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P E R S P E C T I V AA M B I E N T A L

Abril 2003

2 7Hidrógeno solar

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Edición:Associació de Mestres Rosa SensatDrassanes , 3 • 08001 Barcelona• Tel: 934 817 373 • Fax: 933 017 5 50Fundació TERRAAvinyó, 44 • 08002 Barcelona• Tel: 936 011 636 • Fax: 936 011 632http://www.ecoterra.org, alberga la colección enterade los cuadernos de educación ambiental PERSPEC-TIVA AMBIENTAL en formato PDF Acrobat deADOBE que se publica desde 1995.

Redacción:Lali Roca

Traducción:Carme González Bello

Foto portada: el universo es hidrógeno en esenciaCúmulo estelar NGC 1850 de la Nube de Magallanesrealizada por el telescopio espacial Hubble.

Fotos interiores:Hubblesite.org, Ballard Power Systems, Proton Motor,NASA, Honda i altres.

IlustracionesEquipo terra.org

Maquetado con Adobe Page Maker 7.0

Hidrogen solar

El final de la era del petróleoLas propiedades del hidrógenoHistoria del hidrógenoLos usos del hidrógenoFuentes de producción de hidrógenoLas células de combustibleHistoria de las células de combustibleTipos de células de combustibleAplicaciones de las pilas de combustibleEl hidrógeno en los medios de transporteInfraestructuras para el hidrógenoSistemas de transporteSeguridad e informaciónLa economía del hidrógenoEl impacto ambiental del hidrógeno

Hagamos hidrógeno

ElectrólisisUna visita obligadaKits pedagógicos de hidrógenoConstruction 30 de EitechEl coche de hidrógeno de KOSMOS

Abril 2003

P E R S P E C T I V AA M B I E N T A L 27

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BIEN

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* La Fundación TIERRA és una fundación privada quetiene por objetivo canalizar y fomentar iniciativas quefavorezcan una mayor responsabilidad de la sociedaden los tema ambientales.

Fundació TERRA*

Hidrógeno solar El final de la era del petróleo

La dependencia del petróleo en nuestra ci-vilización es enorme. Los Estados Unidos, porejemplo, con un 5% de la población mundialconsumen casi el 26% de todo el petróleo quese extrae del planeta. La producción de petró-leo en los Estados Unidos es del 11% y tan sóloposee el 2% de las reservas globales. Las re-servas de los Estados Unidos no superan los3.700 millones de toneladas. Lo que quieredecir, que en unos 10 años se habrán acabadoo, incluso antes, si no se tiran sobre los territo-rios de Alaska.

En el caso de la Unión Europea el consumode energía también proviene mayoritariamentede combustibles fósiles (41% de petróleo, 22%de gas natural y 16% de carbón), las centralesnucleares aportan un 15% y las energías reno-vables sólo el 6%. Corregir esta dependenciano es fácil. En la Unión Europea el sector deltransporte, que representa entre un 4% y un 10%

El hidrógeno es el elemento químicomás sencillo, pero posiblemente es lasolución a uno de los problemas másgraves generados por la civilizaciónhumana: la dependencia de los com-bustibles fósiles. No se encuentradisponible de forma libre, pero dostercios del universo contienen hidróge-no. No es una fuente de energía, perola almacena. Entender las posibilida-des energéticas del hidrógeno es unode los retos a principios del siglo XXI.

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El hidrógeno almacena 2,6 veces más de energíapor unidad de masa que la gasolina. Por esta razónlos coches de hidrógeno pueden tener futuro.

del Producto Interior Bruto (PIB), consume un40% de la energía, y se prevé que el tráfico depasajeros y mercaderías en los próximos vein-te años aumente entre un 20% y un 30% res-pectivamente. El consumo en petróleo porcápita en el 2001 en España fue de 159 barriles(1 barril = 158,98 litros) casi la mitad que la deun ciudadano norteamericano. El consumo dia-rio en toda Europa fue de 16 millones de barri-les al día, mientras que en Estados Unidos de19 millones. Una cantidad que no ha parado decrecer en las últimas décadas.

Irak dispone de unas reservas de 15.200 mi-llones de toneladas (aproximadamente 112.000millones de barriles). Estimando a 30 dólaresel barril de petróleo el valor del petróleo iraquíes de unos 3,36 billones de dólares. Una gue-rra contra el Irak puede representar un coste nosuperior a los 100.000 millones de dólares, esdecir 34 veces menos que los beneficios quepueden generar las reservas iraquianas.

Los expertos en petróleo afirman que las re-servas del oro negro recuperable estimadas sesitúan entre 1,8 y 2,2 millones de barriles anua-les. El mundo ha consumido ya más de 875.000millones de barriles de este total. La demandaanual de petróleo se sitúa en unos 30.000 mi-llones de barriles y podría llegar a los 45.000

millones antes de 2020 si continúa al ritmo ac-tual. El 70% del petróleo que se suministra ac-tualmente fue descubierto en los años setenta.Por cada barril de petróleo que se descubre enla actualidad consumimos cuatro.

Si la China y la India quieren conseguir elnivel de consumo de petróleo por cápita quetiene Corea del Sur se necesitarían unos 45.000millones de barriles anuales. La demanda mun-dial de petróleo es actualmente de unos 24.000millones de barriles al año, es decir, casi un50% más que la demanda mundial del año2000. Los expertos pueden ser optimistas enlas reservas mundiales de petróleo, pero esteproducto es lo suficientemente valioso comopara utilizarlo como combustible y volatilizarloen gases tóxicos en la atmósfera que respira-mos. Por otro lado, el riesgo que comporta laadicción al petróleo cuando este deje de serbarato puede contribuir al hundimiento de lacivilización actual si no ponemos remedio a ladependencia del crudo.

Nuestra sociedad dispone de más de 500.000productos derivados del petróleo: fertilizantes(para hacer crecer alimentos), medicinas, plás-ticos, aislantes, ordenadores, pinturas,disolventes, detergentes; e incluso productostan cotidianos como la aspirina, el CD rom, unpinta uñas o un chicle dependen del petróleopara existir.

Nuestra civilización del petróleo se funda-menta en el proceso de transformación de laenergía más jerarquizada y centralizada de lahistoria de la humanidad. Tampoco debemosde olvidar los 6.000 millones de toneladas dedióxido de carbono liberadas en el año 2000,de las cuales el 75% se debe a la combustiónde petróleo. Ciertamente, la economía fósil pideun relevo si queremos evadir el callejón sinsalida de la humanidad. Sin embargo, cualquierotra fuente de energía exige asumir primera-mente el concepto de eficiencia energética yde frugalidad, dos valores todavía poco asumi-dos por nuestra sociedad opulenta.

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Lanzamiento del transbordador espacial. Paraponer en órbita este ingenio a 300 km. de alturase tarda unos 45 minutos y se queman unos 2millones de litros de hidrógeno y oxígeno

Los combustibles fósiles aportan el 85% delas necesidades energéticas del mundo: un 40%corresponden al petróleo, el 22% al carbón y el23% al gas natural. Hemos multiplicado por70 el consumo mundial de energía.

Las propiedades del hidrógeno

El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro yno tóxico. Es el elemento más ligero y abun-dante de la naturaleza. Su densidad es de 0,0899gr./l. Es decir 14,4 veces menos denso que elaire. Constituye aproximadamente el 80% dela masa de toda la materia del Universo y seencuentra en el 90% de las moléculas. El Sol,por ejemplo, es casi 100% hidrógeno puro ytoda la energía que nos envía proviene de lafusión de los átomos de hidrógeno. A altas tem-peraturas y presiones, el hidrógeno se convier-te en sólido: en un metal. A bajas temperaturas(alrededor de los –253ºC) es un líquido. Estees el caso de algunos planetas como Júpiter, lasuperficie del cual es esencialmente hidrógenolíquido.

En relación a las características del hidróge-no como combustible, se debe destacar que sequema en el aire libre cuando hay concentra-ciones entre el 4 y 75% de su volumen (el gasnatural lo hace entre 5,4 y 15%). La tempera-tura por combustión espontánea es de 585ºC,mientras que para el gas natural es de 540ºC.El gas natural es mucho más explosivo (lo haceen concentraciones de 6,3% a 14%) que el hi-drógeno (necesita concentraciones de hidróge-no entre el 13% y el 64%).

En nuestro planeta, el hidrógeno raras vecesse encuentra en forma libre. La mayor parteestá unido al oxígeno formando agua. Por eso,las auténticas minas de hidrógeno son los océa-nos, el agua dulce y los glaciares. Sin embar-go, los hidrocarburos también son una fuenteimportante de hidrógeno. Por ejemplo, el me-tano (CH

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por cada uno de carbono. La biomasa (los res-

tos de plantas y animales) también contienenhidrógeno.

Uno de los errores más comunes es pensarque el hidrógeno es una fuente de energía pri-maria (como el gas o el petróleo) que existe enforma libre en la natura. Se trata de un vectorenergético, una forma secundaria de energía quese debe transformar con otras fuentes prima-rias. El hidrógeno, pues, no se puede conside-rar un combustible de primera, si es que éste lodefinimos como cualquier sustancia capaz deproducir un balance limpio de calorías energé-ticas en un proceso económicamente razona-ble. El hidrógeno requiere una importante fuen-te de energía para extraerlo en una formaenergéticamente aprovechable. A diferencia delpetróleo, del gas o del isótopo radioactivo quese pueden considerar fuentes de energía, el hi-drógeno es pues, un vector, un portador de ener-gía que nos permite producir otra fuente deenergía (por ejemplo, electricidad, y con ellaobtener energía luminosa, calorífica, etc.). Encambio, el gas natural, por si mismo generacalor o luz.

De todos modos, el hidrógeno como com-bustible presenta algunas ventajas. Por ejem-plo, la densidad respecto al volumen de hidró-geno (2,53 kWh./l.), es cuatro veces más bajaque la de la gasolina (8,76 kWh./l.). Aunque siconsideramos la cantidad de energía en rela-

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Historia del hidrógeno

ción con el peso, entonces la del hidrógeno esmás alta. El hidrógeno líquido tiene un peso de70,99 gr./l. Un quilo de hidrógeno genera lamisma energía que 2,1 kg. de gas natural o 2,8kg. de gasolina. Si lo comparamos con el gasnatural, entonces el hidrógeno aporta entre33,33 kWh./kg. y 39,41 kWh./kg. mientras queel gas natural menos de la mitad, es decir, entre13,90 kWh/kg. y 15,42 kWh/kg. En cambio silo medimos en volumen, entonces son 2,9 kWh/m3 y 3,51 kWh/m3 y el gas natural aporta entre9,97 kWh/m3 y 11,06 kWh/m3. Metales como

el paladio (Pd) pueden absorber hasta 850 ve-ces su volumen en hidrógeno y por eso se pue-de utilizar como reductor. Las disolucionescoloidales de paladio permiten absorber hasta3.000 veces su volumen con hidrógeno. Estapropiedad de absorción del hidrógeno es la basede la conocida fusión fría.

Por su composición química no genera com-puestos que puedan causar lluvia ácida, excep-to los óxidos de nitrógeno, cuando se utilizacomo combustible en un motor de combustióninterna.

Es curioso que el elemento más abundante del universo se esconda de nuestros sentidos. Parece que elprimer experimento en el cual se produjo hidrógeno se debe al físico Teofrast Paracelsus (1493-1541),pero se pensó que eran gases inflamables. No fue intuido hasta el siglo XVII cuando en el 1697 el físicoalemán Georg Ernst Stahl (1660-1734) definió el flogisto como una sustancia que desaparecía durantela combustión. El noble Henry Cavendish (1731-1810) fue el primero en descubrir y describir las cali-dades del hidrógeno pero no lo identificó como elemento, aunque afirmó que había dos tipos de aire: elaire fijo (CO

2) y el aire inflamable (hidrógeno) y que era 1/4 más pesado que el aire. El físico francés

Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) a partir de las observaciones de Cavendish, en el año 1783separó el oxígeno del hidrógeno del agua y a continuación los combinó produciendo 45 gr. de agua.Nombró al oxígeno “el aire que sustenta la vida” y al hidrógeno “el aire inflamable” (que en griegosignifica “productor del agua”).En el 1874 Julio Verne, cien años antes que empezarse las investigaciones modernas con hidrógeno,escribió “La isla misteriosa” en la cual profetizaba en boca del ingeniero Cyrus Harding “creo quealgún día se utilizará el agua como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno que la componen, yasean juntos o separados, proporcionarán una fuente inagotable de luz y calor, de una intensidad de lacual el carbón no es capaz. El agua será el carbón del futuro”.La producción de hidrógeno no empezaría hasta el 1920 que se construyeron los primeros electrolizadorespara obtener hidrógeno y oxígeno. Pero, el hidrógeno se hizo famoso por el uso que hicieron los inge-nieros de los zepelines alemanes al mezclarlo en una proporción de 10:1 en la mezcla que utilizabancomo combustible. Esta mezcla les concedía un mayor rendimiento y, por lo tanto, más velocidad.Entre el 1930 y los años cuarenta, uno de los principales entusiastas en el uso del hidrógeno fue elalemán Rudolf Erren que fabricó camiones, autobuses, submarinos que utilizaban el hidrógeno y otroscombustibles en motores de combustión interna. Después de la Segunda Guerra Mundial el interés porlas células de combustible anticipadas por William Grove (1811-1869) vendría de la mano del científicoinglés Francis T. Bacon en los años cincuenta que desarrolló la primera célula de hidrógeno-aire y quetendría una gran importancia en el programa espacial americano.Sin embargo, la visión de una “economía del hidrógeno” hecho con energía solar fue propuesto en el1962 por el electroquímico australiano John Bockris. Este científico también asesoró la General Motorsy auguró que “el hidrógeno sería el combustible de todos los medios de transporte”. La era del hidróge-no, primero de la mano de la industria del espacio y, posteriormente, de la automoción había empezado.Estamos en el abecé de una nueva era energética, pero la lucha contra la contaminación de los combus-tibles fósiles y la democratización de la energía dependen de cómo se desarrolle la tecnología del hidró-geno como vector energético.

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Àcidosulfúrico

Electrolitzador

Batería de gas de William Grove(1842) que no se consideró que fuese

un ingenio práctico..

Célula deGrove(1839).

Otro factor importante para apostar por elhidrógeno es que se puede almacenar a alta pre-sión, mezclado con ciertos componentes comopor ejemplo fibras microscópicas de carbono yen estado líquido. El hidrógeno líquido a bajatemperatura es ideal para motores de combus-tión interna y podría ser un sustituto excelentepara los reactores de los aviones. En forma demetal hidruro es un combustible muy seguro yque no tiene resistencia eléctrica, esto lo haceser idóneo para el campo de la electrónica.

Los usos del hidrógeno

Anualmente, en el mundo ya se producenmás de 500 mil millones de metros cúbicos dehidrógeno (45 millones de toneladas) que sealmacenan, se transportan y se utilizan. Lamayor parte de este hidrógeno lo utiliza la in-dustria química para la obtención de productoscomo fertilizantes basados en amoníaco (un50%) y para a la hidrogenación de aceites or-gánicos comestibles. También se utiliza paraproducir el plástico prolipropileno (con el cualse elaboran entre otros tejidos, tuberías, etc.).Sin embargo, el interés del hidrógeno comocombustible empezó a tener importancia conla crisis del petróleo de 1973. La mayor partedel hidrógeno se obtiene de la reformación delgas natural con vapor, aún siendo barato, deja

como subproducto el dióxido de carbono. Laclave del hidrógeno es su producción con ener-gía solar ya que la Tierra recibe en 40 minutosla misma energía que consumimos en todo unaño. Saber interceptar la energía solar cuandohace Sol para almacenarla en hidrógeno es laclave del éxito para abandonar la economía fósily entrar en la economía del hidrógeno. La pri-mera planta de hidrógeno solar se inauguró el26 de setiembre de 1995 en El Segundo(California, EEUU). Se han hecho otros expe-rimentos; sólo hace falta empeñarse que conlos combustibles fósiles no hay futuro.

Fuentes de producción de hidrógeno

Una de las preguntas más importantes quenos podemos hacer es: ¿De dónde proviene elhidrógeno? El método con el que obtendremosel hidrógeno será una decisión críticaambientalmente hablando. Por ejemplo, si elhidrógeno proviene de la electrólisis del aguapuede comportar un gran derroche de energíaeléctrica. Si por el contrario se implanta la elec-trólisis gravitacional, la economía del hidróge-no podría ser un boom, como lo fue la tecnolo-gía del microchip para los ordenadores. Tam-bién se puede generar en una central térmicaquemando carbón o basuras. Aunque la cues-tión más importante es que la producción dehidrógeno contribuya a la reducción de las emi-siones de carbono.

La extracción de hidrógeno del metano delas basuras podría provocar un incremento demetales pesados, dioxinas y otros contaminan-tes y tóxicos para la atmósfera. Si la electrolisisse alimenta a partir de energías renovables,como por ejemplo placas solares,aerogeneradores o centrales minihidráulicas,entonces no se producirán emisiones a la at-mósfera. He aquí, pues, que el método que es-cojamos para obtener hidrógeno puede ser de-cisivo para el cambio del sistema energético.Un nuevo sistema energético que evite las emi-

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Célula de combustible de metanol que aprovechael hidrógeno de este líquido para producirelectricidad en una aplicación didáctica.

siones de dióxido de carbono y permita cum-plir con los compromisos internacionales delucha contra el cambio climático. La elecciónde la metodología a utilizar para obtener hi-drógeno se hará de acuerdo con el crecimientoo evolución de la industria de la pila de com-bustible.

Reformación de los hidrocarburos

En un término corto de tiempo, debido a laabundancia del gas natural, la disponibilidadde metanol y propano y la falta deinfraestructuras para producir hidrógeno gas,se espera que los hidrocarburos sean los com-bustibles provisionales dominantes para pro-ducir hidrógeno. Actualmente, con los combus-tibles fósiles ya se producen unos 40 millonesde toneladas de hidrógeno para fines comer-ciales. Esta producción mundial, aunque pa-rezca elevada, si se convirtiera en energía sóloaportarían un 1% de la demanda energética

mundial. Sin embargo, actualmente este hidró-geno se utiliza mayoritariamente en otros pro-cesos industriales.

El proceso más común de extracción de hi-drógeno es la reformación de hidrocarburos.Uno de los sistemas es la modificación del gasnatural, de fueles pesantes o del carbón convapor de agua a altas temperaturas y presiónelevada. En todos estos procesos se obtienengases de carbono que se liberan a la atmósfera.

En el último lustro del siglo XX se consi-guió extraer hidrógeno de los combustibles fó-siles, especialmente del gas natural, con unaeficiencia de casi el 100% en un proceso cono-cido como Kvaerner desarrollado en el 1994por la empresa noruega Kvaerner Engineering.La descomposición se produce en un arco deplasma de unos 1.600ºC sin generar ningún tipode emisión, aunque necesita de una abundantefuente de energía eléctrica. Sin embargo, en elcaso de Noruega, la electricidad se puede pro-ducir a bajo precio gracias a la energía hidráu-lica. Otros métodos experimentales utilizanvapor a una temperatura de 815 a 870ºC con laayuda de un catalizador de níquel. El CO

2 que

se produce se puede convertir en hidrógeno gra-cias al proceso conocido como adsorción depresión oscilante.

El desarrollo de las pilas de combustible hanhecho aparecer pequeños aparatosreformadores, especialmente, de gas natural ometanol para suministrar en un proceso conti-nuo hidrógeno a las células. Actualmente, to-davía no se comercializan, pero se incorporanen algunos modelos de pilas de combustible.Desgraciadamente, en los procesos convencio-nales de reformación de los hidrocarburos paraobtener hidrógeno continua produciéndose unaemisión de dióxido de carbono. El problemacon la reformación de hidrocarburos como porejemplo el gas natural o el carbón es que setrata de un proceso muy barato y competitivo.Sin embargo, estos métodos no permiten des-ligar nuestra dependencia de los combustibles

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El ciclo del hidrógeno generado con fuentes deenergía renovable en las cuales la producción dehidrógeno y su uso son parte de un ciclo limpio.

Almacén dehidrógeno

Célula decombustible

Energía + H20

Fotoelectrólisi

O2

H2

Panel fotovoltaico

fósiles y los problemas geostratégicos que com-portan.

El hidrógeno y las energíasrenovables.

Las energías renovables, especialmente laeólica y la solar fotovoltaica, que generan elec-tricidad de forma discontinua y que no siem-pre se puede almacenar o enviar a la red, tie-nen en el hidrógeno un vector para conservar-la. Por eso, el hidrógeno complementa muy bienlas limitaciones de la energía solar y viceversa,el elevado gasto de hidrolizar el agua tiene enla energía solar (fotovoltaica o eólica) una mag-nífica aliada. Por eso, podemos decir que laenergía solar y el hidrógeno son un binomiofundamental en el desarrollo de la economíadel hidrógeno solar. El hidrógeno y el Sol es-tán unidos desde los inicios de los tiempos. Elhidrógeno puede ser producido sin ningunaemisión de dióxido de carbono a partir de sis-temas renovables de energía. En este caso laenergía para disociar el agua en oxígeno e hi-drógeno, aún y ser elevada, la proporciona un

sistema que no contamina y puede ser muybarato en el futuro.

El oxígeno y el hidrógeno separados se utili-zan como combustible para obtener nuevamen-te electricidad a través de las células de com-bustible. La ventaja de las pilas de combustibleque funcionan directamente con hidrógeno gases que pueden ser útiles para almacenar el exce-so de energía eléctrica producida en momentosde mucho viento, o para usar de noche en luga-res con una fuerte radiación solar.

Un sistema que incorpore el hidrógeno apartir de fuentes renovables conjuntamente conuna pila de hidrógeno es un sistema cerrado,en el cual ninguno de los productos o reactivos(agua, hidrógeno y oxígeno) se escapan haciaambiente. El agua consumida por la “pila” setransforma en gases. A continuación los gasesvuelven a transformarse en agua. La energíaeléctrica producida por paneles solares es trans-ferida a energía química en forma de gases. Losgases pueden ser almacenados y transportados,para reconvertirse otra vez en electricidad cuan-do ésta sea necesaria.

Este sistema de producción de hidrógeno conenergía renovable es realmente sostenible,siempre y cuando se tenga energía solar, eólicao cualquier otra fuente renovable, para poderproducir la energía eléctrica allí dónde hagafalta y cuando sea necesaria.

Electrólisis del agua

La electrólisis alcalina del agua ha sido unmétodo tradicional desde hace más de 80 años,pero, en general, asociada a centrales de ener-gía hidráulica o geotérmica, a efecto del eleva-do coste energético que comporta. En estas úl-timas décadas, sólo un 0,2% de la producciónmundial de hidrógeno se hace separando agua.

La separación electrolítica consiste en dosreacciones parciales en dos electrodos sumer-gidos en un recipiente con agua, a la cual se le

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Annabaena variabilis donde se observa laproducción de nitrógeno en los heterocistos de lascélulas según estudios del Dr. Thomas Happe de laUniversidad de Bonn.

ha añadido un ácido o una sal. Cuando hace-mos pasar una corriente eléctrica, burbujas dehidrógeno suben por el cátodo mientras que eloxígeno se dirige al ánodo. Para poder mante-ner separados estos dos gases en el recipiente oelectrolizador hay un separador o diafragma,constituido de asbesto. La eficiencia de ésteproceso es, en grandes plantas, del 65 - 70%.Se calcula que se necesitan 94 kWh. para ge-nerar unos 300 m3 de hidrógeno gas para losque se necesitan 79 kWh. de energía.

Existen otros métodos para electrolizar elagua, como por ejemplo los que realizan convapor de agua a temperaturas de unos 1.000ºC.Las investigaciones en este sistema han podi-do comprobar una reducción del consumo eléc-trico respeto a la electrólisis convencional deun 30 - 45%. El corazón de este sistema es unelectrólito sólido de cerámica, hecho de óxidode circonio recubierto de electrodos porososcon un elevado nivel de conductividad para eloxígeno a altas temperaturas, que permite, quesin la necesidad de ácido o sal, tanto el hidró-geno como el oxígeno se dirijan cada uno deellos a su electrodo.

Finalmente, debe citarse la electrólisis concélulas de membrana (PEM) o la electrólisisde polímero sólido (SPE) en el cual el electrólitoes una membrana de hojas sólidas de un mate-rial parecido al teflón. La conversión de agua ahidrógeno con este método alcanza casi el100% de la eficiencia.

La electrólisis gravitacional

Esta tecnología ha sido desarrollada recien-temente por la empresa americana ElectroHydrogen Generator (EHG). Se caracteriza endescomponer el agua en un electrólito que hanpatentado, y someterla a un fuerte campo defuerzas inerciales. La menor cantidad de ener-gía que se necesita respeto a la hidrólisis tradi-cional del agua es porqué se aprovecha la fuentede calor generada por el propio campo inercial.

Esta compañía ha bautizado el proceso con elnombre de electrólisis gravitacional y aseguraque consigue una eficiencia entre el 86 al 98%en la extracción de hidrógeno del agua. Tal esla eficiencia, que el proceso de electrólisisgravitacional permite obtener un metro cúbicode agua, 3,5 m3 de hidrógeno y 2,2 megajuliosde electricidad por segundo. La producción deun metro cúbico de hidrógeno por el procesode EGH se valora en 0,0038 $ (alrededor delos 2$ por los métodos de electrólisis conven-cionales) y resulta entre 2,5 y 3 veces más ba-rato que el coste de producción y transportedel mismo volumen de gas natural. En otro or-den de medida, este proceso permite que de elhidrógeno extraído de un litro de agua se ob-tenga la misma energía que permitiría correrun coche con un litro de gasolina. En definiti-va, una tecnología emergente que puede revo-lucionar la economía del hidrógeno.

Métodos biológicos

Aunque todavía es un método muy experi-mental de obtención de energía conbioproducción de hidrógeno a partir demicroorganismos se perfila como una posibili-dad nada menospreciable. La producción bioló-gica de hidrógeno presenta algunas ventajasimportantes respeto a los métodos fotoeléctri-cos, químicos o termoquímicos. Para generar

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Célula alcalina de 12 kW. construida porInternational Fuel Cell (EUA) y utilizada en eltransbordador espacial desde principios de lossetenta.

hidrógeno con organismos fotosintéticos sólo esnecesario un simple reactor solar, como porejemplo un recipiente transparente. La baja efi-ciencia de la conversión biológica (un 7%) secompensa con los pequeños requerimientos ener-géticos. Por ejemplo, las algas cianobacterias,como la Spirulina, genera hidrógeno en condi-ciones anaeróbicas y de oscuridad. Otros orga-nismos como el cianobacterio Anabaenacylindrica genera hidrógeno y oxígeno en unaatmósfera de gas argón y en ausencia de nitró-geno. Con socas de Anabaena variabilis hupSLmodificadas genéticamente se ha conseguido queel encima nitrogenasa, responsable de reducir elnitrógeno a amonio, genere hasta cinco vecesmás de hidrógeno que la variedad silvestre. In-vestigaciones con la bacteria fotosintéticaRhodospirillum rubrum han permitido compro-bar que produce hidrógeno con el enzimahidrogenasa a partir del agua, e incluso con pre-sencia de oxígeno. Los experimentos que se hanhecho con una alga como la Chlamydomonasreinhardti demuestran que este organismo oxi-da el agua para liberar hidrógeno cuando en suhábitat natural rico en sulfuro estos disminuyen.Por otra parte, teniendo en cuenta que la pro-ducción de hidrógeno electrolizando el agua esmuy baja (alrededor de un 10% a un 12%), seabren muchas esperanzas a la producción bioló-gica a un bajo coste y a una gran facilidad. Estosmecanismos de producción de biohidrógenopueden ser más bien una nueva fuente para ob-tener hidrógeno combustible.

Otras fuentes

Ultimamente, hay investigaciones encami-nadas a extraer hidrógeno de dónde sea posi-ble a medida que este elemento se configuracomo un sustituto real de los hidrocarburos. Asíhay procesos experimentales muy recientes quedemuestran que moléculas simples derivadasde la biomasa, como por ejemplo la glucosa oel glicerol, se pueden romper en fase acuosa

para obtener hidrógeno con una eficiencia ra-zonable.

La producción de hidrógeno a partir de azú-cares y alcoholes en un reactor de fase acuosaes un proceso con el cual, utilizando como ca-talizador el platino, se obtienen temperaturasde 225 - 265ºC (si tenemos en cuenta que conlas tecnologías tradicionales se necesitan tem-peraturas de hasta 800ºC) y una presión de27,54 bares (así se evita la formación de vapo-res). El mecanismo de formación se basa en laruptura y reformación de los enlaces carbono-carbono y carbono-oxígeno, los cuales permi-ten crear diferentes partículas intermedias queproducen hidrógeno al reaccionar con el aguaen medio acuoso. Durante el proceso tambiénse forman hidrocarburos simples y dióxido decarbono.

La cantidad de hidrógeno gas que se formaen proporción con el producto inicial de la re-acción varía entre un 36 - 50% para la glucosay a un 51 - 75% para el glicerol. Aunque esnecesario pulir muchos detalles del proceso, lageneración de gas rico en hidrógeno a partir decarbohidratos extraídos de biomasa renovabley otros gases de las basuras podría ser comer-cialmente rentable.

Las células de combustible

Una célula de combustible es un sistemaquímico que recibe hidrógeno para transformar-lo en electricidad de manera indefinida, siem-

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O2

H2

O2

H2

Placabipolar

Placafinal

Electrodo demembrana

Canales para el gas

Unidad repetida

pre y cuando se le aporte hidrógeno en presen-cia de oxígeno, para generar energía y agua.Una célula de combustible es una estructurasencilla que consiste en tres capas adosadas.La primera capa es el ánodo, la segunda elelectrólito y la tercera el cátodo. El ánodo y elcátodo sirven de catalizador. La capa del me-dio hace la función de estructura de transporte,la cual absorbe el electrólito. El electrólito, quepuede ser líquido o sólido, es el que distinguelos diferentes tipos de pilas de combustible.Debido a que una célula genera un voltaje muybajo, se pueden conectar muchas células enserie para incrementar la cantidad de corrienteproducida. Al conjunto de células de combus-tible se les llama pila de combustible.

Generalmente, el combustible de dónde seextrae el voltaje es el hidrógeno ya sea enestado puro o bien previa transformación conun hidrocarburo rico en hidrógeno como elmetano. La descomposición de un hidrocar-buro generará agua y dióxido de carbono. Poresta razón el uso del hidrógeno como ener-gía limpia debe provenir de la descomposi-ción del agua. Una célula de combustible essilenciosa, eficientes y no genera sustanciascontaminantes.

Historia de las células decombustible

La primera célula de combusti-ble fue desarrollada por el científi-co inglés William Grove (1811-69)hacia el año 1839. El principio fuedescubierto accidentalmente, mien-tras hacía un experimento de elec-trólisis. Cuando desconectó la ba-tería de la electrólisis observó unacorriente que fluía en direcciónopuesta que consumía los gases dehidrógeno y oxígeno a la cual lla-mó “batería de gas”. Esta bateríade gas consistía en unos electrodos

de platino en un baño de ácido sulfúrico di-suelto. En el 1842 conectó diferentes vasos enserie para hacer una cadena de gas. Hizo servirla electricidad generada en la cadena de gaspara impulsar un electrolizador. Desgraciada-mente, la corrosión de los electrodos y la ines-tabilidad de los materiales hizo creer que lacélula de Grove no era práctica.

Casi un siglo más tarde el químico inglésFrancis Bacon volvió a investigar sobre lascélulas de combustible y hacia el 1950 pro-dujo la primera, pero utilizando un electrólitoalcalino como el hidróxido de potasio (KOH).El electrodo era un material sintético con pol-vo de níquel, el cual permitía que el gas encontacto con el electrodo pudiese estar en con-tacto con el electrólito acuoso al otro lado. Esteincremento en el área de contacto entre loselectrodos, los gases y el electrólito permitíamejorar la densidad de la célula de combusti-ble. Por otro lado, el níquel era más baratoque el platino.

En los años sesenta las misiones espacialesde la NASA impulsaron el desarrollo de unacélula de combustible para las misiones delApollo. Este ingenio tenía la ventaja, respectoa las baterías convencionales, por ofrecer másenergía en menor peso y, a parte de la electrici-dad, suministraba el agua necesaria para losastronautas. La nave del Apollo que aterrizó

Estructura de una célula de combustible PEM en bocadillo através de la cual fluye el hidrógeno y el oxígeno.

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MembranapolímeroCatalitzador Catalitzador

Ánodo Cátodo

Fuelusadoparareciclar

Fuel

Aire yvapordeagua

Agua oairerefrigerado + Calor

Oxígenodel aire

Electricdad(40 % - 60 % de eficiencia)

Detalle del funcionamiento de una célula PEM en la placadel electrodo para apreciar como fluyen los electrones.

en la Luna iba equipada con una pila de com-bustible de 1,5 kW., la cual a lo largo de las 18misiones del Apollo acumuló más de 10.000horas de funcionamiento sin ningún incidente.

En los setenta se perfeccionó esta tecnolo-gía y se desarrolló una pila de combustible de12 kW. alimentada con hidrógeno y oxígenolíquido, la cual se instaló en el transbordadorespacial demostrando su eficacia después de106 misiones y 82.000 horas de funcionamien-to. Las pilas de combustible alcalinas, aún ysus grandes ventajas de producción energéticaen poco peso, no son útiles en el medio terres-tre porqué el dióxido de carbono contamina elelectrólito y produce carbonato que reduce laconcentración del ion hidróxido en elelectrólito. Debido a la complejidad en el ais-lamiento del electrólito alcalino del dióxido decarbono se han tenido que utilizar nuevoselectrólitos no alcalinos.

Las pilas de combustible alcalinas (AFC)no son ideales para usos demasiado inten-sos ya que pierden un poco de voltaje en ra-zón de 15 a 50 mV. cada mil horas de fun-cionamiento.

Tipos de células decombustible

A diferencia de los motores decombustión interna en los cuales se-gún su tipología tenemos que esco-ger un combustible u otro, en las pi-las de combustible éste es siempre elmismo y el rendimiento y las carac-terísticas están determinadas por elelectrólito utilizado. Así, las diferen-tes tipologías de pilas de combusti-ble describen el electrólito que lasconstituye. Entonces, existen pilas decombustible de ácido fosfórico(PAFC), de carbonato fundido(MCFC), de óxido sólido (SOFC) yde electrólito de polímero de mem-

brana (PEM). Estas últimas son las que apor-tan las ventajas más grandes para las aplica-ciones domésticas e industriales, especialmen-te en el área del transporte.

Las células de polímero de membrana(PEM)

La primera célula de polímero de membra-na fue creada a principios de los sesenta porGeneral Electric (GE) a partir de los trabajosde los científicos Thomas Grubb y LeonardNiedrach. Se probaron para instalarlas en elprograma espacial Gemini. Sin embargo, porcausa de los problemas con la difusión del oxí-geno a través de la membrana sólo se instala-ron a las seis últimas misiones Gemini. Se tra-taba de una pila de combustible de 1.000 vatios.Sin embargo, las pilas PEM de GE tenían unagran limitación por la gran cantidad de platino

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Incertidumbres sobre las pilas de hidrógeno

1) La pila de hidrógeno deberá tener una aceptación en el mercado para tener éxito. Esta aceptacióndepende claramente del precio, la exactitud, la longevidad de la pila de hidrógeno y la accesibilidad alprecio del combustible. Comparado con el precio de las actuales alternativas, como por ejemplo laingeniería del diesel y las baterías, las pilas de hidrógeno son realmente caras. Para ser competitivas,las pilas de hidrógeno deben ser producidas con un bajo coste de material.2) Desarrollo de infraestructuras para el mercado. Actualmente no existen infraestructuras en ningúnsitio para este tipo de combustibles. Es por ello que nosotros debemos confiar en las actividades de lascompañías petroleras y de gas para que ellos las introduzcan. Sólo si los conductores son capaces deobtener el combustible a un precio razonable, serán desarrolladas unas nuevas aplicaciones para elmotor.3) Actualmente una gran nombre de inversiones en pilas de combustible y en la tecnología del hidró-geno provienen de las industrias automovilísticas. Cabe decir que, si las pilas de hidrógeno no sonnecesarias para la industria automovilística, serán necesarias nuevas inversiones para la aplicación dela pila de hidrógeno.4) Cambios en la política del gobierno podrán descarrilar el desarrollo de la pila de hidrógeno y de latecnología del hidrógeno. Las actuales leyes y regulaciones ambientales extremadamente rigurosas,como por ejemplo el Programa de Reducción de Emisiones de Vehículos en California, ha reforzadoeste campo. El incumplimiento de las leyes por parte de la industria ha sido un gran impulso para eldesarrollo de las estaciones generadoras de energía. Si estas leyes cambian, podría repercutir negativa-mente en el desarrollo.5) Actualmente el platino es el componente clave de la pila de hidrógeno. El platino es un recursonatural escaso; la mayoría de sus fuentes de dónde proviene están en Sur-África, Rusia y Canadá. Laescasez de platino no está prevista en el desarrollo de la pila de hidrógeno, aunque los cambios en laspolíticas del gobierno pueden afectar la fuente de estos elementos.

que necesitaban como catalizador en los elec-trodos.

En el 1983 el geofísico canadiense, GeoffreBallard, el químico Keith Prater y el ingenieroPaul Howard, fundaron la empresa BallardPower. La Ballard tomó una patente de la célu-la de combustible que había caducado y empe-zaron a investigar para mejorarla con el objeti-vo que fuese más potente y barata. Gracias aun contrato con el ejército canadiense, la Ballardpudo desarrollar una célula de combustible conmás densidad energética y con mucho menosplatino. A la misma vez, redujeron su tamaño.Actualmente, la Ballard Power es la empresalíder en la fabricación de pilas de combustiblePEM en un rango de potencia que va desde 1kW. para aplicaciones domésticas hasta a 250kW. para a usos comerciales e industriales. Unade las herramientas políticas que han contri-

buido a desarrollar las pilas de combustible hasido el Programa de Vehículos de Baja Emi-sión del Gobierno de California surgido a par-tir de la Ley del Aire de California. Este pro-grama establecía que a principios de 2003 el10% de los coches vendidos en California nopodían ser contaminantes (Zero EmissionsVehicles). Los coches eléctricos y con célulade hidrógeno eran los principales candidatos.

El funcionamiento de una célula decombustible de polímero de membrana

En una célula de combustible PEM se pro-ducen dos reacciones simultáneamente: unaoxidación (pérdida de electrones) en el ánodoy una reducción (ganancia de electrones) en elcátodo. Estas dos reacciones llevan a cabo unareacción de oxidación-reducción (redox) total

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Beneficios

1) Las pilas de hidrógeno son eficientes: ya que transforman el hidrógeno y el oxígeno directamente enelectricidad y agua sin ninguna combustión durante el proceso. La eficiencia del proceso se sitúa entreel 50 y el 60%, que equivale aproximadamente al doble de la eficiencia del motor de explosión.2) Las pilas de hidrógeno son limpias porqué no producen ninguna emisión, sólo la producción de aguapura. Al contrario que el motor de explosión, la pila de hidrógeno no emite ni dióxido de azufre (quecontribuye a la lluvia ácida), ni tampoco el óxido de nitrógeno (que contribuye a la creación del smog)ni ningún tipo de partícula contaminante.3) Las pilas de hidrógeno son muy silenciosas, ya que no tiene ningún mecanismo móvil, aunque tieneun sistema de bomba y ventilador, así pues la producción de electricidad es bastante silenciosa. Muchasinstalaciones, como por ejemplo los hoteles, pueden sustituir la ingeniería diesel por pilas de hidrógenocomo suplemento al poder energético o bien como reservas de energía en caso de apagón.4) Las pilas de combustible son modulares: esto es porqué las pilas de hidrógeno de diferentes tamañosse pueden colocar juntas para conseguir la cantidad de energía necesaria. Como se ha dicho antes, lapila de hidrógeno puede producir energía en un amplio margen desde pocos vatios a unos cuantosmegavatios.5) Las pilas de hidrógeno no son peligrosas para el medio ambiente: esto es porqué no produce produc-tos tóxicos, ya que el único desecho del proceso es el agua (o bien agua y dióxido de carbono en el casode las pilas de metanol).6) Las pilas de hidrógeno nos dan la oportunidad de poder obtener una gran cantidad de energía apartir de una fuente sostenible.

que permite la formación de agua a partir dehidrógeno y oxígeno en estado gaseoso.

Como si se tratase de un electrolizador, elánodo y el cátodo se encuentran separados porun electrólito, el cual permite a los iones sertransferidos de un lado hacia el otro. Elelectrólito de una célula PEM es un ácido sóli-do incorporado en una membrana (polímerosulfonatado). El electrólito ácido sólido se en-cuentra saturado de agua para así facilitar eltransporte de iones. Las células de combusti-ble PEM son sensibles a la contaminación pormonóxido de carbono, el cual hace perder efec-tividad al ánodo; por eso, para que la reacciónde hidrógeno con el oxígeno del aire se pro-duzca, éste se debe filtrar previamente. Actual-mente, el coste de una célula de combustiblees de unos 4.000 euros/kW. (como referencia,aproximadamente la energía eólica tiene uncoste de unos 1.000 euros/kW. mientras que laenergía solar fotovoltaica es de unos 6.000euros/kW.).

La química de una pila

Las reacciones que se llevan a cabo en elinterior de una pila de hidrógeno son:

Reacció d’oxidació: 2H2 →4H+ + 4e-

Reacció de reducció: O2+ 4e-+ 4H+ →H

2O

Reacció total: 2H2 + O

2 → 2H

2O

En el ánodo, las moléculas de hidrógenoentran en contacto con un catalizador de plati-no que se encuentra en la superficie del elec-trodo. Las moléculas de hidrógeno se rompeny se enlazan débilmente con el platino de lasuperficie del electrodo (H-Pt), iniciándose asíla reacción de oxidación. A continuación, elhidrógeno libera su único electrón, que viajarápor el circuito exterior de la pila hacia el cátodo.El resto de protones libres presentes en la su-perficie del electrodo se unen con el agua paraformar el ion hidronio (H3O+), que se despla-zará hacia el cátodo a través de la membrana(electrólito), dejando libre el catalizador de pla-

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Pila de combustible de 5,5 kW. de ProtonMotor Fuell Cell. Se puede apreciar los tubospor donde entra el hidrógeno y el oxígeno.

Pila de combustible Mark 902 de 4ª generaciónde Ballard Power Systems escalable de 10 kW.hasta 300 kW. Se puede apreciar los tubos pordonde entra el hidrógeno y el oxígeno.

tino para la próxima molécula de hidrógeno.En el cátodo, las moléculas de oxígeno en-

tran en contacto con el catalizador de platinoen la superficie del electrodo. Las moléculasde oxígeno se rompen formando enlaces débi-les de platino (O-Pt), iniciándose así la reac-ción de reducción. Cada oxígeno atómico selibera del platino para unirse con dos electro-nes (que han viajado a través del circuito exter-no) y dos protones (que han viajado a través dela membrana) para formar la molécula de agua.En este momento la reacción redox se ha com-pletado. El catalizador de platino en el electro-do del cátodo está libre para la próxima molé-cula de oxígeno.

Esta reacción es exotérmica, mediante laformación de agua a través del hidrógeno yel oxígeno en estado gaseoso, tiene unaentalpía de –286 kilojulios de energía por molde agua formado. La energía que se ha gene-rado es aprovechable para realizar trabajo yequivale aproximadamente a –237 kilojuliospor mol. Esta energía es en forma de electri-cidad y calor.

La Membrana Electrólita Polimérica(MEP)

El material utilizado como membrana oelectrólito de una pila de hidrógeno es un

polímero. Las MEP son generalmente produ-cidas en capas largas. La capa catalizadora delelectrodo es aplicada en las dos caras, y recor-tada según las dimensiones necesarias. Una solacapa de MEP tiene un grosor de 50 a 175micrómetros, aproximadamente igual al gro-sor de 2 a 7 hojas de papel.

El material más utilizado para elaborar lasMEP es el nafión. Este material fue desarrolla-do en el 1970 por Dupont. El nafión se obtienegenerando cambios al politetrafluoroetileno(PTFE), popularmente conocido como teflón,que es la base de la membrana. Estas modifi-caciones corresponden a cambios en el final dela cadena de teflón, a la cual se le añade un ionsulfúrico (HSO

3). Si observásemos esta molé-

cula veríamos un conjunto de cadenas alarga-das que tienen la propiedad de ser hidrofóbicas(es decir que repelen el agua) a la misma vezque tienen moléculas de sulfonados, que sonaltamente hidrófilas (que atraen el agua).

Para que la membrana sea realmente eficien-te en el transporte de iones, es necesario que elsulfonado de la molécula absorba gran canti-dad de agua. Gracias a estas regiones hidratadas,los iones de hidrógeno de los grupos del ácidosulfúrico pueden moverse libremente y otor-gan a la membrana la capacidad de transferir

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Una de las primeras células PEM de 5 kW.diseñadas por Ballard para hacer funcionar unautobús, actualmente en el museo de la NASA.Comparémosla con una de moderna (página 14).

los iones hidronio desde un lado al otro de lamembrana.

Pila directamente con metanol(DAFC)

Una pila de metanol también contiene unamembrana de MEP. Con el objeto de poderromper los enlaces de metanol en la reacciónde formación de dióxido de carbono, iones dehidrógeno y liberar electrones se añaden otrosmateriales al platino del ánodo. Así como su-cede en la pila de hidrógeno, los electrones li-bres circulan del ánodo hacia el cátodo por uncircuito externo y los protones son transferidosa través de la membrana electrolítica. En elcátodo los electrones libres, conjuntamente conlos protones o hidronios, reaccionan con eloxígeno para formar agua.

Las reacciones que se dan en el interior deuna pila de metanol son:

Reaccions d’oxidació:CH

3OH + H

2O → CO

2 + 6H+ + 6e-

Reaccions de reducció:3/2 O

2 + 6H+ + 6e- → 3H

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Reacció total:CH

3OH + 3/2 O

2 → CO

2 + 2 H

2O

Las células de combustible de ácidofosfórico (PAFC)

Aunque la experimentación con células decombustible con ácidos la hizo por primera vezWilliam Grove en el 1842, estas células conácidos no se consideraron una posibilidad ener-gética. Sin embargo, en el 1961 los investiga-dores G.V. Elmore y H.A. Tanner describieronsus acertados experimentos con un electrólitoformado en un 35% por ácido fosfórico. Lacrisis energética de los años setenta hizo quelos investigadores del Laboratorio Nacional deLos Álamos (EUA) probasen células con áci-do fosfórico. Se han instalado en autobuses con

pilas de combustible de unos 100 kW. Tienenel problema que primero se deben calentar ypor ello no son idóneas para vehículos priva-dos.

Uno de los inconvenientes para determina-dos usos, pero una ventaja para otros, es quelas células de ácido fosfórico operan a tempe-raturas de entre 160 y 220ºC y a la temperaturamás alta toleran perfectamente hasta un 1,5%de concentración de monóxido de carbono quese puede producir como consecuencia de loselectrodos. Normalmente, el hidrógeno parahacer funcionar la pila de combustible se ob-tiene de hidrocarburos y tiene una eficienciadel 40 al 50%, la cual se puede incrementarhasta el 80% cuando el calor disipado se utili-za en cogeneración. Las unidades experimen-tales que existen se utilizan con finalidadescomerciales con potencias superiores a los 200kW. Estas pilas de combustible son las que hantenido un éxito tecnológico más grande en apli-caciones comerciales y unidas a lacogeneración.

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El voltaje y la eficiencia de la pila

Si la pila de hidrógeno fuese totalmente perfecta para transferir la energía química en energíaeléctrica, el voltaje ideal que se obtendría a 25ºC y a 1 atmósfera de presión sería de 1,23 voltios.Debido a que la pila al funcionar se calienta y alcanza una temperatura de 80ºC, el voltaje máximoque puede llegar a producir es de 1,18 voltios. Aún y así, existen otros factores limitantes quetambién reducen el voltaje que puede producir la pila. Medir el voltaje de una pila es una buenaforma de valorar su eficiencia; cuando más bajo sea el voltaje, menor es la eficiencia eléctrica ymás energía química se necesita para la formación de agua y transferir el calor.

Principales pérdidas que contribuyen a la disminución del voltaje de la pila

1. Pérdidas por activación: debido a la energía necesaria para iniciar la reacción como consecuen-cia del catalizador. Lo más positivo del catalizador es la disminución de la energía de activaciónnecesaria para iniciar la reacción. Las formas de platino son excelentes catalizadores, aunqueexisten muchas investigaciones sobre materiales mejores. Un factor limitante para la potencianecesaria es la velocidad a la cual tienen lugar las reacciones. La reacción del cátodo (reduccióndel oxígeno) es aproximadamente 100 veces más lenta que la reacción del ánodo, entonces es lareacción del cátodo la que limita la obtención de energía.2. El cruzamiento de combustible y las corrientes internas: es debido al combustible que cruza elelectrólito, desde el ánodo hacia el cátodo sin liberar los electrones por el circuito externo, estehecho disminuye la eficiencia de la pila.3. Pérdidas por resistencia cómo consecuencia de combinar resistencias de diferentes componen-tes de la pila. Esto incluye la resistencia de los materiales que componen los electrodos, la resis-tencia de la membrana del electrólito y la resistencia de las diferentes interconexiones.4. Pérdidas de concentración (referido como «transporte de masa»): estas pérdidas son resultadode la reducción de la concentración del hidrógeno y el oxígeno en el electrodo; por ejemplo, alhacer una medida de la nueva concentración de gases cuando está inmediatamente disponible en elcatalizador. Con una gran cantidad de agua en el cátodo, particularmente con corrientes altas, elcatalizador se colapsa y restringe el acceso de oxígeno. Por eso es importante extraer este excesode agua a fin de incrementar el transporte.

Como en todas las células, los iones de hi-drógeno emigran a través del electrólito de áci-do fosfórico del ánodo hacia el cátodo. Los elec-trones generados en el ánodo viajan a través deun circuito externo aportando el poder eléctri-co a lo largo de este camino antes de llegar alcátodo. Un catalizador de platino acelera lasreacciones en los electrodos.

Célula de carbonato fundido (MCFC)

La principal ventaja de las células MCFC esque no necesita purificar el hidrógeno, debidoa las altas temperaturas a las que trabaja, entre

580 y 660ºC, la célula es insensible a la conta-minación por monóxido de carbono. Fueronestudiadas ya en los años treinta en Suiza porEmil Baur y H. Preis.

El electrólito es de una combinación de sa-les alcalinas carbonatadas de litio (Li

2CO

3) y

potasio (K2CO

3) las cuales conducen los iones

carbonatados (CO32-) del cátodo al ánodo. En

el ánodo de hidrógeno reacciona con los ionesy producen agua, CO

2 y electrones. Los elec-

trones viajan a través de un circuito externoaportando electricidad a lo largo de su caminohasta que no vuelven al cátodo. El oxígeno y elCO

2 se reciclan con los electrones del ánodo

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El poder energético de las pilas de combustible no ha parado decrecer. De izquierda a derecha una muestra evolutiva de losmodelos. El 1989 era de 100 vatios/litro de hidrógeno; el 1996 yaera de 1.100 vatios/litro y en la primavera de 2000 consiguió 1.300vatios/litro.

para formar iones CO32- los cuales vuelven a

llenar el electrólito y transfieren corriente ha-cia la célula de combustible. Pueden utilizarsecualquier tipo de combustible fósil como fuen-te de hidrógeno sin reformar, como por ejem-plo el gas natural, carbón gasificado, biogás ygas sintético.

La elevada temperatura a la cual trabajan lascélulas MCFC permite extraer el hidrógenoreformándolo tanto dentro como fuera. El ca-talizador más idóneo para estas células es elníquel, que es más barato que el platino. Laeficiencia energética se sitúa alrededor del 60%y el 80% con cogeneración. Hay una demos-tración operativa de 2 MW. en California y otrade 250 kW. en la base aérea de Miramar enSan Diego. El principal problema de esta tec-nología es que requiere compensar la reaccióndel cátodo inyectando CO

2 y es más complejo

trabajar con un electrólito líquido que no sóli-do. También se debe tener presente que los car-bonatos fundidos son muy corrosivos y difi-cultan su durada.

Célula de combustible de óxidosólido (SOFC)

Las células de combustible deóxido sólido se consideran unade las tecnologías más atractivaspara generar electricidad a partirde combustibles fósiles. Son sen-cillas, muy eficientes y toleranbien las impurezas e incluso, in-ternamente pueden extraer hidró-geno de los hidrocarburos. Porotra parte, el monóxido de car-bono, que en otros tipos de célu-las es un problema, en éstas esun combustible, este hecho lashace muy idóneas para utilizarcombustibles como el gasoil, al-cohol o carbono gasificado. Tam-poco necesitamos un compresor

para inyectar el aire (oxígeno) por los efectosde la alta temperatura. En cambio, tienen ladesventaja que necesita un tiempo para calen-tarse que además consume combustible y lashace poco interesantes para aplicaciones comolos vehículos de transporte, salvo que estos fun-cionen continuamente.

El electrólito es una cerámica hecha de unamezcla de óxido de circonio y óxido de calcioque forma un retículo cristalino. La temperatu-ra de trabajo es de 1.000ºC y ésto hace que losiones de oxígeno con carga negativa emigren através del retículo cristalino. Existen dos dise-ños de células SOFC: uno hecho con discoscerámicos planos y otro con forma de tubos.Cuando inyectamos el hidrógeno a través delánodo la corriente de cargas negativas de oxí-geno se mueve a través del electrólito y oxidael fuel. En el diseño tubular del cátodo, elelectrólito y el ánodo se encuentran dentro deltubo cerámico.

El electrólito sólido recubre las dos caras delque podría ser una especie de electrólito poro-so. En estas altas temperaturas los iones deoxígeno (de carga negativa) atraviesan la reji-lla cristalina. Cuando el fuel gasificado quecontiene hidrógeno pasa a través del ánodo, un

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Autobús de hidrógeno equipado con una célula decombustible de Proton Motor Fuel Cell. Entérminos de energía 9,5 kg de hidrógenoequivalen a 25 kg. de gasolina. Para almacenar 25kg de gasolina se necesita un depósito de un pesode 17 kg, mientras que los 9,5 kg necesita undepósito de 55 kg. El hidrógeno es 1,33 vecesmás eficiente que la gasolina y contiene 4 vecesmás energía por volumen que la gasolina.

flujo de cargas negativas de iones de oxígenoatraviesa el electrólito y oxida el fuel. La efi-ciencia es de un 60%, pero es recomendableaprovechar el vapor y producir electricidad enuna turbina para así incrementar la eficienciahasta el 80%.

El hecho de trabajar a esta elevada tempera-tura se puede utilizar cualquier combustiblefósil gaseoso sin tener que reformar, pero sedebe extraer el azufre. La contaminación queproduce con dióxido de carbono es pequeña.El hecho de que las pilas SOFC, al igual quelas MCFC, se puedan utilizar en sistemas decogeneración las hace muy atractivas para ins-talaciones comerciales e industriales. Las pilasde cerámica permiten diseños muy compactosy de fácil mantenimiento.

Las unidades hasta ahora construidas son depotencia superior a los 100 kW. con una efi-ciencia del 55%. Destaca un proyecto conjun-to de Siemens y Westinghouse con una plantade 1 MW. con cogeneración. Otras empresascomo la Global Thermoelectric trabajan conuna célula hecha de hojas cerámicas planas quepermiten trabajar a temperaturas de menos de800ºC. Sin embargo, esta tecnología todavíano es lo suficientemente madura.

Aplicaciones de las pilas decombustible

Una aplicación importante de las pilas decombustible son los sistemas de alimentaciónininterrumpida (SAI). Estos sistemas son muyidóneos para hospitales, empresas e incluso,para suministrar electricidad en caso de un corteen el flujo eléctrico. Así por ejemplo, una pilade combustible de 250 kW de potencia puedesuministrar energía a unos 50 hogares. Actual-mente, estas unidades incorporan un procesadorde gas natural que lo transforma en hidrógenoy libera dióxido de carbono. En un futuro cer-cano, las pilas de combustible podrán ser ali-mentadas directamente por hidrógeno sin ne-cesidad de un precursor fósil. Una aplicaciónmuy interesante son los sistemas de proteccióno SAI para los servidores informáticos. En es-tos momentos se comercializa una unidad de 1kW. Una vez más se debe advertir que las pilasde combustible deben de ir asociadas a equi-pos o instalaciones diseñadas para que sean lomás eficiente posible.

Estos sistemas pueden incorporar lacogeneración de calor a parte de la electrici-dad. Entonces, su eficiencia energética puedesobrepasar el 85%. Si comparamos estos inge-nios con las baterías convencionales debemosdestacar que las pilas de combustible contie-nen por unidad de volumen una densidad ener-gética de dos veces y media a la de una pila deion de litio o hasta de tres veces la de una bate-ría convencional de plomo-ácido. Si esta rela-ción la comparamos con la densidad de ener-gía respecto al peso, resulta que las pilas decombustible pesan 6 veces menos que una ba-tería de plomo-ácido. En otras palabras, queduran mucho más que una batería convencio-nal. Por otra parte, una pila de combustible su-ministra energía de manera ininterrumpidamientras se le aporte hidrógeno.

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Vehículo de hidrógeno de la casa Honda decido en el 2003 algobierno californiano para demostrar la viabilidad de estatecnología. Equipado con una pila de combustible Ballard de 78kW, una autonomía de 355 km y un depósito de 3,75 kg dehidrógeno a 350 bares.

El hidrógeno en los medios detransporte

Las pilas de combustible son una alternati-va segura, simple, silenciosa y no contaminan-te a la misma vez que económicas. Por eso seplantean como una alternativa viable para sus-tituir en los motores de combustión interna degasolina y diesel. Se ha comprobado que laspilas de combustible actuales aplicadas a losvehículos domésticos pueden tener una duradapara recorrer más de 400.000 km. o el equiva-lente a unas 10.000 horas o hasta un millón dekilómetros o 25.000 horas en autobuses, ca-miones, barcos y locomotoras. Así pues, encuanto a la durada, las pilas de combustible soncompetitivas y no tienen ningún problema. Sinembargo, estas pilas necesitan convertir la ener-gía eléctrica en energía mecánica, mientras queen los motores de combustión esta conversiónes directa. En contrapartida no necesitan man-tenimiento, son silenciosas, no emiten prácti-camente contaminantes y tienen una alta efi-ciencia, de hasta el 35%, mientras que la de losmotores de combustión interna no sobrepasael 25%.

El Programa de Vehículos deEmisión Cero promovido por elEstado de California establecióque a partir de 2003 un 10% delos automóviles fuesen de emi-sión cero (ZEV). Los vehículosequipados con pilas de combus-tible de hidrógeno cumplen estacondición. En el caso de los co-ches, por ejemplo, compañíascomo Daimler-Chrysler con elmodelo Necar o Honda con elFCX con pila de hidrógeno noemiten óxidos de nitrógeno,dióxido de azufre, monóxido decarbono o partículas típicas delos modelos con motor de com-bustión interna. En estos mo-

mentos hay diferentes modelos de autobusesequipados con pilas de combustible PEM queya se han empezado a introducir en diferentesciudades europeas.

Infraestructuras para el hidrógeno

Una de las claves para el desarrollo de laeconomía del hidrógeno es la disponibilidadde infraestructuras para el almacenamiento,transporte y distribución. Actualmente, prácti-camente en todo el planeta podemos hacer lle-gar combustibles fósiles ya sean en forma lí-quida o gaseosa. Así pues, el reto es si quere-mos invertir para renovar estas infraestructurasdel petróleo dentro de una economía obsoleta(o que en todo caso tiene una fecha de caduci-dad) por las del hidrógeno, las cuales represen-tan una nueva manera de entender la disponi-bilidad energética. La tecnología actual nospone al alcance de la mano el poder implantarel hidrógeno como vector energético. Sólo hacefalta comprender que posiblemente no habráun futuro saludable si no es con fuentes de ener-gías limpias.

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Célula de combustible de 250 kWh. alimentada congas natural en fase experimental instalada en Berlín,de la Ballard Power Systems. Una célula consume0,025 litros de hidrógeno por kWh. generado.

Sistemas de almacenamiento

El hidrógeno se puede almacenar en estadolíquido y gaseoso y también incluido en deter-minados metales en la forma química dehidruro.

Hidrógeno comprimido o presurizado(CL

2)

Hablamos de hidrógeno presurizado cuan-do se almacena a presiones más grandes de lascondiciones normales. Hoy, una de las formasmás habituales es con tanques hechos de fibrade carbono rodeados con una capa de aluminiopara soportar presiones de 700 bares (el airecomprimido se almacena a presiones de 300bares). Actualmente, hay hidrogeneros quepueden suministrar a presiones de entre 250 o400 bares y recargar los depósitos de un vehí-culo en menos de 4 minutos. Cuando hace fal-ta almacenar grandes cantidades de hidrógenose hace a presiones más bajas (unos 50 bares)en cavidades subterráneas. Este es el sistemamás económico para grandes cantidades demillones de Nm3 (acrónimos de metros cúbi-cos normales, es decir a temperatura de 0ºC yuna presión de 1 atmósfera).

Hidrógeno líquido

El hidrógeno líquido es la forma que pre-senta una densidad energética más alta en pro-porción al volumen, unas 800 veces más den-so que en estado gaseoso. La licuefacción seproduce a –235ºC. Es un sistema que requiereun importante gasto energético. Por eso se debeconservar en los llamados criotanques. Elcriotanque es un artefacto que parece más inte-resante para las aplicaciones móviles, ya quenecesita menos espacio. Sin embargo, tiene elproblema que presenta pérdidas por evapora-ción del orden de 0,4% en los tanques aisladosal vacío y del 1 al 2% en los tanques más gran-

des. Un autobús con una capacidad de energíaequivalente a unos 50 litros de gasolina o elequivalente a 450 kWh. necesita sólo de trestanques de 190 litros. Para recargar los depósi-tos con hidrógeno líquido no es necesario másde 15 minutos. Este sistema es el que puedetener más éxito a pesar de su elevado coste demantenimiento en criotanques. El prototipo devehículos de BMW 745h va equipado con unmotor de combustión interna que quema el hi-drógeno líquido. El resultado es un vehículoque con hidrógeno pueda recorrer unos 300 km.y con gasolina 650 km. y puede quemar tantogasolina como hidrógeno.

Almacenaje en hidruros metálicos

El hidrógeno tiene la propiedad de poderreaccionar con diferentes metales o compues-tos intermetálicos formando el compuesto co-nocido como hidruro. En esta forma quími-ca puede almacenar más hidrógeno por uni-dad de volumen que el hidrógeno líquido.Debido a que en condiciones idóneas de tem-peratura y presión esta reacción es reversi-ble, una determinada masa metálica puedeser cargada y descargada un nombre prácti-camente ilimitado de veces y, por lo tanto,se puede utilizar como depósito de almace-namiento sólido de hidrógeno.

Esta forma de almacenamiento tiene la

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Sistema SAI para ordenadores de 1 kW.alimentada con bombonas de hidrógeno ycomercializada con el nombre de AIRGEN.

ventaja que se puede hacer a bajas presiones(menores de 1,01 atmósferas) y que es unsistema muy seguro. En el caso de producir-se una pérdida inesperada de oxígeno, el sis-tema reacciona inhibiendo la liberación adi-cional de gas. Esta forma de conservar el hi-drógeno requiere un material absorbente quepuede ser del 7% del peso de hidrógeno to-tal. En general, se trata de un sistema pesadoy que no es interesante para aplicacionesmóviles. Se calcula que para disponer de unos30 Nm3 (1Nm3 equivale a 0,34 litros de ga-solina, es decir, el equivalente a 10 litros degasolina o 90 kWh.) el peso puede ser deentre 230 y 460 kg. y volúmenes de 60 a 90litros. Un sistema optimizado sólo permiteun almacenamiento de alrededor del 1,8% delpeso total.

El almacenamiento de hidrógeno en for-ma de hidruros es especialmente útil y con-veniente en sistemas energéticos aislados ycon la energía eléctrica se puede generar conel viento, el Sol o pequeñas centrales hidro-eléctricas. Las pilas de hidruro son un sis-tema típico de los submarinos.

Los nanotubos de carbono

Hoy, una de las tecnologías más prome-tedoras es la de los nanotubos de carbono yuno piensa que podría ser la forma de al-

macenar el hidrógeno en el futuro. El siste-ma, todavía en pruebas, se basa en el hechoque se puede almacenar el hidrógeno en tu-bos microscópicos, en nanotubos de carbo-no de poco más de un nanómetro de diáme-tro (0,000001 milímetros) hechos de estruc-turas de grafito. Este sistema puede permi-tir almacenar densidades del doble que lasque actualmente se obtienen en tanques conhidrógeno líquido.

Sistemas de transporte

Actualmente, hay tres tecnologías para ha-cer llegar el hidrógeno al usuario. En el mundoya hay diversas infraestructuras preparadas paradistribuir el hidrógeno ya sea como líquido ocomo gas comprimido.

El transporte del hidrógeno líquido (LH2)

Este sistema es el más utilizado para peque-ñas cantidades. Se utilizan camiones con tan-ques de 5.000 litros. El principal problema deeste tipo de transporte es que es rentable sóloen distancias medias a causa de la evaporaciónque sufre el hidrógeno líquido.

Transporte del hidrógeno comprimido(CGH

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El hidrógeno comprimido se transporta encamiones con tanques a una presión de 200bares con capacidades de 2.400 a 3.600 Nm3.Sin embargo, mientras que con un camión sepueden transportar hasta 30.000 kg. de gasoli-na (el equivalente a 399 MWh.) lo máximo quecoge de hidrógeno son 3.600 kg. (el equiva-lente a 120 MWh.).

Transporte a través de gasoductos

También se puede transportar a través degasoductos preparados para ello. Debido a que

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1 Las ideas de este apartado se inspiran en loscapítulos 8º y 9º del libro de Jeremy Riffkin Laeconomía del hidrógeno.

Comparación entre un incendio en un coche dehidrógeno en la izquierda y uno de gasolina en laderecha. Un minuto después del incendio en el dela izquierda el hidrógeno sale quemando y en elde la derecha la gasolina continua quemando. Alos 100 segundos en el coche de hidrógeno eldepósito está vacío y no se ha quemado, mientrasque el de gasolina se incinera.

el hidrógeno tiene una densidad menor que elgas natural, se puede bombear 3 veces más flu-jo que si fuese gas natural. En Alemania ya hay208 km. y 400 km. entre Francia y Bélgica.

Seguridad e información

Uno de los tópicos más extendidos es la pe-ligrosidad del hidrógeno y se cita la explosiónde 1937 del globo zepelín Hindenburg, que uti-lizaba hidrógeno como complemento del fuel,al aterrizar a Lakeshurst (EUA). Sin embargo,se sabe que la causa del incendio, en el cualmurieron 36 personas, no fue la explosión delhidrógeno sino un incendio de la tela del globopor una chispa de electricidad estática. A fina-les de los años veinte la Zeppelin Companypropuso mezclar 1 m3 de hidrógeno por cadakilo de fuel utilizado para producir más ener-gía y, por lo tanto, otorgar más velocidad a susaeronaves y así reducir la travesía atlántica a2,5 días. Sin embargo, este accidente fue ridí-culo si lo comparamos con el choque e incen-dio de dos Boeings 747 en el aeropuerto de LosRodeos (Tenerife) el 27 de marzo de 1977 quecausó la muerte de 583 pasajeros. Curiosamen-te, el accidente del Hindenburg traumatizó lasociedad de la época sobre el uso del hidróge-no (sin ser el causante, tal y como han demos-trado investigaciones actuales), cosa que no hapasado con el petróleo, aún y las tragedias quehan causado, algunas de las dantescas como elcitado accidente del aeropuerto de Tenerife.

Actualmente, tenemos bastante conocimien-to sobre el comportamiento de este gas comopara que se pueda manipular, almacenar y trans-portar con absoluta seguridad. En el peor delos casos un accidente de coche con hidrógenosólo causaría una liberación inofensiva de hi-drógeno a la atmósfera.

La economía del hidrógeno

Por primera vez en la historia de la humani-

dad tenemos en nuestro alcance una forma deenergía omnipresente. El tiempo que tardemosen conseguir este nuevo estado socioeconómicobasado en una fuente de energía democráticadependerá de la firmeza para emanciparnos delos combustibles fósiles y de abandonar lacreencia que el petróleo barato es todavía abun-dante. El hidrógeno puede llegar a ser tan ba-rato como lo son ahora los teléfonos móviles olos ordenadores personales. Tenemos una opor-tunidad única para dar un cambio radical a lacivilización humana.

Generación distribuida

La expresión generación distribuida hacereferencia a la existencia de un conjunto depequeñas instalaciones generadores de electri-cidad situadas cerca del usuario final y quepueden funcionar de manera autónoma y ali-mentar la red. Actualmente, la tecnología utili-zada en la generación distribuida son lasmicroturbinas de gas. Este sistema de librar laelectricidad no es demasiado apreciado por lasgrandes compañías que continúan ancoradasen el modelo de grandes centrales energéticas

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La estación de recarga solar de los autobuses de hidrógeno deBarcelona es un buen ejemplo de las posibilidades de lasenergías renovables.

alejadas de los grandes núcleos consumidoresy transportadas por una gran red de alta ten-sión. Este sistema centralizado tiene numero-sas pérdidas en el transporte y mantiene la oli-garquía de las grandes compañías.

Ahora bien, la dependencia de las fábricas yde la sociedad en general ha empezado a mos-trar que la única fórmula para hacer frente a loscortes de suministro eléctrico es integrar cen-tros productores dentro de la red y cercanos alconsumidor. Las pilas de combustible se perfi-lan como la tecnología más idónea a medio tér-mino. La mejora de la calidad del suministroeléctrico tiene cada vez más un mercado ma-yor. La liberalización del mercado eléctrico enenero del 2003 podría acelerar generación dis-tribuida. Las energías renovables y el hidróge-no pueden tener un papel importante. Lacogeneración, es decir, aprovechar la produc-ción de energía en forma de calor para fabricarelectricidad hace aumentar enormemente laeficiencia de los sistemas energéticos. Así,mientras una planta de ciclo combinado puedealcanzar el 50% de eficiencia, con cogeneraciónpodría llegar al 80%. Sólo hace falta instalar-las cerca de un sector industrial y de la pobla-ción que necesite calor en sus procesos. La plan-ta eléctrica de ciclo combina-do prevista en la desemboca-dura del Besós podría ser muyútil para suministrar agua ca-liente en el área metropolitanade Barcelona y a las fábricasdel sector. Desgraciadamente,se malgastarán millones dekWh. de energía aprovechableya que el diseño no incluye lacogeneración.

La red energética delhidrógeno

Las verdaderas revolucio-nes siempre van acompañadas

de tecnologías de la comunicación. La era in-dustrial fue posible gracias a la existencia de laimprenta. Actualmente, Internet i la World WideWeb podría ser el vehículo para promocionarla generación distribuida y las pilas de hidró-geno a una revolución en el sistema energéticomundial basado en la economía fósil y nuclear.La conexión de pequeñas centrales basadas enpilas de combustible i energía solar en vivien-das, oficinas o fábricas podría permitir crearuna red de producción suficiente para alimen-tar las necesidades de una ciudad o una áreametropolitana. La experiencia de Internet fun-cionando con millones de servidoresinterconectados podría ser un precedente paraaplicar esta filosofía al sistema energético mun-dial. En el desarrollo de Internet, de seguida sedemostró que era mucho más costoso tenersuperordenadores que no trabajar con una ba-tería de pequeños ordenadores, económicos yfáciles de mantener. Muchos ordenadores jun-tos hacían la faena con más precisión y efi-ciencia que no los macroordenadores. Así pues,la experiencia de Internet tiene un notable pa-ralelismo entre las megaplantas eléctricas ac-tuales y las posibilidades que dibujan las pilasde combustible. En el futuro miles de pilas de

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Reflexiones energéticas

La demanda media de carne de una familia de 4 personas propicia el consumo de 984 litros de combustiblesfósiles que cuando se queman liberan 2,25 toneladas adicionales de CO2, la misma cantidad que un cochedurante 6 meses de funcionamiento normal.Un barril de petróleo (158,9 litros) permite producir gasolina para conducir unos 300 km. con un coche detamaño medio, gasoil para recorrer 64 km. con un camión de gran tonelaje lleno y lubricante para elaborarmás de 1 litro de aceite sintético de motor.En el 1986 se necesitaban 16 g de platino por kilovatio producido, actualmente se necesitan sólo 1,6 g. Laproducción mundial de platino es de unas 160 toneladas (el 80% extraídas de Sudáfrica). ¿Cuánto platino senecesitaría si los 1.000 kWh./habitante/año de consumo en electricidad de los Catalanes se hiciesen con pilasde combustible?

La eficiencia de la célula de combustible

La membrana de intercambio protónico de un polímero, el nafión parecido al Gorotex utilizado para fabricarprendas de montaña y deportiva. El voltaje teórico que aportaría sería de 1,23 voltios (que es el voltaje mínimo paradescomponer el agua en la electrólisis). Actualmente, la máxima corriente por superficie es de 2 amperios/cm2. Enla práctica por cada célula se obtienen entre 0,6 y 0,9 voltios de corriente continua. Para obtener voltajes másgrandes es necesario conectar varias células. Debido a que la energía química se convierte directamente en electri-cidad, la eficiencia de una célula de combustible es de un 50%, mientras que un motor de combustión interna, elcual está sometido al principio de Carnot, no supera el 30% y normalmente se queda entre el 15 y el 20%.

Transporte de hidrógeno líquido criojénico. Estesistema es complejo y tiene pérdidas, demomento inevitables. Tanques destinado a loscohetes Arianne.

combustible podrían suministrar la misma elec-tricidad que una planta nuclear de 1.000 MW.

Se deben establecer nuevas reglas en el usoy el acceso a la red eléctrica. Nos podemosaprovechar del desarrollo de la informáticacomo herramienta de comunicación y gestión.Desgraciadamente, la experiencia de lacogeneración, que se puede considerar una ex-

periencia de generación distribuida, ha sidocapada con contundencia por los grandes mo-nopolios energéticos. Impedir la rentabilidadde la cogeneración es una tontería si tenemosen cuenta la inestabilidad del actual sistemabasado en una red tan compleja como la de laalta tensión, llena de pérdidas y con notableimpacto de contaminación electromagnética.

Otro factor que podría acelerar la genera-ción distribuida con hidrógeno es la introduc-ción del coche con pilas de combustible. En elmundo hay 750 millones de vehículos en lascarreteras que consumen el 20% de la energíaprimaria global y, lógicamente, son responsa-bles de cerca del 20% de las emisiones dedióxido de carbono a la atmósfera planetaria.Las pilas de hidrógeno no producen gases tóxi-cos y, debido a que un vehículo se pasa cercadel 90% del tiempo estacionado, en realidadtenemos una central eléctrica sobre ruedas conuna capacidad de generación de 20 kW.

La transición hacia los coches con pilas decombustible nos pone al alcance un ingentepotencial de producción energética ya que lo

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Barcelona apuesta por el hidrógeno

La ciudad de Barcelona participa juntamente con diferentes ciudades europeas del proyecto CUTE(Transportes Urbanos Limpios por Europa) el objetivo del cual es el desarrollo de autobuses alimen-tados con hidrógeno. Por ello, incorporará en otoño de 2003 tres autobuses de hidrógeno a su flotapara hacer las pruebas oportunas y descubrir la opinión de la ciudadanía. Sin embargo, esta apuestatiene como objetivo final conseguir un vehículo de transporte no contaminante, silencioso y de ener-gía limpia.Para el suministro de hidrógeno Transportes Metropolitanos de Barcelona (TMB) dispondrá de unaplanta fotovoltaica con la cual generará por hidrólisis del agua, hidrógeno para las pilas de combusti-ble que alimentarán los autobuses de hidrógeno. Esta será la primera estación de producción de hidró-geno en Europa que utilizará la energía fotovoltaica para su funcionamiento, la cual cuenta con laexperiencia internacional de la empresa BP Solar.La autonomía de los autobuses fabricados por Mercedes Benz será de entre 200 y 250 km. con unavelocidad máxima de 80 km./h y una capacidad para 70 pasajeros. Los autobuses con pila de combus-tible que alimenta un motor eléctrico es una alternativa a los vehículos eléctricos alimentados porbaterías convencionales porqué pesan menos y tienen mayor autonomía.La apuesta de Barcelona tiene un coste de 3,75 millones de euros y quiere disponer de 3 vehículos dehidrógeno en su flota. A la misma vez, conjuntamente con Madrid, Amsterdam, Estocolmo, Hamburgo,Sttutgart, Londres, Luxemburgo, Port y Reykjavic, se convertirá en una ciudad de referencia para latecnología del hidrógeno.

podemos conectar a la red eléctrica de casa ode la oficina mientras el vehículo está parado.Se calcula que crear la infraestructura necesa-ria para producir y distribuir el hidrógeno engrandes cantidades puede tener un coste supe-rior a los 100.000 millones de dólares. Aproxi-madamente igual al precio calculado de unaguerra como por ejemplo la de invadir Iraq.

Pero, hay otras alternativas para propiciaruna transición hacia el hidrógeno. Una posibi-lidad es que las pilas de combustible no se im-planten primero masivamente en los cochessino en las viviendas y las oficinas para produ-cir hidrógeno en momentos de bajo consumo.Sea como sea, tenemos en nuestras manos lasherramientas y los conceptos para hacer unagran revolución, como lo fue la introduccióndel vapor en el siglo XIX. La ventaja del hi-drógeno es que no comporta el riesgo ambien-tal del carbón o el resto de los combustiblesfósiles.

Cuando la humanidad se lo propone es ca-paz de batir sus propios récords. Debemos dar-nos cuenta que la economía de Internet se ha

creado en menos de 10 años. Es evidente quela experiencia de la World Wide Web ha de-mostrado que democratizar la información noestá exenta de peligros y que los grandes trustoshacen lo posible para segar la libertad de loscanales de la información. Una prueba de estoes la desaparición legal del intercambiador demúsica Napster. Pero, en esta batalla, tambiénhay el éxito creciente del sistema operativo desoftware libre Linux el cual demuestra que otromundo es posible. En todos los cambios haynubes oscuras y el paso hacia la economía delhidrógeno no será la excepción. Sin embargo,hace falta valorar la experiencia de las comu-nidades civiles como por ejemplo las CSO (Ci-vil Society Organizations) capaces de utilizarInternet para unir intereses de millones de per-sonas (con éxitos tan notables como abolir eluso de las minas antipersonas, defender losderechos de las mujeres o proteger el medioambiente). Internet es el escenario donde sedebe democratizar el uso racional de la ener-gía.

Ahora sólo hace falta tomar consciencia,

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El hidrógeno estelar hace de reservapara formar nuevas estrellas. Esta

fotografía de la nebulosa Águila (M16)a 7.000 años luz fotografiada por el

telescopio espacial Hubble nosmuestra que el universo tiene en el

hidrógeno su principal fuente deenergía. Una buena imagen para

inspirar el futuro de la economía delhidrógeno en la civilización humana.

apostar por la tecnología de las pilas de com-bustible y organizarse colectivamente para de-fender el derecho a generar electricidad de for-ma distribuida. A lo mejor todos estos concep-tos nos parecen utópicos. La economía del hi-drógeno y la implantación de una red energéti-ca descentralizada y democrática puede servirpara redistribuir los asentamientos humanosadaptándolos a la bioregiones y así favoreceruna convivencia más armónica con el entorno.“Entrelazar las comunidades humanas con lasbiocomunidades genera un nuevo y profundosentido de seguridad, inseparable de la salud yel bienestar de la Tierra. La creación de unaarquitectura económica y social que constitu-ya un microcosmos de la propia filosofía de laTierra abre un nuevo mundo lleno de posibili-dades de natura afirmativa y regeneradora paranuestra especie”.

El impacto ambiental del hidrógeno

En el futuro, si la economía del hidrógenose desarrolla a partir de la energía solar lasemisiones de este gas y del vapor de agua no

alterarán los ciclos y balances naturales. Estaes la principal ventaja de apostar por la tecno-logía del hidrógeno. Sin embargo, se debe con-siderar las alteraciones que se podrían produ-cir en el ciclo del agua.

Según los científicos, las emisiones de va-por de agua y de hidrógeno pueden ser máspequeñas que las que actualmente causan loscombustibles fósiles y la energía nuclear, debi-do a que puede representar sólo un 0,005% deltotal del ciclo del agua. Ahora bien, estos re-sultados no incluyen las aplicaciones que sepuedan hacer de la combustión del hidrógenoa la estratosfera por parte de aviones y la in-dustria espacial. La baja concentración de va-por de agua a niveles estratosféricos (a unos 11km., un espacio aéreo muy idóneo para consu-mir poco combustible y tener un vuelo tran-quilo) en caso de utilizar el hidrógeno en laaviación podría causar incrementos de la den-sidad de radiación solar de hasta 0,75 W./m2.Las emisiones futuras cuando alcancen nive-les de pérdidas del 2 al 3% serían de la mismamagnitud que las de combustión incompletade hidrocarburos.

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AM

BIEN

TAL

Hagamos hidrógeno

Si queremos contribuir a hacerposible la revolución de la economíadel hidrógeno nos hace falta tomarconsciencia de las posibilidades queofrece este vector energético. Experi-mentar con el hidrógeno desde laescuela es esencial. Las pilas de com-bustible son, actualmente, la mejortecnología para proveer el planeta deuna fuente de energía no contaminantey que puede contribuir a democratizarla sociedad del siglo XXI.

Electrólisis

A pesar de que el hidrógeno es el elementoque forma un 75% del Universo no acostumbraa estar en estado puro y libre. Una de las sustan-cias básicas donde se encuentra el hidrógeno esel agua. Así que el primer paso para descubrireste gas es provocar que se desprenda de estelíquido y se libere en forma de gas. El procesoque lo hace posible se llama electrólisis y fuedescubierto en el 1796 por el científico inglésCavendish. Por eso, el primer paso paraadentrarnos en el conocimiento de las posibili-dades del hidrógeno es tener la evidencia de esteelemento.

Para hacer este experimento necesitamos: unrecipiente de cristal, si puede ser un bote de la-boratorio de 400 a 1.00 ml. lleno de agua desti-lada, un poco de cable eléctrico, dos barras demetal, si puede ser de cobre, y una pila plana de6 voltios.

La separación del oxígeno se produce cuan-do sumergimos las dos barras de metal en el re-

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Ánodo: polo negativo de un electrodo.Cátodo: polo positivo de un electrodo.Célula de combustible: fuente de generación deenergía mediante la electroquímica.Cogeneración: producción de electricidad aprove-chando el vapor de agua que se necesita para de-terminados procesos industriales.Corriente alterna: electricidad en la cual la inten-sidad y la tensión varían de forma periódica.Corriente continua: electricidad en la cual la in-tensidad y la tensión se mantienen constantes.Electricidad: flujo de electrones en un circuito, ge-neralmente con un conductor metálico.Electrólito: sustancia que permite el intercambiode electrones entre sustancias en presencia de ener-gía eléctrica.Electrólisis: proceso químico por el cual haciendopasar corriente eléctrica a través de una soluciónse transfieren electrones hacia el electrodo positi-vo.

Electroquímico: sistema de conversión de la ener-gía química en energía eléctrica.Hidrógeno: elemento químico que contiene un pro-tón y un electrón.Ionización: proceso que hace perder o ganar elec-trones para formar iones positivos o negativos.Membrana: sustancia que permite el paso de unasustancia e impide el paso de otras.Oxidación: proceso químico que aporta electro-nes.Pila de combustible: conjunto de células de com-bustible unidas entre ellas para incrementar el vol-taje que se genera.Polímero: sustancia sintética o natural compuestade moléculas simples repetidas y enlazadas entreellas.Reducción: proceso químico que produce absor-ción de electrones.Voltaje: medida del potencial eléctrico en un cir-

Vocabulario básico

cipiente de agua y cada una de ellas las conecta-mos a los polos positivos y negativos respecti-vamente de la pila. Así que empieza a pasar laelectricidad podremos observar como se formanlas burbujas alrededor de la barra. En la barraque está conectada al polo negativo de la pila(que llamaremos cátodo) las burbujas que sehacen son hidrógeno y en la barra conectada alpolo positivo de la pila (el ánodo) las burbujasson de oxígeno. Haya aparatos de laboratorio enlos cuales podríamos recoger estas burbujas degas.

La electrólisis es el experimento contrario delque pasa en una célula de combustible donde seproduce la reacción inversa, la cual consiste eninyectar hidrógeno gas que se une al oxígenopara formar agua y desprender energía. Energíaque podemos aprovechar en forma de electrici-dad. En nuestro experimento de electrólisis lepodemos añadir entre el polo positivo de la pilay el ánodo una bombilla. Si después añadimossal de cocina al agua del recipiente descubrire-

mos que la bombilla se enciende. La sal disueltaes una mezcla de iones positivos (de sodio) ynegativos (de cloro) que hacen de transporte paraotras cargas. Este papel es el que definimos comoel del electrólito. La sal antes de disolverse en elagua no puede transferir cargas positivas ni ne-gativas porqué se trata de una sustancia cristali-na muy estable. Cuando la sal se disuelve puedetransferir electrones fácilmente y estos influyen,razón por la cual la bombilla se ilumina. En unacélula de combustible se produce electricidadque ioniza el hidrógeno y el oxígeno. La estruc-tura atómica del hidrógeno y el oxígeno cambiadebido al proceso de ionización, es decir, cuan-do se dispone de una sustancia que libera cargaspositivas y negativas, que es el que se vuelve enuna célula de combustible, es decir, que se creaelectricidad a través de un medio químico.

De hecho, este es el proceso que tiene lugaren el interior de una pila seca. En una célula decombustible, a diferencia de una pila seca, seproduce electricidad mientras suministramos la

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sustancia que lleva electrones. En cambio, enuna pila seca la reacción química que produceelectricidad se va agotando a medida que le ex-traemos los electrones porqué no hay la posibi-lidad de añadir un elemento que le aporte más.En una célula de combustible el electrólito per-mite viajar a los electrones mientras se los su-ministramos. Los electrones los aporta el hidró-geno gas cuando entra en contacto con elelectrólito.

Otra experiencia que podemos extraer delexperimento de la electrólisis y la ionización essustituir la barra de uno de los electrodos poruna de un metal diferente. Por ejemplo, mante-nemos el cobre en el cátodo y colocamos unabarra de níquel en el ánodo. Cuando el agua essalada y hacemos circular la electricidad de lapila observaremos que ésta viaja del ánodo alcátodo. El resultado es que podremos observaruna deposición de lunares metálicos que no sonnada más que iones de níquel que con gran can-tidad de energía recubriría todo el cobre. En laindustria este es el proceso de cromar los meta-les. Comprender bien estos procesos desde laexperimentación contribuye a comprender me-jor el funcionamiento de la pila de combustible.

Una visita obligada

En la cochera de autobuses de la Zona Fran-ca de Transportes Metropolitanos de Barcelona

se instalará una estación generadora de hidróge-no mediante hidrólisis del agua. La energía paragenerar el hidrógeno la suministrará una ins-talación de placas solares fotovoltaicas. Estaestación de hidrógeno constituye un recursopedagógico para comprender a la práctica elpotencial de la economía del hidrógeno. Elteléfono de Relaciones Externas de TMB esel 932 987 000.

Kits pedagógicos de hidrógeno

La Fundación Tierra comparte la visión queel futuro de la energía de la humanidad no pue-de ser sucio como el que nos ha traído durantemás de un siglo de petróleo. La clave del futuropasa por dos nuevos elementos que son limpioscomo es el silicio y el hidrógeno. El silicio cris-talino es la base de la captación de la energíasolar a través del efecto fotovoltaico. El hidró-geno es el mejor vector energético para generarelectricidad. Se debe experimentar el poder deesta combinación para entusiasmarse con la ener-gía del futuro. Sólo si tocamos el corazón de losniños con el hidrógeno, con experimentos, ju-gando, podremos pensar en un futuro menosnegro que el que tenemos siendo dependientesde los combustibles fósiles. Por eso, creemosfundamental la difusión de los kits pedagógicosexistentes en el mercado. Los kits de hidrógenoson como los “mecanos” con los que jugába-mos los niños de los sesenta. Por eso, desde latienda virtual Biohabitat de la Fundación Tierra(Teléfono 936 011 636) facilitamos la obtenciónde los kits pedagógicos de hidrógeno más inte-resantes.

Construction 30 d’EiTech

Esta maleta es un “mecano” que permite cons-truir 3 ingenios hechos de piezas metálicas. Unabicicleta, una noria y un juego de engranajes quese mueven por la fuerza del hidrógeno. La célu-la de combustible se alimenta una pequeña bom-

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Presentación del kit de coche para experimentarcon el hidrógeno solar de KOSMOS.

Detalle de la célula de combustible del cochecon el depósito de agua que con energíafotovoltaica se convierte en hidrógeno.

Kit de Eitech de la célula de combustible conla bombona de hidrógeno que acciona elmotor eléctrico que mueve el ciclista

ba de 0,045 litros de hidrógeno a una presión de0,5 bares que permite obtener 930 milivoltiosen una célula de combustible que proporcionade 0,4 a 1 voltio.

El principal interés de esta maleta es que apor-ta la necesidad de un montaje previo que obligaun cierto ingenio previo a la demostración delpotencial del hidrógeno como combustible. Lasimplicidad de todas las piezas hace mucho máscomprensible la sencillez de la pila de combus-tible. En realidad una pila de combustible demembrana protónica PEM no es otra cosa queun polímero encapsulado entre un ánodo y uncátodo. En este sentido, no estamos delante deun recurso vistoso, pero en contrapartida ilustralas piezas esenciales de una central eléctrica conhidrógeno. El único inconveniente es que la bom-bona de hidrógeno no se pueda recargar con elpropio kit.

El coche de hidrógeno de KOSMOS

El futuro nos puede dibujar un mundo en elcual vehículos, máquinas y otros aparatos se ali-menten con células de combustible de hidróge-no. El kit de experimentación de KOSMOS nosadelanta el futuro y lo convierte en una herra-mienta para aprender, para probar el mundo sincontaminación que impregne la tecnología del

hidrógeno solar que resume en un coche demetacrilato equipado con una célula de combus-tible reversible, es decir que puede generar laelectricidad necesaria para descomponer el aguay obtener el hidrógeno gracias a un panel solarfotovoltaico y almacenarlo en una bombona, quecuando no tengamos luz solar podamos dirigirhacia la célula de combustible y generar nueva-mente electricidad, para hacer funcionar el mo-tor eléctrico que mueve el coche.

Se trata de uno de los kits pedagógicos más

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Detalle del depósito de agua con los tubos querecogen el hidrógeno y el oxígeno que sirven paraproducir electricidad a la célula de combustible.

Detalle de la placa fotovoltaica con la cual segenera electricidad que sirve para recargar eltanque de hidrógeno del coche, con el cual, unavez lleno, a través de la célula de combustible sehace girar el motor eléctrico que mueve.

ingeniosos que nunca se han creado para apoyarel nacimiento de la era del hidrógeno. Sus crea-dores el Dr. Detlef Bahnemann (1953),Christopher Berge (1972) y Francisco Pujiula-Krüger (1961) con una célula de combustiblefabricada por NOVARS y el desarrollo de loslaboratorios de KOSMOS han conseguido unjuguete pedagógico que no necesita de ningunaotra energía que la luz del Sol para funcionar.

El kit nos propone 30 experimentos sencillospara tomar el pulso al potencial del hidrógenocomo vector energético. Por ejemplo, unos 10

minutos de luz solar permiten fabricar hidróge-no para hacer correr el vehículo unos 20 minu-tos.

Ya hemos comentado en esta monografía quela gran lucha por implantar esta fuente de ener-gía limpia se centra en el hecho de que el hidró-geno presente en el agua se extraiga con ener-gías renovables. El kit de KOSMOS es pues elparadigma de esta apuesta que debe permitir ala humanidad salir de la era oscura del petróleo.Una etapa que aún y haber permitido un enormeprogreso se ha cobrado un buen tributo en for-ma de contaminación, alteraciones globales yconflictos sociopolíticos que han dejado millo-nes de víctimas por todo el planeta.

Creemos que estos kits de hidrógeno se con-vierten en recursos muy idóneos porqué en laescuela se pueda debatir muchos de los aspec-tos que hemos apuntado.

• ¿Cuanto CO2 podríamos dejar de liberar por

cada coche con motor de combustión interna queretirásemos de las calles y carreteras?

• De los 1000 kWh./m2 que recibimos del Sollas placas fotovoltaicas con una eficiencia deentre el 10 y el 20% pueden suministrar en unos50 m2 de paneles fotovoltaicos el consumo eléc-trico medio de una familia (unos 4.500 kWh/año). ¿Tenemos suficiente tejado para captar laenergía solar y ser productores de electricidaden casa? La energía solar no consumida de díase podría almacenar con hidrógeno y producirelectricidad de noche. ¿No podríamos ahorrarmás energía en casa?

• ¿La producción de hidrógeno a partir deresiduos puede resultar una solución?

• ¿Podemos imaginar un futuro con hidróge-no como motores energéticos para una humani-dad más solidaria y respetuosa con el entorno?La tecnología nos pone la semilla para enamo-rarnos de un futuro más limpio. ¿Podemos pa-gar un poco más por cambiar por un mundomejor?

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Recursos, bibliografía e internet

Recursos i bibliografia

• BOCKRIS, John O’M, VEZIROGLU, Nejat; SMITH,Debbi. Hidrógeno solar: la energía limpia delfuturo. Santiago de Chile: Cuatro Vientos Edito-rial, 1994.• COOK, Brian. An introduction to fuel cells andhydrogen technology. Vancouver: Heliocentris,2001.• DALTON, Jim. National fuell cell educationprogram pilot project. Santa Barbara: Eco Soul,Inc, 2002.• DUNN, Seth. Hydrogen futures: towards asustainable energy system. Washington:Worldwatch Institute, 2001.• HOFFMANN, Peter. Tomorrow’s energy.Hydrogen, fuel cells, and the prospets for acleaner planet. London: The MIT Press, 2001.• RIFFKIN, Jeremy. La economía del hidrógeno.Barcelona: Paidós, 2002.

Internet

• http://biohabitat.terra.org kits asequibles para pro-ducir hidrógeno y mostrar el poder del hidrógenoen la escuela sin peligro.• http://www.aeh2.org ; web de la Asociación Es-pañola del Hidrógeno creada en el 2002.• http://www.hydrogen.org/index-e.html ; articulos,glosario, sumarios técnicos, base de datos, una bue-na herramienta a favor de la difusión del hidrógeno.• http://www.hynet.org : La Red europea temáticasobre el hidrógeno es una iniciativa de la UniónEuropea; contiene alguna publicación y una agen-da de eventos.• http://www.pacificsites.net/òdglaser/h2/*links.html ; una interesnate colección de enlaces adiferentes centros de interés sobre el hidrógeno.• http://www.h2fc.com/tech.html ; un buenrecopilatorio de documentos con las principales tec-nologías sobre las pilas de combustible.• http://www.bellona.no ; fundación noruega quedispone de un brillante informe sobre el hidrógeno.• http://www.energyshortage.com ; una página de-dicada al declivio de los recursos fósiles.• http://www.fuelcellpark.com ; un paseo por losdiferentes tipos de células de combustible, proyec-tos y otros temas relacionados.

• http://www.bp.com/centres/enery2002 ; datos so-bre el consumo de petróleo.• http://www.fuelcellstore.com ; venda de productosdomésticos relacionados con la tecnología del hidró-geno en los Estados Unidos.• http://www.fuelcells.org ; centro on line de infor-mación sobre las pilas de combustible con abundan-tes recursos para los profesores; probablemente, unode los espacios web más interesantes para consultar.• http://www.h-tec.com ; células de combustible dedemostración para actividades educativas.• http://www.generalhydrogen.com/html/links.html ;enlaces a compañías, publicaciones y asociacionesque divulgan el hidrógeno.• http://www.runningonempty.org/espanol.htm ; unapágina muy interesante para reflexionar sobre la cri-sis del petróleo.• http://directory.google.com/Top/Science/Technology/Energy/Hydrogen/ ; directorio web pro-puesto por el buscador google.• http://www.ehgtechnology.com/Conversion%20Table.htm ; tabla de conversión y equivalenciasde las diferentes medidas utilizadas en gases. A lamisma vez, esta empresa es la responsable de la tec-nología de la electrólisis gravitacional.• http://education.lanl.gov/RESOURCES/H2/education.html ; recursos educativos aportados por ellaboratorio Los Alamos de los Estados Unidos. Selec-ción de enlaces a otros materiales pedagógicos.• http://www.eren.doe.gov/hydrogen/basics.html ; es-pecialmente están relacionados algunos documentosdivulgativos en formato PDF sobre el hidrógeno.• http://www.dodfuelcell.com ; guia sobre los dife-rentes tipos de pilas de combustible.• http://americanhistory.si.edu/csr/fuelcells/index.htm; historia de las células de combustible.• http://www.alternergy.org/2/renewables/h y d r o g e n _ a n d _ f u e l _ c e l l s /hydrogen_and_fuel_cells.html ; documento que re-sume la tecnología del hidrógeno.• http://www.crest.org/hydrogen/index.html ; pione-ros en la divulgación de las energías renovables hayun buen documento informativos sobre el hidróge-no.• http://www.methanol.org ; tiene imágenes sobre losvehículos y desarrollos en hidrógeno que utilizanmetanol para el funcionamiento de la pila de com-bustible.