Costa Rica: Hidrógeno y Energía solar

29 April, 2015 | By More

Por Juan Cristóbal Torchia Nunez, ACESOLAR

El artículo de este mes quiere tomar una situación actual entre las empresas costarricenses Ad Astra Rocket y Recope para desarrollar un tema que reviste interés técnico y comercial relacionado con la energía solar: la producción de hidrógeno. En este artículo no tomaremos parte en la controversia entre ambas empresas y sólo discutiremos los aspectos técnicos, científicos y económicos del tema.

 

Introducción

El hidrógeno es la sustancia más abundante del universo y la gran mayoría se encuentra concentrada en el interior de las estrellas. En nuestro planeta, también podemos encontrar hidrógeno aunque se encuentra combinado con otros elementos formando compuestos como los hidrocarburos, el amoníaco, ácidos, etc. Esta es una característica fundamental que tiene una gran repercusión en su producción y almacenamiento. El hidrógeno posee una gran afinidad para formar compuestos por lo que su obtención en estado puro requiere grandes cantidades de energía para separarlo y esas grandes cantidades de energía generalmente representan altos costos.

hidrogenoEl interés por el hidrógeno se ha incrementado a medida que se augura que las fuentes fósiles de energía como el petróleo y el carbón se habrán de agotar en algún momento de este siglo. Uno de los escenarios a mediano plazo es una infraestructura del transporte basada en el hidrógeno como combustible en sustitución de los derivados del petróleo. Para que esto se convierta en una realidad todo tipo de problemas tecnológicos, ambientales, comerciales y legales deberán tener solución. Precisamente la empresa Ad Astra Rocket ubicada en Liberia, está trabajando en resolver aspectos tecnológicos de producción, almacenamiento y distribución.

Dentro de los problemas tecnológicos asociados al hidrógeno están las altas presiones y bajas temperaturas a las que se necesita almacenar el hidrógeno para sustituir a un tanque de gasolina convencional, el manejo de fugas debido a su alta explosividad y el mismo deterioro de los tanques de almacenamiento debido a la alta afinidad del hidrógeno con los materiales de la pared, entre tantos otros. Aún no se tiene claro cómo será el abanico energético a largo plazo pero lo que es indudable es que universidades, compañías y gobiernos alrededor del mundo están trabajando fuertemente por construir uno basado en el hidrógeno.

En realidad, el hidrógeno ya es producido en ciertos sectores industriales como el petroquímico o la fabricación de fertilizantes. Sin embargo, se requiere producir hidrógeno en mayores cantidades y modificar los métodos de obtención, purificación, distribución y almacenamiento para que pueda aprovecharse en el contexto de sectores residencial, comercial y transporte.

En este artículo discutiremos de manera general cómo la energía solar puede involucrarse en el desarrollo de tecnologías asociadas al hidrógeno. Nótese que existen muchas más alternativas únicamente dentro del contexto de las energías renovables que no se tocarán en este artículo. El lector interesado puede acercarse a http://www.nrel.gov/hydrogen/ o bien a http://www.h2euro.org/. También puede interesarse en las actividades de investigación y desarrollo de la compañía costarricense Ad Astra Rocket, http://www.adastrarocket.com/aarc/alternative-energy.

 

Electrólisis

La electrólisis es la separación del hidrógeno de otro(s) elemento(s) utilizando una corriente eléctrica. Existen electrolizadores industriales que producen hidrógeno a gran escala. Se calcula que entre 30 y 40 kWh de electricidad (algo así como el consumo de una casa en 4 días) se requieren para producir 1 kg de hidrógeno[1]. Si pensamos en la energía solar, la electricidad necesaria para la producción de hidrógeno debería generarse mediante paneles fotovoltaicos (FV). Si estimamos que un panel típico de 2 m² produce unos 250 kWh en un año, entonces podríamos producir entre 6 y 8 kg de hidrógeno anualmente. Si el tanque de hidrógeno de un automóvil podría contener 4 kg de este combustible, ¡podríamos solamente hacer dos viajes largos al año! Evidentemente se requiere una planta FV de grandes dimensiones para producir cantidades importantes de hidrógeno bajos las condiciones actuales de eficiencia FV. Una ventaja sería que el costo del hidrógeno disminuiría en tanto la planta fuera de grandes dimensiones. Como sea, aunque este tipo de proyectos se encuentre en fase de desarrollo, es importante que la sociedad conozca que existen herramientas tecnológicas para impulsar un panorama energético basado en el hidrógeno.

 

Conversión de biomasa

La biomasa es la materia orgánica proveniente de las actividades de los seres vivientes. Es la única fuente de hidrocarburos que puede considerarse renovable, lo cual puede considerarse una ventaja para una producción de hidrógeno a gran escala aunque deban intervenir aspectos ambientales a considerar.

Existe una gran variedad de métodos para separar el hidrógeno contenido en la biomasa. Evidentemente no los abordaremos ya que son demasiado complejos porque intervienen una multitud de reacciones químicas intermedias antes de que ocurra la separación definitiva del hidrógeno. Como sea podemos separar a grandes rasgos, los procesos que requieren la gasificación del material orgánico o aquellos que consisten en producir biomasa en fase líquida para la posterior extracción del hidrógeno.

Cada uno de estos procesos utiliza equipos que requieren electricidad y calor a altas temperaturas que puede proveerse mediante paneles FV y concentradores solares, respectivamente. La viabilidad económica depende en gran medida del tipo de proceso y las dimensiones del proyecto. Lo cierto es que, aunque indirectamente, la tecnología solar puede contribuir a que la producción de hidrógeno mediante la biomasa se convierta en una opción técnica y comercialmente viable.

 

Conversión solar

Existen dos métodos de producción de hidrógeno mediante lo que se conoce como “conversión solar” en la cual se utiliza directamente radiación solar para la separación del hidrógeno: termólisis y fotólisis.

La termólisis es un proceso en el cual se descomponen, en un solo paso, moléculas de agua a muy altas temperaturas (alrededor de los 2300 °C) dentro de un horno utilizando concentradores solares. Tales temperaturas para producir la separación requieren materiales especiales para las paredes del horno así como métodos en el control de la temperatura dentro del horno[2].

La fotólisis es el proceso de separación del hidrógeno utilizando la luz solar directamente en un medio que puede ser biológico o electroquímico. En la fotólisis biológica, se utilizan ciertos organismos fotosensibles como ciertos tipos de bacterias o algas que se encargan de producir el hidrógeno. Por el lado de la fotólisis electroquímica, la separación del hidrógeno ocurre en la superficie de un semiconductor, que actúa como catalizador para llevar a cabo la producción de hidrógeno en la interfase agua-semiconductor. Como se puede observar, la fotólisis tiene la ventaja de que no se necesitan tan elevadas temperaturas para la producción de hidrógeno.

 

Celdas de combustible

Las celdas de combustible se vislumbran como los dispositivos en los cuales se empleará el hidrógeno para la generación de electricidad, tanto en transporte como en aplicaciones residenciales o comerciales para la alimentación eléctrica. Las celdas de combustible hace tiempo que son una realidad, incluso comercialmente, desde que comenzaron siendo parte del programa espacial de la NASA en los 60’s para proveer de electricidad y al mismo tiempo agua potable para la tripulación. Una celda de combustible es básicamente una batería a la cual se le suministra continuamente combustible (la idea es que sea preferentemente hidrógeno), genera electricidad y descarga vapor de agua como producto de la reacción electroquímica que ocurre en su interior. Existen celdas de combustible de diversos tamaños que ya están disponibles comercialmente, tanto para alimentar teléfonos celulares hasta plantas eléctricas de emergencia.

Todavía estamos a cierta distancia, si es que alguna vez se produce, de un sistema energético basado en el hidrógeno y su infraestructura perfectamente establecida. Eso no implica se deba olvidar que la energía solar puede funcionar como herramienta, motor y recurso para el desarrollo tecnológico que produzca bienestar social, ambiental y comercial en rubros tan poco explorados como la industria del hidrógeno.

 


[1] http://www.renewableenergyfocus.com/view/3157/hydrogen-production-from-renewables/

[2] Dincer, I. & Joshi, A.S., Solar Based Hydrogen Production Systems, Springer, 2013

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Category: Hidrógeno

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