La Pila de Hidrógeno

Las pilas de hidrógeno, también conocidas como células de combustible, son dispositivos electroquímicos que convierten la energía química del hidrógeno y el oxígeno en energía eléctrica, sin generar emisiones contaminantes. El origen de las pilas de hidrógeno se remonta al siglo XIX, cuando el científico británico William Grove desarrolló el primer prototipo funcional en 1839. La versión moderna, vino de la mano de General Electric en 1960.

El objetivo principal de este tipo de pilas es el de desempeñar una energía limpia. Esto es debido a que durante su aprovechamiento no genera residuos nocivos como sí lo hacen los motores de combustión interna. Aun así, para poder afirmar que esta es una energía limpia debemos de tener en cuenta varios factores y plantearnos varias preguntas. Es por ello que vamos a revisar el proceso completo que se debe realizar desde la generación hasta el aprovechamiento de la pila.

Generación de la pila de hidrógeno

El hidrógeno, si bien se encuentra de manera natural en el mundo, hace falta realizar un proceso para captarlo, aislarlo y almacenarlo. Este proceso que consume energía es un nuevo eslabón a tener en cuenta en la cadena de aprovechamiento de la pila de hidrógeno. El origen de esta energía va a ser clave para determinar cómo de limpia es la elección del hidrógeno.

Producción de Hidrógeno

Vamos a revisar alguno de estos procesos. Podemos contar primero con la Termólisis. Esta es un proceso que permite extraer el hidrógeno de la molécula en la que se encuentra alojado, ya sea agua o un hidrocarburo. Para ello recurre al calor. Otro proceso muy popular es la Electrólisis. Este proceso procura la ruptura de moléculas de agua, obteniendo hidrógeno y Oxígeno.

Todos estos procesos, y el resto que faltaría por enumerar, consumen energía. El origen de esta energía puede gracias a la quema de combustibles fósiles, o gracias al uso de energías renovables. La opción más ecológica, sin duda, sería el proceso de la Electrólisis empleando energía renovable en el proceso. Bien desde el aprovechamiento de eólica, fotovoltaica, etc.

Reformado con vapor

Sí cabe remarcar que el método más común para fabricar hidrógeno combustible hoy en día es el reformado con vapor empleando gas natural. Esto significa que el hidrógeno procede del metano. En el reformado, el gas natural se hace reaccionar con vapor a alta presión. Esto crea algo llamado "gas de síntesis". Se trata de una mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono.

El monóxido de carbono puede volver a reaccionar con agua para producir aún más hidrógeno y dióxido de carbono. Y ese CO₂ y otras impurezas pueden eliminarse del proceso para dejar sólo al hidrógeno. La electrólisis que descompone el metano es endotérmica. Esto significa que es necesario introducir calor en el sistema para que se produzca. Por lo tanto, no sólo se utiliza metano como material de partida, sino que es necesario aportar energía al proceso. Y esa energía posiblemente provenga de más combustibles fósiles. Este es, de hecho, el método más barato y eficiente de hacer combustible de hidrógeno en la actualidad. Y, en consecuencia, el más común.

Un estudio publicado en 2021 estima que alrededor del 96% se genera a partir de combustibles fósiles, sobre todo del reformado de metano con vapor (SMR) del gas natural, y de la gasificación del carbón.

Esto solo desplaza la producción de CO₂ de tu vehículo, hasta la industria productora de hidrógeno. La Agencia Internacional de Energía (IEA) estima que la generación de hidrógeno produce 830.000.000 Toneladas de CO₂ cada año.

Esto no significa que la producción de hidrógeno sea igualmente contaminante, pues en un motor de combustión el rendimiento general se ubica en torno al 25%. En cambio, en las plantas de potencia de carbón puede alcanzar un 40% y las plantas de gas natural alcanzan un 60% Esto es una mejora más que considerable, ya que, empleando la misma cantidad de combustible fósil, obtenemos mucha más energía. Así que el resultado no es simplemente desplazar las emisiones del vehículo a la planta, sino que se logra un resultado mucho más eficiente.

Funcionamiento de las Pilas de Hidrógeno

Se denomina “monocelda” a la unidad básica de una pila de combustible. Cada celda está formada por un “sándwich” con dos electrodos porosos y una lámina de electrolito entre ambos.

El hidrógeno (H₂) atraviesa el electrodo negativo (ánodo) y se disocia en presencia de un catalizador, generando iones positivos (H⁺) y electrones (e^-). A su vez, el oxígeno (O₂) del aire penetra a través del electrodo opuesto (cátodo) y también se disocia en iones O₂^- mediante el catalizador. Los iones positivos de hidrógeno se desplazan a través del electrolito en dirección al cátodo, mientras que los electrones quedan libres en el ánodo. Si existe un camino eléctrico conectando el ánodo y el cátodo, los electrones lo recorrerán, generando así corriente eléctrica. En el cátodo, los iones de hidrógeno, el oxígeno y los electrones se vuelven a combinar para formar moléculas de agua.

Usos y aplicaciones de las pilas de hidrógeno

Una vez descritos estos procesos de obtención debemos entender que existe un proceso de logística en el trasporte del hidrógeno, la fabricación de las celdas y la creación de la infraestructura dedicada a esto.

Tratamos ahora las diversas aplicaciones de las pilas de hidrógeno y usos, debido a su capacidad para generar electricidad de manera eficiente y limpia. Entre estas aplicaciones más comunes podemos contar con:

1. Transporte: Las pilas de hidrógeno se utilizan en vehículos eléctricos de pila de combustible (FCV, por sus siglas en inglés), también conocidos como automóviles de hidrógeno. Estos vehículos utilizan pilas de hidrógeno para generar electricidad y alimentar el motor eléctrico, lo que les permite tener una mayor autonomía y tiempos de recarga más cortos en comparación con los vehículos eléctricos con batería.
2. Energía estacionaria: Las pilas de hidrógeno se emplean en sistemas de energía estacionaria, donde se necesita generar electricidad de forma continua y confiable. Estos sistemas pueden ser utilizados en lugares remotos o aislados de la red eléctrica, como estaciones de telecomunicaciones, refugios, sistemas de iluminación o incluso para alimentar hogares y edificios.
3. Almacenamiento de energía: Las pilas de hidrógeno también pueden utilizarse como sistemas de almacenamiento de energía. En combinación con energías renovables, como la solar o la eólica, se pueden utilizar para almacenar el exceso de energía generada en forma de hidrógeno. Luego, esa energía almacenada en forma de hidrógeno puede ser convertida nuevamente en electricidad cuando sea necesario.
4. Electrónica portátil: Las pilas de hidrógeno más pequeñas, conocidas como celdas de combustible de bajo consumo, se utilizan en dispositivos electrónicos portátiles, como computadoras portátiles, teléfonos móviles y sistemas de navegación. Estas pilas ofrecen una mayor duración y tiempos de carga más rápidos en comparación con las baterías convencionales.
5. Aplicaciones industriales: Las pilas de hidrógeno se utilizan en diversas aplicaciones industriales, como generadores de energía auxiliares en plantas de energía, sistemas de respaldo de emergencia en hospitales o instalaciones críticas, y en la producción de energía para equipos remotos o de difícil acceso.

Conclusiones

El uso de combustibles fósiles, como el petróleo, el carbón y el gas natural, ha llevado a problemas ambientales significativos, como el calentamiento global, la contaminación del aire y la dependencia de recursos no renovables. Las pilas de hidrógeno ofrecen una solución prometedora. Las fuentes de hidrógeno son abundantes en la naturaleza. Cuando se lleva a cabo el proceso químico en la pila de hidrógeno, el único subproducto de esta reacción es agua. Por lo que las convierte, a priori, en una tecnología de energía limpia y libre de emisiones.

Las pilas de hidrógeno tienen la capacidad de impulsar la transición hacia una economía baja en carbono y promover la descarbonización de sectores clave, como el transporte y la generación de energía. En el sector del transporte, las pilas de hidrógeno pueden reemplazar los motores de combustión interna y las baterías convencionales, ofreciendo vehículos eléctricos con mayor autonomía y tiempos de recarga más cortos. Podrás aprender más sobre estos vehículos, puedes hacerlo aquí.

Además, las pilas de hidrógeno pueden desempeñar un papel fundamental en la integración de energías renovables intermitentes, como la solar y la eólica, al proporcionar un sistema de almacenamiento de energía eficiente y flexible. Esto permite aprovechar al máximo la energía generada por fuentes renovables y garantizar un suministro estable y confiable de electricidad.

Si bien las pilas de hidrógeno han estado en desarrollo durante varias décadas, en los últimos años ha habido avances significativos en términos de eficiencia, costos y durabilidad. Esto ha llevado a un aumento en su adopción y a una mayor atención por parte de gobiernos, empresas y la comunidad científica.

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