Los seres humanos hemos almacenado la energía solar desde la primera revolución energética mediante las plantas, y ahora, en la tercera revolución energética, necesitamos urgentemente vectores de almacenamiento abundantes y baratos. El hidrógeno es uno de los más populares.

El hidr√≥geno verde permite almacenar energ√≠a capturada directamente del sol mediante celdas fotovoltaicas o del viento mediante turbinas e√≥licas. Como explicaba en un art√≠culo anterior, lo necesitamos para reducir las emisiones de CO‚āā.

Tenemos todo el hidrógeno que podamos imaginar en el agua del mar. Y obtenerlo sería realmente barato… si no existiese la ley más universal y básica de la física: la segunda ley de la termodinámica dice que conseguir energía concentrada es siempre difícil.

Romper el agua con electricidad

El hidr√≥geno verde, ¬Ņuna¬†quimera?
Esquema de un experimento para obtener hidr√≥geno utilizando una pila unida a dos l√°pices cuyas minas de grafito act√ļan como los electrodos. Author provided

Para conseguir hidr√≥geno, solo hace falta una pila de linterna, un par de cables y un par de l√°pices, como se ve en la figura que acompa√Īa a este p√°rrafo. Si en vez de una pila de linterna, tenemos una placa fotovoltaica o un molino de viento, podemos conseguir hidr√≥geno en cantidades industriales. ¬ŅD√≥nde est√° el problema?


Vinícola de Tomelloso

Es muy f√°cil combinar el hidr√≥geno y el ox√≠geno (quemar hidr√≥geno) para obtener energ√≠a: 33,33 kWh por kilogramo de hidr√≥geno. Es decir, la energ√≠a que precisa una cocina de 1 kW funcionando 33,33 horas, o la de un coche de 66 kW marchando a toda potencia una media hora.

Separar el hidrógeno del oxígeno (es decir, romper el agua) exige una energía similar, pero es muy difícil conseguir la rotura de la molécula de agua. Para lograrlo, las plantas hacen la fotosíntesis, uno de los procesos bioquímicos más complejos de la naturaleza. Y nosotros lo hacemos con electricidad.


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La electricidad en el agua provoca la rotura de la molécula de agua, pero solo en los electrodos (las minas de los lápices en nuestro experimento) y muy lentamente.

La velocidad te√≥rica de producci√≥n de hidr√≥geno en una cuba electrol√≠tica con unas l√°minas (c√°todo y √°nodo) de 1 m¬≤ de superficie y unos 2 000 A/m¬≤ de densidad de corriente introducidas en el agua es de 72 g/h. Por tanto, en 6 horas se producir√≠an 432 g o 14.4 kWh.

En el caso de utilizar energ√≠a solar, si consideramos una eficiencia del 100 % en la conversi√≥n de electricidad a hidr√≥geno y una producci√≥n de 1,2 kWh/m¬≤ en las 6 horas de sol que funciona una placa fotovoltaica de 1 m¬≤, necesitar√≠amos 12 placas para producir esos 432 g de hidr√≥geno verde.

Procesos actuales de producción de hidrógeno

Para producir hidrógeno, las moléculas de agua se disponen sobre la superficie de los catalizadores en los electrodos de un electrolizador o pila. Los catalizadores se componen de metales como el platino y óxidos de níquel. Las interacciones de los electrones de estos metales con las moléculas individuales de agua en esas superficies consiguen romper los fuertes enlaces entre el hidrógeno y el oxígeno.



Hay muchas investigaciones sobre muy diversos procesos y catalizadores posibles, pero son dos las tecnologías más empleadas en la actualidad y que con más probabilidad emplearemos hasta el 2050: las pilas o células alcalinas (de agua salada generalmente) y las pilas basada en una membrana polimérica (PEM) de intercambio de protones (hidrógeno ionizado) en un ambiente ácido.

Pilas alcalinas

El caso alcalino es el más barato, pues los catalizadores pueden ser de níquel o cobalto. Su eficiencia en la conversión de electricidad en hidrógeno sigue la curva en negro de la gráfica que sigue a estas líneas.


Lokinn

Si queremos eficiencias superiores al 50 %, necesitamos corrientes inferiores 2 000 amperios por metro cuadrado (A/m¬≤). Puesto que las mayores eficiencias implican menores corrientes en los electrodos, una mayor eficiencia implica una velocidad de producci√≥n menor.

Seg√ļn una f√≥rmula de Faraday, la velocidad de producci√≥n de hidr√≥geno (en moles) es igual a la corriente el√©ctrica por metro cuadrado de placa catalizadora, multiplicada por la superficie de la placa en metros cuadrados, y dividida por dos por la constante de Faraday. Es el c√°lculo necesario para calcular la productividad en moles por segundo.



El equilibrio entre eficiencia y productividad se alcanza para 1 950 A/m¬≤ con una eficiencia de alrededor del 52 %.

Pilas de membrana polimérica

En el caso de la membrana polim√©rica, el medio donde est√°n los electrodos es √°cido, y los catalizadores deben ser por tanto metales nobles, que resistan los √°cidos, y m√°s caros, como el platino, el iridio y el titanio. En este caso el rendimiento est√°ndar es del 60 %.



Recientemente se ha propuesto otra tecnolog√≠a: la electr√≥lisis de alto rendimiento, un sistema capilar cuyos descubridores dicen que puede llegar al 90 % de rendimiento, pero est√° en fase de laboratorio, lejos a√ļn del uso industrial.

¬ŅCu√°nta energ√≠a solar necesitamos?

Una placa fotovoltaica de un metro cuadrado produce m√°s o menos 5 amperios a unos 40 voltios, es decir, una potencia de 0.2 kW por hora. En 6 horas produce 1.2 kWh. Si transformamos el voltaje a 1.30 voltios (el m√≠nimo para la electr√≥lisis), la corriente sube a 153 amperios. Las 12 placas fotovoltaicas de un metro cuadrado mencionadas arriba generar√≠an 1 950 A/m¬≤. Esto, en teor√≠a.

Si vamos al laboratorio, un trabajo muy concienzudo, y representativo de otros muchos, fue realizado por G√ľl y Aky√ľz de la Universidad de Balikesir (Turqu√≠a) en 2020. En su estudio obtuvieron 4,5 kg de hidr√≥geno al a√Īo utilizando dos placas fotovoltaicas de 0,2 kw de potencia cada una. A lo largo del a√Īo la energ√≠a el√©ctrica producida por las placas fue de 557 kWh, bastante menor que la energ√≠a posible si las placas hubiesen funcionado con 0,2 kw 6 horas al d√≠a 365 d√≠as al a√Īo. Los 4,5 kg de H‚āā servir√≠an para producir 150 kWh de energ√≠a. El rendimiento en el laboratorio es as√≠ del 27 %, m√°s o menos la mitad del rendimiento te√≥rico.

Este rendimiento se podrá mejorar, pero poco, pues los catalizadores son los que son, y los procesos tanto fotovoltaicos como de electrolisis son complejos. Los procesos industriales son siempre muchísimo menos eficientes que los realizados en el laboratorio y, por tanto, que los procesos teóricos. La realidad no es nunca ideal.

En cuanto a los precios, oscilan en la actualidad entre los 2 y los 5 euros por kg de hidrógeno bajo electrolisis. El precio del kWh obtenido del hidrógeno es de 0.06 euros, mientras que el de la gasolina o el gasóleo a la salida de la refinería es de 0.03 euros. Si el coste del hidrógeno bajase a 1 euro por kg, su precio equivaldría al de la gasolina.

En Espa√Īa, por ejemplo, empleamos anualmente 400 TWh de energ√≠a para el transporte. Esto equivale a 12 000 millones de kg de hidr√≥geno, para lo que se necesitar√≠an 5 300 millones de placas en el caso de un rendimiento del 27 %, o 2 650 millones en el caso de un 54 % de rendimiento. Es decir, 2 650 km¬≤ de placas. Recordemos que la comunidad aut√≥noma de La Rioja tiene 5 000 km¬≤.

Espa√Īa tiene una superficie de unos 500 000 km¬≤. Una gran proporci√≥n de esta superficie son terrenos des√©rticos o casi des√©rticos. Instalar todas esas placas es factible. Lo que se necesita es la decisi√≥n empresarial y pol√≠tica para hacerlo, con plazos concretos, cr√©ditos y garant√≠as judiciales sobre las ganancias de las inversiones para conseguirlo.

De momento todo es a√ļn ut√≥pico. Pero no tenemos tiempo para dejar las cosas para m√°s adelante. Nos jugamos, no nuestra vida, pero si nuestra forma de vida, nuestra cultura.

Antonio Ruiz de Elvira Serra, Catedrático de Física Aplicada, Universidad de Alcalá

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