¿Hidrógeno: el vector de la energía verde del futuro?

El hidrógeno se ha denominado “el vector energético del futuro”, ya que puede oxidarse en una célula de combustible para generar electricidad (por ejemplo para impulsar coches) sin liberar dióxido de carbono (CO₂), y puede producirse en lugares remotos sin infraestructura eléctrica. A diferencia de los combustibles como el gas natural y la gasolina, el hidrógeno tiene que producirse, por lo que no es un combustible sino un vector energético.

Un sistema energético en el que el hidrógeno se utilice para distribuir la energía - una economía del hidrógeno - fue propuesto por John Bockris en 1970. En 1977 se creó un acuerdo internacional para trabajar en esa dirección^w1.

Actualmente, el uso principal del hidrógeno es como reactivo químico y no como portador de energía, pero no hay duda de que puede transformar nuestros sistemas de transporte y energía. Sin embargo, darse cuenta de esto no es fácil. La mayoría de los combustibles actuales son líquidos, sólidos o gases con mucha energía por unidad de volumen (densidad de energía). El hidrógeno, en cambio, tiene una baja densidad de energía: a idéntica presión, la combustión de un litro de hidrógeno produce un tercio de la energía que un litro de metano. Esto plantea problemas de almacenamiento, distribución y uso que están siendo abordados por los científicos (Schlapbach & Züttel, 2001)^w2. Un desafío más fundamental, sin embargo, es la producción de hidrógeno de una manera sostenible. Lo explicaré a continuación.

Métodos para producir hidrógeno

El hidrógeno es un elemento abundante en la superficie de la Tierra, normalmente junto al carbono en los hidratos de carbono (en las plantas) o al oxígeno en el agua (H₂O). El hidrógeno gaseoso (H₂), en cambio, sólo existe en pequeñas cantidades en la Tierra. Uno de los desafíos para la producción sostenible de hidrógeno es la liberación del H₂ a partir de sus enlaces con el carbono y el oxígeno.

En la actualidad, el H₂ se produce principalmente a partir de los combustibles fósiles (gas natural, por ejemplo) por reformado con vapor, calentando a altas temperaturas estos combustibles con agua^w2:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂                                              (1)

CO + H₂O → CO₂ + H₂                                                (2)

Sin embargo, este método se basa en los combustibles fósiles y emite CO₂ , provocando los mismos problemas que la quema de combustibles fósiles. El reformado con vapor sólo es sostenible si se utilizan hidrocarburos renovables como el biogás, porque el CO₂ liberado había sido absorbido previamente en la producción de los propios hidrocarburos.

El H₂ también puede producirse por electrolisis^w2, usando la electricidad para disociar H₂O en H₂ y oxígeno:

2H₂O → 2H₂ + O₂                                                       (3)

Este método puede ser sostenible si la electricidad procede de recursos renovables como el viento, las olas o la energía solar. El H₂ puede utilizarse para almacenar energía en días de viento cuando la electricidad producida por los molinos supera la demanda.

Curiosamente, la molécula H₂O se disocia de forma natural en los océanos, porque algas microscópicas y cianobacterias usan la energía solar para disociar el agua en un proceso llamado biofotólisis (Ecuación 3). Sin embargo, esta producción de H₂ es extremadamente lenta.

Se han hecho esfuerzos para aumentar la producción bajo condiciones controladas, utilizando microorganismos modificados, pero los procesos siguen siendo demasiado lentos y costosos para ser una fuente realista de H₂ a corto plazo (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

Por último, se puede usar bacterias para producir biohidrógeno a partir de los cultivos y de la industria, de los residuos forestales y agrícolas. Al igual que nosotros, estas bacterias oxidan el material vegetal como fuente de energía pero, a diferencia de nosotros, viven en ambientes anaeróbicos (carentes de oxígeno). En la respiración aeróbica, se utiliza O₂ para oxidar azúcares, por ejemplo,

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6 H₂O                            (4)

En cambio, para oxidar el substrato en la medida de lo posible y por tanto optimizar su ganancia de energía, estas bacterias anaeróbicas reducen protones, que se liberan durante la oxidación del sustrato, como H₂ (ecuación 6, más adelante).

Bacterias termales

Durante mi tesis doctoral, investigué la capacidad para producir hidrógeno de una de estas bacterias, la Caldicellulosiruptor saccharolyticus (Figura 1), que vive en las aguas termales: ambientes anaeróbicos a 70° C, con bajos niveles de carbohidratos disponibles. Esta bacteria es de particular interés debido a que es dos veces más eficiente que la mayoría de las bacterias utilizadas para la producción de H₂.

A diferencia de los seres humanos, la C. saccharolyticus gana energía a partir de muchos componentes de la planta: no sólo de la glucosa, sino también, por ejemplo, de la xilosa (Willquist et al., 2010).

Esto permite a esta bacteria producir H₂ a partir de residuos como el resultante del procesamiento de la patata, el azúcar y la zanahoria, así como de los residuos industriales de la producción de pasta y papel, o residuos agrícolas, como la paja.

Este es un comienzo prometedor, pero C. saccharolyticus libera sólo el 33% del H₂ que podría ser liberado a partir del sustrato. La ecuación 5 muestra que una molécula de glucosa totalmente oxidada libera 12H₂. La ecuación 6 muestra que la fermentación en ausencia de luz realizada por la C. saccharolyticus libera sólo 4H₂ (33%) por molécula de glucosa. El resto de la energía se libera como ácido acético (CH₃COOH).

Conversion total de la glucosa en H₂: C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 12H₂ + 6CO₂       (5)

Dark fermentation: C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 4H₂ + 2CO₂ + 2CH₃COOH           (6)

La liberación del resto del H₂ a partir del ácido acético requiere energía externa. Por otra parte, el metano (CH₄) puede generarse a partir del acético y ser reformado con vapor para liberar H₂ (Ecuaciones 1 y 2). Afortunadamente, hay tres maneras prometedoras de hacerlo (Figura 2).

1. Usando la luz solar para convertir el ácido acético en H₂ con bacterias fotofermentativas (Ecuación 7)^w3. Sin embargo, al igual que la producción de H₂ con algas, este proceso es actualmente tan lento y costoso que no es comercialmente viable en un futuro próximo (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

   2CH₃COOH + 4H₂O → 8H₂ + 4CO₂                                 (7)
    

2. Utilizando la electricidad para acelerar la reacción del acético en H₂ en una pila de combustible microbiana con una mezcla de bacterias (Ecuación 7)^w4. Este es un concepto elegante, pero está limitado por su baja tasa de producción (Hallenbeck & Gush, 2009). (Para aprender a construir su propia celda de combustible microbiana, ver Madden, 2010.)
    
3. Utilizando productores de metano (Archaea) para digerir el acético y generar metano (Ecuación 8). La combinación de fermentación en ausencia de luz (Ecuación 6) y la producción de metano se conoce como el proceso hitano (hidrógeno + metano) y puede convertir aproximadamente 90% del sustrato original a H₂ y metano.

   CH₃COOH → CH₄ + CO₂                                                (8)

   El metano puede entonces ser reformado con vapor para liberar H₂.

El alcance del proceso hitano puede entenderse así: si cuatro personas de una casa comen en un mes 10 kg cada una de productos derivados de la patata, sus residuos podría alimentar el 0,5% de su consumo mensual de energía doméstica (3500 kWh), a condición de que el H₂ producido se utilize directamente (para evitar pérdidas de energía) y que la casa esté equipada con generadores de pilas de combustible^w5. Se puede generar todavía más hidrógeno del resto de residuos, el 0,5% es sólo a partir de la patata.

Esta estimación aproximada de las posibilidades del proceso hitano se basa en a) una pérdida de energía del 30% en la producción de H₂ y CH₄ (hitano) y b) otro 30% en el reformado con vapor de CH₄ a H₂. La etapa de reformado con vapor (b) se utiliza en la producción de hidrógeno a partir de gas natural y es una técnica comercial bien desarrollada. La producción de hitano (a), sin embargo, aún no es tan eficiente, aunque se investiga para mejorar la eficiencia y alcanzar el 70% (como en el ejemplo). Así la producción de biohidrógeno sería competitiva con el reformado con vapor de los combustibles fósiles.

Aunque ha habido algunos progresos recientes^w6 (ver recuadro), es demasiado pronto para estimar cuándo la producción sostenible de H₂ podría desempeñar un papel importante en nuestro suministro de energía. Sin embargo, como dijo el poeta Mark Strand: "El futuro siempre empieza ya."

Investigación en el almacenamiento y producción de hidrógeno

El almacenamiento de hidrógeno de forma eficiente y segura es uno de los principales retos tecnológicos antes de adoptar el hidrógeno como vector energético. El Instituto Laue-Langevin (ILL)^w7 se ha consolidado en la vanguardia de la investigación sobre la economía del hidrógeno, usando difracción de neutrones para monitorizar las reacciones de hidrogenación y deshidrogenación de posibles materiales para almacenar hidrógeno. Para obtener más información, visite la página web del ILL^w7.

Los poderosos haces de rayos X de la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF)^w8 han examinado recientemente los complejos mecanismos de producción de hidrógeno por unas enzimas llamadas hidrogenasas. La mayoría de estas enzimas trabajan en condiciones anaeróbicas y, de hecho, son inhibidas por el oxígeno. Las hidrogenasas que se mantienen activas en condiciones aeróbicas son de gran interés para tecnologías como las pilas de combustible enzimáticas y la producción de hidrógeno inducida por la luz. Un equipo alemán de científicos ha resuelto recientemente la estructura cristalina de una de estas enzimas (Fritsch et al., 2011) ¿Un paso, quizás, hacia una economía del hidrógeno?

Tanto el ILL como el ESRF, son miembros de EIROforum^w9, el editor de Science in School.