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SN (Versin impresa): 0188-6266XICO

2006Gene D. Berry / Salvador M. Aceves

LA ECONOMA DEL HIDRGENO COMO SOLUCIN AL PROBLEMA DE LAESTABILIZACIN DEL CLIMA MUNDIAL

Acta Universitaria, enero-abril, ao/vol. 16, nmero 001Universidad de Guanajuato

Guanajuato, Mxicopp. 5-14

Red de Revistas Cientficas de Amrica Latina y el Caribe, Espaa y Portugal

Universidad Autnoma del Estado de Mxicohttp://redalyc.uaemex.mx
mailto:[email protected]://redalyc.uaemex.mx/http://redalyc.uaemex.mx/http://redalyc.uaemex.mx/mailto:[email protected]

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Vol. 16 no. 1 Enero-Abril 2006 5

U n i v e r s i d a d d e G u a n a j u a t o

La Economa del Hidrgeno como Solucin alProblema de la Estabilizacin del Clima Mundial*Gene D. Berry** y Salvador M. Aceves**

RENOVADO INTERS EN UN ANTIGUO CONCEPTOEl concepto de la Economa del Hidrgeno ha existido por muchos aos. Julio Verne fue el primero en proponeruna economa basada en el hidrgeno en su novela La Isla Misteriosa en 1874 (Verne, 2001). El concepto haido evolucionando conforme la humanidad ha transformado su infraestructura energtica. Inicialmente se con-sideraba que el carbn o la energa nuclear podan ser usados para producir hidrgeno en gran escala. Avancesrecientes en energa renovable (solar y elica) hacen posible que el hidrgeno se produzca a partir de estas fuen-tes de energa (US Atomic Energy Comission, 1972; Gregory, 1973; Bockris, 1976; Justi, 1987; Winter y Nitsch,1988; Orden y Williams, 1989). La economa del hidrgeno est fundamentada en tecnologas que han existidopor muchos aos. Los electrolizadores y las celdas de combustible se inventaron en el siglo XIX, antes de que seinventara el motor de combustin interna y de que se descubriera el petrleo. Otras tecnologas importantes parael uso del hidrgeno se desarrollaron durante el programa espacial en la dcada de los 1960s. Posteriormente, el

inters en el hidrgeno como combustible para la transportacin resurgi de-bido a las crisis petroleras de los aos 1970s. Desde entonces se han cons-

truido muchos automviles que operan con hidrgeno, y se han investigadotecnologas de produccin, almacenamiento y utilizacin del hidrgeno.

Recientemente el inters en el hidrgeno ha aumentado considerablemen-te. En Estados Unidos el Presidente Bush anunci en 2003 un programa quetiene como meta la produccin de automviles de hidrgeno a gran escalapara el ao 2020. El Gobernador de California Arnold Schwarzenegger in-

Palabras clave:

Hidrgeno; Clima; Energa.

Keywords:

Hydrogen; Climate; Energy.

RESUMEN

A diferencia de otros combustibles, el hidrgeno (H2) se puede generar y consumir sin emitir

bixido de carbono (CO2). Esto resulta en grandes ventajas ecolgicas y retos fundamen-

tales. El hidrgeno puede operar en un ciclo cerrado e inagotable basado en las sustancias

ms limpias, abundantes y elementales: agua, oxgeno e hidrgeno. Si el hidrgeno se

genera usando luz, calor y/o electricidad producidos a partir de energa solar, elica o

nuclear, el hidrgeno se convierte en un medio verstil y universal de almacenar y trans-

portar energa, y un elemento necesario para futuros sistemas energticos que operan sin

contaminacin ambiental, CO2, y otros gases que contribuyen al efecto de invernadero.

El hidrgeno es necesario para eliminar la contaminacin ambiental y estabilizar la com-

posicin de la atmsfera y el clima del planeta.

ABSTRACT

Unlike other fuels, hydrogen (H2) can be generated and consumed without generating car-

bon dioxide (CO2). This creates both significant engineering challenges and unsurpassed

ecological advantages for H2as a fuel, while enabling an inexhaustible (closed) global fuel

cycle based on the cleanest, most abundant, natural, and elementary substances: H2, O

2,

and H2O. If generated using light, heat, and/or electrical energy from solar, wind, fission,

or (future) fusion power sources, H2becomes a versatile, storable, and universal carbonless

energy carrier, a necessary element for future global energy system(s) aimed at being free

of air and water pollution, CO2, and other greenhouse gases. The case for hydrogen rests

fundamentally on the need to eliminate pollution and stabilize Earths atmosphere and

climate system.

* Artculo Invitado

** Lawrence Livermore National Laboratory. 7000 East Avenue, L-644. Livermore, CA 94550

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trodujo un plan para construir 200 estaciones de ser-vicio para vehculos de hidrgeno hacia el ao 2010.El inters en esta tecnologa se ha extendido a Asiay a Europa, y es muy notable el caso de Islandia,

que se ha propuesto eliminar su consumo de com-bustibles fsiles y reemplazarlos con hidrgeno parael ao 2030. El renovado inters en el hidrgeno haresultado en nuevos estudios (Peschka, 1992; Lovinsy Williams, 1999; National Research Council, 2004),entusiasmo (Hoffmann, 2001; Rifkin, 2002), dudas(Wald, 2004; Service, 2004) y crticas, algunas de lascuales provienen de renombrados expertos en el cam-po de la energa (Keith y Farell, 2003; Romm, 2004;Kreith y West, 2004).

Nosotros consideramos que es posible responderapropiadamente a todas estas crticas. As como tam-bin que la economa del hidrgeno no solo est jus-

tifi

cada, sino que es una necesidad urgente. De aquque resulta importante que se reconozca la necesidadde aceptar y promover la economa del hidrgeno. Estopermitir iniciar el difcil trabajo de convertir la econo-ma al hidrgeno de una manera ptima que minimicelos costos de implementacin y dedique los recursosapropiados al desarrollo de las tecnologas necesarias.

En este artculo respondemos a las crticas mscomunes a la economa del hidrgeno. Tambin pre-sentamos los retos tcnicos que se tienen que resol-ver para que la economa del hidrgeno se conviertaen realidad. El artculo concluye describiendo cuatromodelos que se pueden seguir para implementar laeconoma del hidrgeno.

CRTICAS A LA ECONOMA DEL HIDRGENO

La generacin y util izacin del hidrgeno son ineficientes

El hidrgeno es un portador de energa que, como laelectricidad, debe ser generado a partir de otras fuen-tes de energa tales como los combustibles fsiles, laenerga nuclear o la energa renovable. Las tcnicasms comunes para producir hidrgeno (termoqumicaso electrolticas) tienen una eficiencia de 60 % -70 %,basada en el poder calorfico inferior del hidrgeno.

Este costo energtico (y econmico), ha motivadola crtica de que el hidrgeno es menos eficiente queotros mtodos para reducir el consumo de petrleo olas emisiones de bixido de carbono (CO

2). Por ejem-

plo, producir hidrgeno a partir de gas natural parausarlo en un automvil es tpicamente menos eficienteque usar el gas natural directamente en un autom-

vil, a pesar de que un vehculo de hidrgeno con unacelda de combustible es ms eficiente que un veh-culo hbrido de gas natural (Figura 1). Similarmen-te, si se genera electricidad renovable, sta se puede

usar directamente para reducir el consumo de carbn(y las emisiones de CO2) en plantas elctricas. Otra

posibilidad sera usar la electricidad renovable paragenerar hidrgeno para automviles, pero esta opcinno produce el mismo nivel de reduccin en las emi-siones de CO

2(Figura 2). La produccin de hidrgeno

por electrlisis del agua es considerada especialmen-te ineficiente, puesto que requiere dos conversiones:producir electricidad a partir de un combustible fsil yproducir hidrgeno a partir de la electricidad.

Los clculos de eficiencia total ilustrados en las Fi-guras 1 y 2 pueden ser tiles para el anlisis de pro-cesos, pero no consideran todas las posibilidades. Por

ejemplo, la generacin electroltica de hidrgeno puedeser atractiva desde la perspectiva de un sistemaener-gtico. En las etapas iniciales de la transicin al hidr-geno, la produccin electroltica de hidrgeno se puederealizar a pequea escala en casas, hoteles, y edificios,en donde el hidrgeno generado se puede usar para im-pulsar automviles, mientras que el calor generado enel proceso de electrlisis se puede usar eficientementepara calentar agua y cocinar, entre otras actividades,en un proceso conocido como co-generacin. De estamanera, los combustibles fsiles se pueden consumiren plantas de potencia de gran escala, lo que permite lacaptura y el almacenamiento geolgico del CO

2produ-

cido. En el largo plazo, es probable que la mayor parte

de la electricidad se genere sin producir CO2, a partirde la energa nuclear, solar o elica. Un sistema elc-

Figura 1.La eficiencia de utilizacin del gas natural es ms alta si se usadirectamente en vehculos en vez de convertirse a hidrgeno. Sinembargo, este tipo de anlisis de eficiencia total no considera lassinergas que pueden existir en sistemas energticos.

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trico de estas caractersticas necesita tener un excesode capacidad para compensar por la variabilidad na-tural de los recursos renovables. El exceso de genera-cin elctrica normalmente se desperdiciara, puestoque no existe ningn mtodo prctico para almacenarelectricidad en gran escala. Sin embargo, el excesode electricidad se puede usar para generar hidrge-no, que puede ser almacenado y transportado parasu uso en automviles. A largo plazo, el hidrgenoproporciona sinergia entre la red elctrica renovabley el sector de la transportacin. Dicha sinergia es

indispensable para implementar redes elctricas re-novables de costo razonable.

El hidrgeno se puede producir a partir de com-bustibles fsiles usando procesos termoqumicos (ga-sificacin de carbn o reformacin de gas natural) conuna eficiencia ms alta que la eficiencia de generacinde electricidad o la eficiencia de produccin de otroscombustibles sintticos (tal como metanol). Si se de-muestra en el futuro que la captura geolgica de CO

2

es posible a gran escala, entonces la produccin dehidrgeno a partir de combustibles fsiles tendra laventaja adicional de que el CO

2producido en el pro-

ceso no estara diluido con nitrgeno atmosfrico,

reduciendo de esta forma la energa necesaria paracomprimir el CO2a condiciones apropiadas para al-

macenamiento subterrneo.

Tpicamente se requiere mucha energa (entre el10 % y 30 % del poder calorfico inferior) para com-primir o licuar el hidrgeno para almacenarlo en ve-hculos. Sin embargo, esta energa se puede recuperar

si se disean vehculos que aprovechan la energa ter-momecnica disponible en el hidrgeno comprimido olquido para generar potencia mecnica o aire acon-dicionado. Si el hidrgeno se usa en aviones, el muy

bajo peso del hidrgeno es una efi

ciencia intrnsecaque se hace an ms importante conforme aumentanel rango y la velocidad del avin.

Los clculos de eficiencia total (Figuras 1 y 2), es-tn limitados porque usualmente no examinan rela-ciones simbiticas tales como el almacenamiento deenerga, la eficiencia de captura y almacenamientogeolgico del CO

2, la co-generacin de energa y calor,

o las variaciones temporales tanto en el suministrocomo en el uso de la energa.

El sistema actual de generacin de electricidad esun ejemplo clsico de las limitaciones del clculo deeficiencia total. Las plantas elctricas de carbn son

menos eficientes y ms caras que las plantas de gasnatural de ciclo combinado, pero producen electrici-dad a un costo ms bajo. Por otro lado, las plantasde gas natural requeridas para satisfacer la demandaen periodos de mxima utilizacin son menos eficien-tes y producen electricidad ms cara que las plantasde carbn o de ciclo combinado. Sin embargo, todasellas resultan ser componentes necesarios dentro deun sistema ptimo de generacin de electricidad. Enresumen, la eficiencia es un parmetro importante,pero no necesariamente una virtud o criterio decisi-vo. El costo y otros intangibles (seguridad, confiabi-lidad, impacto ambiental negativo) deben de tomarseen cuenta.

El hidrgeno es caro

Obviamente, la economa del hidrgeno necesita tenerun costo razonable para que se pueda implementar anivel mundial. Esto a primera vista parece ser difcil.Al igual que la electricidad, el hidrgeno debe costarms que la fuente de energa de la que se obtuvo. Porlo tanto, el hidrgeno va a costar ms que los combus-tibles fsiles hasta que la energa alternativa (no fsil)sea ms barata que los combustibles fsiles.

En la medida en que los combustibles fsiles seempiecen a agotar, su costo se va a incrementar has-ta llegar a ser ms caros que las fuentes alternas deenerga. Sin embargo, hasta que llegue este momento,los productores de energa fsil pueden mantener elprecio de los combustibles suficientemente bajo paraevitar que se desarrolle la energa alternativa, puestoque nadie va a invertir en energa alternativa si noexiste una buena perspectiva de ganancia monetaria.Por otro lado, no se anticipa que los combustibles f-

Figura 2. La energa renovable es mas efectiva para reducir emisiones deCO

2si se usa directamente para reducir el uso de carbn en plantas

elctricas. Si se genera hidrgeno a partir de la energa renovable seobtiene una reduccin menor en emisiones. Sin embargo, este tipode anlisis de eficiencia total no considera las sinergas que puedenexistir en sistemas energticos.

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vuelos transocenicos, y aun ms si el vuelo supers-nico se populariza en el futuro para vuelos civiles.

En resumen, el hidrgeno cuesta un poco ms quelos combustibles fsiles, pero va a ser competitivo,ofreciendo beneficios nicos: combustin limpia, po-siblemente eliminando las emisiones de CO

2y operan-

do en un ciclo cerrado e inexhaustible basado en lassustancias ms limpias, abundantes y elementales:agua, oxgeno e hidrgeno (Figura 4); utilizacin mseficiente, requiriendo menos mantenimiento y pro-duciendo menos ruido; ms descentralizado y menosvulnerable que los sistemas actuales al terrorismo,desastres naturales y problemas de suministro. Mien-tras que existen alternativas al hidrgeno que se pue-den usar en algunas aplicaciones particulares (porejemplo, automviles elctricos para viajes cortos), elhidrgeno es una alternativa econmica a los combus-

siles se agoten en el futuro prximo debido a los enor-mes yacimientos de carbn existentes en el mundo.En vez de esto, lo que se va a agotar es la capacidadde nuestro medio ambiente de aceptar todos los con-

taminantes producidos por la extraccin, distribuciny uso de los combustibles fsiles.

La consecuencia ms grave del uso de combus-tibles fsiles es la desestabilizacin del clima mun-dial. El uso de combustibles fsiles libera CO

2, que se

queda atrapado en la atmsfera por siglos, alterandoel clima, la distribucin de la lluvia y tormentas, ascomo el nivel del mar; alteraciones que tienen su ma-yor impacto en las fuentes de agua potable, la produc-cin de alimentos en todo el mundo y el aumento en laperiodicidad y fuerza de siniestros naturales. De aquque a pesar de que no se conoce con precisin el costode continuar generando CO

2por el uso de combusti-

bles fsiles, se sabe que es grande y global. Adems,el cambio climtico producido por el CO2puede nece-

sitar siglospara corregirse.

Cuando se aade el costo ambiental a la produccinde energa a travs de combustibles fsiles y se compa-ra con la produccin de energa a travs de hidrgenose puede concluir que la economa del hidrgeno es laopcin ms econmica, aunque el hidrgeno sea mscaro que la energa fsil. El hidrgeno generado a partirde electricidad por medio de electrlisis en el punto deuso, o producido a partir de combustibles fsiles concaptura y almacenamiento geolgico del CO

2(Figura 3)

tiene un costo similar al costo actual de la gasolina enEuropa y Japn (US$ 3-5 por kilogramo de hidrgeno,equivalente a US$ 0.80-1.30 por litro de gasolina).

Adems de esto, el alto costo del hidrgeno se com-pensa con su alta eficiencia de utilizacin. Un vehcu-lo de hidrgeno de alta eficiencia (30 km - 40 km porlitro de gasolina equivalente) operando con hidrgenoa US$5 por kilogramo costara US$ 600-800 al aoen combustible, similar al costo actual en pases ta-les como Mxico o Estados Unidos, donde el combus-tible es relativamente barato. Los camiones pesadosy los aviones son mucho ms sensibles al costo delcombustible que los automviles particulares. Por lotanto, existe un incentivo adicional para implementartecnologas de alta eficiencia (celdas de combustible)en camiones pesados. En aviones, el hidrgeno tienela ventaja intrnseca de ser 3 veces ms ligero por uni-dad de energa que los hidrocarburos lquidos. Estaventaja resulta en una reduccin en el tamao de lasalas, el tamao de las turbinas, el mantenimiento re-querido, el peso al despegar, la longitud de la pista y elruido. Estas ventajas aumentan en importancia para

Figura 3.Captura y almacenamiento geolgico del CO2en pozos petroleros,

yacimientos de carbn o mantos freticos salinos.

Figura 4.El hidrgeno puede operar en un ciclo cerrado e inexhaustible basadoen las sustancias ms limpias, abundantes y elementales: agua,oxgeno e hidrgeno.

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tibles fsiles que se puede usar en forma global en to-dos los modos de transporte (automviles, camiones,aviones y barcos).

Se Necesitan Dcadas para Introducir la Economa del Hidrgeno

Algunos crticos han sealado que el consumo de pe-trleo y la produccin de CO

2se pueden reducir ms

rpidamente introduciendo polticas que mejoran la efi-ciencia energtica o promueven la generacin de ener-ga renovable en vez de tratar de convertir la economaal hidrgeno. Esta crtica es correcta. Aun el caso msoptimista analizado por la Academia Nacional de Inge-niera de Estados Unidos (National Research Council,2004), considera que los vehculos de hidrgeno se vana introducir en gran escala para el ao 2015, que to-dos los vehculos nuevos operarn con hidrgeno parael ao 2040, y que todos los vehculos funcionarn con

hidrgeno para el ao 2050.Por otro lado, todo cambio de combustible o de in-

fraestructura energtica requiere un tiempo de tran-sicin muy largo. An los proyectos de explotacinpetrolera toman mucho tiempo para completarse (unadcada). Los vehculos hbridos se han vendido al p-blico por 5 aos, y aun ahora slo constituyen el 1 %de todos los automviles vendidos. Es inevitable quetoda transicin energtica a gran escala lleve muchotiempo. Lo importante es planear la transicin concuidado para obtener el resultado deseado.

Las mejoras a la eficiencia tienen un impacto r-pido en la cantidad de combustible consumido y CO

2

producido. Sin embargo, la eficiencia por s misma esestructuralmente incapaz de eliminarlas emisiones deCO

2y/o el uso del petrleo. Las mejoras a la eficiencia

son una solucin relativamente rpida, fcil y barata(financiada por los ahorros en combustible), pero tam-bin presentan limitaciones fundamentales. Una efi-ciencia alta reduce el costo (marginal) y puede resultaren un aumento en la demanda de energa. Despus dela introduccin de leyes que obligaban a aumentar enla eficiencia de los automviles en Estados Unidos, laeconoma de combustible de los automviles se incre-mento 25 % entre 1980 y 1990. Sin embargo, la dis-tancia viajada por vehculo tambin aument 20 % enel mismo periodo de tiempo. Como resultado, el con-sumo total de gasolina permaneci casi constante.

Se proyecta que esta tendencia contine en el fu-turo. La Administracin de Informacin Energticade Estados Unidos proyecta aumentos considerablesen la demanda de electricidad y transportacin parael ao 2025. La Academia Nacional de Ingeniera de

Estados Unidos (National Research Council, 2004)estima que la distancia viajada por vehculo va a au-mentar de 20 000 km a 32 000 km por ao entre losaos 2015 y 2050, cuando se espera que ocurra la

transicin al hidrgeno.

Estos resultados muestran que la mejora en la efi-ciencia energtica puede estabilizar las emisionesdeCO

2o quiz reducir su tasa de crecimiento, sin em-

bargo, se necesita un sistema energtico fundamen-talmente diferente para estabilizar los nivelesde CO

2

en la atmsfera.

Para estabilizar la concentracin de CO2en la at-

msfera (y por lo tanto el clima mundial), se requierereducir las emisiones globales de CO

2a aproximada-

mente 7 mil millones de toneladas al ao, equivalentea un tercio de las emisiones actuales y un sexto delas emisiones proyectadas para el ao 2050. Esto esequivalente a menos de una tonelada de CO

2por per-

sona y por ao. Para poner esto en perspectiva, unatonelada de CO

2se genera viendo televisin o usando

una computadora personal 8 horas diarias duranteun ao, manejando 50 km diarios en un vehculo dealta eficiencia (40 km/litro) durante un ao, o viajan-do 6 000 km en un vuelo comercial. Es claro que lasmejoras a la eficiencia por s solas no van a reducir lasemisiones de CO

2al nivel requerido para estabilizar el

clima mundial. Es necesario transformar los sistemasenergticos para que no produzcan CO

2.

Es posible estimar el tiempo disponible para re-ducir las emisiones de CO

2si se combina un modelo

climatolgico con proyecciones sobre la demanda deenerga. Si asumimos que la temperatura global au-mentar 3 C como consecuencia de que se dupliquela concentracin de CO

2 en la atmsfera (este es el

caso intermedio de sensibilidad climtica asumido porla Conferencia Internacional sobre Cambio Climtico),se necesitar que el 80 % de la energa se produzcasin generar CO

2para el ao 2050, si se desea limitar

el calentamiento global a 2 C Caldeira (et al.,2003).Actualmente el 80 % de la energa se produce a partirde combustibles fsiles.

En resumen, la transicin al hidrgeno va a tomarvarias dcadas, sin embargo el largo periodo de tiem-

po requerido (~50 aos) implica que se debe empezarinmediatamente. El retrasar la transicin aumenta laconcentracin de CO

2 en la atmsfera, aumentando

nuestra vulnerabilidad a cambios climticos futuros.El primer paso es aumentar la eficiencia energtica.Esto dar tiempo para desarrollar un sistema energ-tico que no emita CO

2y que a la vez sea econmico y

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viable. Para mediados de este siglo, la estabilizacindel clima requerir que las tecnologas del hidrgenohayan madurado considerablemente y se implemen-ten a escala mundial. El hidrgeno es el nico com-bustible que puede ser limpio, libre de carbn, aplica-ble universalmente a todos los medios de transporte,y producible en la escala necesaria para satisfacer lasnecesidades de todo el mundo (Figura 5). La economa

del hidrgeno es necesaria para el futuro.

Las tecnologas del hidrgeno no estn list as para su

implementacin a gran escala

Estamos de acuerdo en que las tecnologas necesariaspara la economa del hidrgeno no tienen la suficientemadurez para su uso comercial a nivel mundial. Laeconoma del hidrgeno requiere de componentes pro-ducidos en masa con bajos costos y altos niveles deseguridad. No es necesario inventar nuevas tecnolo-gas, pero avances tecnolgicos futuros pueden hacerque los vehculos de hidrgeno sean mucho ms tilespara los usuarios y mucho ms atractivos para los

inversionistas.

La economa del hidrgeno va a ser muy distintaa la economa actual, debido a los requerimientos yoportunidades que surgen cuando se intenta produ-cir, almacenar y usar el hidrgeno. Es probable queel hidrgeno sea el ltimo combustible qumico de lahumanidad. Por lo tanto, es necesario generar una

infraestructura flexible que puedaadaptarse en respuesta a descubri-mientos cientficos, avances tecno-lgicos, cambios estructurales en

la economa y cambios en la acti-tud de la sociedad.

De entre todas las tecnologasnecesarias para la economa del hi-drgeno, las tecnologas de produc-cin son las ms maduras. Desdeque se descubri que el hidrgenoes un componente del agua hacems de 200 aos, el hidrgenose ha producido a partir del aguausando combustibles fsiles o elec-tricidad. El mtodo ms comn esla reformacin de metano. Este m-todo es relativamente eficiente entrminos de capital y energa (60 %- 70 %), y es un proceso apropiadopara producir hidrgeno en el lugarde su uso(por ejemplo, en una refi-nera de petrleo o en una planta deproduccin de amoniaco). La venta-

ja econmica del reformado disminuye si el hidrge-no se tiene que distribuir a las estaciones de servicio,especialmente en las etapas iniciales de la transicinal hidrgeno cuando la demanda de hidrgeno es de-masiado pequea para justificar un gasoducto paratransportar hidrgeno.

El hidrgeno tambin se puede producir a pequeaescala en el lugar de uso (en estaciones de servicio porreformado o en casas particulares por electrlisis). Sinembargo, la tecnologa de produccin de hidrgeno enestas pequeas escalas necesita desarrollarse mspara ampliar su valor econmico y seguridad.

Comparado con la produccin, la distribucin y elalmacenamiento de hidrgeno apenas estn maduran-do. Aunque existen algunos gasoductos de hidrgenoen servicio, el hidrgeno tpicamente se distribuye pormedio de camiones que transportan hidrgeno en es-tado gaseoso a alta presin o en estado lquido. Sinembargo, los tanques metlicos normalmente usadospara distribuir el hidrgeno comprimido son muy pe-sados, limitando la cantidad de hidrgeno que se pue-de transportar y aumentando el costo de distribucin.Los tanques para transportar hidrgeno lquido sonms ligeros debido a que operan a presiones bajas (1-10 atmsferas). Por tanto, un camin de hidrgeno l-quido puede transportar ~10 veces ms hidrgeno queun camin de gas comprimido. Desafortunadamente,

Figura 5.Sistema energtico basado en energa renovable y nuclear con generacin electroltica de hidrgenoen el lugar de uso.

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se necesita mucha energa para licuar el hidrgeno,requiriendo entre el 30 % y el 40 % de su poder calor-fico inferior. Otro problema es que el hidrgeno lquidotiende a evaporarse rpidamente debido a la transfe-

rencia de calor del ambiente.

Las tecnologas para almacenar hidrgeno en auto-mviles son aun menos maduras, a pesar de que sonms importantes para el xito comercial de los veh-culos de hidrgeno. La baja densidad energtica delhidrgeno presenta mltiples retos, sobre todo cuan-do se le compara con los muy densos hidrocarburoslquidos en uso actual.

La experiencia con el hidrgeno lquido provieneprincipalmente del programa espacial. El hidrgenolquido se puede usar con facilidad en aviones, barcosy trenes, pero existe poca experiencia en estas aplica-ciones. Recientemente se han construido varios auto-mviles que operan con hidrgeno lquido.

El almacenamiento de hidrgeno lquido en auto-mviles ha avanzado mucho en los ltimos 30 aos,principalmente debido al trabajo de BMW (Pehr et al.,2002). En 2003, BMW construy 15 automviles de hi-drgeno lquido que fueron sujetos a pruebas extensi-vas. El reto principal es mantener el hidrgeno lquidoa 20 kelvin por semanas. An el aislamiento de vacocon capas mltiples de material reflejante es insufi-ciente para reducir la transferencia de calor al tanqueal nivel de 1 watt, que es necesario para evitar prdidaspor evaporacin por 3-4 das en tanques de baja pre-sin (~7 atmsferas). Tanques de ms alta presin pue-den reducir considerablemente las prdidas por eva-poracin Aceves (et al.,2005), y esto se ha demostradorecientemente a bordo de una camioneta.

Muchas compaas estn usando tanques de altapresin para almacenamiento de hidrgeno comprimi-do en vehculos, debido a su ms alto grado de ma-durez. Los tanques de gas comprimido se han hechocada vez ms prcticos debido a que la resistencia delas fibras ha hecho posible el uso de tanques de muyalta presin (700 atmsferas).

Sin importar que tecnologa se use en los vehcu-los de hidrgeno, su rango estar limitado debido a la

baja densidad energtica del hidrgeno. Aun en es-tado lquido, la densidad energtica del hidrgeno esslo la cuarta parte de la gasolina. Esta gran diferen-cia requiere que los vehculos de hidrgeno sean muyeficientes (30-40 km/L) para poder obtener un rangorazonable (~500 km) con un tanque de combustible.La eficiencia requerida se puede obtener con vehculos

hbridos, aunque se pueden obtener eficiencias anms altas con celdas de combustible. La tecnologa delas celdas de combustible ha avanzado mucho en losltimos 5 aos, pero an se puede concluir que las

celdas de combustible, especialmente para vehculos,son la tecnologa menos madura entre todas las tec-nologas de almacenamiento, produccin y utilizacindel hidrgeno.

EL FUTURO

La configuracin que la economa del hidrgeno va aadquirir en los prximos 50 aos depende de muchosfactores, tanto conocidos como desconocidos. Sin em-bargo, es posible delinear sus caractersticas principa-les. Al menos cuatro modelos existen, dependiendo desi 1) el hidrgeno se produce a partir de combustiblesfsiles o a partir de fuentes de energa que no generan

CO2, y 2) si se produce el hidrgeno en pequea escalaen el punto de utilizacin o a gran escala en una es-tacin central y de ah se distribuye.

Modelo 1. Produccin de hidr geno nuclear a gran escala

Este es el modelo planteado a principios de los aos1970s (US Atomic Energy Comisin, 1972; Gregory,1973). En aquel tiempo se planeaba construir muchasplantas nucleares, y el petrleo y el gas natural eranbaratos. Muchos pases se estaban electrificando r-pidamente, y la construccin de nuevas lneas elc-tricas era un obstculo al desarrollo econmico. Unasolucin a este problema era producir hidrgeno en

plantas nucleares lejanas y transportar el hidrgenoen gasoductos, a un precio ms bajo que el costo delas lneas elctricas, reduciendo la contaminacin am-biental producida por el uso de combustibles fsiles.

Las condiciones han cambiado mucho en los lti-mos 30 aos. En estos aos, la aceptacin pblica dela energa nuclear y la confianza en las tcnicas paraalmacenar los residuos radioactivos se han reducidoconsiderablemente. Adems de eso, las energas solary elica se han abaratado considerablemente y ambasrepresentan una nueva alternativa para producir elec-tricidad sin generar CO

2.

La energa nuclear no produce CO2adems de ser

confiable y econmica, y por lo tanto puede ser muytil en la futura economa del hidrgeno. La produc-cin nuclear de hidrgeno genera sinergias con ope-raciones industriales tales como la produccin deamoniaco para producir fertilizantes o la licuefac-cin de hidrgeno en grandes cantidades. Por ejem-plo, para producir la enorme cantidad de hidrgeno

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lquido necesario en un aeropuerto grande una vezque todos los aviones usen hidrgeno como combusti-ble (aproximadamente 10 000 kg de hidrgeno lquidopor minuto, equivalente a 20 GW), se podra construir

una planta nuclear cerca del aeropuerto. As se podradistribuir la energa fcilmente sin necesidad de ga-soductos o lneas elctricas. Los reactores nuclearesde alta temperatura enfriados por gases (actualmenteen desarrollo) son apropiados para la produccin dehidrgeno lquido por medio de electrlisis a alta tem-peratura o ciclos termoqumicos.

Modelo 2. Produccin centralizada de hidrgeno a partir de

combustibles fs iles con captura del CO2producido

Es difcil visualizar una economa del hidrgeno basa-da en combustibles fsiles, pero ste puede convertirseen el modelo preferido si se puede demostrar que lastecnologas de captura y almacenamiento subterrneo

del CO2son viables. En este modelo, el carbn sera lafuente principal de hidrgeno en el futuro, debido a surelativa abundancia y su bajo precio comparado con elgas natural y el petrleo.

El carbn se puede usar ms eficientemente paraproducir hidrgeno que para producir electricidad, es-pecialmente si el CO

2se debe capturar y almacenar.

Para producir electricidad sera ms apropiado utili-zar energa nuclear o renovable, considerando que laelectricidad producida a partir del carbn puede sercara si se incluye el costo de captura y almacenamien-to geolgico del CO

2.

Es interesante sealar que el modelo del hidrgenofsil es similar al modelo del hidrgeno nuclear. Ladistribucin del hidrgeno por gasoducto es probable-mente ms econmica que la transmisin de electri-cidad generada en plantas de carbn. Es importantedeterminar si el hidrgeno producido es ms valiosocomo combustible para la transportacin o para ge-neracin de electricidad en pequea escala en casasy edificios con celdas de combustible estacionarias,donde existe la posibilidad de recuperar y aprovecharel calor generado (co-generacin). Las celdas de com-bustible estacionarias se usan continuamente y por lotanto es posible justificar su alto costo inicial.

La tecnologa ms importante para el xito de estemodelo es la captura y el almacenamiento geolgicode CO

2. Sin esta tecnologa, la economa del hidrge-

no fsil producir ms CO2que la economa actual.

Tambin los gasoductos (para hidrgeno y para CO2)

son muy importantes en este modelo. Es importanteverificar si los gasoductos actuales se pueden usar (oadaptar) para su uso con hidrgeno.

Modelo 3. Hidrgeno a partir de gas natural a pequea escala

En este modelo se distribuye gas natural usando lainfraestructura existente, eliminando la necesidad de

construir una nueva infraestructura. Sin embargo,en vez de quemar el gas natural para producir calor,el gas natural se reforma para producir hidrgeno, yel calor producido en la reformacin se puede apro-vechar para calentar agua o cocinar (co-generacin).Este proceso es mucho ms eficiente que el procesoactual de quemar el gas natural directamente. El hi-drgeno representa dos terceras partes de la energade una molcula de metano (CH

4). Un reformado efi-

ciente de este gas natural para generar hidrgeno, ca-lor y electricidad reduce los costos de la electricidady del hidrgeno y al mismo tiempo reduce las emisio-nes de CO

2. Las variaciones en la demanda de elec-

tricidad permiten que haya exceso de produccin dehidrgeno, el cual se puede usar para automviles.Otra posibilidad consiste en conectar a la red elctricaautomviles estacionados para generar electricidad enmomentos de alta demanda, reduciendo la necesidadde construir ms plantas elctricas.

Este modelo requiere de reformadores y celdas decombustible de alta eficiencia (~75 %). Las celdas decombustible evitan la necesidad de construir nuevaslneas elctricas y proporcionan calor, ahorrando gasque de otro modo se usara para producirlo. Este altonivel de eficiencia permitira una transicin econmi-ca que reducira la demanda energtica y las emisio-nes totales de CO

2.

El xito de este modelo depende de que el costo delgas natural sea razonable y de que se puedan fabri-car celdas de combustible de alta eficiencia y durabi-lidad. A mediano plazo puede haber problemas coneste modelo, porque es posible que los depsitos degas natural se empiecen a agotar. Finalmente, estemodelo sirve slo durante el periodo de transicin alhidrgeno, porque el uso del gas natural genera CO

2.

A largo plazo necesitamos un sistema energtico queno produzca CO

2.

Modelo 4. Hidrgeno a parti r de energa renovable a pequea escala

Este modelo ha sido descrito desde principios de losaos 1970s (Bockris, 1976; Justi, 1987; Winter y Nits-ch, 1988; Ogden y Williams, 1989), pero se ha conver-tido en una opcin real en los ltimos 10 aos debidoa que el costo de la energa renovable se ha reducidoconsiderablemente. En este modelo se puede explotarla sinergia existente entre la intermitencia de la ener-ga renovable y el hidrgeno porque el hidrgeno esmucho ms fcil de almacenar que la electricidad.

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Cuando los niveles de energa solar o elica sonaltos, el exceso de electricidad se puede usar para ge-nerar hidrgeno por medio de electrlisis para su usodirecto como combustible en automviles o para pro-

ducir electricidad en das sin viento o en periodos sinluz solar en das nublados o de noche. Este modeloes en cierto modo el inverso del modelo de hidrgenoa pequea escala a partir del gas natural. En vez deconsumir el hidrgeno en celdas de combustible paraproducir electricidad (y calor) se consume electricidaden electrolizadores para producir hidrgeno (y calor).

El reto ms grande para el hidrgeno renovable esel costo. El costo de la electricidad renovable depen-de del costo del sistema necesario para generar y/odistribuir la energa renovable. El sincronizar las va-riaciones diarias, semanales y anuales en produccin,consumo y almacenamiento de electricidad, hidrgenoy calor, tanto para edificios como para vehculos, es

un problema complejo pero necesario para obtener unsistema econmicamente eficiente.

Es probable que el problema de la sincronizacinse haga ms y ms fcil con el desarrollo de la tecno-loga de la informacin. Los mercados de energa futu-ros debern de poder reflejar (y responder a) cambiossbitos en el costo de los servicios energticos. La ven-taja ms grande que se puede obtener con un sistemade energa renovable puede ser permitirle a los consu-midores evaluar inteligentemente sus opciones ener-gticas, no slo en cuanto a cantidad sino tambin encuanto a calidad, tiempo, intensidad y duracin.

CONCLUSIONES

La economa del hidrgeno proporciona mltiples be-neficios, incluyendo aire limpio e independencia ener-gtica. Sin embargo, el beneficio ms importante esla estabilizacin del clima mundial. El hidrgeno esel medio ms econmico para reducir considerable-mente (80 % - 90 %) las emisiones de CO

2a los nive-

les necesarios para no poner en riesgo la estabilidadclimtica. Esto hace que la conversin al hidrgenosea una necesidad urgente. El hidrgeno es el nicocombustible que se puede producir en la escala ne-cesaria para usarse globalmente en todos los mediosde transportacin. A largo plazo, el hidrgeno permite

que la energa solar, elica y nuclear reemplacen a laenerga fsil usada tanto en la generacin de electri-cidad como para la transportacin, aprovechando efi-cientemente las variaciones naturales en la potenciagenerada en sistemas de energa solar o elica.

La produccin y el almacenamiento de hidrgenoimplican un gasto de energa (y por lo tanto econmico)

adicional, pero este gasto se puede compensar con usoeficiente y/o co-generacin de electricidad y calor.

Aunque no es necesario inventar nuevas tecnolo-gas para la economa del hidrgeno, si es necesariodesarrollar las tecnologas existentes para que pue-dan ser usadas por el pblico en general. Avances enla electroqumica de electrolizadores y celdas de com-bustible, y mejoras a los tanques de alta presin ycriognicos van a mejorar considerablemente las ca-ractersticas de la futura economa del hidrgeno.

La produccin del hidrgeno puede ser centraliza-da o descentralizada, basada en combustibles fsileso energa renovable o nuclear. Las caractersticas dela produccin determinan la necesidad de desarrollarnueva infraestructura, tal como gasoductos, lneaselctricas, barcos tanque y estaciones de servicio. Sise determina que el almacenamiento geolgico del CO

2

es prctico a gran escala, se puede generar hidrgenoa partir del carbn para reemplazar a los combustiblesfsiles, aunque se necesitara construir una infraes-tructura extensiva de distribucin del hidrgeno.

Si los problemas de almacenamiento geolgico delCO

2no se pueden resolver, ser necesario hacer un

esfuerzo para incrementar la eficiencia de los sistemasenergticos actuales y prepararse para la transicin alhidrgeno renovable conforme aprendemos ms sobreel cambio climtico, la disponibilidad de los combusti-bles fsiles y la demanda futura de energa.

La pregunta fundamental sobre la economa del hi-

drgeno no es si va a ocurrir, sino cundova a ocurrir.La transicin de la economa fsil a la economa del hi-drgeno va a tomar de 30 aos a 50 aos (igual que to-das las transiciones anteriores). Considerando que laeconoma del hidrgeno es necesaria para estabilizarel clima, no nos queda otra opcin ms que trabajarcon entusiasmo para convertirla en realidad.

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