Hidrógeno y Celdas de Combustible
	Dr. Omar Solorza Feria
	Depto. Química, CINVESTAV-IPN., A. Postal 14-740
	07360 México, D.F.
	E-mail:
	Solorza Feria Omar

       Los daños a la salud y al medio ambiente se acentúan día a día en la ciudad de México y esta se debe a la contaminación atmosférica, por la generación de energía en los procesos industriales de transformación y en el autotransporte principalmente, Pocas personas reflexionan de cual es la fuente del suministro de nuestra energía eléctrica, a menos que este suministro de energía se vea interrumpido. El encender un foco en nuestro hogar o el conectar una computadora portátil o un proyector multimedia, es la etapa final de una serie de eventos que incluye la extracción del combustible fósil, petróleo o gas natural, el transportar el combustible crudo a alguna refinería para transformarlo en diferentes compuestos químicos, del cual una parte será transportado a las plantas generadoras de electricidad, donde la energía química del combustible será transformado a energía térmica; esta a energía mecánica y finalmente a energía eléctrica.
 

Petróleo, Industria,  Transporte,

      La electricidad es transportada por cables conductores hasta nuestros hogares o nuestra oficina, siendo nosotros los consumidores finales que la utilizamos para nuestra iluminación,  es decir donde la energía eléctrica es transformada en energía luminosa.
      La energía eléctrica en la mayoría de los casos no se puede almacenar, o se utiliza en el instante o se pierde. Requerimos de un sistema de respaldo eléctrico para mantenernos activos en nuestro quehacer cotidiano. El hidrógeno es la energía química renovable que podemos almacenar y transformar a energía eléctrica dónde y cuándo sea necesario. El hidrógeno posee el potencial para convertirse en un componente clave de los sistemas energéticos sostenibles y renovables del futuro. Con la expectativa de que el hidrógeno y las pilas de combustible puedan jugar un papel importante en la economía de la energía global, muchos gobiernos han asignado fondos para investigación, desarrollo y demostración del hidrógeno. Han creado programas y condiciones probables para soportar su utilización en la generación de energía en pilas o celdas de combustible, para ser utilizado como sistemas de respaldo en dispositivos electrónicos de transmisión, recepción y proyección de datos e imágenes.

       Todos los seres humanos que habitamos este planeta, tenemos derecho a una buena calidad de vida, que sea apta para el desarrollo humano y para que las actividades económicas, comerciales y productivas nos sean satisfactorias. Esta situación se puede lograr manteniendo un equilibrio entre la producción y el consumo de nuestras diferentes fuentes de energía. El ser humano, en el curso de su historia ha utilizado sucesivamente diferentes recursos energéticos. Al principio, y durante milenios, la energía solar fue la única fuente de energía disponible. Con el descubrimiento del fuego, la fuente de energía en forma de calor fue cubierta por la combustión de la madera. Los seres humanos para obtener energía mecánica, recurrían a su propia fuerza muscular y a la de los animales que domesticaban. En el siglo XVIII la madera fue remplazada progresivamente por el carbón que se impuso inicialmente como una fuente de energía térmica y posteriormente como una fuente de energía mecánica al inventarse la máquina de vapor. El carbón hizo posible la revolución industrial, su producción fue en aumento a lo largo del mismo siglo XIX, superando los mil millones de toneladas a inicios del siglo XX, situación por la cual el siglo XIX es considerado como el siglo de la máquina de vapor. El impulso en la extracción del petróleo se inició a principios del siglo XX. Una vez conocidas las condiciones de su utilización con los medios adecuados, sus evidentes ventajas respecto al carbón (mayor valor energético a peso igual, transporte y almacenamiento mucho más fáciles), dieron lugar a un crecimiento en su exploración y explotación. La transformación hacia la era de los combustibles fósiles ocurrió más rápido que cualquier otro cambio de fuente de energía en la historia de la humanidad; el siglo XX es considerado como el siglo de las máquinas de combustión interna. Hasta inicios del 2005 había alrededor de 520 millones de vehículos circulando en el mundo, 11 mil aviones comerciales de gran tamaño, 28 mil barcos y 1.2 millones de barcos de pesca, todos impulsados con derivados del petróleo. Con la generación de energía a partir de la quema de los combustibles fósiles, estamos heredando un planeta en situaciones catastróficas debido a la contaminación del aire, de los ríos, de los suelos, con un calentamiento global del planeta que ha traído como consecuencia sequías, huracanes e inundaciones en lugares impredecibles. Por cada átomo de carbono que extraemos del subsuelo y transformamos en su etapa final en energía, emitimos a la atmósfera una molécula de dióxido de carbono.

      Debemos reemplazar la quema de compuestos conteniendo carbono por un combustible limpio, generado de fuentes de energías renovables como la solar, eólica, hidroeléctrica, biomasa, de mareas, o de no renovables como la energía nuclear donde no se emiten gases contaminates a la atmósfera y cuyos desechos se confinan en sitios seguros. El hidrógeno puede ser considerado como una forma de almacenar las energías renovables, y ser generado en cualquier parte del planeta con los recursos disponibles y utilizado como un combustible en el hogar o en el transporte. El hidrógeno es la energía química renovable que podemos almacenar y transformar a energía eléctrica dónde y cuándo sea necesario. El hidrógeno posee el potencial para convertirse en un componente clave de los sistemas energéticos sostenibles y renovables del futuro. Los beneficios del hidrógeno lo convierten en un transportador de energía con amplias aplicaciones energéticas. La tendencia en este siglo XXI es la integración de una generación distribuida donde las empresas y las comunidades sean generadores y consumidores de su propio hidrógeno y su propia energía eléctrica, obtenida de la utilización del hidrógeno en las celdas de combustible.

 

Energía Eólitica
Energía a Hidrógeno
Celda de Combustible a Hidrógeno	Aplicación de celda a Hidrógeno
Energía Solar

La era de los combustibles fósiles

       Por mucho tiempo se pensó que el suministro de petróleo sería seguro e ilimitado. Sin embargo, existieron acontecimientos que transformaron ese suministro seguro de petróleo barato en un suministro inseguro de petróleo caro.
      La formación de la Organización de los Países Exportadores de Petróleo, OPEP, por parte de los gobiernos de los principales países productores de petróleo y la adquisición en propiedad de los campos petrolíferos de la mayoría de los gobiernos de sus propios  países. En la actualidad el petróleo ya escasea y deja de ser un combustible barato en los mercados mundiales. Conforme pasa el tiempo existen más geólogos especialistas que aseguran que la crisis petrolera se vislumbra en un futuro cercano, a no más de diez años. Algunos gobiernos de países desarrollados han considerado al hidrógeno como el combustible para impulsar sus políticas publicas, respondiendo a los cambios climáticos y a la incertidumbre sobre la seguridad energética asociados al precio y suministro de sus combustibles a largo plazo. Los combustibles fósiles cubren más del 85% de las necesidades energéticas mundiales: cerca del 40% corresponden al petróleo, el 22% al carbón y el 23% al gas natural. La energía nuclear y la hidroeléctrica aportan un 7% cada una, mientras que las energías renovables solar y eólica, así como la madera y residuos sólidos, representan alrededor del 1%. La producción de energía a partir de la quema de los combustibles fósiles, producen importantes emisiones de  gases contaminantes con la consecuente destrucción de la capa de ozono, el aumento de las temperaturas de la tierra, el deshielo de los casquetes polares, la lluvia ácida,  etc.

      Los recursos fósiles son finitos y su extinción puede estar más cercana de lo que nos imaginamos. La era del petróleo está terminando, y no es por falta de petróleo, de igual manera que la edad de piedra concluyó y no fue precisamente por falta de piedras. A la vista de las reservas disponibles y a las proyecciones, parece evidente que en el futuro harán falta fuentes alternas de energía si se tienen en cuenta las enormes necesidades de energía de países altamente poblados e industrializados. Se requiere de un nuevo régimen de energía cuya naturaleza y características difieran de los hidrocarburos. Las características que debe cumplir una nueva fuente de energía son: limpia, disponible y utilizable con alta eficiencia.

     Hemos provocado una descarbonización de nuestras fuentes de energía, es así como se conoce al cambio en la relación de átomos carbono-hidrógeno, que se ha ido modificando conforme se ha pasado de una fuente de energía a otra. De mayor a menor relación carbón-hidrógeno se encuentra la madera; carbón; petróleo; gas natural e hidrógeno. La descarbonización no significa solo la eliminación de átomos de carbono sino también la desmaterialización de la energía, se ha pasado de combustibles sólidos (madera y carbón) a combustibles líquidos (gasolina, diesel, etc.) y finalmente a combustibles gaseosos (metano, butano, etc.). En base a lo anterior, todo apunta a que un nuevo sistema energético esta iniciando: La era del hidrógeno como portador energético y combustible limpio y amigable con el medio ambiente.

Conociendo al hidrógeno

       El hidrógeno es el elemento más ligero de la naturaleza y el más abundante en el universo. Se considera que constituye el 75% de la masa del universo y forma el 90% de sus moléculas. El científico británico Herry Cavendish lo descubrió y en 1766 describió algunas de las cualidades del “aire inflamable”, a quien el químico francés Antoine Laurent Lavoisier le dió el nombre de hidrógeno en 1785. No existe en la tierra en forma natural sino combinado, por lo que para disponer de él, se requiere producirlo en ciertos procesos.

 

Propiedades básicas del hidrógeno
Gas incoloro, sin olor ni sabor
Densidad energética		120 kJ/g
Masa molecular		2.016
Punto de ebullición		-252.7 ºC
Lim. Inflamabilidad en aire		4 - 75 %
Punto de fusión		-259.2 ºC
Densidad		0.089 g/cm3
Temperatura crítica		-239.9 ºC
Temperatura de autoignición		580 ºC
Presión crítica		12.8 atm

                        
      El hidrógeno tiene el más alto contenido energético de todos los combustibles (120 kJ/g) siendo alta comparada con los 45.26 kJ/g de la gasolina y los 50.19 kJ/g del gas natural. Arde con llama casi invisible a la luz del día. Cerca del 10% del cuerpo humano consiste de hidrógeno. Después del Helio es el gas más difícil de licuar. Se encuentra también en la materia orgánica, en el gas natural, el petróleo y el carbón, de forma tal que al hidrógeno se le requiere invertir una cantidad de energía para producirlo a partir de ciertos procesos químicos o bioquímicos.
 
Producción y almacenamiento del hidrógeno

      Anualmente se producen alrededor de 45 millones de toneladas de hidrógeno a nivel mundial, con lo que se satisface  del orden del 1% de la demanda energética global y su utilización es principalmente en la industria manufacturera de productos químicos pero que ya esta siendo utilizado en vehículos de transportación terrestre, aéreo y marítimo, además de su utilización en quemadores y motores de combustión interna conocidos como vehículos con emisión de contaminantes cero. Alrededor del 80% de la producción de hidrógeno es mediante la Reformación Catalítica de Hidrocarburos, siendo este método de obtención el más económico y rentable. La metodología seguida para la obtención de hidrógeno por este proceso se resume en pocas líneas como una reacción del hidrocarburo con vapor de agua en presencia de un catalizador a alta temperatura, obteniéndose como resultado final una mezcla de hidrógeno y dióxido de carbono. El tratamiento o secuestración del dióxido de carbono es una tecnología avanzada pero todavía con problemas por resolver. Una mínima parte de hidrógeno, menos del 4%, se produce a nivel mundial por electrólisis del agua. La electrólisis es un proceso electroquímico conocido desde hace más de cien años donde se produce hidrógeno con la más alta pureza. Esta tecnología consiste en aplicar una corriente directa entre dos electrodos donde el hidrógeno se libera en el electrodo negativo (cátodo) y el oxígeno en el electrodo positivo (ánodo). Este proceso no está muy extendido debido a su costo relativamente alto para la obtención de hidrógeno. Es importante destacar que la electrólisis no es costeable por el alto costo  de la electricidad,  ya que muchos piensan que es debido a la baja eficiencia de los electrolizadores, los cuales alcanzan eficiencias energéticas  superiores al 80%, indicativo de la selectividad y pureza del hidrógeno producido. Otras fuentes de obtención de hidrógeno son los procesos termoquímicos de alta temperatura, de conversión térmica o biológica de la biomasa, organismos biológicos, la electrólisis en la industria cloro-alcali, la fotoelectrólisis y la disociación térmica del agua. Una de las espectativas en la generación de hidrógeno es a partir de la electrólisis del agua utilizando energías alternativas como la energía nuclear y las energías renovables como la energía solar y la del viento, de regiones con alta insolación y con períodos prolongados de viento como  en La Venta y Unión  Hidalgo, ambos  en el Istmo de Tehuantepec. La producción de hidrógeno a partir de las energías renovables permitirá almacenar esta energía como energía química para posteriormente transformarla en electricidad cuándo y dónde sea necesario, sin producir ninguna emisión de contaminates a la atmósfera.

       El utilizar al hidrógeno como un portador de energía se requiere que éste sea almacenado y transportado. La tecnología del almacenamiento del hidrógeno es evaluado en sistemas estacionarios y móviles. Actualmente el hidrógeno se almacena en forma gaseoso, comprimido dentro de contenedores a alta presión y en forma líquida en carros cisterna, en forma de hidruros metálicos almacenado por períodos de algunos meses, en sistemas con base en carbón y como hidruros químicos. Debido a su baja densidad y adsorción sobre metales, el almacenamiento de hidrógeno es un problema aún no resuelto en gran escala y diferentes tecnologías de almacenamiento se encuentran en desarrollo. En el mercado de los gases industriales, el hidrógeno se comercializa en cilindros de diferentes capacidades y con diferentes purezas, pudiendo ser de grado industrial ó de alta pureza.

Aplicaciones del hidrógeno

      El hidrógeno tiene aplicaciones principalmente industriales, para la producción de amoniaco, hidrogenación de aceites orgánicos comestibles y mantecas, síntesis de sorbitol, alcoholes, fibras sintéticas, etc. Se utiliza también en la industria llantera y electrónica, en la elaboración de cosméticos y en el hidrotratamiento de crudos pesados. Su utilización es importante en la fabricación de vidrio y acero, como gas en la elevación de globos meteorológicos, así como para la elaboración de herramientas de corte a alta velocidad y en el transporte terrestre, aéreo y marítimo.

      El hidrógeno como combustible puede usarse mediante su uso directo en un motor de combustión interna, una estufa, etc. o utilizarse en forma eficiente en una celda de combustible. Esta última opción es la que más llama la atención para una aplicación masiva del hidrógeno, debido a que las celdas de combustible ofrecen limpieza, versatilidad, capacidad modular y altas eficiencias en la transformación de la energía química del hidrógeno en energía eléctrica. La NASA inicio el desarrollo de las celdas de combustibles con aplicaciones para producir electricidad durante vuelos espaciales. A partir de los años ochenta, varios países como Estados Unidos, Canadá, Japón y otros de la Unión Europea impulsaron la investigación y el desarrollo de esta tecnología y como resultado, actualmente cientos de compañías por todo el mundo están comercializando las celdas de combustible, tanto en estaciones fijas como portátiles.

      La tecnología de las celdas de combustible ya está desarrollada y estos dispositivos convierten la energía química de un combustible en energía eléctrica. Existe una clasificación, la cual se muestra en la Tabla 1, de las celdas de combustible que usan diferentes oxidantes, electrolitos, electrocatalizadores, etc., pero el interés en el transporte está enfocado a la celda de combustible con membrana polimérica, que utiliza como combustible el hidrógeno, como oxidante el oxígeno del aire y como electrolito una membrana con conducción protónica. Una celda de combustible con membrana polimérica funciona en forma inversa a una celda de electrólisis. Simultáneamente a las reacciones electroquímicas para producir energía eléctrica se libera una gran cantidad de energía en forma de calor. Un vehículo con celda de combustible funcionando con hidrógeno tiene casi el doble de eficiencia que uno de combustión interna a base de gasolina. Debido a su gran potencial comercial existe, una impresionante lista de compañías automotrices que construyen vehículos a base de hidrógeno o de otro combustible como el metanol. Pero aún no se han resuelto todas las barreras técnicas en la ingeniería práctica del uso de las celdas de combustible, tanto estacionarias como vehiculares. Hay todavía obstáculos técnicos y económicos que deben ser superados como son la disminución de la cantidad de catalizadores base platino con alto desempeño utilizados como electrodos y la fabricación de membranas estables a altas temperaturas, además del desarrollo de una tecnología segura y efectiva.

      Existe una diversificación en las tecnologías sustentables en particular en el sector transporte. Los gobiernos pertenecientes a la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico, OCDE, han intensificado sus esfuerzos en investigación y desarrollo en hidrógeno y celdas de combustible.  Se están impulsando iniciativas con inversiones en Investigación y Desarrollo (I&D), de alrededor de mil millones de dólares por año, los cuales se encuentran distribuidas en tres áreas de la OCDE, Asia-Pacifico, Europa y América del Norte. Las celdas de combustible absorben más de la mitad de la inversión global y la diferencia se invierte en tecnologías para producir, almacenar, transportar y usar el hidrógeno, inclusive usado como combustible con aplicaciones diferentes a las celdas  de combustible como son las máquinas de combustión interna y en turbinas a gas.
La Economía del Hidrógeno o Sistema Económico del Hidrógeno es un término utilizado con el fin de describir un panorama diferente donde los problemas de contaminación sean resueltos y nuestras necesidades energéticas sean cubiertas en forma permanente y segura, sin dañar el ambiente. El sistema económico del hidrógeno es la visión que se tiene de la diversidad sobre la producción, almacenamiento, distribución y usos del hidrógeno como un portador energético. A través de proyectos de cooperación internacional existen grupos que trabajan en hidrógeno coordinados ya sea por la Agencia Internacional de Energía, IEA, la Asociación Internacional de la Economía del Hidrógeno, IPHE, además de la Partnership for Advancing the Transition to Hydrogen, PATH, del cual la Sociedad Mexicana del Hidrógeno, SMH, forma parte; existen también Plataformas Tecnológicas o por acuerdos bilaterales.
      Con la expectativa de  que el hidrógeno y las celdas de combustible puedan jugar un papel importante en la economía de la energía global, muchos gobiernos han asignado fondos para investigación, desarrollo y demostración del hidrógeno y han creado programas y condiciones probables para soportar su utilización en la generación de energía. México como país debe considerar prioritario y estratégico su desarrollo energético, además de tomar en cuenta que cada peso que invierte en investigación y desarrollo es un peso que se invierte en empleo y crecimiento, y por lo tanto, en su futuro. 

      Con el fin de mantener un medio ambiente sustentable debemos ser visionarios y plantearnos objetivos a largo plazo, considerando al hidrógeno como un combustible estratégico para la generación de energía de forma limpia y sustentable. Queremos empezar a plantearnos a donde vamos a llegar como país en 20 o 30 años a partir de ahora cuando los hidrocarburos se están acabando, pero llegar a tiempo y de manera eficiente en términos energéticos. Nos encontramos en la era de la Revolución del Hidrógeno, donde ya existen perspectivas en la generación, almacenamiento, distribución, proyectos demostrativos y aplicaciones del más sencillo de todos los elementos químicos. El hidrógeno, es el portador energético del siglo  XXI y el dominio y liderazgo de la generación distribuida corresponderá a la utilización del hidrógeno en las celdas de combustible.
 

Referencias

Tabla 1. Clasificación y características principales de los diferentes tipos de celdas de combustible.