles se mostrase definitivamente inviable, su producción a partir de luz solar y/o reciclaje de residuos, así como su uso como fuente de energía continuaría siendo un escenario atractivo. Por un lado, la energía del hidrógeno es fácilmente transformable en energía eléctrica mediante el uso de pilas de combustible. Además, el hidrógeno de origen biológico tendría aplicación directa en síntesis industrial de amonio, que actualmente consume el 45% del hidrógeno obtenido a partir de hidrocarburos. Se estima que la síntesis de amonio para su uso como fertilizante supone alrededor del 50% del coste de producción en agricultura moderna. Finalmente, el hidrógeno es el combustible preferido de muchas bacterias que lo utilizan como fuente de energía para sostener su metabolismo y son capaces de producir bienes de interés económico (como metano o plásticos).

Es todavía muy pronto para saber si el hidrógeno será el sustituto de los combustibles fósiles en un futuro próximo. El camino para posicionarlo en un escenario energético global no está exento de dificultades. Pero la posibilidad existe. Y es al mismo tiempo tan real y tan volátil como la molécula de hidrogeno.