Hidrógeno, una esperanza en el mundo de la energía

Cecilia Smoglie 

English versión

La energía como desafió global

El World Energy Council (WEC) senala que el desarrollo economico, tal como hoy lo entendemos, es insostenible por tres razones: genera excluidos, contamina el ambiente y hace uso irrestricto de recursos no renovables. Senala ademas que, para hacer frente a estos tres graves problemas, es urgente proveer energia estable, distribuida, asequible y con minimo impacto ambiental. Concluye que este desafio se suma al escenario de un sostenido crecimiento de la demanda global de energia y que, por ende, es urgente trabajar mancomunadamente para incrementar la Eficiencia Energetica (EE) y el Uso Racional de la Energia (URE), definidos como sigue: EE = energia obtenida ÷ energia invertida para obtenerla < 1 URE = energia necesaria ÷ energia realmente consumida ≤ 1 El limite teorico de la EE es fisicamente menor que 1, pero esa fraccion puede crecer si se aplica innovacion y tecnologia. Por su parte, el limite teorico del URE es 1, pero para acercarse a ese valor, el consumo de cada bien o servicio: electricidad, combustible, agua, papel, quimicos, etc., debe ser el estrictamente necesario. Se trata de evitar el derroche sin renunciar al confort. Esto exige un cambio cultural que comienza en el hogar y se desarrolla en la escuela, la universidad, el sector empresario, el gobierno. Solo con foco en EE y URE se lograra la transicion mas delicada de todos los tiempos a nivel global: el desarrollo sostenible.

Uso de fuentes renovables de energia

Vivimos rodeados de fuentes renovables de energia que no utilizamos. Es frecuente que en zonas aisladas, sin conexion a la red electrica o de gas, se pague un transporte de combustible caro e ineficiente, por no poder aprovechar fuentes locales de energia, como viento, sol, rios, etc. Un ejemplo tipico es la Patagonia, donde numerosos asentamientos o granjas utilizan generadores diesel, aunque cuentan con alto potencial de energia eolica local. – Tambien en sitios conectados a la red convencional, se desaprovechan fuentes renovables locales. Por su parte, la intermitencia de recursos como el viento y el sol complica la generacion electrica y el control de la tension del suministro. Para resolver este problema, hoy se amplia la red convencional y se acota el aporte de plantas intermitentes a la misma. Pero, acotar dicho aporte no solo es incompatible con los limites tecnicos para expandir la red y con la creciente demanda de energia, sino que ademas amenaza la productividad de las plantas eolicas y solares. – Una manera de afrontar este dilema, es desarrollar sistemas con gran capacidad de almacenamiento de energia, aptos para absorber excedentes de electricidad cuando sobra viento y sol y proveer electricidad cuando el recurso sea inferior a la demanda. El diseno de sistemas para equilibrar demanda y suministro, debe ademas garantizar eficiencia, confiabilidad y costos asequibles.

Hidrogeno como almacenador de energia y combustible limpio

Todo excedente de energia electrica, cualquiera sea la fuente utilizada para generarla, puede utilizarse para producir y almacenar hidrogeno, que oportunamente alimentara un generador de electricidad. El hidrogeno puro o mezclado con GNC, biogas, etc., es un combustible apto para calefaccion, horno, cocina, inyeccion en la red de gas, etc. y, en particular, para alimentar generadores de electricidad con motor de ciclo Otto. – Almacenar hidrogeno es mas eficiente que usar baterias, porque estas tienen carga muy limitada, son pesadas, tienen corta vida util y constituyen un residuo contaminante, cuyo tratamiento para desecharlas ecologicamente insume importante energia. El hidrogeno libre practicamente no existe en estado natural. Hoy se produce principalmente mediante reformado de gas natural, gasolina, fueloil o carbon, todos recursos no renovables, o mediante procesos termoquimicos de biomasa o similares. Estos procedimientos, sin embargo, pueden emitir cantidades relevantes de gases de efecto invernadero. – Una alternativa para reducir emisiones, es usar reactores electroliticos que disocian la molecula de agua en hidrogeno y oxigeno. En la posterior combustion del hidrogeno, se recupera la molecula de agua y se obtiene calor. – Si bien las tecnologias para producir, almacenar y usar hidrogeno son conocidas y en gran medida manejables, el desafio es ensamblar sistemas robustos, confiables y competitivos.

 Electrolizadores alcalinos auto-presurizados

La energia por unidad de masa del hidrogeno es 3-6 veces mas alta que la de cualquier otro combustible, pero en la fase gaseosa es el menos denso de todos. Por lo tanto, para disponer de suficiente energia en volumenes manejables, el hidrogeno gaseoso debe almacenarse a presiones de 700 bar o mas. – La mayoria de los electrolizadores comerciales producen hidrogeno a presiones en el rango 1-30 bar. La posterior compresion del hidrogeno hasta 700 bar es un proceso caro e ineficiente, que consume un alto porcentaje de la energia disponible en el hidrogeno almacenado. – Para superar esta limitacion, el Instituto Tecnologico de Buenos Aires (ITBA) ha desarrollado electrolizadores alcalinos auto-presurizados, que permiten producir y almacenar hidrogeno a altas presiones, sin recurrir a etapas de compresion. Esto reduce costos, aumenta la seguridad y duplica la eficiencia energetica del proceso completo. Innovacion en tanques para hidrogeno a alta presion

Para almacenar hidrogeno a altas presiones, el ITBA ha desarrollado un nuevo concepto de tanque, que reemplaza a la garrafa convencional. Los detalles se omiten aqui por razones de confidencialidad, pero sus ventajas son: – alta resistencia a la presion interna – menor peso y menor costo – material convencional, reciclable, libre de dano por hidrogeno y corrosion – mayor transferencia de calor hacia el ambiente durante el llenado – liberacion gradual de gas a traves de roturas, lo cual evita la ignicion alrededor de puntos de fuga – tamano y forma adaptables a espacios disponibles, inclusive en vehiculos.

Motores de ciclo Otto alimentados con Hidrogeno

Basado en su experiencia en conversion de motores de ciclo Diesel a ciclo Otto alimentado con gas, el ITBA estudia actualmente la combustion de hidrogeno en ciclos Otto. – El hidrogeno es una buena alternativa de la gasolina, porque tiene: – alto valor calorico y no contiene carbono – alto indice octano, lo cual permite ganar eficiencia mediante mayor relacion de compresion – amplio rango de inflamabilidad, luego es posible usar mezclas pobres y tener combustion a temperaturas que inhiben la formacion de oxidos de nitrogeno.

Energia estable, distribuida, asequible y con minimo impacto ambiental

Si se dispone de energia eolica y solar, las tecnologias del hidrogeno descriptas arriba, podrian combinarse para proveer energia estable, distribuida, asequible y con minimo impacto ambiental, como recomienda el WEC. Se trata de disenar y construir una instalacion que integre aerogeneradores y paneles solares fotovoltaicos, electrolizador, almacenador de hidrogeno, motor de ciclo Otto alimentado con hidrogeno, pequena red electrica local y sistema de control del conjunto. – Esta planta piloto, pensada para proveer electricidad y calor en sitios aislados, debe ser modular, robusta, confiable y reproducible a escala. Alentado por el liderazgo ganado en tecnologias del hidrogeno y en sistemas de control, el ITBA avanza hacia este objetivo.