“Sí, amigo mío: agua descompuesta sin duda por la electricidad y que llegará a ser entonces una fuerza poderosa y manejable.” Esta frase, que bien podría haber sido extraída de un artículo técnico del siglo XXI, no es precisamente reciente. Fue escrita en 1874 por el visionario autor francés Julio Verne [1]. En una de las ingeniosas conversaciones del ingeniero Cyrus Smith con sus compañeros de aventura en la inolvidable novela “La isla misteriosa”, el sabiondo Smith continuaba así con su increíble premonición:
“Sí, amigos míos, creo que el agua se usará un día como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizados aislada y simultáneamente, producirán una fuente de calor y de luz inagotable y de una intensidad mucho mayor que la del [carbón]. Un día el pañol de los vapores y el ténder de las locomotoras en vez de carbón se cargarán de esos dos gases comprimidos, que arderán en los hornos con un enorme poder calorífico. […] Creo que, cuando estén agotados los yacimientos de carbón, se producirá el calor con agua. El agua es el carbón del porvenir.” [2]
Hoy, más de 140 años después, la predicción de Verne se está haciendo realidad. Estamos al borde de una revolución energética que tiene al agua como protagonista. Bueno, o para ser más preciso, al hidrógeno que hay en el agua, que promete convertirse en uno de los más importantes vehículos de la energía del futuro.
¿Hidrógeno?, ¿vehículo energético?, ¿agua en vez de carbón? Para que no nos sorprenda mal preparados esta revolución energética, que viene ya desarrollándose en algunos países industrializados y de la cual Colombia está empezando a hacer sus primeros pinitos, les ofrezco aquí una guía práctica sobre lo que hay que saber acerca del hidrógeno y sus promesas frente a la inevitable transición energética [3].
Hidrógeno por todas partes
El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica y el más liviano de todos. Por esta misma razón, es también el elemento más abundante del universo. En estado natural el hidrógeno se encuentra en forma de un gas que, a la presión de la atmósfera de la Tierra, tiene una densidad 14 veces menor que la del aire que nos rodea.
Como un gas natural, sin embargo, el hidrógeno es muy escaso. En 1.000 toneladas de aire (¡mucho aire!) solo encontrarás 500 gramitos de hidrógeno, ¡prácticamente nada! La razón es simple: el hidrógeno es tan ligero que la gravedad de la Tierra no puede retenerlo como gas. Es una paradoja: la sustancia más abundante del universo es una de las más escasas en la atmósfera de la Tierra.
Pero hay una propiedad del hidrógeno que hace que este esquivo elemento permanezca cerca y dentro de nosotros: su tendencia a relacionarse con otros elementos químicos, en especial con el oxígeno, el carbono y el nitrógeno.
Con el oxígeno, el hidrógeno tiene una relación explosiva. Si se ponen cerca y se les da un empujoncito (se agrega calor con una chispa) ambos elementos se juntan liberando más calor (una explosión o una llama). La violenta revolcada de ambos elementos deja como residuo una sustancia muy conocida para todos: el agua (H2O) [4]. La mayor parte del hidrógeno que hay en la Tierra está atrapado en la forma de agua que se formó, en su mayoría, en los eones (miles de millones de años) que antecedieron a la formación de la Tierra.
Cuando se junta con el carbono produce, desde moléculas simples como el metano (CH4), muy significativa para nosotros y para el tema de esta columna, pasando por largas e intrincadas cadenas moleculares conocidas como hidrocarburos (¿les huele a algo ese nombre?), hasta complejísimas moléculas como proteínas y ADN. ¡Sí!, sin el hidrógeno no habría vida en el universo.
La relación del hidrógeno con su casi homónimo, el nitrógeno, da lugar a una de las moléculas más importantes para nuestra existencia en la Tierra: el amoníaco (NH3). Se calcula que 1 de cada 3 de nuestros amigos no vivirían si no fuera por las sustancias derivadas de este compuesto: los fertilizantes, con los que alimentamos las plantas que comemos.
Esta breve relación no agota la riquísima química del hidrógeno, pero es suficiente para los propósitos de lo que queda de este escrito.
El hidrógeno es un vector energético
Pero vamos al grano: ¿qué tiene que ver el hidrógeno con el problema de la energía?
De la misma manera que para formar agua a partir de hidrógeno y oxígeno se libera energía en la forma de calor, es posible realizar el proceso inverso: liberar hidrógeno y oxígeno suministrando energía al agua. A este proceso se lo conoce como hidrólisis (que en griego significa “ruptura del agua”).
La energía para la hidrólisis puede venir del calor, en cuyo caso los entendidos hablan de una hidrólisis termoquímica. Esa energía también puede venir de la electricidad, cuando hablamos de una hidrólisis eléctrica o, para ahorrar saliva, electrólisis.
En síntesis: si se suministra energía al agua se libera hidrógeno. Si se junta hidrógeno con oxígeno para formar agua se libera energía. ¿Ven para dónde vamos?
Estas propiedades del agua y el hidrógeno hacen de este gas lo que se conoce como un vector energético, es decir, una sustancia que permite llevar energía de un lugar a otro. Podemos, por ejemplo, tomar electricidad suministrada por el sol o el viento en un rincón remoto del desierto de la Guajira (Colombia) y usar esa electricidad para, a través de la electrólisis del agua, producir hidrógeno. Este hidrógeno se puede meter en un carro tanque o inyectar en una tubería, y llevarlo hasta las montañas nubladas de Colombia o al profundo Amazonas. Una vez allí, el hidrógeno se puede juntar con el oxígeno, que afortunadamente abunda en el aire, y generar energía para mover un bus, un barco o simplemente para cocinar unos huevos.
Es cierto que la electricidad también podría llevarse por cables desde la Guajira hasta las montañas o el Amazonas (la electricidad también es un vector energético). Pero hay una diferencia fundamental entre “empacar” energía en la forma de hidrógeno o enviarla como electricidad: la electricidad hay que usarla inmediatamente se produce. Si usted está conectado a la red eléctrica de su ciudad para leer esta columna, la electricidad que mantiene encendida la pantalla de su computador se produjo hace menos de un par de segundos. Almacenar electricidad es difícil, costoso y muy contaminante. En cambio, almacenar hidrógeno es tan fácil (o tan difícil, no quiero simplificarlo) como almacenar cualquier otra sustancia (gasolina, gas natural, carbón, etc.).
El hidrógeno puede resolver así dos de los problemas más acuciantes que tienen los sistemas de producción de energía eléctrica. Primero, con hidrógeno se puede almacenar la energía en exceso que se produce en momentos en los que no toda la electricidad se consume (picos de generación). Y segundo, y tal vez más importante, usando hidrógeno se puede guardar parte de la energía eléctrica que viene de fuentes primarias intermitentes (el sol o el viento), para después extraer la energía cuando esas fuentes no están disponibles (hoy se usa gas, gasolina o carbón). En palabras llanas, en los intermitentes sistemas de producción de energías renovables, se puede usar hidrógeno cuando está nublado o no hay viento. ¡Cool!
Adicionalmente, la energía transportada en el hidrógeno puede usarse para una diversidad mayor de aplicaciones (especialmente industriales) que aquellas en las que se usa la electricidad. Aplicaciones que hoy todavía dependen de combustibles fósiles.
Moviéndonos con hidrógeno
Quizás una de las aplicaciones más importantes del hidrógeno como vector energético es el transporte de personas y mercancías. Aproximadamente un tercio de toda la energía que utiliza el planeta se usa para mover cosas [5], y la demanda de energía en este sector está creciendo más que cualquier otra. Lo que es peor aún, hoy por hoy, es que más del 90% de la energía que usa el mundo para mover cosas proviene de combustibles fósiles.
Pero como anticipó Julio Verne, el hidrógeno extraído del agua podría terminar moviendo el mundo en un futuro no muy lejano.
Hay dos formas de mover cosas con hidrógeno. La primera es bastante obvia: el hidrógeno se puede quemar, como hacemos hoy con el gas natural, la gasolina o el diesel. Es posible adaptar motores de combustión interna convencionales que usan estos combustibles, para quemar hidrógeno. ¡Más fácil imposible!
Sin embargo, la tecnología de mayor crecimiento en términos del uso de hidrógeno para la movilidad, aquella que además cuenta con productos que ya están en el mercado, es la de las denominadas celdas eléctricas de combustibles (FCEV por sus siglas en inglés). En estas celdas el hidrógeno se mezcla con el oxígeno no para producir calor sino electricidad: un vehículo que usa celdas eléctricas de hidrógeno es esencialmente un vehículo eléctrico.
Pero hay una diferencia fundamental entre los vehículos de hidrógeno y los eléctricos convencionales. Estos últimos obtienen la energía de una fuente externa, energía que se almacena en voluminosas y pesadas baterías. Los vehículos de hidrógeno llevan la fuente de electricidad a bordo, y en la forma de dos o tres tanques llenos de hidrógeno mucho más ligeros. Adicionalmente, mientras que a un vehículo eléctrico convencional le puede tomar varias horas cargar sus baterías, repostar de hidrógeno a un vehículo de FCEV le toma entre 4 y 5 minutos. ¡Genial!, ¿no?
¿Nos equivocamos entonces los que compramos vehículos eléctricos convencionales?, ¿debimos comprar vehículos movidos por hidrógeno [6]? ¡No tan rápido cerebritos! De acuerdo con los expertos en movilidad, los vehículos eléctricos convencionales seguirán siendo la mejor opción para la movilidad personal. En muchos países la electricidad es mucho más barata que cualquier otro vector energético, incluído el hidrógeno. Todo sin mencionar que, aunque faltan electrolineras, hay redes para llevar electricidad a casi cualquier rincón del planeta en donde se necesite cargar un carro; pero no hay hidrógeno por todas partes; bueno, no todavía.
La movilidad con hidrógeno en realidad podría resolver uno de los problemas más complicados de la transición energética en el sector transporte: el transporte aéreo y el transporte pesado. Estamos lejos de tener aviones, barcos y camiones eléctricos. Bueno, en realidad ya existen pero no son precisamente viables desde el punto de vista económico. Los camiones eléctricos, por ejemplo, son muy pesados y tienen mucha menos autonomía que los camiones movidos por diesel. De los aviones, ni se diga. Pero si logramos desarrollar (¡ya lo hemos hecho!) y volver más populares los motores movidos por hidrógeno para este tipo de vehículos, tenemos una buena parte del problema del transporte pesado resuelta. ¡Eso sí que es genial!
Gris, azul y verde: los “colores” del hidrógeno
Todo suena muy bonito, pero ¿es en realidad posible?, y más importante, ¿se puede hacer todo esto sin producir gases de efecto invernadero? ¡Esta es la pregunta del millón!
Lo primero para decir es que la humanidad lleva produciendo hidrógeno en cantidades industriales por más de 6 décadas. El hidrógeno es un gas importante en la industria química, especialmente en la vital industria de fertilizantes (ya mencionamos que se usa para producir amoníaco). También se usa, por ejemplo, para refinar la gasolina que consumimos a diario. No somos, pues, primíparos en la producción y manejo de este gas. ¿Por qué entonces no lo hemos usado hasta ahora para resolver los problemas de transporte de energía mencionados antes?
La mayor parte del hidrógeno producido en la industria se obtiene en complejos procesos químicos que involucran, por supuesto al agua (que siempre será el insumo fundamental en la producción de este gas), pero que también requieren del calor y la química de los combustibles fósiles. En pocas palabras, para producir hidrógeno hoy, hay que quemar cantidades importantes de carbón. Y ya nadie quiere eso.
A esta forma de hidrógeno se la llama “hidrógeno gris”. Aunque lo de “gris” no tiene nada que ver con su color: el hidrógeno, como la mayoría de los gases, es incoloro. Se trata más bien de una metáfora para referirse a la hoy descolorida y contaminante tecnología usada para esta forma de producir hidrógeno.
Chévere si llenamos las ciudades de buses y las carreteras de camiones con celdas de hidrógeno en lugar del contaminante diesel. Pero si el hidrógeno es “gris”, es decir si se obtiene de quemar combustibles fósiles, ¡no hicimos nada!
Hay una segunda fuente de hidrógeno: el metano (CH4). Esta sustancia es el principal componente del denominado gas natural, un combustible fósil bastante popular. Se puede procesar física y químicamente el metano para extraer de él hidrógeno en abundancia. Al hidrógeno producido a partir del metano se lo llama, otra vez metafóricamente, “hidrógeno azul” (tal vez en analogía con el color de la llama, que produce en nuestras estufas, la combustión de este gas).
Pero, ¿qué hacemos con el carbono que sobra de la extracción de hidrógeno del metano? A diferencia de lo que sucede en la combustión del metano (la que ocurre en los quemadores de gas en la industria o en la casa) y en la que el CO2 producido se escapa directamente a la atmósfera contribuyendo así con el efecto invernadero, el carbono que resulta de la producción de hidrógeno azul, y que también se convierte en CO2, puede capturarse y almacenarse. Pero el proceso de captura del CO2 no es 100% efectivo. Como resultado, la producción de hidrógeno azul sigue considerándose un proceso que produce, en principio, gases de efecto invernadero. El hidrógeno azul no es entonces tan “malo” como el hidrógeno gris, pero no es una solución 100% limpia.
Esto nos lleva finalmente al hidrógeno verde, y también al rosado y al amarillo; las formas más limpias de producir hidrógeno (aunque no 100% limpias, no existe nada como eso). Estas formas de hidrógeno se producen por la electrólisis del agua, es decir por el aprovechamiento de la electricidad generada por fuentes “limpias” y renovables de energía, la gravedad, el sol, el viento, las olas, para descomponer el líquido vital en sus gases constituyentes.
Un mundo descarbonizado, donde el hidrógeno se utilice para transportar una parte significativa de la energía producida por fuentes renovables o limpias (incluyendo la energía nuclear) debería estar lleno de hidrógeno verde.
¿Produciendo hidrógeno acabaremos con el agua?
Esta es una pregunta muy inteligente que no muchos expertos e investigadores de la que podríamos llamar “hidrogenación” de la economía se han hecho. Y es que el agua es el insumo básico para producir hidrógeno. Pero también es el insumo básico de la vida animal (incluyendo la humana) y de la producción de alimentos para todos. Si acabamos con las fuentes de agua para llevar energía a todas partes, ¡apague y vámonos!
Una investigación reciente ha hecho las cuentas de forma juiciosa [7]. Teniendo en cuenta solamente el agua que se usa para extraer el hidrógeno (agua que desaparece completamente en el proceso), se estima que se necesitan 10 kilogramos de agua (alrededor de 10 litros) para producir 1 solo kilogramo de hidrógeno. ¡Mucho!, ¿o no?
Se calcula que, con la ayuda del hidrógeno para alcanzar la neutralidad alrededor del año 2050, es decir, para llegar al punto en el que la cantidad de carbono que emitimos a la atmósfera iguale la cantidad que pueden absorber los océanos y las selvas, es necesario producir cada año más de 100 mil millones de kilogramos de hidrógeno. Esto implica hacer desaparecer de la Tierra, 1 billón de kilogramos de agua (convertidos en hidrógeno y oxígeno).
Parecen cifras alarmantes, pero hay que compararlas con otros usos que hacemos del agua. Por ejemplo, tan solo en un día, en Estados Unidos se usan 1.2 billones de kilogramos de agua para satisfacer las necesidades residenciales, comerciales, agrícolas e industriales. Es decir, la producción de 1 año de hidrógeno en el 2050 para todo el planeta equivaldría a 1 día de agua de los Estados Unidos en 2022. Creo que el agua no estará en riesgo.
Todo esto sin mencionar que el agua de los océanos no se usa para alimentar animales o plantas terrestres. En cambio, en la producción de hidrógeno verde se calcula que el 30% del agua podría ser agua salada. Otra razón para pensar que no será el hidrógeno el que amenace nuestros suministros de agua fresca.
No, los suministros de agua fresca ya están amenazados, pero por el cambio climático inducido por los gases de efecto invernadero que vienen de los combustibles fósiles.
Hidrógeno y energía nuclear
En columnas pasadas he hablado de la energía nuclear, tanto la fusión como la fisión, como la más densa y limpia fuente de energía que conoce la humanidad. He dicho, compartiendo esta opinión con muchos expertos del sector energético, que estas formas de energía representan una buena parte de la solución a nuestros más acuciantes problemas energéticos.
¿Podría el hidrógeno desplazar a la energía nuclear?, ¿las bondades del hidrógeno descritas aquí nos harán reconsiderar la energía nuclear y eventualmente abandonarla? La respuesta categórica a estas preguntas es un rotundo no.
La energía nuclear es una fuente primaria de energía y sigue siendo, a pesar de los contradictores, la fuente más confiable, limpia y menos mortífera que hemos descubierto. En contraposición, y como ya expliqué antes, el hidrógeno es solo un vector energético. Sin una fuente primaria, sea solar, eólica, gravitacional o nuclear, no habrá hidrógeno que valga.
También la energía nuclear puede aprovecharse (y ya se está aprovechando) para producir hidrógeno verde [8]. En este caso, el hidrógeno se extrae del agua por efectos esencialmente térmicos, lo que introduce una ventaja adicional: no hay necesidad de que la electricidad sirva de intermediaria (por ejemplo. del viento a la electricidad, de la electricidad al hidrógeno), un proceso que siempre implica pérdidas y por lo tanto ineficiencias. En reactores nucleares, la abundante energía térmica puede invertirse directamente en producir hidrógeno sin casi ninguna pérdida.
Esto nos lleva a un segundo aspecto importante de la relación entre la energía nuclear y el hidrógeno. Se nos ha criticado a quiénes defendemos la opción nuclear de sostener que esta forma de energía resuelve todos nuestros problemas. Con energía nuclear, dicen los contradictores, hoy no se pueden mover aviones, barcos o camiones (al menos no de forma sostenible desde el punto de vista económico) y tampoco se puede fundir acero o producir fertilizantes. Todas estas cosas, dicen, seguirán dependiendo de los combustibles fósiles. En parte, tienen razón: la energía nuclear sólo se extrae como electricidad y por lo tanto solo resuelve una fracción de la crisis energética.
Pero con la llegada del hidrógeno todo esto cambiará. Se ha calculado que en un mundo en el que el hidrógeno se use masivamente como combustible, la energía producida por los reactores nucleares se invertiría más en producir este gas, que en producir electricidad. Problema resuelto. El matrimonio energía nuclear-hidrógeno podría ser la alianza más importante de la historia de la tecnología.
En síntesis, también en una economía “hidrogenada”, la energía nuclear seguirá siendo fundamental.
Colombia: del petroleo al hidrógeno
El último punto de la que prometí sería una corta y práctica introducción al mundo del hidrógeno, pero que se convirtió a la larga en una detallada explicación de los aspectos más relevantes de la opción energética del gas más abundante del universo, no podría ser más importante: ¿cómo va Colombia en todo esto?
¡Vamos muy bien! Pero no tanto por lo que hemos hecho [9], sino por lo que podríamos hacer. El potencial que tiene nuestro país para producir hidrógeno verde en abundancia, aprovechando el sol y el viento de la Guajira y otras regiones del país, además del agua y la gravedad de las montañas (hidroeléctricas) es, simplemente ¡impresionante!
Con este potencial y con el crecimiento de la demanda de hidrógeno en el mundo no es descabellado pensar que en un futuro Colombia podría convertirse, por sus exportaciones de este gas, en una actor importante del sector, como lo es hoy por sus exportaciones de carbón y petróleo.
En una frase: Colombia podría pasar del petróleo al hidrógeno. Bueno, si hay voluntad política y una decisiva inversión tecnológica.
Referencias y notas del autor
[1] No sólo fue Verne quién predijo la utilización de energías alternativas en sus inolvidables novelas de aventuras. El italiano Giacomo Ciamician también predijo la utilización de la energía solar como una fuente alternativa al Carbón, ver: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6272904/.
[2] Tomado de “La isla misteriosa” de Julio Verne, Editorial RBA, Capítulo 11.
[3] Hay buenos videos que pueden verse para conocer más sobre estos temas (o para divulgarlos entre jóvenes y adultos). Recomiendo estos tres en particular: https://www.youtube.com/watch?v=kQUCAu8XqNk, https://www.youtube.com/watch?v=EE9VmNLTT6w, https://www.youtube.com/watch?v=qVYHZ501qqk.
[4] El nombre “hidrógeno” viene precisamente de la capacidad del hidrógeno para, en compañía del oxígeno, producir (genao), agua (hidro). Hidrógeno significa literalmente, generador de agua.
[5] Ver por ejemplo: https://www.ren21.net/decarbonise-transport-sector-2020/
[6] Actualmente, en el mercado, el Toyota Mirai y el Hyundai Nexo son los vehículos de celdas de hidrógeno que se están comercializando internacionalmente. En Suiza hay incluso una flota de taxis de hidrógeno. Un vehículo movido por hidrógeno puede costar en 2022 cerca de $50.000 dólares, lo que equivale a unos $200 millones de pesos colombianos. Todavía son considerados vehículos de lujo.
[7] Webber, M. E. (2007). The water intensity of the transitional hydrogen economy. Environmental Research Letters, 2(3), 034007. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/2/3/034007/pdf.
[8] Sobre la relación entre el Hidrógeno y la energía nuclear vea: https://www.world-nuclear.org/information-library/energy-and-the-environment/hydrogen-production-and-uses.aspx
[9] Para una relación de las acciones que ha tomado y viene tomando el país en materia de producción de hidrógeno leáse: https://www.lasillavacia.com/historias/silla-nacional/colombia-empieza-a-producir-hidrogeno-verde-y-quiere-ser-potencia-exportadora/, https://investincolombia.com.co/es/articulos-y-herramientas/articulos/hidrogeno-verde-una-alternativa-para-el-futuro-de-la-energia-en-colombia, https://www.larepublica.co/especiales/las-1-000-empresas-el-ano-de-la-sostenibilidad/los-pilotos-de-hidrogeno-verde-la-apuesta-de-colombia-hacia-la-transicion-energetica-3391343.
