Generación de hidrógeno verde a partir de fuentes de energía renovables

Jesús Leyva Ramos, Investigador DCS, IPICYT y Ma. Guadalupe Ortíz López, Profesora ITMA 

de la Universidad Politecnica de San luis Potosí.

“La generación de hidrógeno mediante energías renovables es una propuesta viable para resolver el problema de la generación de gases de efecto invernadero que agudizan el cambio climático. La energía del hidrógeno es limpia, flexible, y el hidrógeno puede ser almacenado y transportado a largas distancias”

En la actualidad se están padeciendo drásticos cambios en los sistemas climáticos y meteorológicos en nuestro planeta, debido a los gases de efecto invernadero. El dióxido de carbono en el medio ambiente ha aumentado considerablemente en los últimos dos siglos por la quema de combustibles fosiles, tales como petróleo, gas natural o carbón, por diversas actividades del ser humano.

Con el objetivo de disminuir los efectos del cambio climático, en diciembre 2015 se firmó el Acuerdo de París, un tratado internacional vinculante firmado por 96 países. Este acuerdo entró en vigor en noviembre de 2016 y que en la actualidad está formado por 193 países y la Unión Europea.  Entre las principales metas a lograr con este acuerdo se destacan el limitar el aumento medio de la temperatura global en dos grados centígrados respecto a la que se tenía antes de iniciar la etapa industrial, la cual se considera su inicio entre los años 1850 y 1900. Finalmente, se propone alcanzar la neutralidad climática del planeta para el año 2050, para lo cual las emisiones netas de gases de efecto invernadero deberán ser iguales o menores a las que se eliminan a través de la absorción natural del planeta.

Una de las principales acciones para alcanzar las metas propuestas contempla el uso de fuentes de energía renovable, tales como generadores eólicos y celdas fotovoltaicas, para la generación de energía eléctrica.  Sin embargo, debido a que existen equipos o procesos industriales en donde se requieren grandes cantidades de energía en los cuales esta alternativa no es la más adecuada de utilizar, como son los procesos térmicos de tratamiento de métales o los equipos de transporte pesado, se plantea como una opción viable la utilización del hidrógeno como combustible.  Esta elección se basa en que el hidrógeno posee un poder calorífico muy similar al del gas natural; por lo que, se puede reemplazar a este gas, pero sin sus efectos contaminantes.

No obstante que el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo; este no se encuentra normalmente de forma libre en nuestro planeta, generalmente forma parte de moléculas de diversas sustancias, entre las que destacan el agua (H2O) y metano (CH4).  Por esta razón es necesario dividirlas mediante el uso de otros tipos de energía tales como luz, calor, energía eléctrica y sus combinaciones.

Diferentes colores de hidrógeno según su obtención.

En base al método utilizado para la obtención del hidrógeno se habla de diversos colores, entre los que se encuentran:

Hidrógeno negro o café: El proceso utilizado para obtener este hidrógeno es el más contaminante de los existentes debido a que genera como subproducto el dioxido de carbono CO2 que se arroja directamente a la atmosfera. Este proceso se basa en la gasificación del carbón mineral de bajo rango al someterlo a una corriente de vapor de agua sobrecalentada a más de 800°C. A pesar del alto grado de contaminación que genera, actualmente el 20% de la generación mundial de hidrógeno se realiza por este método.

Hidrógeno gris:  Se obtiene a través de un proceso de vapor de agua y gas natural que se calientan juntos a aproximadamente 900°C sobre un catalizador de Niquel, de la cual se obtiene una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno, denominada Syngas.  Posteriormente este gas sintético se somete a una reacción que produce más cantidad de hidrógeno y como subproducto CO2, el cual finalmente es liberado a la atmosfera.  Se estima que aproximadamente el 60% de la producción mundial de hidrógeno utiliza este proceso.

Hidrógeno azul: Es el hidrógeno resultante en el cual todas las emisiones de CO2  se capturan en un sistema de utilización y almacenamiento de carbono dando como resultado que este método genere bajas emisiones.

Hidrógeno rosa: Este hidrógeno se produce por electrólisis del agua al aplicarle a esta energía eléctrica procedente de un reactor nuclear, y actualmente existe en uso comercial en Suecia.

Hidrógeno blanco: Se produce de forma natural en las capas de subsuelo de manera renovable en algunas regiones del planeta, almacenándose en yacimientos subterráneos. Su explotación está apenas en etapas iniciales, pero tiene como principal inconveniente la necesidad de su traslado a los lugares de consumo, lo cual es caro y peligroso.

Hidrógeno verde: Su proceso de producción está basado en la electrólisis, por medio de la cual el agua se separa en hidrógeno y oxígeno, al aplicarle electricidad proveniente de fuentes de energía alternativa tales como celdas fotovoltaicas o generadores eólicos. Este proceso se lleva a cabo con un electrolizador.

¿Qué es y cómo funciona 

un electrolizador?

Un electrolizador es una unidad en la cual se utiliza electricidad para separar el agua en hidrógeno y oxígeno.  Está formado por un ánodo y un cátodo separados por un electrólito, existiendo al momento cuatro tecnologías diferentes para su funcionamiento: electrolizador alcalino, electrolizador de membrana polimérica de intercambio de protones (PEMEL), electrolizador de oxido sólido y electrolizador de intercambio de aniones. Las dos primeros se encuentran disponibles comercialmente mientras que las dos últimas están aún bajo investigación.

El electrolizador con PEMEL que se utiliza para la producción de hidrógeno a pequeña escala, puede conectarse en serie para formar un electrolizador de múltiples celdas para un sistema a gran escala. Tiene como ventaja el manejo de una alta densidad de corriente y una respuesta rápida ante cambios dinámicos por su delgada membrana polimérica.  El agua reacciona en el ánodo formando oxígeno y iones de hidrógeno positivamente cargados (protones).  Los electrones fluyen a través de un circuito externo y los iones de hidrógeno se mueven a través de la membrana polimérica hacia el cátodo.  Al llegar a este, el hidrógeno se combina con los electrones del circuito externo y se obtiene gas. 

Para que el hidrógeno producido por medio de electrólisis realmente produzca cero emisiones de gases de efecto invernadero, su fuente de electricidad debe provenir de una fuente de energía renovable tal como el viento, el sol, el agua o la geotérmica.  Sin embargo, para que se adopten, sus costos deben ser competitivos con respecto a aquellos de tecnologías más maduras tales como las basados en el reformado de gas natural.  Para lograrlo los diferentes tipos de fuentes renovables deben combinarse para producir energía eléctrica sin intermitencias, y así evitar una de las características desfavorables de este tipo de tecnologías.

De manera convencional, en el proceso de electrólisis se utilizaba un voltaje de corriente alterna (CA) alimentado mediante un transformador reductor el cual es posteriormente rectificado para obtener corriente directa (CD) presentado una buena regulación del voltaje alimentado. Sin embargo, para que el hidrógeno realmente produzca cero emisiones de gases de efecto invernadero, su fuente de electricidad debe provenir de una fuente de energía renovable tal como el viento, el sol, el agua o la geotérmica. Para lograrlo, es necesario que  diferentes tipos de fuentes renovables se combinen en una microrred para producir energía eléctrica sin fluctuaciones, y así evitar una de las características desfavorables de este tipo de tecnologías. Esta característica es determinante en la vida útil de un electrolizador.

En el Laboratorio de Procesamiento Eficiente de la Energía del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, desde hace más de diez años, se ha estado trabajando con celdas de combustible para generación de energía eléctrica de CD, las cuales tienen como alimentación el hidrógeno.  En la actualidad se tiene un proyecto el cual tiene como objetivo desarrollar e implementar tanto esquemas de convertidores como de controladores capaces de proporcionar un voltaje regulado a un electrolizador que alimente de hidrógeno a una celda de combustible. 

Si te interesa saber más del tema, comunícate con los autores del texto a los siguientes correos: jleyva@ipicyt.edu.mx y guadalupe.ortiz@upslp.edu.mx 

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