Científicos e ingenieros se quiebran la cabeza para domesticar al protagonista de la transición energética.
Por Rodrigo López, periodista.
“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”.
“Julio Verne pensaba en el hidrógeno”, nos dice el Premio Nacional de Ciencias y académico USACH, José Zagal. En efecto, una de las primeras referencias al hidrógeno como fuente de energía aparece en la obra “La Isla Misteriosa”, publicada en 1874.
En la segunda mitad del siglo XIX, el carbón era la base de la economía mundial y aún no se comprendía del todo el potencial del petróleo y el hidrógeno no era más que una preocupación de escritores de ciencia ficción.
“Pero la fantasía se hace realidad”, agrega el profesor. En la civilización técnica de nuestros días, el hidrógeno es un problema de ingenieros, científicos y políticos. En los últimos años, y especialmente desde 2015, el mundo ha vivido un entusiasmo desbordado frente a las posibilidades energéticas de este átomo elemental.
Tras el Acuerdo de París, que comprometió esfuerzos globales para limitar el calentamiento del planeta, gobiernos, empresas y centros de investigación han encabezado una serie de empeños para lograr una economía libre de emisiones de gases invernadero y prescindir, por fin, de los nocivos combustibles fósiles.
Desde 2018, por lo menos treinta gobiernos han diseñado estrategias para impulsar la industria del “hidrógeno verde” (Chile entre ellos) y desde 2020, el sector privado, a nivel global, ha destinado casi 700 mil millones de dólares para concretar planes.
Pero estos esfuerzos están chocando con la dura realidad. Los desafíos financieros y de ingeniería que significan producir, almacenar y distribuir hidrógeno aún no están del todo resueltos. Al 2023, la mayoría de los proyectos tienen la etiqueta de “anuncios”. Y a esto debemos sumar los retos regulatorios y socioambientales, los cuales Chile también está viviendo. Por su pequeño tamaño, y dado que hay que enfriarlo a 250 grados bajo cero para mantenerlo en estado líquido, el hidrógeno es un átomo rebelde, que se resiste a ser domesticado.
Aunque las perspectivas son auspiciosas para esta fuente de energía, aún falta mucha investigación, desarrollo, creatividad y resiliencia para que esta industria se consolide como la base de la economía global… Y de una transición energética justa e inclusiva.
Un mercado contaminante
El hidrógeno (H) es el primer elemento de la tabla periódica y el más abundante del universo. Es también el más ligero, con un protón en su núcleo y un electrón en su órbita. En el espacio interestelar hay un átomo de hidrógeno por cada 10 cm3 -equivalentes al volumen que ocupa un racimo de uvas- y en la Tierra se encuentra combinado con otros elementos químicos formando diversas moléculas, entre ellas el agua (H2O).
Algunos procesos naturales de nuestro planeta son capaces de liberar hidrógeno de forma espontánea y también es posible producirlo de forma artificial, mediante una tecnología que se conoce desde hace más de cien años.
Desde entonces, se utiliza como materia prima en las industrias del amoniaco, petróleo, energía nuclear y en el transporte terrestre y espacial. A fines de la década del sesenta, fue el hidrógeno líquido el que llevó al Saturno V a la Luna.
“Ya existe un mercado del hidrógeno”, dice el Dr. Daniel Serafini, académico del Departamento de Física USACH. Sin embargo, aunque científicos e ingenieros ya han aprendido a dominar el arte de producir, almacenar, quemar y distribuir hidrógeno, este gran mercado es muy contaminante.
La producción mundial de hidrógeno ascendió a 120 millones de toneladas en 2024, pero un utópico mundo descarbonizado necesitará multiplicar su producción por cinco, según la Agencia Internacional de la Energía (AIE).
“Las expectativas más optimistas dicen que ese volumen se alcanzará recién en el año 2050”, nos dice el Dr. Ricardo Vega, académico e investigador del Departamento de Ingeniería Química USACH.
Y contaminante porque el hidrógeno de nuestros días se produce usando metano (CH4) como materia prima y liberando dióxido de carbono (CO2) como subproducto, dos de las principales moléculas que contribuyen al calentamiento global (este método de producción se conoce como “hidrógeno gris”).
Para mitigar los efectos nocivos sobre la atmósfera, algunos productores han añadido filtros de captura de gases en el proceso de fabricación, pero esta fórmula, denominada “hidrógeno azul”, aumenta los costos de producción.
Desafíos científicos y tecnológicos
Si el “hidrógeno gris” es caro y el “hidrógeno azul” es carísimo, mejor ni hablar del “hidrógeno verde”. Además de lo extravagante de asignar etiquetas de colores a un gas de naturaleza insípida, inodora e incolora, se suman las expectativas desbocadas de obtener de manera urgente un hidrógeno limpio y barato.
El concepto de “hidrógeno verde” se popularizó a fines de la década de los noventa, en los años del boom de las energías renovables, y hace referencia a que toda la cadena de producción del hidrógeno, desde la fábrica hasta el punto de consumo, utilice fuentes energéticas amigables con el medioambiente.
Sin embargo, “actualmente, estamos limitados por diversos problemas tecnológicos, de infraestructura, de transporte, una serie de problemas no resueltos”, agrega el profesor Serafini.
Para que el hidrógeno sea realmente verde, es necesario reemplazar el sistema de producción basado en metano (CH4) por uno en base a electrólisis, proceso electroquímico que descompone la molécula de agua (H2O) y libera hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) como subproductos. Pero la electrólisis, a su vez, necesita energía eléctrica, la cual debe ser producida con fuentes limpias (el hidrógeno verde es imposible con una electrólisis basada en el petróleo, por ejemplo).
Después se hace necesario atender temas como la distribución y el almacenaje, etapas que también deben superar esta prueba de limpieza. “Si transportas el hidrógeno con combustible diesel, ya no será verde”, aclara el Dr. Vega.
Toda la investigación y desarrollo del hidrógeno, explica nuestro académico, fue realizada pensando en una industria pequeña, con equipos pequeños y bajas producciones, por lo que transformar esta industria en el pilar de la economía global requerirá de mucha ciencia e ingeniería.
No es lo mismo almacenar algunos miles de kilos de hidrógeno, como se hace hoy, que amontonar cuatro millones de toneladas. Los costos aumentarán no solo por el volumen de hidrógeno, sino también por los materiales necesarios para mantenerlo bajo confinamiento.
Otro ejemplo lo vemos en los equipos electrolizadores, construidos para producciones modestas y que deberán ser reemplazados por equipos adaptados a altos volúmenes de producción. Esta nueva generación de electrolizadores deberán ser construidos con metales y materiales con propiedades magnéticas, ópticas y químicas únicas, como las tierras raras, las cuales son escasas en nuestro planeta.
Perspectivas futuras
Por lo pronto, las mejores perspectivas del hidrógeno verde, en el corto, mediano y largo plazo, se encuentran en el ámbito de la movilidad, en el transporte de larga distancia (aviación, navegación, transporte terrestre) y en el uso de maquinaria pesada (como camiones mineros).
Es aquí donde el rendimiento del hidrógeno se torna competitivo frente a las baterías de litio o sodio. Estas últimas, en cambio, puede que lleguen a ser insuperables en la logística urbana de última milla. Interesante es lo que está haciendo la empresa aeroespacial Airbus (que está trabajando en aviones comerciales que operan en base a hidrógeno) y la compañía Genbacher, que ya ha desarrollado motores de combustión interna basados en el hidrógeno.
El hidrógeno también será importante en la industria química, fertilizantes, amoniaco, metano y en la industria del acero y producción de cemento, todas las cuales son grandes emisoras de gases invernadero.
Finalmente, existe la opción de utilizar el hidrógeno como fuente de almacenamiento de energía para cuando no sea posible generar electricidad en base al viento o al sol. Pero falta mucho para esto todavía, sobre todo pensando que los grandes contenedores, necesarios para almacenar hidrógeno, no son capaces aún de impedir las fugas.
Es importante señalar, sin embargo, que el hidrógeno verde no es inocuo. Aunque tiene un efecto moderado como gas de efecto invernadero, contribuye indirectamente al calentamiento global porque su producción y uso puede modificar las concentraciones de otros gases atmosféricos, como el metano, el ozono y el vapor de agua.
Al reaccionar con el hidrógeno, estas moléculas permanecen más tiempo en la atmósfera, lo que amplifica el calentamiento global. “Aunque tiene la mitad de la incidencia que el C02, de todas formas el hidrógeno tiene una incidencia en el clima”, dice el Dr. Vega.
Esto nos lleva a preguntarnos si existe alguna fuente energética totalmente inocua para el medio ambiente. El Dr. Vega describe las potencialidades de la producción energética por fusión, tecnología experimental que está en desarrollo en Europa. Este proyecto, que busca replicar los procesos internos del Sol, genera enormes cantidades de energía. Pero esta reacción, que no produce contaminación, está aún en el laboratorio.
La mejor opción, por el momento, es apostar por el hidrógeno verde para alcanzar la ansiada carbono neutralidad.
En este escenario, es también importante atender las necesidades socioambientales. “La transición energética no puede ser sólo tecnológica”, dice el Dr. René Garrido, académico del Departamento de Ingeniería Geoespacial y Ambiental USACH. “No se trata solo de producir energía limpia, sino de hacerlo de manera que fortalezca a las comunidades, que respete la naturaleza y que construya confianza social”, agrega. Esto es lo que se llama “transición energética justa”.
Hace veinte años, nadie hablaba del hidrógeno como una alternativa energética real para nuestra civilización. El analista internacional Raúl Sohr le dedicó solamente dos líneas al hidrógeno en su libro “Chao Petróleo” (publicado en 2008), y cuando el personaje de Chandler, de la serie Friends, inventa un viaje a Yemen para “encontrar alguna fuente energética que reemplace al petróleo”, el hidrógeno ni siquiera estaba en su cabeza.
Aunque el hidrógeno se conoce hace más de trescientos años, nuestros científicos e ingenieros siguen haciendo esfuerzos para domarlo con urgencia. “La verdad es que es difícil predecir el futuro”, concluye el profesor Zagal.