Desmontando mitos sobre el coche de hidrógeno

El presidente de la Asociación Española del Hidrógeno nos aclara la principales dudas que existen sobre este elemento químico y su utilización como combustible alternativo

MADRIDActualizado:

El hidrógeno está llamado a ser uno de los combustibles del futuro, posible sustituto de la gasolina o el gasoil, y una alternativa a los coches eléctricos enchufables. Aunque tan solo un modelo, el Hyundai Nexo, se puede matricular actualmente en España, y pese a que el número de puntos de repostaje posibles se pueden contar con los dedos de una mano, en Europa y Asia esta tecnología va tomando cada vez más peso. Además no se pueden negar las dudas que este combustible genera, tanto por su rentabilidad como su seguridad en el uso cotidiano. Por eso Javier Brey, presidente de la Asociación Española del Hidrógeno, nos resuleve muchos de los mitos que rodean a este elemento químico como combustible para los coches del futuro más inmediato.

En primer lugar, suele ponerse en duda la rentabilidad del hidrógeno debido a sus «posibles» elevados costes de producción , cuestionándose si es factible asumirlo en la actualidad. Según Javier Brey, el coste de producción de hidrógeno depende del método empleado. «Tradicionalmente, se ha venido produciendo mediante el reformado con vapor de agua del gas natural. En este caso, el coste depende directamente del coste del gas natural, al que se debe sumar la amortización de los costes de inversión en el propio reformador».

Sin embargo, en el caso de que el hidrógeno se obtenga mediante electrólisis del agua, Brey asegura que «el coste será directamente proporcional al de la electricidad empleada en el proceso. Con electricidad renovable a 2,5 céntimos el kWh (precios que ya existen en Asia o MENA, y que se están alcanzando ya en Europa o América) el hidrógeno producido mediante electrólisis es competitivo con el producido mediante reformado con vapor del gas natural y, desde luego, se convierte en un combustible alternativo viable», asegura. En el caso de emplear electricidad renovable excedentaria los costes de producción de este hidrógeno serían mínimos, ya que «se trata de una energía que se perdería si no fuera almacenada en forma de hidrógeno. Por otra parte, los costes de inversión en los electrolizadores se han reducido tan drásticamente en los últimos años que ya son competitivos con los de los reformadores de gas natural, y, en muchos casos, son incluso muchos menores».

Cómo se obtiene el hidrógeno

En cuanto a la producción del hidrógeno para su utilización como combustible alternativo, en la actualidad existen múltiples métodos, entre los cuales Brey explica cuáles son los más desarrollados:

Un primer método es el llamado «Reformado con vapor de agua del gas natural». Este proceso «combina metano (principal componente del gas natural) con vapor de agua para producir dióxido de carbono (CO2) e hidrógeno mediante una reacción química endotérmica (requiere aportar calor al proceso). Ha sido el método tradicional, y el que más se ha empleado para producir el hidrógeno que la industria venía demandando».

Un segundo método es mediante la electrólisis del agua. Así, empleando electricidad se disocia la molécula de agua en sus componentes (hidrógeno y oxígeno). Conocido desde hace décadas «resurge con fuerza ahora por la mejora de la electrólisis y por la reducción en precio de la energía eléctrica renovable que hemos tenido en los últimos años», según reconoce el presidente de la Asociación Española del Hidrógeno.

La quema del gas natural (combinarlo con oxígeno en proporciones de combustión) no produciría hidrógeno, sino dióxido de carbono y agua (y energía térmica, o calor, obviamente), que son los únicos productos de la combustión completa de cualquier hidrocarburo.

De dónde se obtiene la energía para la electrólisis

Una vez conocidos los métodos de obtención del hidrógeno, la siguiente duda que surge es de dónde procede la energía necesaria para la producción de la electrólisis, de modo que todo el proceso sea lo más eficiente posible.

Según Brey, el objetivo es producir hidrógeno mediante electrólisis empleando electricidad de origen renovable. De este modo el hidrógeno estaría exento de emisiones no solo durante su uso, sino también durante su producción.

La eficiencia del proceso de electrólisis supera el 80%. Esto implica que por cada kWh de electricidad empleado obtendremos al menos 0,8 kWh en forma de hidrógeno (poder calorífico superior).

Cada kWh equivale a 3,6 MJ y el poder calorífico superior del hidrógeno es de 141,86 MJ/kg. «Haciendo unos sencillos cálculos vemos que con 1 MWh se conseguiría producir más de 20 kg de hidrógeno (equivalente a unos 2500 km de autonomía en un vehículo de pila de combustible)».

Para quienes duden de si la producción de hidrógeno es contaminante, la respuesta es que dependerá del método empleado para la producción. Así, Javier Brey explica que «actualmente, el hidrógeno se obtiene mayoritariamente mediante reformado de gas natural con vapor de agua, proceso que emite CO2 (si en este proceso se emplease biogás, las emisiones netas de dióxido de carbono serían nulas). Pero esta producción ha sido la tradicional, orientada al sector industrial que consumía hidrógeno».

A medida que las Energías renovables se implantan, la disponibilidad de energía eléctrica renovable y barata aumenta. Y así, «si el hidrógeno se obtiene mediante electrólisis del agua y la electricidad empleada en este proceso es de origen 100% renovable, el hidrógeno estará exento de emisiones contaminantes, no solo en su uso si no también en su generación».

Por otro lado, las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos, no máquinas térmicas, y, por tanto, su rendimiento no se encuentra limitado por el límite de Carnot.

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que transforma, de forma directa, la energía química de un combustible en electricidad de manera eficiente, silenciosa y fiable; también produce calor y agua.

La pila de combustible no funciona por combustión, sino por vía electroquímica, por lo que alcanza mayores eficiencias que los motores de combustión interna. No tienen partes móviles por lo que no generan ruido, ni vibraciones y su mantenimiento es más sencillo. Además, no generan emisiones contaminantes, ni gases efecto invernadero; sólo agua.

¡Peligro, gas explosivo!

Otra de las grandes dudas que surgen ante la utilización del hidrógeno como combustible es su posibilidad de explotar y arder. como ejemplo en numerosas ocasiones se menciona el dirigible Hindenburg, destruido a causa de un incendio cuando aterrizaba en Nueva Jersey el 6 de mayo de 1937.

Pues bien, al igual que cualquier otro combustible, para que ocurra una explosión o combustión del mismo se requiere un comburente (oxígeno) y una fuente de energía para la ignición. Los depósitos que almacenan el hidrógeno en el coche cuentan con grandes medidas de seguridad y en su interior albergan hidrógeno en un 99,99% de pureza.

Además, se debe tener en cuenta que el hidrógeno es un gas muy volátil, que, en el caso de existir una pequeña fuga, se disiparía rápidamente no llegando a alcanzar las concentraciones necesarias para darse condiciones explosivas. En espacios cerrados, como garajes, una ventilación básica sería suficiente para garantizar la seguridad. Además, el hidrógeno no es tóxico, por lo que respirar cierta cantidad mezclado en el aire no presenta riesgos para la salud, y su impacto en el medioambiente es bajo.

Javier Brey explica además que durante más de cien años «se ha producido, transportado y empleado hidrógeno con fines comerciales e industriales con un historial de seguridad ejemplar».

Las aplicaciones del hidrógeno como vector energético ya cuentan con normas y estándares, al igual que para otros combustibles, que se han desarrollado e implantado para asegurar un transporte y utilización seguros. En este sentido cabe destacar que la industria aeroespacial emplea hidrógeno como combustible sin mayores incidentes, y que los automóviles de hidrógeno, que ya están disponibles en el mercado, cuentan con sistemas específicos de seguridad, han pasado todas las pruebas requeridas y son tan seguros como cualquier otro vehículo del mercado. En este sentido, merece la pena destacar que el Hyundai Nexo (vehículo eléctrico de pila de combustible) ha obtenido la puntuación máxima de cinco estrellas en las pruebas de seguridad de Euro NCAP, convirtiéndose así en el SUV más seguro en el mercado.

En definitiva, el hidrógeno es un combustible que, como cualquier otro, manejado con las debidas normas y medidas de seguridad, es completamente seguro.

Pero ¿qué podría suceder en caso de accidente?. Al ser un gas inflamable, es más o menos peligroso que si se prende fuego un coche de gasolina?.

Brey explica que «ya en 2001 esta era una de las mayores preocupaciones de los usuarios. Por ello, el Dr. Michael R. Swain, de la Universidad de Miami, llevó a cabo un experimento en el que sometía a dos turismos de idénticas características, uno con depósitos de hidrógeno comprimido y otro con depósito de gasolina, a la misma eventualidad: sufrir una fuga de combustible que se incendia».

En las siguientes imágenes, se puede comprobar lo que sucedía (coche con depósitos de hidrógeno a la izquierda y con depósito de gasolina a la derecha):

El hidrógeno, al tratarse de un gas muy volátil escapa rápidamente hacia arriba, y cuando se provoca su ignición podemos ver una llama en vertical que no logra dañar ninguna parte del vehículo. A medida que transcurre el tiempo, el hidrógeno del depósito se va acabando y la llama pierde fuerza hasta que termina por extinguirse, dejando en el vehículo daños leves.

Por el contrario, la gasolina, a través de la fuga provocada en el depósito, forma un aerosol que distribuye pequeñas gotas del combustible por toda la cabina, especialmente hacia las zonas más bajas. Al provocar la ignición del combustible las llamas se extienden rápidamente por todo el vehículo. Al final del experimento el coche de gasolina termina completamente calcinado, en condiciones de siniestro total.

¿Se puede generar hidrógeno con los excedentes de plantas eólicas o solares?

Actualmente, el sistema eléctrico funciona de tal modo que solo se produce la electricidad que va a ser consumida, la electricidad demandada en ese momento. Esto implica que no existen excedentes como tal, lo que ocurre es que las instalaciones no funcionan a pleno rendimiento o incluso algunas se encuentran paradas o desconectadas. Es decir «se está desaprovechando energía que se podría estar produciendo solo porque en ese momento no hay demanda», según admite el presidente de la Asociación Española del Hidrógeno.

Este problema se hace aún mayor a medida que aumenta el porcentaje de energía renovable en el mix eléctrico. «Las energías renovables no gestionables (como por ejemplo la energía solar o la eólica) son intermitentes y con un fuerte carácter estacional. Esto implica que existirán momentos de gran producción renovable en los que gran parte de la potencia instalada esté desaprovechada y, al mismo tiempo, pueden pasar semanas con baja producción renovable en las que se requiera de un aporte extra, para satisfacer la demanda».

Por ello Javier Brey considera necesario un sistema de almacenamiento energético a gran escala y durante largos periodos de tiempo (incluso de estación del año a estación del año); este es otro de los grandes roles del hidrógeno. En aquellos momentos en los que la capacidad de producción eléctrica renovable exceda la demanda, en lugar de parar esas instalaciones, la electricidad se derivaría a parques de electrolizadores. «Allí se produciría hidrógeno para almacenarlo y volverlo a transformar en electricidad, mediante el uso de pilas de combustible, en aquellos momentos en los que la producción renovable no logre satisfacer la demanda. Evidentemente, ese hidrógeno podría ser empleado para otros usos, como el transporte o la industria».

La Agencia Internacional de Energías Renovables, IRENA, destaca el papel del hidrógeno como complemento necesario a la electricidad en la transición energética. El hidrógeno permitirá acoplar y descarbonizar cuatro grandes sectores de la economía: la industria, los edificios, la energía y el transporte, al mismo tiempo que aumenta la flexibilidad del sistema eléctrico y facilita una mayor penetración de las tecnologías renovables.

El siguiente esquema muestra el papel del hidrógeno como elemento integrador de las distintas fuentes de energía renovables y los usos finales:

Integración de renovables a aplicaciones de uso final mediante hidrógeno
Integración de renovables a aplicaciones de uso final mediante hidrógeno - Hydrogen from Renewable Power: Technology Outlook for the Energy Transition”, IRENA, 2018

a.Energía: la capacidad del hidrógeno para almacenar energía a gran escala y durante largos periodos de tiempo es especialmente útil para conseguir una mayor penetración de las energías renovables en el mix eléctrico (permite llegar a un 100% de EERR en el mix de generación eléctrica).

b.Industria: en España existen numerosas industrias que consumen hidrógeno como materia prima (refinerías, biorrefinerías, fábricas de amoniaco, fertilizantes…). La posibilidad de emplear hidrógeno obtenido de fuentes de energía renovables tanto como materia prima como para obtener calor de proceso contribuiría ampliamente a la descarbonización de este sector.

c.Residencial: la inyección de hidrógeno en la red de gas natural reduciría el consumo de este combustible fósil, tan empleado en la calefacción de edificios.

d.Transporte: los vehículos eléctricos de pila de combustible complementarán a los de batería. Expanden el mercado de la movilidad eléctrica a aplicaciones en las que las baterías se encuentran actualmente limitadas (camiones, trenes, autobuses, barcos, carretillas…), o proporcionando las mismas prestaciones de autonomía y tiempo de recarga que los vehículos actuales

El «Hydrogen Council», lanzado en enero de 2017 en el Foro Económico Mundial, entre cuyos miembros se encuentran compañías líderes que invierten a lo largo de la cadena de valor del hidrógeno, que incluyen el transporte, la industria y la exploración, producción y distribución de energía, constituye actualmente el esfuerzo más grande liderado por la industria para desarrollar la economía del hidrógeno.

Según la visión que el «Hydrogen Council» tiene para la economía del hidrógeno en 2050, el hidrógeno es un pilar central de la transformación de energía que se requiere para limitar el calentamiento global a dos grados centígrados. Para alcanzar el escenario de dos grados, el mundo necesitará hacer cambios dramáticos año tras año y reducir las emisiones de CO2 relacionadas con la energía en un 60% hasta 2050.

Según destaca Brey, el hidrógeno puede jugar siete roles principales en esta transformación:

•Permite una mayor penetración de las EERR, integrándolas más y mejor, a gran escala

•Permite una distribución sencilla de la energía, entre sectores y entre regiones

•Permite una amortiguación de las diferencias oferta-demanda en la red; almacenamiento

•Permite la descarbonización del transporte (vehículos automóviles, trenes, barcos e incluso aviones)

•Sirve como materia prima para diferentes combustibles, combinándolo con CO2 secuestrado

•Permite la descarbonización en la industria, por ejemplo, como materia prima

•Permite la descarbonización de la energía en los hogares

En las siete áreas de aplicación, el hidrógeno puede ofrecer soluciones económicamente viables y socialmente beneficiosas.

Según datos del «Hydrogen Council», los vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV, por sus siglas en inglés) jugarán un papel esencial en la descarbonización del sector transporte. Además, la descarbonización completa del transporte requerirá el desarrollo de vehículos cero-emisiones como los FCEVs y los BEVs.

Todo tiene un precio, pero ¿es más caro o más barato que el diésel?

Actualmente el precio del hidrógeno en las estaciones de servicio en Alemania ronda los 9€/kg (cada kg de hidrógeno se traduce en unos 125 km de autonomía del vehículo). Esto son unos 7,20 € por 100 km recorridos. Sin embargo, este coste depende en gran medida del método de producción de este hidrógeno.

Para los Juegos Olímpicos de Tokio, en el que todo el transporte empleará vehículos de pila de combustible de hidrógeno, se espera obtenerlo a costes muy inferiores.

Lo que sí se puede afirmar categóricamente es que el hidrógeno, durante su uso, no es contaminante, ya que la única emisión asociada es agua. Ya sea mediante su uso en pilas de combustible, para la obtención de electricidad, como mediante su quema para la obtención de calor de proceso o calefacción el hidrógeno, está exento de emisiones contaminantes.

El factor fundamental a tener en cuenta para hacer un balance de la utilización del hidrógeno como combustible para automoción es el tipo de transporte y vehículo del que estemos hablando. «Las circunstancias son muy diferentes si nos estamos refiriendo a un vehículo pequeño de uso urbano (tanto particular como de flotas de transporte) con recorridos que, en muchos casos, no superan los 100 km/día, o si nos referimos al transporte a grandes distancias, especialmente si consideramos el transporte pesado», asegura Brey.

En la figura adjunta, extraída del documento «How hydrogen empowers the energy transition» publicado por el Hydrogen Council, se representa el tonelaje transportado frente a la distancia recorrida por día. En ella se representa diferentes tipos de vehículos (ligeros urbanos, ligeros comerciales, medianos y grandes de flotas o taxis, …). El tamaño de los círculos de cada tipo de vehículo es proporcional al consumo de energía anual del total de vehículos del tipo indicado. Como se puede observar, el balance energético más adecuado es diferente dependiendo del lugar del diagrama en el que se sitúa cada tipo de vehículo. Para recorridos pequeños y recorridos urbanos, los vehículos eléctricos de baterías (BEV) tienen un balance muy apropiado, pero en cuanto el tamaño del vehículo y el recorrido diario crece, el vehículo eléctrico de pila de combustible (FCEV) resulta más apropiado. Grandes recorridos y tonelajes (aviones, barcos) en principio requerirán de otras fuentes de energía, como los biocombustibles o los combustibles sintéticos (que pueden producirse a partir de hidrógeno sostenible).

Papel de los vehículos de pila de combustible en la descarbonización del sector transporte
Papel de los vehículos de pila de combustible en la descarbonización del sector transporte - How hydrogen empowers the energy transition”, Hydrogen Council, 2017

Un segundo factor a considerar es la estructura del parque automovilístico y de la infraestructura de repostaje de energía. Como ejemplo, en el caso de España, apenas un 20% de los vehículos particulares disponen de un punto de aparcamiento nocturno fijo (garaje), por lo que la carga nocturna de las baterías no resulta factible para el 80% restante. Para ellos es necesaria, según Javier Brey, «una alternativa de repostaje, y esto podría modificar ligeramente la figura anterior, haciendo que el uso de los vehículos eléctricos de pila de combustible tenga también un balance positivo en recorridos urbanos».