El hidrógeno verde, un acumulador energético para catapultar las renovables

Julio Verne escribió en La isla misteriosa (1874): “Creo que un día se empleará el agua como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizados aislada o simultáneamente, proporcionarán una fuente de calor y de luz inagotable”. El fascinante pronóstico de Verne en el siglo XIX sobre el futuro del hidrógeno es una realidad en el siglo XXI.

El hidrógeno, el elemento más abundante del universo, es clave para potenciar la transición hacia un modelo energético impulsado por fuentes de energía renovables. Ofrece una gran ventaja: permite almacenar energía limpia, con gran densidad energética, para usarla de forma controlada. Y puede ser fundamental para descarbonizar el sector energético, parte del sector industrial y el transporte, tres de los mayores emisores de gases de efecto invernadero.

Pero el hidrógeno se enfrenta a retos importantes: producirlo de forma limpia y barata, almacenarlo de forma segura y eficiente, lograr una red segura para transportarlo y distribuirlo y desarrollar dispositivos eficientes que convierten la energía química del hidrógeno en electricidad como las pilas de combustible.

Las energías renovables, como la solar, la eólica y la hidráulica, son la base para conseguir un nuevo modelo energético con menos emisiones contaminantes. “Pero tienen un inconveniente importante: son intermitentes y fluctúan, por lo que es imprescindible acumularlas durante los excedentes de producción para poder usarlas de forma controlada”, indica la investigadora María Retuerto, del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC. El hidrógeno ofrece una solución.

El hidrógeno no es una fuente de energía, sino un vector energético, es decir, es un medio que permite almacenar energía que ha sido producida por fuentes primarias de energía y liberarla cuando y donde se demande. Puede obtenerse a partir de cualquier tipo de energía primaria y si esta energía es renovable, entonces el hidrógeno producido será igualmente renovable. Básicamente, ese elemento se consigue mediante electricidad y agua. “El hidrógeno verde se produce principalmente mediante electrólisis: se usa la energía eléctrica para disociar o separar la molécula de agua en oxígeno e hidrógeno”, detalla Retuerto. “Y la energía eléctrica se queda acumulada como energía química en la molécula de hidrógeno, que se puede almacenar y usar de forma controlada”.

Por tanto, la clave de su sostenibilidad radica en el modo en que se haya producido el hidrógeno. Si se produce a partir de combustibles fósiles (petróleo, carbón, gas natural), genera emisiones contaminantes (parte del CO₂ producido se puede capturar y almacenar para reducir su impacto); pero si se genera a partir de fuentes renovables (solar, eólica, hidráulica), da lugar al denominado hidrógeno verde, es decir, limpio.

El problema es que la mayoría del hidrógeno que se obtiene actualmente procede de combustibles fósiles porque hasta hora es la forma más eficiente y económica de generarlo. Esto supone unos 900 millones de toneladas de CO₂ en emisiones en todo el mundo, según datos de la Agencia Internacional de la Energía. La tecnología para producir hidrógeno verde y para utilizarlo en pilas de combustible es muy incipiente y se necesita más investigación para alcanzar todo su potencial, tal como constata el Libro Blanco del CSIC sobre Energía limpia, segura y eficiente.

En el CSIC, varios equipos estudian nuevos procesos para obtener hidrógeno verde más eficiente y asequible, para convertirlo en energía mediante pilas de combustible, y para que genere productos químicos verdes. “El hidrógeno verde es la mejor manera de almacenar la energía de fuentes renovables”, según Retuerto. “Y se puede aplicar en muchos sectores”, precisa. Se puede usar para volver a producir electricidad mediante una pila de combustible (similar a una batería); se puede introducir en la red de gas natural para reducir la emisión de gases de efecto invernadero; se puede utilizar en la industria para obtener productos químicos verdes, como amoníaco y fertilizantes, y biocombustibles; y se puede usar como combustible en la producción industrial.

Electrolizadores y pilas de combustible

La electrólisis es el proceso idóneo para obtener grandes cantidades de hidrógeno verde de forma eficiente. Los electrolizadores son dispositivos que utilizan electricidad para separar las moléculas de hidrógeno y oxígeno del agua, y para conseguir así hidrógeno sin emisiones contaminantes. Existen diferentes tecnologías electrolíticas, cada una con sus ventajas e inconvenientes. Principalmente, se dividen en cuatro tipos más o menos desarrollados a nivel industrial: electrólisis alcalina convencional, electrólisis de membrana polimérica protónica, electrólisis de membrana polimérica de intercambio aniónico y electrólisis de estado sólido.

El equipo de María Retuerto y Sergio Rojas estudia la electrólisis de membrana polimérica protónica, que es la más idónea para acumular las fluctuaciones de energía renovable. Sin embargo, esta tecnología conlleva la utilización de materiales críticos, lo que encarece el proceso. El grupo estudia la sustitución de dichos materiales por otros más abundantes y baratos, sin comprometer la eficiencia del sistema, lo que es fundamental para la implementación global de esta tecnología.

María Retuerto

La investigadora María Retuerto, del ICP, estudia cómo mejorar la electrólisis en la obtención de hidrógeno. / Gema de la Asunción

La electrólisis de baja temperatura es el proceso que utilizan los investigadores del Instituto de Carboquímica (ICB) del CSIC para obtener hidrógeno verde de forma eficiente. Desarrollan nuevos materiales para los electrolizadores, dispositivos que utilizan electricidad para separar las moléculas de hidrógeno y oxígeno del agua, y para conseguir así hidrógeno sin emisiones contaminantes. “Desarrollamos un electrolizador de agua de baja temperatura con membrana polimérica de intercambio aniónico (AEM) para la producción de hidrógeno incorporando nuevos electrodos basados en metales más baratos y que están más disponibles en la naturaleza que metales que se usan en catalizadores comerciales”, explica María Jesús Lázaro, investigadora del ICB y responsable del proyecto.

La tecnología de electrólisis del agua mediante membrana polimérica combina las ventajas de la electrólisis líquida, que separa hidrógeno y oxígeno con un mantenimiento sencillo y sin usar metales nobles; y las ventajas de la electrólisis de membrana protónica, que genera el hidrógeno de forma muy pura (más del 99%). Los dos tipos de electrólisis tienen sus inconvenientes. La líquida pierde producción energética debido la baja densidad de la corriente que separa los componentes y la de membrana protónica emplea metales nobles en los electrodos, por lo que estos son muy costosos.

La tecnología de electrólisis del agua de baja temperatura que utiliza membranas poliméricas de tipo aniónico, es decir, con iones cargados negativamente, combina las dos ventajas: “de un lado permite el uso de catalizadores sin metales nobles, como el iridio o el rutenio, lo que abarataría el coste y, por otro, da una gran eficiencia”, detalla Lázaro.

Este nuevo tipo de electrolizadores facilitarían la obtención eficiente de hidrógeno a partir de agua y podría aplicarse al almacenamiento de energía renovable, indica la investigadora. “Estos electrolizadores son fundamentales para el futuro de la economía de hidrógeno”, augura. “La combinación de electrolizadores y pilas de combustible de hidrógeno permitirá almacenar la electricidad generada a partir de energías renovables en forma de hidrógeno”, detalla Lázaro.

“Las pilas de combustible funcionan como un electrolizador a la inversa, es decir, utilizan el hidrógeno para producir electricidad cuando se necesite. De ahí que el hidrógeno sirva para almacenar energía para luego utilizarla posteriormente en otros usos: domésticos, industriales o en movilidad”, explica. El hidrógeno se puede transportar fácilmente, y transformarse en electricidad o en productos químicos.

Microondas para conseguir H₂

En el Instituto de Tecnología Química (ITQ) se investigan nuevos métodos de producción de hidrógeno verde. Un equipo liderado por el investigador José Manuel Serra, del CSIC, y José Manuel Catalá, de la Universitat Politècnica de València, ha desarrollado una nueva tecnología experimental que permite transformar la electricidad en hidrógeno o productos químicos, aplicando para ello exclusivamente microondas de potencia (radiación electromagnética), sin cables y sin contacto con electrodos.

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Los investigadores José Manuel Serra, del ITQ, y José Manuel Catalá, de la UPV, estudian la aplicación de microondas para convertir la electricidad en hidrógeno. / ITQ

Su equipo ha observado que las microondas interactúan con materiales iónicos acelerando los electrones y dando lugar a la liberación de moléculas de oxígeno de su estructura (un fenómeno denominado reducción), lo que permite generar electricidad.

Es un logro revolucionario en la investigación energética y un avance clave para el proceso de descarbonización industrial, así como para el futuro del transporte y la industria química, entre otros. Este hallazgo, publicado en la revista Nature Energy, ya ha sido patentado.

“Se trata de una tecnología con un potencial práctico enorme, especialmente para su uso en el almacenamiento de energía y producción de combustibles sintéticos y productos químicos verdes”, destaca Serra. “Este aspecto tiene una relevancia trascendental, pues tanto el transporte como la industria deben cumplir unos objetivos muy exigentes entre 2030 y 2040 para reducir el consumo de energía y de materias procedentes de fuentes fósiles, principalmente de gas natural y petróleo”, añade. Podría tener aplicaciones también en la industria química, la metalurgia, el sector cerámico y la producción de fertilizantes, entre otros.

El grupo de Serra y Catalá está enfocado ahora en utilizar esta tecnología para la recarga ultrarrápida de baterías. “Nuestra tecnología podría hacer posible la reducción (liberación de moléculas de oxígeno) prácticamente instantánea de todo el volumen del electrodo (ánodo metálico) en el que se almacena la energía. En otras palabras, pasaríamos de un proceso de carga progresivo capa a capa, que puede llevar horas, a un proceso simultáneo en todo el volumen del electrolito, lo que permitiría cargar una batería en pocos segundos”, apunta Catalá.

Descarbonización de la industria

El hidrógeno se utiliza desde hace años en el sector industrial con múltiples aplicaciones, como refinar petróleo (33%) o como materia prima para la producción de amoníaco (27%), según cifras de la Agencia Internacional de Energía. Pero la mayoría del hidrógeno que se utiliza en estos procesos industriales se obtiene a partir de gas natural, un combustible fósil. Por ello es imperativo favorecer la introducción del hidrógeno verde como vector energético en el sector industrial.

Un equipo ITQ proyecta diseñar y construir una planta piloto que utilice el hidrógeno en operaciones industriales para transformar materias primas y obtener productos de mayor valor añadido. En concreto, estudian que la planta sea energéticamente autosuficiente; es decir, que parte del hidrógeno generado sirva para alimentar a la propia planta.

Como fuente de energía primaria utilizan biomasa agrícola y residuos alcohólicos de la industria vitivinícola. A partir de la fermentación de estos restos se obtiene bioetanol (un tipo de alcohol). Este bioetanol, a su vez, es tratado con vapor de agua, a temperaturas entre 500 y 700 grados y a presión atmosférica, para producir hidrógeno. En concreto, producen dihidrógeno (H₂), una molécula compuesta por dos átomos de hidrógeno. “En concreto, el hidrógeno así producido puede ser utilizado en la síntesis de combustibles no contaminantes y en la generación de electricidad y calor, el cual puede ser utilizado en la propia planta, disminuyendo de esta forma la demanda energética del proceso”, según explica Antonio Chica, investigador del ITQ y responsable del proyecto.

“Mediante el empleo del hidrógeno producido en una pila de combustible de alta temperatura (SOFC) se generará electricidad y calor. Dicho calor se podrá utilizar en el reactor de reformado de bioetanol con el fin de alcanzar la mayor autosuficiencia energética posible”, añade Chica.

En el ITQ se desarrollan nuevas fórmulas catalíticas que permiten aumentar la velocidad del tratamiento del bioetanol con vapor para originar hidrógeno de forma estable y selectiva. “Una parte del hidrógeno producido será utilizada para generar biocombustible y otra para generar electricidad que se puede utilizar en la propia industria, según sus necesidades,  y calor que se reutiliza para mantener la planta en funcionamiento.”, afirma. Este proyecto genera hidrógeno con un doble uso que facilita un ciclo de vida útil de elevada eficiencia que permitiría reducir las necesidades energéticas dentro de procesos industriales.

Hidrógeno para obtener biocombustible

La obtención de hidrógeno a partir de la biomasa también se estudia en el ICP. Un equipo liderado por el investigador José Miguel Campos prueba cómo aplicar el hidrógeno en un proceso industrial para obtener biocombustible. Consiste en introducir el hidrógeno en estado gaseoso para hacerlo reaccionar con residuos de aceites vegetales.

“El proceso para producir este biocombustible se compone de dos etapas: la conversión catalítica que permite eliminar los contaminantes del gas y luego el fraccionamiento del gas para separar sus componentes y obtener productos individuales”, explica José Miguel Campos.

“En la primera etapa, los residuos de aceites vegetales se introducen en un reactor junto a una corriente de hidrógeno para dar lugar a óxidos de carbono (CO₂ y CO), hidrocarburos lineales y agua”, explica Campos. La reacción catalítica del hidrógeno, los residuos aceites líquidos y la sustancia catalizadora se desarrolla a una temperatura entre 300 y 400 grados, a una presión de veinte bares. Luego se elimina la fase acuosa de la mezcla y se tratan los demás componentes.

La segunda etapa somete los hidrocarburos lineales a una reacción química que permite obtener hidrocarburos que solo contienen átomos de carbono e hidrógeno. Este procedimiento mejora las propiedades físicas del combustible. Finalmente, el combustible se separa en tres fases: una gaseosa (compuesta por hidrógeno y propano), una fase ligera (formada por hidrocarburos, similares a la gasolina o el queroseno), y una fase pesada (que corresponde al rango del diésel).

Por tanto, el resultado es un combustible originado a partir del uso de hidrógeno renovable que puede elevar la eficacia energética hasta un 85 %, en comparación con el 25% que logran los motores tradicionales de combustión interna. Este combustible está en una fase experimental.

“El hidrógeno verde es una tecnología muy prometedora que puede contribuir a reducir las emisiones contaminantes de los sectores energéticos y del transporte pesado”, augura Retuerto. “Es un elemento clave del conjunto de tecnologías bajas en carbono que puede ayudar a descarbonizar el actual sistema energético, pero también requiere más investigación básica para explorar todo su potencial y permite perspectivas de crecimiento económico”, concluye.

Alejandro Parrilla y Abel Grau / CSIC Comunicación