Víctor Rangel Hernández*

Introducción.

Estamos en el umbral de una nueva era económica mundial en la que las posibilidades del uso de las tecnologías del hidrógeno crecerán rápidamente en los próximos años. Todavía hasta hace un par de décadas parecía imposible pensar que la era de los combustibles fósiles terminaría en algún momento, sin embargo, este paradigma ya está cambiando. Al respecto, Jeremy Refkin afirmó que las verdaderas grandes revoluciones económicas en la historia del mundo se generan gracias a la fusión entre las nuevas tecnologías de la comunicación y los nuevos regímenes energéticos, lo que da paso a nuevos paradigmas económicos1, lo anterior, aunado a los cambios tecnológicos, económicos, sociales y energéticos que se están generando actualmente a nivel mundial, es posible pensar que la transición hacia un nuevo régimen energético basado en el hidrógeno, o conocido también como “La Economía del Hidrógeno”, ya ha comenzado.

Conocer los puntos nodales de esta tecnología, así como sus implicaciones a nivel global, es de suma importancia tanto para el sector público como privado; contar con información oportuna para la toma de decisiones será fundamental para la implementación tanto de políticas públicas como de proyectos de inversión. Es importante mencionar que el hidrogeno es también una de las principales alternativas para la descarbonización de la economía a nivel global, por lo tanto, el correcto entendimiento de esta tecnología podrá contribuir de manera significativa en la lucha contra el cambio climático.

Para ilustrar lo anterior, retomamos de manera breve la prospectiva que realiza BP para el sector energético hacia el 2050 en la cual plantea tres escenarios: 1) business as usual; 2) Rapid, y 3) Net Zero. En donde el primero parte de un escenario en el cual todo sigue como hasta ahora, el segundo asume que los precios del carbón repuntan al tiempo que se emprenden políticas para la reducción de emisiones de carbono, mientras que el tercero parte de que tanto sector publico como privado y sociedad en general modifican las dinámicas de producción y consumo, al tiempo que los precios del carbón continúan aumentando. Considerando que el sector transporte es uno de los mayores consumidores de combustibles fósiles líquidos, podemos observar que en un escenario donde se de un correcto entendimiento del uso del hidrogeno, cambia radicalmente la matriz de consumo de dicho sector como se muestra a continuación:

En el caso de la aviación y sector naviero, el hidrogeno se acompaña de los biocombustibles en las prospectivas para lograr la descarbonización de la economía:

También será importante el impulso que se le dé a la obtención del hidrogeno a través del gas natural implementando tecnologías que capturen el carbón en los procesos de separación del mismo tal como se muestra a continuación:

De lo anterior podemos ya observar la importancia de esta fuente de energía que se vio durante muchas décadas replegada por la primacía de los combustibles fósiles, pero que hoy, más que nunca, resulta de vital importancia su correcto entendimiento para poder impulsar su desarrollo a escala global.

Qué es y porqué es importante el hidrogeno.

El hidrógeno es un elemento que se encuentra prácticamente en todas partes, desafortunadamente no se encuentra de manera aislada en la naturaleza. Este elemento se encuentra en el agua, en los combustibles fósiles y en todos los seres vivos, por lo que para ser utilizado como forma alterna de energía debe ser extraído mediante alguno de los procesos de generación actuales. Por esta razón, el hidrógeno recibe el término de portador de energía o vector energético2. Entre las ventajas principales del uso del hidrógeno se encuentran su inacabable abundancia y que su combustión no genera emisiones de CO2.

El hidrógeno tiene una infinidad de usos, desde materia prima para la producción de fertilizante, hasta la obtención de líquidos sintéticos de carbón3. Pero su verdadero potencial de uso energético no ha sido explotado aún en su totalidad. Desde el punto de vista energético, el hidrógeno podría ser utilizado para satisfacer algunas de las demandas energéticas del ámbito industrial, tecnológico y de transporte, entre otros. Pero para ello se requiere del uso de tecnologías viables ya existentes, como lo es, por ejemplo, la celda o pila de combustible.

Las celdas de combustible (en inglés fuel cells) no son una invención nueva como muchos lo creen, de hecho, aparecieron antes que el motor de combustión interna1. Existe la confusión de que una celda de combustible es como una batería, sin embargo, hay un elemento técnico que las diferencia una de la otra: la batería almacena energía química que después convierte en electricidad; mientras que la celda de combustible no almacena energía, sino que convierte la energía química de un combustible en electricidad. Además, no requiere recargarse como una batería por lo que puede generar electricidad hasta que se deje de suministrar el combustible y un oxidante.

Como se ve en la figura 1, una celda de combustible está compuesta de un electrodo cargado negativamente (ánodo), un electrodo cargado positivamente (cátodo) y un electrolito, colocado entre el ánodo y el cátodo, compuesto por una solución alcalina o ácida acuosa o una membrana plástica. El combustible ideal para las celdas es el hidrógeno, sin embargo, éstas pueden funcionar con cualquier otro combustible hidrocarbonado, p. ej., gas natural, metano, biogas, etc. Su funcionamiento es sencillo, comienza con la inyección del hidrógeno al lado del ánodo de la celda, donde se lleva a cabo una reacción electroquímica que separa al hidrógeno en iones (protones) y electrones. Por un lado, los electrones liberados fluyen en forma de electricidad de corriente continua a través del circuito eléctrico externo hasta llegar al cátodo. Por el otro lado, los iones de hidrógeno viajan a través del electrólito hasta el cátodo. En el cátodo, los electrones reaccionan con los iones de hidrógeno y el oxígeno para dar paso a la formación de agua.

Figura 1. Representación esquemática de la operación de una celda de combustible.

Normalmente la electricidad disponible en una celda de combustible es corriente continua de bajo voltaje y alta corriente. Bajo condiciones ideales una celda de combustible puede generar 1.23 volts, sin embargo, a altas corrientes este valor puede reducirse hasta 1 volt aproximadamente. La eficiencia teórica para la conversión de energía en una celda de combustible es del 83%, mientras que su eficiencia práctica está en el rango de entre 50 y 60%2 . En tanto que una central eléctrica convencional genera electricidad con una eficiencia que oscila entre el 33 y 35%. Sólo por dar otro ejemplo, el motor de gasolina de un automóvil normal tiene un rendimiento inferior al 20%, mientras que el sistema de celdas de combustible puede utilizar el 60% de la energía del combustible, lo que significa una disminución de más del 50% del consumo de combustible4. Pero lo más importante es la reducción de las emisiones de gases a la atmósfera.

En la actualidad existen varios tipos de celdas de combustible, las cuales se diferencian básicamente por su temperatura de operación y el tipo de membrana utilizada. De acuerdo con esto, las celdas de combustible se pueden clasificar en:

  • Celdas de combustible alcalinas,
  • Celdas de membrana de intercambio de protones (proton exchange membrane, PEM),
  • Celdas de carbonato fundido (molten carbonate fuel cell, MCFC),
  • Celdas de combustible de ácido fosfórico (phosphoric acid fuel cell, PAFC)
  • Celda de combustible de óxido sólido (solid oxide fuel cell, SOFC).

Las temperaturas de operación de las pilas alcalinas y PEM son bajas, alrededor de los 80 °C5. En tanto que las temperaturas de operación de las MCFC, PAFC y SOFC se encuentran entre los 600 °C y 1000 °C6.

A nivel comercial, las celdas de combustible se componen de muchas celdas individuales apiladas unas sobre otras con el fin de incrementar su producción de electricidad. Esto las hace mucho más flexibles. Con este tipo de arreglos se pueden tener unidades residenciales de generación con capacidades que van desde 1 hasta 15 kW y unidades comerciales de mayor capacidad, 60-250 kW. Pero si en el futuro se requiere de mayor potencia, se pueden ir agregando módulos de celdas adicionales con un costo adicional

Figura 2. Módulos de celdas de combustible (Fuente: Ballard´s Fcvelocity-9SSL, 2021)

Puesto que las celdas de combustible son cada vez más baratas y más convenientes para instalar y usar, se les vislumbra como alternativas de potencial futuro para reemplazar a los motores de combustión interna en automóviles, camiones, autobuses, locomotoras y embarcaciones. Además, las celdas de combustible también jugarán un papel muy importante en la transición de la generación de energía centralizada con combustibles fósiles, a la generación distribuida con celdas de combustible alimentadas con hidrógeno. Es importante agregar a lo anterior, que se puede esperar que el hidrógeno se genere principalmente con fuentes de energía renovable como solar, eólica, geotérmica, etc.

El futuro de las celdas de combustible es notablemente prometedor, por lo que en poco tiempo habrá ciudades inteligentes en las que las casas generen su propia energía eléctrica con celdas de combustible, o parques industriales alimentados por unidades de celdas de combustible interconectadas entre sí, a través de la integración de hardware y software de última generación, o a una red eléctrica inteligente totalmente interactiva.

Recomendaciones de política públicas

  1. Por lo tanto, es relevante que las autoridades mexicanas implementen políticas precisas y efectivas a fin de generar un entorno empresarial impulsado por incentivos que motiven la generación de dichas tecnologías dentro de las Universidades y Centros de Investigación en colaboración con la iniciativa privada.
  2. Los incentivos fiscales pueden ser también un buen estimulo para que la IP  explore el uso de esta tecnología, lo cual  podría ser clave para darle un impulso comercial a esta energía limpia.
  3. Será importante establecer condiciones que promuevan alianzas tecnológicas y comerciales como join ventures que deriven en esquemas de transferencia tecnológica contribuyendo a un desarrollo más acelerado en la implementación de esta nueva tecnología.
  4. Finalmente, una mayor comunicación y colaboración entre investigadores y entidades privadas podría necesitar incluir un programa de educación para los actores del sector público a fin de comprender cabalmente ésta tecnología y generar sinergias que faciliten la construcción de herramientas políticas dentro del propio sector público para lograr la transición energética sustentable que México requiere en el siglo XXI.

Referencias

*Doctor en Ingeniería Industrial. Profesor Investigador de la Universidad de Guanajuato Investigador invitado en Forschungszntrum Jülich, Alemania

  1. Jeremy Rifkin, The hydrogen economy: the creation of the worldwide energy web and the redistribution of power on earth. Polity, Press, Oxford, Uk, 2008.
  2. Zainul Abdin, Ali Zafaranloo, Ahmad Rafiee, Walter Mérida, Wojciech Lipiński, Kaveh R. Khalilpour, Hydrogen as an energy vector, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 120, 2020. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109620.
  3. José R. Solano, Hacia una economía basada en el hidrógeno, Anales de la Universidad Metropolitana, Vol. 4, No. 1, 2004.
  4. U.S. Department of Energy. Energy efficiency & renewable energy. http://hydrogenandfuelcells.energy.gov
  5. Viktor Hacker and Shigenori Mitsushima, Fuel cells and hydrogen: from fundamentals to applied research. Elsevier. 2018.
  6. Fu Wang, Shuai Deng, Houcheng Zhang, Jiatang Wang, Jiapei Zhao, He Miao, Jinliang Yuan, Jinyue Yan, A comprehensive review on high-temperature fuel cells with carbon capture, Applied Energy, Vol. 275, 2020. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261920308540.
  7. BP Energy Outlook. 2020 Edition.  Disponible en: https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/energy-outlook/bp-energy-outlook-2020.pdf