La economía de hidrógeno es un modelo económico energético alternativo al uso de combustibles fósiles, en el cual la energía, para su uso básico en los medios de transporte, se almacena como hidrógeno (H2) o dihidrógeno.
Algunas compañías, como Honda, Daimler, Ford Motor Company, General Motors Corporation/Opel, Hyundai Motor Company, Kia Motors Corporation, la alianza Renault SA y Nissan Motor Corporation y Toyota Motor Corporation están desarrollando proyectos relacionados con los vehículos de hidrógeno. Algunas de ellas incluso han apostado estratégicamente por un futuro energético basado en las tecnologías de hidrógeno, una corriente que ha dado lugar al concepto de Sociedad del Hidrógeno, que a menudo se intercambia con el de economía del hidrógeno. Por ejemplo, el fabricante de automóviles japonés Honda, la única firma que ha obtenido la homologación para comercializar su vehículo impulsado por pila de combustible de hidrógeno, el FCX Clarity, en Japón y Estados Unidos, ha desarrollado también la Home Energy Station, (HES), un sistema autónomo y doméstico que permite obtener hidrógeno a partir de energía solar para repostar vehículos de pila de combustible y aprovechar el proceso para generar electricidad y agua caliente para el hogar.
La producción del hidrógeno es un sector industrial considerable, y es cada vez mayor. En 2004 se produjeron unas 50 millones de toneladas métricas de hidrógeno, conteniendo 200 gigavatios de energía; la tasa de crecimiento es de alrededor de un 10% por año. Debido a que el almacenaje y transporte de hidrógeno es caro, la mayor parte del hidrógeno que se produce en la actualidad se hace localmente, y es utilizado inmediatamente, generalmente por la misma compañía productora. En 2005, el valor económico de todo el hidrógeno producido fue de aprox. 135 mil millones de USD por año.
Hoy hay dos principales aplicaciones para el hidrógeno. Casi la mitad se emplea para producir amoníaco (NH3) mediante el proceso de Haber, el cual se utilizará sobre todo como fertilizante, directa o indirectamente. A causa de que la superpoblación mundial y la agricultura intensiva crecen, debido a esto la demanda del amoníaco (y por tanto de hidrógeno) está creciendo. La otra mitad de la producción actual del hidrógeno se utiliza para convertir cadenas largas de hidrocarburos (que son la mayoría en el petróleo sin refinar) en fracciones más ligeras, convenientes para su uso como combustibles. Este último proceso se conoce como hydrocracking. Hydrocracking representa un área incluso de mayor crecimiento que la del amoníaco, los incrementos en los precios del petróleo animan a las compañías petroleras a extraer un material más pobre, como pueden ser arenas de alquitrán y pizarra de petróleo.
Actualmente, el 48% de la producción de hidrógeno es a partir del gas natural, el 30% del petróleo, y el 18% del carbón; la electrólisis del agua representa solamente 4%.[2][3]
El gran mercado y el incremento también han estimulado que se cree un gran interés en buscar métodos alternativos, más baratos, para la producción de hidrógeno.
Fundamentos
La electricidad ha revolucionado la calidad de la vida humana desde finales del siglo diecinueve permitiendo un uso más sencillo de las fuentes de energía disponibles. Los primeros dispositivos y aplicaciones como la dínamo y la iluminación eléctrica motivaban la corriente directa. Más adelante el alternador y la corriente alterna permitieron transmitir la energía eléctrica a gran escala.
Actualmente, la oscilación de la demanda energética se cubre mediante el encendido o apagado de generadores. Sin embargo, la electricidad es difícil de almacenar para usarla más adelante. El mejor sistema en lo que a eficiencia y coste se refiere y más extendido además para el almacenamiento de energía de una red a gran escala es el almacenamiento por bombeo, que consiste en bombear agua hasta una presa superior y generar la electricidad demandada mediante hidroelectricidad. Sin embargo este método no sirve para aplicaciones móviles de almacenaje de energía.
Existen alternativas más reducidas de almacenaje como condensadores pero tienen el problema de la baja densidad de energía. Las baterías tienen también baja densidad de energía y además tardan en cargarse y descargarse. El almacenamiento en una batería inercial es más eficiente que en las baterías de tamaño similar, pero acarrea preocupaciones de seguridad debido a que puede romperse explosivamente, aparte del efecto giroscópico que tiene. Éste no es un problema en plantas eléctricas, pues se las puede enterrar.
Casi al mismo tiempo que empezó a funcionar la electricidad, se descubrió una fuente de energía portable. Se trata naturalmente de los motores de combustión interna, los cuales queman hidrocarburos. Los motores de combustión interna arrasaron a sus competidores de esa época, como por ejemplo el aire comprimido, o los automóviles eléctricos accionados por baterías, porque proporcionaron mayores posibilidades, en virtud de la eficacia del motor de combustión interna y de la alta densidad energética del combustible, a pesar de que intoxicar a la población y la explotación de la gente en países pobres. El alto cociente de potencia másica de los motores de combustión interna también permitió construir un avión de densidad más alta que el aire.
Las actuales preocupaciones con respecto a la disponibilidad a largo plazo de los combustibles fósiles y por el calentamiento global debido a las emisiones de dióxido de carbono (CO2) han dado lugar a una búsqueda de un combustible alternativo a los combustibles fósiles que no tenga estos problemas.
La economía del hidrógeno utilizaría una fuente energética no basada en combustibles fósiles (energías renovables/nuclear/fusión), utilizando varios métodos (electrólisis, ciclo del sulfuro-yodo) para producir el gas de hidrógeno para su uso en los múltiples sectores como fuente de energía almacenada. Si la energía se utiliza para producir hidrógeno, entonces el hidrógeno se podría utilizar como forma de almacenaje de energía substituyendo el gas y el petróleo causantes de emisiones de gases de efecto invernadero.
En una economía del hidrógeno, los grandes generadores rurales de hidrógeno de alta eficacia se combinarían con un sistema de distribución (como el sistema de la distribución del gas natural pero capaz de satisfacer los desafíos adicionales del transporte del hidrógeno). En la distribución de energía el usuario intermedio y final podría utilizar las celdas de combustible para satisfacer sus necesidades, substituyendo los actuales sistemas de generación y distribución local, y los vehículos de combustión interna. Sistemas similares se utilizan actualmente con el gas natural para producir electricidad, en instalaciones urbanas con cogeneración donde además se aprovecha el calor residual.
La fuente de energía primaria para producir hidrógeno podía ser combustible nuclear, o fósil. En una economía completa del hidrógeno, incluso las fuentes eléctricas primarias como la energía hidráulica y la energía eólica se podrían utilizar para hacer el hidrógeno, en vez de distribuirla directamente en la red eléctrica (el equilibrio apropiado entre la distribución del hidrógeno y la distribución eléctrica interurbana es una de las preguntas básicas a medio resolver en la economía del hidrógeno). Los grandes generadores que produjesen hidrógeno de fuentes de energía fósiles generarían cantidades enormes de contaminación, pero centralizan las emisiones, y las ciudades quedarían limpias de polución, ya que las emisiones se podrían realizar en zonas despobladas, y los sistemas de control de emisión serían más fáciles de examinar.
Se aduce que la quema de combustibles fósiles en centrales grandes es más eficiente que en automóviles o pequeñas centrales, (casi el 60% en las modernas centrales de ciclo combinado frente al 40% de un motor de gasolina o un 45% de los mejores motores diésel)[4] sin embargo, hay que tener en cuenta que la eficiencia en la obtención de hidrógeno a partir de electricidad está actualmente en un 30%,[5] y la eficiencia de una pila de combustible en un 60%,[4] con lo que quemar combustible fósil en un motor diésel tiene una eficiencia del 45%, mientras que quemar combustible fósil en una central, para generar electricidad, para generar hidrógeno, para emplearlo en una pila de combustible, tiene una eficiencia final, sin contar las pérdidas por transporte, no superior al 12%. Esto obligaría a quemar casi cuatro veces más combustibles fósiles para el mismo trabajo, lo que anularía las ventajas ambientales de centralizar las emisiones, y sin duda encarecería enormemente el precio de la energía.
Probablemente una visión más realista de las posibilidades a medio plazo del hidrógeno pase por prescindir de sus promesas de energía limpia (esto es: obtenida mediante electricidad, especialmente de energías renovables): Mediante descomposición química, actualmente se consigue una eficiencia del 72% generando hidrógeno a partir de gas natural, y algo menor si se obtiene del carbón. Si se solucionan los problemas de almacenamiento, será posible obtener rendimientos globales similares a los de los motores de combustión interna, con lo que la tecnología del hidrógeno permitiría en definitiva utilizar la energía del carbón (material muy abundante) para sustituir al petróleo. Sin embargo, la tecnología del hidrógeno así planteada, lejos de ser más limpia, sería mucho más contaminante, pues el carbón es más contaminante que el petróleo.
Existen aún muchas barreras tecnológicas que impiden que esta economía pueda llevarse a cabo; mientras, las investigaciones continúan.
Es la energía asociada a la radiación solar.
La forma de energía que posee el Sol es energía nuclear interna que se transforma en la energía que emite mediante procesos de fusión. El Sol emite sin cesar lo que se llama energía radiante o, simplemente, radiación. Se transforma en lo que habitualmente se denomina energía térmica y en energía eléctrica. Se puede realizar directamente (energía solar fotovoltaica) o indirectamente.
Una ventaja importante de la energía solar en este modelo (además de tratarse de una fuente renovable y no contaminante) es la posibilidad de funcionar de modo distribuido: en línea con el concepto de energía 2.0, la energía solar permitiría a los consumidores generar su propia energía reduciendo la dependencia y las pérdidas relacionadas con el transporte.
Es la energía asociada al viento.
La forma de energía que posee es la energía cinética del viento, que podemos aprovechar en los molinos, en la navegación a vela,... Se puede transformar en energía mecánica en los molinos de vientos o barcos de vela, y en energía eléctrica en los aerogeneradores.
Es la energía asociada a los saltos de agua ríos y embalses.
La forma de energía que posee el agua de los embalses es energía potencial gravitatoria, que podemos aprovechar conduciéndola y haciéndola caer por efecto de la gravedad.
Se puede transformar en energía mecánica en los molinos de agua y en energía eléctrica en las centrales hidroeléctricas.
Recibe el nombre de fusión nuclear la reacción en la que dos núcleos muy ligeros (hidrógeno) se unen para formar un núcleo más pesado y estable, con gran desprendimiento de energía.
Fuentes de hidrógeno distribuidas: internet del hidrógeno
Algunos autores, como Steven Chalk, sostienen que la transformación de la energía cinética de los vehículos en electricidad y su almacenamiento en células de hidrógeno abre la puerta a una producción distribuida de energía: el internet del hidrógeno.
Sólo con que el 4% de los automóviles del mundo se conectaran a esas redes de energía ya no serían necesarias las plantas eléctricas y podrían ser eliminadas en casi su totalidad.
Steven Chalk
Impacto medioambiental
No siendo el hidrógeno una fuente de energía, sino un vector energético, el impacto medioambiental del hidrógeno dependerá de la fuente de energía empleada para su obtención. A fecha de 2010, aproximadamente el 95% de la producción del hidrógeno se realiza a través de la quema de combustibles fósiles, y por tanto manteniendo las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Solo en torno a un 5% de la producción de hidrógeno se realiza a través de la electrólisis, es decir, de la separación del hidrógeno que contiene el agua mediante energía eléctrica. Este método es menos eficiente que la utilización directa de la electricidad, pero permite el almacenamiento de la energía, lo que presenta grandes ventajas, como la posibilidad de seguir generando energía aunque no haya demanda en ese momento, y de recuperarla en momentos de escasez. Si la electricidad utilizada para la electrólisis proviene de fuentes renovables como la eólica o la solar, el hidrógeno será un vector energético con muy bajas emisiones de gases de efecto invernadero.
