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

Traducido por Jorge Puimedón. Universidad de Zaragoza. El hidrógeno puede ser el combustible del futuro, pero ¿cómo podemos producirlo de forma sostenible? Karin Willquist lo explica.

Imagen cortesía de janeff /
iStockphoto

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 direcciónw1.

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

Autobús londinense
impulsado por células de
combustible de hidrógeno

Imagen cortesía de Felix O;
origen de la imagen: Flickr

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 aguaw2:

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 electrolisisw2, usando la electricidad para disociar H2O en H2 y oxígeno:

2H2O → 2H2 + O2                                                       (3)

Cargador portátil de teléfono
móvil de Powertrekk. Basta
con añadir agua y en pocos
minutos ya se tiene batería
para el móvil

Imagen cortesía de David
Berkowitz; origen de la imagen:
Flickr

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

Figura 1: la bacteria C.
saccharolyticus
vista al
microscopio electrónico

Imagen cortesía de Harald
Kirsebom

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).

Figura 2: Producción de biohidrógeno a partir de residuos. Los residuos son degradados y oxidados a H2 y acético por C. saccharolyticus. El acético se convierte en metano (CH4) por digestión anaeróbica (3), o en H2, ya sea por una célula de combustible microbiana (2) o por fotofermentación (1). El CO2 producido es absorbido por el sustrato, lo que resulta en un proceso sin emisión de CO2
Images courtesy of Holger/pixelio.de (residuos), Michael Cavén (fábrica de papel), Keith Bryant (árboles), Marcel Verhaart (C. saccharolyticus), Jakub Gebicki (fotobioreactor), Gokce Avcioglu, METU Biohydrogen Research Lab, Turkey (reactor de digestión anaeróbica) y Karin Willquist (célula de combustible microbiana)
  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 Hyundai ix35 FCEV,
impulsado por una pila de
combustible de hidrógeno

Imagen cortesía de Bull-Doser;
origen de la imagen: Wikimedia
Commons

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 combustiblew5. 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 recientesw6 (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 ILLw7.

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 EIROforumw9, el editor de Science in School.


 

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References

  • Fritsch J et al. (2011) The crystal structure of an oxygen-tolerant hydrogenase uncovers a novel iron-sulphur centre. Nature 479: 249–252. doi: 10.1038/nature10505
  • Hallenbeck P, Ghosh D (2009) Advances in fermentative biohydrogen production: the way forward? Trends in Biotechnology 27: 287–297. doi: 10.1016/j.tibtech.2009.02.004
  • Madden D (2010) La pila de combustible microbiano: electricidad de las levaduras. Science in School 14. www.scienceinschool.org/2010/issue14/fuelcell/spanish
  • Rifkin J (2002) The Hydrogen Economy: the Creation of the Worldwide Energy Web and the Redistribution of Power on Earth. New York, NY, USA: JP Tarker. ISBN: 1585421936
  • Schlapbach L, Züttel A (2001) Hydrogen-storage materials for mobile applications. Nature 414(6861): 353–358. doi: 10.1038/35104634
  • Willquist K, Zeidan A, van Niel E (2010) Physiological characteristics of the extreme thermophile Caldicellulosiruptor saccharolyticus: an efficient hydrogen cell factory Microbial Cell Factories 9: 89. doi: 10.1186/1475-2859-9-89
  • Microbial Cell Factories es una revista de acceso abierto, por lo que el artículo está disponible gratuitamente.

Web References

  • w1 – Para más información sobre el acuerdo de implementación del hidrógeno de la Agencia Internacional de la Energía, ver: http://ieahia.org
  • w2 – Para más información acerca de las perspectivas del hidrógeno, véase el análisis de Joseph Romm en la página web de los Ambientalistas por la Energía Nuclear (www.ecolo.org; sección ‘documentos’) o a través del enlace: http://tinyurl.com/77dhx8x
    • See also Joan Ogden’s peer-reviewed analysis Hydrogen as an Energy Carrier: Outlook for 2010, 2030 and 2050 on the website of the University of California: http://escholarship.org/uc/item/9563t9tc

  • w3 – Para ver un vídeo acerca de cómo el hidrógeno se libera a partir de biomasa de patata utilizando la luz del sol, véase: www.biohydrogen.nl/hyvolution
  • w4 – Para aprender más sobre las células de combustible microbianas, véase: www.microbialfuelcell.org
  • w5 – Para más información sobre el calor y las células de combustible, véase: www.fchea.org/index.php?id=57
  • w6 – Para leer sobre los últimos avances en la distribución de biohidrógeno en Taiwán, consulte la página web Focus Taiwan (http://focustaiwan.tw) o utilize el enlace directo: http://tinyurl.com/7jao2tp
  • w7 – ILL es un centro internacional de investigación a la vanguardia de la ciencia y tecnología de neutrones, con sede en Grenoble, Francia. Para obtener más información, véase: www.ill.eu
    • Para obtener más información sobre la investigación del ILL en la economía de hidrógeno, consulte la página web del ILL o utilice el enlace: http://tinyurl.com/illhydrogen

  • w8 – Situado en el mismo campus que el ILL, en Grenoble, Francia, la ESRF maneja la fuente de radiación sincrotrón más potente de Europa. Para obtener más información, consulte: www.esrf.eu
    • Para obtener más información sobre la investigación de la ESRF sobre el almacenamiento de hidrógeno, consulte su página web o use el enlace: http://tinyurl.com/87bnj4c

  • w9 – Para obtener más información sobre EIROforum, visite: www.eiroforum.org

Author(s)

Karin Willquist es ingeniera química y obtuvo su doctorado en la producción de biohidrógeno en la Universidad de Lund, Suecia. Su investigación incluye la fisiología microbiana, la optimización de procesos y la divulgación científica. Trabaja en la Universidad de Lund, utilizando simulaciones por ordenador para mejorar la producción de hitano. También organiza cursos en la Universidad de Lund sobre la bioenergía para una plataforma de investigación multidisciplinar en bioenergía (LUBiofuels). Está preparando un libro sobre la bioenergía para estudiantes de secundaria.


Review

Tras la publicación del libro de Jeremy Rifkin sobre la economía del hidrógeno (2002), este tema se aborda con frecuencia en los medios de comunicación como una posibilidad real para un futuro cercano. Otra cuestión recurrente que rodea el hidrógeno es su supuesto papel como fuente de energía limpia. En este artículo, Karen Willquist ofrece un panorama completo de las implicaciones de la producción de hidrógeno y de la investigación en curso – incluyendo su propio trabajo – para lograr este objetivo de una manera sostenible.

Teniendo en cuenta el claro enfoque del autor, el artículo está especialmente indicado para los profesores de ciencias y a estudiantes con edades comprendidas entre los 14 y los 19 años que deseen profundizar sus conocimientos sobre este complejo tema. Profesores y estudiantes se beneficiarán de los numerosos recursos citados.

El artículo podría ser relevante para las clases de bioquímica (respiración, fermentación y fotosíntesis), física (pilas de combustible, termodinámica: energía y eficiencia), ciencias medioambientales (recursos energéticos, combustibles fósiles y recursos renovables), biología (algas, bacterias, cianobacterias y Archaea) y química orgánica (hidrocarburos y reformado con vapor). También podría proporcionar una valiosa lectura previa a la visita a una central eléctrica o a un laboratorio de investigación que trabaje en células de combustible o en producción, uso o almacenamiento de hidrógeno.

El artículo podría usarse para iniciar un debate sobre la diferencia entre los recursos energéticos y los vectores energéticos, los problemas del uso y almacenamiento del hidrógeno y los posibles escenarios para la transición de nuestra economía basada en los hidrocarburos a una economía del hidrógeno.

Preguntas adecuadas para la comprensión:

  1. Asigne las siguientes opciones a la respiración, a la fermentación oscura, o a ambas:
    • La presencia de glucosa
    • La presencia de oxígeno
    • La ausencia de oxígeno
  2. ¿Cuál de las siguientes opciones no es un proceso involucrado en la conversión de acético en hidrógeno?
    • La fermentación oscura
    • El uso de electricidad en una pila de combustible microbiana
    • El proceso hitano

Giulia Realdon, Italia




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