Hidrógeno: El hijo del viento

La necesidad de disponer de energía es bien conocida. En la mayoría de las sociedades se la necesita para sustentar el modo de vida de millones de personas que demandan una calidad y expectativas de vida considerada deseable dado el desarrollo alcanzado por la humanidad.

En la búsqueda de generar energía eléctrica el hombre ha explorado varios caminos. Ha quemado combustibles fósiles (generación térmica); ha utilizado las caídas o flujos de agua (generación hidroeléctrica); ha recurrido a la fisión del combustible nuclear (generación nuclear); ha aprovechado la fuerza del viento (generación eólica) y la del sol (generación solar) y ha estudiado y explotado varias más. La generación térmica de electricidad ha sido hasta ahora a la que más recurrió porque: a) el combustible fósil está más disponible que un curso de agua utilizable, b) hasta fines del siglo XX se la consideraba más seguro que el uso de combustibles nucleares, y c) su quemado es más fácilmente manejable que las extensiones requeridas para obtener energía del viento o del sol.

Figura 1. Producción de hidrógeno

Sin embargo, la utilización de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas ha provocado, y todavía produce, un fuerte impacto negativo en el ambiente. Las emisiones de gases producto de la combustión (quema) de combustibles fósiles, como el dióxido de carbono y los óxidos de nitrógeno han generado interferencias en el sistema climático, alterando e incrementando la función de efecto invernadero que cumple la atmósfera y contribuyendo a un calentamiento global con efectos en la biosfera. Por otro lado, estos recursos quemados no son renovables y dado el crecimiento de su uso para otros fines, su precio ha crecido sustancialmente en las últimas décadas.

La energía nuclear no produce un impacto ambiental significativo; sin embargo, sus críticos argumentan que se trata de una fuente peligrosa en la operación y cuyos residuos son potencialmente contaminantes. Sus adherentes sostienen que estos riesgos son pequeños y que pueden reducirse aún más con nuevas tecnologías en reactores. Esto hace que su uso requiera al menos una continua y laboriosa demostración de inocuidad y seguridad. Comparte con los combustibles fósiles la característica de ser una fuente no renovable por lo que, cuanto mayor sea la demanda, mayores serán los costos.

Lo expresado resume muy brevemente el estado de cosas. Es necesario recurrir, en el corto plazo, a fuentes de energía que posibiliten un desarrollo sustentable en un ambiente menos agredido. De estas, las denominadas renovables y de mínimo impacto ambiental son las que deben priorizarse.

Hidrógeno

Figura 2. Usos del hidrógeno como combustible

Ejemplos de fuentes de energías renovables, no contaminantes, son la eólica y la solar, pero en ambos casos se trata de fuentes de energía de generación discontinua. Esto quiere decir que la capacidad instalada no está disponible el 100% del tiempo. En las instalaciones eólicas por ejemplo llega a lo sumo al 40%, porque para generar energía con su máxima potencia necesita vientos mayores a los 40 km/h, que no sean demasiado fuertes y que persistan en el tiempo. A su vez, estas fuentes necesitan ser almacenadas de alguna forma para poder ser utilizadas posteriormente. En la actualidad, el modo más aceptado de almacenamiento y posterior uso en la generación de energía es mediante el hidrógeno.

El hidrógeno, si bien es abundante, no se encuentra libre en la naturaleza, por lo que debe ser producido. Es parte componente de dos formas esenciales para la vida como son los hidrocarburos y el agua y, a partir de ellos, se lo obtiene por métodos de separación relativamente sencillos. Para separar hidrógeno se necesita energía y es ésta la razón por la cual no se considera a este una fuente primaria sino un vector.

Un aspecto que hay que hacer notar acerca del hidrógeno es que su uso puede ser limpio o no. No es limpio cuando, como parte de los hidrocarburos es el elemento que junto con el carbono genera energía por combustión (energía térmica) o por explosión (energía de expansión-mecánica). En forma limpia el hidrógeno puede oxidarse por reacción electroquímica, inversa a la electrólisis, en una celda de combustible a partir de la cual se produce energía eléctrica. La ventaja de la utilización de hidrógeno ‘puro’ como combustible es que en cualquiera de los casos mencionados da lugar a una generación de energía totalmente limpia, al obtenerse agua como desecho resultante.

Para obtener hidrógeno libre es necesario entregar energía, como ya se dijo. Si la energía utilizada para obtener este proceso fuera igual o mayor a la que se producirá con hidrógeno, y esta fuese además contaminante, no tendría sentido generarla de este modo.

La realidad es que, con el hidrógeno, se debe entregar más energía que la que se obtiene de su uso en la generación, por lo que es conveniente producir hidrógeno con energías limpias para acumular el producto de estas en las situaciones en las que no sea necesario disponer de su energía en forma directa, es decir a medida que se produce. Por ello, la producción de hidrógeno más eficiente es la que se realiza mediante la utilización de energías renovables y no contaminantes, como la eólica, solar u otras discontinuas, para su acumulación. También es eficiente a partir de fuentes no contaminantes que generan en forma continua (denominadas por ello de base) como la nuclear, en los momentos en que existe un excedente por menor demanda de utilización directa de ella. Por todo esto es que se están desarrollando proyectos con alguna de estas características.

Proyecto Eólico-Hidrógeno

En la región patagónica de nuestro país existen vientos en abundancia, de apreciable intensidad y continuidad, aspectos ambos que permiten un aprovechamiento eólico significativo. En la provincia de Chubut es donde se dio, por razones históricas y de decisión a nivel del gobierno provincial, el mayor desarrollo de la generación eólica en el país (entre el 60 y el 70%) implementado esencialmente mediante el Centro Regional de Energía Eólica (CREE). Este centro, con sede en la provincia, fue creado en 1985 por la Secretaría de Energía de la Nación juntamente con el gobierno de Chubut y fue solventado por la secretaría desde su fundación hasta 1987; fecha a partir de la cual el gobierno provincial se hizo cargo administrativa y económicamente.

Por propuesta del CREE y con el apoyo del gobierno de la provincia se generó el Proyecto Eólico-Hidrógeno para analizar, estudiar y desarrollar el método de almacenamiento y producción de energía con hidrógeno en el que se utilice la generación eólica para producir hidrógeno libre. Se decidió que los mejores resultados del proyecto se obtendrían mediante la producción de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua y su utilización en una celda de combustible, dada la experiencia y desarrollo obtenido por los grupos que ya trabajan en el país y de lo existente sobre el tema a nivel internacional.

Experiencia local y desarrollos internacionales

De las actividades que sobre la tecnología del hidrógeno se están llevando a cado en nuestro país se destacan, sin desmedro de otras, las de las siguientes instituciones: el Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas (INIFTA), que depende de la Universidad de La Plata y del CONICET, se destaca por sus trabajos en electroquímica, en particular en lo referido a celdas de combustible y a los distintos modos de almacenar el hidrógeno, que han permitido lograr importantes avances en esos campos; la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), a través de su Instituto de Energía Desarrollo Sustentable (IEDS), en relación también con el desarrollo de celdas de combustible y de almacenamiento; las universidades nacionales del Litoral y la de Buenos Aires, junto con la Universidad Tecnológica Nacional, han adquirido experiencia en la combinación de electrólisis con energía eólica.

Como proyecto integral cabe mencionar la planta experimental Eólico-Hidrógeno que se instaló en Pico Truncado, provincia de Santa Cruz, en la cual se produce hidrógeno en un electrolizador de baja potencia, que ha sido donado por la universidad de Québec à Trois Rivières de Canadá. Este hidrógeno será utilizado en un vehículo y permitirá realizar experiencias con un grupo electrógeno accionado por un motor de combustión interna.

En el campo internacional se pueden mencionar varias experiencias recientes y algunas por concretarse; como por ejemplo aquellas europeas a las que haremos referencia en los siguientes párrafos.

A finales de 2004 se instaló en Bélgica, en una estación de servicio, un sistema de pila (celda) de combustible con cogeneración (procedimiento mediante el cual se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil) para producir 4,6 kilovatios (kW) de energía eléctrica para alimentarla y 6 kW de energía térmica para precalentar agua para lavar automóviles.

En España existe el proyecto de instalar en el parque eólico experimental Sotavento, un sistema de producción de hidrógeno con un electrolizador cuya capacidad es de sesenta metros cúbicos por hora de hidrógeno en condiciones normales de presión y temperatura, esto es 60 Nm3/h, alimentado con energía eléctrica proveniente de aerogeneradores. El electrolizador producirá hidrógeno a baja presión que luego se comprime para reducir el volumen de almacenamiento en cilindros de acero a unas doscientas veces la presión atmosférica (200 bar). Para la posterior conversión a energía eléctrica, se emplea un equipo motogenerador de 60 kW eléctricos (figura 3).

Figura 3. Proyecto Sotavento

La experiencia europea quizás más integral y de mayor potencia es quizás el proyecto de Utsira, isla que se encuentra al sudoeste de Noruega, y que comenzó su producción entre fines de 2003 y comienzos de 2004. Este sistema consta de dos turbinas eólicas de 0,6 megavatios (MW) cada una, con un equipo de estabilización de la red de modo de entregar energía a esta y al electrolizador con el que se produce hidrógeno. El electrolizador produce 10 Nm3/h de hidrógeno, con el que se alimenta una celda de combustible de 55 kW; cuenta con tanques de almacenamiento a unas doscientas veces la presión atmosférica con capacidad de 2400 Nm3. El conjunto Utsira permite alimentar en forma autónoma a los diez domicilios que conforman el poblado, y disponer de hasta dos días sin viento con consumo (carga) máximo de 55 kW, lo que lo hace único en su tipo (figura 4).

Proyecto Arroyo Verde (Chubut)

Con el fin de realizar una experiencia integral de utilización de energía eólica con las características de los vientos patagónicos, se realizará en el CREE una experiencia con baja potencia que permitirá, a mediano plazo, implementar una utilización industrial de esta tecnología tanto en lo que se refiere al almacenamiento de energía como a su utilización en el transporte u otros propósitos.

Figura 4. Planta de Utsira, Noruega

Así se decidió, en función de los desarrollos locales y del avance tecnológico existente a nivel internacional, la compra de un electrolizador de última generación con una membrana de intercambio protónico (PEM, sigla en inglés de proton exchange membrane) desarrollada y fabricada por Proton Energy, una empresa de EEUU. Este electrolizador produce un metro cúbico de hidrógeno normal por hora con una pureza del 99,9995% lo que permite utilizarlo directamente en una celda de combustible. La demanda de energía del electrolizador es de 3,5 kilowatt.hora por metro cúbico normal de gas hidrógeno (3,5 kW.h/Nm3) lo que resulta en una eficiencia mucho más grande que la de un electrolizador convencional cuya demanda es aproximadamente un 40% mayor (5 kW.h/Nm3). Se trata, además, del primer electrolizador PEM que se pondrá en funcionamiento en Latinoamérica.

Para almacenar el hidrógeno producido se adquirieron cuatro tanques de hidruro de 720 litros cada uno, que permite contenerlo a temperaturas ambientales y a bajas presiones, por lo que se hace innecesario un compresor de hidrógeno. El proceso agua-generación de energía-agua se completa con una celda de combustible tipo PEM de 2 kW, de origen estadounidense, en la que se genera energía eléctrica a partir del hidrógeno producido.

La alimentación eléctrica para el electrolizador será provista por un aerogenerador de unos 15 a 30 kW. El sistema completo responde esquemáticamente al de Utsira, representado en la figura 4, pero sin el estabilizador de la red ya que este no estará conectado a ninguna red por tratarse de un sistema de mucha menor potencia. El diagrama del proceso completo es el que se muestra en la figura 5.

Figura 5. Diagrama del proceso completo del proyecto eólico Arroyo Verde en la provincia de Chubut. Se destaca el electrolizador PEM en el centro, donde se genera, el hidrógeno que es luego almacenado en los tanques. El gas pasa a las celdas de combustible que generan energía eléctrica con una potencia de 2kW. El proceso de generación del hidrógeno es alimentado por molinos de viento, un recurso renovable y no contaminante.

El destino final del equipamiento está previsto en el paraje Arroyo Verde, un pequeño poblado al noreste de la provincia de Chubut, en el límite entre esta y la de Río Negro, sobre la ruta nacional 3. Su puesta en marcha y prueba de funcionamiento se realizará en Rawson en las instalaciones del CREE, y por personal perteneciente a este Centro.

Este es un primer paso en la dirección de generar energía con fuentes renovables y no contaminantes. También actúa como una suerte de prueba piloto que sirve para atraer a otros grupos científico-técnicos que en la actualidad trabajen en la tecnología del hidrógeno. A través del intercambio de información y de colaboración, se contribuirá y enriquecerá el desarrollo de esta tecnología en nuestro país.

Lecturas sugeridas

ACADEMIA NACIONAL DE CIENCIAS EXACTAS, FÍSICAS Y NATURALES, 2004, Hidrógeno y la energía del futuro, serie Publicaciones Científicas Nº 1, ANCEFN-ANI, Buenos Aires. Ver aquí trabajos de los principales referentes del tema en la Argentina.

Páginas de internet:

El proyecto español puede encontrarse en:
http://www.sotaventogalicia.com/area_tecnica/ py_produccion_hidrogeno.php
El proyecto de la isla de Utsira aparece en:
http://www.hydro.com/en/press_room/features/utsira_lighthouse.html

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