Qa El Hidrogeno y Sus Aplicaciones Energeticas

EL HIDRÓGENO Y SUS APLICACIONES ENERGÉTICAS – DANIEL GÁMEZ FRANCO PÁG. 1 DE 134

AGRADECIMIENTOS

Si he de ser sincero, creo que debería agradecer a muchas personas por sus aportaciones a mi trabajo, ya que quien más

quien menos, todos los que me rodean han contribuido con su granito de arena a que mi éste sea posible.

En primer lugar, quiero agradecer a Juan Carlos Tinoco, ex-profesor de física y ciencias para el mundo contemporáneo, su

interés por el tema y la ayuda que me prestó durante el curso que estuvo con nosotros. Además, gracias a sus clases de

ciencias para el mundo contemporáneo me animé a hacer una extensa introducción sobre los problemas derivados del

cambio climático, ya que como él bien nos enseñó, es algo en lo que todos debemos tomar parte para poder solucionarlo.

También quiero agradecer su ayuda a Josep María Torres Salvador, que fue mi profesor de tecnología durante varios cursos.

Él también se interesó mucho por mi proyecto y, aunque se preocupaba mucho por la peligrosidad de algunas de las

prácticas realizadas, siempre me apoyó.

Siguiendo con los profesores de mi instituto, el INS La Ferrería, también quiero agradecer su implicación a Felisa Pinilla, ya

que a pesar de no ser la tutora de mi trabajo, se ha implicado mucho y sus aportaciones me han sido de gran ayuda desde

que comencé con el trabajo hasta que realicé los últimos retoques.

También me gustaría nombrar a Fernando Arnaiz, alias Patxi, que a pesar de que mi trabajo no tenía mucho que ver con su

asignatura, Dibujo Técnico, se mostró muy interesado desde el primer momento y también me ayudó con algunas ideas

iniciales que me hubiese gustado poder desarrollar, aunque finalmente no fue posible.

He de agradecer también su colaboración a Cristóbal Ortiz, actual profesor de Tecnología Industrial y tutor de mi trabajo, que

también me ha ayudado bastante en la recta final del mismo.

Dejando de lado a los profesores, también debo agradecer su ayuda a Sue Camaño, directora del instituto, que también me

ayudó cuando empecé con el proyecto.

Para terminar con los agradecimientos a profesores y, en general, personas relacionadas con el centro, me gustaría

agradecer a todos los profesores, actuales y pasados, su gran labor, ya que de una u otra manera todos han hecho posible

que este trabajo sea como es. Me gustaría citarlos a todos, pero la lista sería interminable y no me gustaría dejarme alguno

por descuido, así que simplemente digo: ¡gracias a todos!

Por otra parte, quiero dar mi agradecimiento también a Alejandro Goñi, investigador del ICMAB que me puso en contacto

con el Profesor Elies Molins y que ya nos ayudó a unos compañeros y a mí en otra ocasión con un trabajo de óptica. En

cuanto al Profesor Elies Molins, quiero agradecer toda la ayuda que me prestó, que me fue muy útil, y el tiempo que dedicó a

mi proyecto.

Quiero hacer mención especial también a mis padres, que me han ayudado mucho con el proyecto, ya sea de una manera u

otra, y que han tenido mucha paciencia cada vez que necesitaba desplazarme a algún sitio para buscar materiales.

Precisamente por eso, los materiales, quiero también agradecer a mi amigo Arnau Reguero las placas de metacrilato que me

proporcionó.

Ya para terminar, sólo puedo decir que gracias a todos. No solo a los citados en las líneas anteriores, sino a todos mis amigos,

conocidos, familiares… ya que todos han hecho posible esto y me han ayudado, cada uno a su manera, en todo lo que han

podido.


ÍNDICE

TEMA 0

1. MOTIVACIONES .................................................................................................................................................................... PÁG. 11

2. HIPÓTESIS ........................................................................................................................................................................... PÁG. 11

3. OBJETIVOS Y ESTRUCTURA ...................................................................................................................................................... PÁG. 11

4. METODOLOGÍA ..................................................................................................................................................................... PÁG. 12

TEMA 1

1. LOS COMBUSTIBLES FÓSILES .................................................................................................................................................... PÁG. 14

1.1. ORIGEN ........................................................................................................................................................................... PÁG. 14

1.2. IMPORTANCIA Y DEPENDENCIA .............................................................................................................................................. PÁG. 14

1.3. CONTAMINACIÓN Y CONSECUENCIAS AMBIENTALES .................................................................................................................. PÁG. 17

1.3.1. LLUVIA ÁCIDA ................................................................................................................................................................. PÁG. 17

1.3.2. CENIZAS ........................................................................................................................................................................ PÁG. 18

1.3.3. EFECTO INVERNADERO ..................................................................................................................................................... PÁG. 18

1.3.3.1. LOS GASES DE EFECTO INVERNADERO Y SUS CAUSAS ............................................................................................................ PÁG. 18

1.3.3.2. CONSECUENCIAS .......................................................................................................................................................... PÁG. 20

1.3.3.3. SOLUCIONES ............................................................................................................................................................... PÁG. 21

1.3.3.3.1. EL PROTOCOLO DE KYOTO .......................................................................................................................................... PÁG. 21

1.3.3.3.2. LA CONFERENCIA DE CAMBIO CLIMÁTICO DE COPENHAGUE ............................................................................................... PÁG. 23

1.3.4. DERRAMES DE PETRÓLEO .................................................................................................................................................. PÁG. 24

1.3.5. EFECTOS SOBRE LA SALUD ................................................................................................................................................. PÁG. 25

2. CRISIS ENERGÉTICA ................................................................................................................................................................ PÁG. 26

2.1. DEPENDENCIA DEL PETRÓLEO ............................................................................................................................................... PÁG. 26

2.2. LA CURVA DE HUBBERT Y EL CÉNIT DE LA PRODUCCIÓN MUNDIAL DE PETRÓLEO .............................................................................. PÁG. 27

3. SOLUCIONES ........................................................................................................................................................................ PÁG. 29

3.1. AHORRO ENERGÉTICO ......................................................................................................................................................... PÁG. 30

3.2. OTRAS FUENTES DE ENERGÍA ................................................................................................................................................ PÁG. 31

TEMA 2

1. HIDRÓGENO (H) Y DIHIDRÓGENO (H2) ...................................................................................................................................... PÁG. 34

2. NOMENCLATURA .................................................................................................................................................................. PÁG. 34

3. HISTORIA ............................................................................................................................................................................ PÁG. 35

4. ABUNDANCIA ....................................................................................................................................................................... PÁG. 37

5. PROPIEDADES FÍSICAS DEL HIDRÓGENO ...................................................................................................................................... PÁG. 39


5.1. ESTADO ........................................................................................................................................................................... PÁG. 39

5.2. OLOR, COLOR Y GUSTO ........................................................................................................................................................ PÁG. 39

5.3. TOXICIDAD ....................................................................................................................................................................... PÁG. 39

5.4. DENSIDAD Y MEDIDAS RELACIONADAS .................................................................................................................................... PÁG. 40

5.4.1. VOLUMEN ESPECÍFICO ...................................................................................................................................................... PÁG. 40

5.4.2. RELACIÓN DE EXPANSIÓN .................................................................................................................................................. PÁG. 40

5.4.3. FUGAS .......................................................................................................................................................................... PÁG. 41

6. PROPIEDADES QUÍMICAS ........................................................................................................................................................ PÁG. 41

6.1. REACTIVIDAD .................................................................................................................................................................... PÁG. 41

6.2. ENERGÍA .......................................................................................................................................................................... PÁG. 42

6.2.1. CONTENIDO EN ENERGÍA .................................................................................................................................................. PÁG. 42

6.2.2. DENSIDAD DE ENERGÍA ..................................................................................................................................................... PÁG. 42

6.2.3. INFLAMABILIDAD ............................................................................................................................................................. PÁG. 43

6.2.3.1. PUNTO DE INFLAMACIÓN O FLASHPOINT ........................................................................................................................... PÁG. 43

6.2.3.2. RANGO DE INFLAMABILIDAD ........................................................................................................................................... PÁG. 43

6.2.3.3. TEMPERATURA DE AUTOENCENDIDO ................................................................................................................................ PÁG. 44

6.2.3.4. OCTANAJE .................................................................................................................................................................. PÁG. 45

6.2.3.5. ENERGÍA DE IGNICIÓN ................................................................................................................................................... PÁG. 45

6.2.3.6. VELOCIDAD DE QUEMADO Y VELOCIDAD DE LLAMA ............................................................................................................. PÁG. 46

6.2.3.7. DISTANCIA DE APAGADO ................................................................................................................................................ PÁG. 46

6.2.3.8. CARACTERÍSTICAS DE LA LLAMA ....................................................................................................................................... PÁG. 46

6.2.4. FRAGILIZACIÓN POR HIDRÓGENO ........................................................................................................................................ PÁG. 47

7. EL ÁTOMO DE HIDRÓGENO ...................................................................................................................................................... PÁG. 48

7.1. NIVELES ENERGÉTICOS ELECTRÓNICOS DEL ÁTOMO DE HIDRÓGENO .............................................................................................. PÁG. 48

7.2. ISÓTOPOS ......................................................................................................................................................................... PÁG. 49

7.2.1. PROTIO (1H) .................................................................................................................................................................. PÁG. 50

7.2.2. DEUTERIO (2H) .............................................................................................................................................................. PÁG. 51

7.2.3. TRITIO (3H) ................................................................................................................................................................... PÁG. 52

7.2.4. ISÓTOPOS ARTIFICIALES (4H,

5H,

6H Y

7H) ............................................................................................................................ PÁG. 52

7.3. CATIONES (HIDRONES) ....................................................................................................................................................... PÁG. 52

7.3.1. PROTÓN (1H

+) ............................................................................................................................................................... PÁG. 52

7.3.2. DEUTERÓN (2H

+) ............................................................................................................................................................ PÁG. 53

8. APLICACIONES GENERALES ...................................................................................................................................................... PÁG. 53

9. SEGURIDAD Y PRECAUCIONES .................................................................................................................................................. PÁG. 54

TEMA 3

1. OBTENCIÓN ......................................................................................................................................................................... PÁG. 56


1.1. HIDRÓGENO RESIDUAL ........................................................................................................................................................ PÁG. 56

1.2. HIDRÓGENO A PARTIR DE HIDROCARBUROS ............................................................................................................................. PÁG. 56

1.2.1. REFORMADO CON VAPOR DE AGUA ..................................................................................................................................... PÁG. 56

1.2.2. OXIDACIÓN PARCIAL ........................................................................................................................................................ PÁG. 57

1.2.3. REFORMADO CON CO2 Y DESCOMPOSICIÓN DIRECTA DEL METANO ........................................................................................... PÁG. 57

1.2.4. REFORMADO CON PLASMA ............................................................................................................................................... PÁG. 58

1.2.5. GASIFICACIÓN DE CARBÓN, BIOMASA Y DERIVADOS DE LOS HIDROCARBUROS .............................................................................. PÁG. 58

1.3. HIDRÓGENO A PARTIR DE AGUA ............................................................................................................................................ PÁG. 58

1.3.1. ELECTROLISIS ................................................................................................................................................................. PÁG. 58

1.3.1.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ..................................................................................................................................... PÁG. 58

1.3.1.2. ECUACIONES Y REACCIONES ............................................................................................................................................ PÁG. 59

1.3.1.3. TERMODINÁMICA DEL PROCESO ...................................................................................................................................... PÁG. 59

1.3.1.4. SELECCIÓN DEL ELECTROLITO .......................................................................................................................................... PÁG. 59

1.3.1.5. TÉCNICAS Y CELDAS ...................................................................................................................................................... PÁG. 60

1.3.1.5.1. DEMOSTRACIÓN FUNDAMENTAL .................................................................................................................................. PÁG. 60

1.3.1.5.2. VOLTÁMETRO DE HOFMANN ....................................................................................................................................... PÁG. 60

1.3.1.5.3. ELECTRÓLISIS INDUSTRIAL ........................................................................................................................................... PÁG. 60

1.3.1.5.4. ELECTRÓLISIS A ALTA PRESIÓN ...................................................................................................................................... PÁG. 61

1.3.1.5.5. ELECTRÓLISIS A ALTA TEMPERATURA ............................................................................................................................. PÁG. 61

1.3.1.5.6. ELECTRÓLISIS DE ORINA .............................................................................................................................................. PÁG. 61

1.3.1.6. EFICIENCIA .................................................................................................................................................................. PÁG. 62

1.3.2. DESCOMPOSICIÓN FOTOQUÍMICA DEL AGUA ......................................................................................................................... PÁG. 62

1.3.3. A PARTIR DE BIOMASA ..................................................................................................................................................... PÁG. 63

1.3.3.1. PIROLISIS Y GASIFICACIÓN DE LA BIOMASA ......................................................................................................................... PÁG. 64

1.3.3.2. REFORMADO DE BIOETANOL ........................................................................................................................................... PÁG. 64

1.3.4. DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA DEL AGUA ................................................................................................................................ PÁG. 64

1.3.4.1. ENERGÍA TÉRMICA NUCLEAR ........................................................................................................................................... PÁG. 65

1.3.4.2. ENERGÍA TÉRMICA SOLAR .............................................................................................................................................. PÁG. 65

1.3.4.3. CICLOS TÉRMICOS ........................................................................................................................................................ PÁG. 65

1.3.4.3. 1.CICLOS AZUFRE-YODO ................................................................................................................................................ PÁG. 66

1.3.4.3. 2. CICLO UT-3 ............................................................................................................................................................ PÁG. 67

1.3.4.3. 2. CICLO COBRE-CLORO ................................................................................................................................................. PÁG. 67

1.4. PRODUCCIÓN BIOLÓGICA DE HIDRÓGENO: BIOHIDRÓGENO ......................................................................................................... PÁG. 67

1.5. SEPARACIÓN Y PURIFICACIÓN DEL HIDRÓGENO ......................................................................................................................... PÁG. 67

1.5.1. PURIFICACIÓN CATALÍTICA DE HIDRÓGENO ........................................................................................................................... PÁG. 67

1.5.2. SEPARACIÓN DE HIDRÓGENO ............................................................................................................................................. PÁG. 68

1.5.2.1. SEPARACIÓN MEDIANTE ADSORCIÓN POR CAMBIO DE PRESIÓN .............................................................................................. PÁG. 68


1.5.2.2. SEPARACIÓN MEDIANTE MEMBRANAS .............................................................................................................................. PÁG. 68

1.5.2.3. SEPARACIÓN CRIOGÉNICA .............................................................................................................................................. PÁG. 68

2. ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO .......................................................................................................................................... PÁG. 69

2.1. GAS A ALTA PRESIÓN (CGH2) ............................................................................................................................................... PÁG. 70

2.1.1. TECNOLOGÍA DE CILINDROS ............................................................................................................................................... PÁG. 72

2.2. HIDRÓGENO LÍQUIDO (LH2) ................................................................................................................................................. PÁG. 72

2.3. HIDRUROS ........................................................................................................................................................................ PÁG. 73

2.3.1. VENTAJAS ...................................................................................................................................................................... PÁG. 73

2.3.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ........................................................................................................................................ PÁG. 74

2.3.3. VENTAJAS Y PROBLEMAS TÉCNICOS ..................................................................................................................................... PÁG. 75

2.4. ADSORCIÓN AL CARBÓN ...................................................................................................................................................... PÁG. 75

2.5. MICROESFERAS DE CRISTAL .................................................................................................................................................. PÁG. 75

2.6. OXIDACIÓN DE HIERRO ........................................................................................................................................................ PÁG. 75

2.7. BIOCOMBUSTIBLES ............................................................................................................................................................. PÁG. 76

3. TRANSPORTE DE HIDRÓGENO .................................................................................................................................................. PÁG. 76

3.1. EN FORMA GASEOSA ........................................................................................................................................................... PÁG. 76

3.2. EN FORMA LÍQUIDA ............................................................................................................................................................ PÁG. 77

3.3. HIDROGENERAS ................................................................................................................................................................. PÁG. 77

TEMA 4

1. EL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE PARA EL TRANSPORTE ........................................................................................................... PÁG. 80

2. PILAS DE COMBUSTIBLE .......................................................................................................................................................... PÁG. 80

2.1. ORIGEN ........................................................................................................................................................................... PÁG. 80

2.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ........................................................................................................................................... PÁG. 81

2.2.1. AGRUPACIÓN ................................................................................................................................................................. PÁG. 81

2.3. TIPOS .............................................................................................................................................................................. PÁG. 81

2.3.1. ALCALINAS (AFC) ........................................................................................................................................................... PÁG. 81

2.3.1.1. REACCIÓN .................................................................................................................................................................. PÁG. 82

2.3.1.2. ELECTROLITOS ............................................................................................................................................................. PÁG. 82

2.3.1.3. VARIANTES ................................................................................................................................................................. PÁG. 83

2.3.2. CARBONATO FUNDIDO (MCFCS) ....................................................................................................................................... PÁG. 83

2.3.3. ÁCIDO FOSFÓRICO (PAFCS) .............................................................................................................................................. PÁG. 84

2.3.4. POLÍMERO SÓLIDO O MEMBRANA DE INTERCAMBIO PROTÓNICO (PEMFC) ............................................................................... PÁG. 85

2.3.4.1. REACCIÓN .................................................................................................................................................................. PÁG. 85

2.3.4.2. MEMBRANA ELECTROLÍTICA ........................................................................................................................................... PÁG. 87

2.3.4.3. CATALIZADORES ........................................................................................................................................................... PÁG. 87

2.3.4.4. TIPOS ........................................................................................................................................................................ PÁG. 87


2.3.4.4.1. CELDAS DE COMBUSTIBLE DE METANOL DIRECTO (DMFC) ................................................................................................ PÁG. 88

2.3.4.4.1.1. METANOL ............................................................................................................................................................ PÁG. 88

2.3.4.4.1.2. REACCIÓN ............................................................................................................................................................ PÁG. 88

2.3.4.4.2. CELDAS DE COMBUSTIBLE DE ETANOL DIRECTO (DEFC) .................................................................................................... PÁG. 89

2.3.5. ÓXIDO SÓLIDO (SOFCS) .................................................................................................................................................. PÁG. 90

2.4. APLICACIONES DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE ........................................................................................................................ PÁG. 90

2.5. BARRERAS Y LIMITACIONES .................................................................................................................................................. PÁG. 91

3. MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ........................................................................................................................................ PÁG. 91

3.1. TIPOS DE MOTOR ............................................................................................................................................................... PÁG. 92

3.1.1. ROTATIVO WANKEL ......................................................................................................................................................... PÁG. 93

3.1.2. OTTO 4 TIEMPOS ............................................................................................................................................................ PÁG. 95

3.2. RELACIÓN AIRE/COMBUSTIBLE .............................................................................................................................................. PÁG. 95

3.3. EVOLUCIÓN TÉCNICA DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ............................................................................................... PÁG. 97

3.3.1. CONTROL DE ACEITE DEL MOTOR ........................................................................................................................................ PÁG. 97

3.3.2. CULATA Y REFRIGERACIÓN ................................................................................................................................................ PÁG. 97

3.3.3. SISTEMA DE IGNICIÓN ...................................................................................................................................................... PÁG. 98

3.3.4. SISTEMAS DE INYECCIÓN ................................................................................................................................................... PÁG. 98

3.3.4.1. SISTEMAS DE INYECCIÓN CENTRAL ................................................................................................................................... PÁG. 98

3.3.4.2. CARBURACIÓN ............................................................................................................................................................ PÁG. 98

3.3.4.3. SISTEMAS DE INYECCIÓN POR CONDUCTO (PIF) .................................................................................................................. PÁG. 98

3.3.4.4. INYECCIÓN DIRECTA (DI) ............................................................................................................................................... PÁG. 99

3.3.5. VENTILACIÓN DEL CÁRTER ................................................................................................................................................. PÁG. 99

3.3.6. SISTEMAS DE ESCAPE ..................................................................................................................................................... PÁG. 100

3.3.7. ACEITE LUBRICANTE ....................................................................................................................................................... PÁG. 100

3.3.8. CAMBIOS ESTRUCTURALES .............................................................................................................................................. PÁG. 100

4. VEHÍCULOS CON HIDRÓGENO ................................................................................................................................................ PÁG. 100

5. FUSIÓN NUCLEAR ................................................................................................................................................................ PÁG. 101

5.1. PRINCIPIO FÍSICO ............................................................................................................................................................. PÁG. 101

5.2. TIPOS DE REACCIONES Y PRIMERAS CENTRALES ....................................................................................................................... PÁG. 102

5.3. FUSIÓN TERMONUCLEAR CONTROLADA ................................................................................................................................ PÁG. 103

5.4. CONFINAMIENTO MAGNÉTICO ............................................................................................................................................ PÁG. 104

5.5. DESVENTAJAS .................................................................................................................................................................. PÁG. 104

5.6. VENTAJAS ....................................................................................................................................................................... PÁG. 105

5.7. ESTADO ACTUAL .............................................................................................................................................................. PÁG. 105

5.7.1. JET ............................................................................................................................................................................. PÁG. 106

5.7.2. TORE-SUPRA ................................................................................................................................................................ PÁG. 106

5.7.3. HELIAC FLEXIBLE TJ-II .................................................................................................................................................... PÁG. 107


5.7.4. LHD ........................................................................................................................................................................... PÁG. 107

5.7.5. WENDELSTEIN 7-X ........................................................................................................................................................ PÁG. 107

5.7.6. ITER .......................................................................................................................................................................... PÁG. 109

5.5.7. DEMO Y PROTO ......................................................................................................................................................... PÁG. 110

TEMA 5

1. CONCEPTOS BÁSICOS ........................................................................................................................................................... PÁG. 112

2. APLICACIONES .................................................................................................................................................................... PÁG. 112

2.1. ALUMBRADO .................................................................................................................................................................. PÁG. 112

2.2. SOPLETE DE OXIHIDRÓGENO ............................................................................................................................................... PÁG. 112

2.3. SOPLETE DE AGUA ............................................................................................................................................................ PÁG. 113

2.4. REDUCIR CONSUMO DE VEHÍCULOS ...................................................................................................................................... PÁG. 115

3. DISEÑO DE LAS CELDAS DE HHO ............................................................................................................................................ PÁG. 115

3.1. PARÁMETROS DE LA FUENTE Y CONSUMO POR LITRO DE HHO .................................................................................................. PÁG. 115

3.1.1. FUENTES DE ALIMENTACIÓN ............................................................................................................................................ PÁG. 116

3.1.1.1. TIPOS DE FUENTE ....................................................................................................................................................... PÁG. 116

3.1.1.1.1. FUENTE CONMUTADA DE LABORATORIO ...................................................................................................................... PÁG. 116

3.1.1.1.2. FUENTE CONMUTADA PARA ORDENADORES .................................................................................................................. PÁG. 116

3.1.1.1.3. BATERÍA ELÉCTRICA ................................................................................................................................................. PÁG. 117

3.1.1.1.4. FUENTE DE ALIMENTACIÓN INDUSTRIALES .................................................................................................................... PÁG. 117

3.1.1.1.5. CIRCUITOS PWM ................................................................................................................................................... PÁG. 117

3.1.1.1.6. RECTIFICADOR DE CORRIENTE ALTERNA (CA) ............................................................................................................... PÁG. 117

3.1.1.1.7. PEQUEÑOS TRANSFORMADORES O CARGADORES ........................................................................................................... PÁG. 118

3.1.1.1.8. OTRAS OPCIONES .................................................................................................................................................... PÁG. 118

3.1.2. LIMITACIÓN DE CORRIENTE ............................................................................................................................................. PÁG. 118

3.1.2.1. LIMITACIÓN DE CORRIENTE CAPACITIVA .......................................................................................................................... PÁG. 118

3.1.2.2. LIMITACIÓN MEDIANTE EL ELECTROLITO .......................................................................................................................... PÁG. 119

3.1.2.3. LIMITACIÓN POR RESISTENCIA ....................................................................................................................................... PÁG. 119

3.1.2.4. LIMITACIÓN POR POTENCIA MÁXIMA .............................................................................................................................. PÁG. 119

3.2. ELECTRODOS Y DISEÑO DE LA CELDA ..................................................................................................................................... PÁG. 119

3.2.1. SEPARACIÓN ENTRE ELECTRODOS ..................................................................................................................................... PÁG. 119

3.2.2. MATERIAL ................................................................................................................................................................... PÁG. 120

3.2.3. DENSIDAD DE CORRIENTE Y SUPERFICIE DE LOS ELECTRODOS .................................................................................................. PÁG. 120

3.2.4. ELECTROLITO ............................................................................................................................................................... PÁG. 120

3.2.5. AJUSTE DEL VOLTAJE ENTRE ELECTRODOS ........................................................................................................................... PÁG. 121

3.2.6. DISEÑOS Y TIPOS DE CELDAS ............................................................................................................................................ PÁG. 122

3.2.6.1. CELDAS DE BAÑO ....................................................................................................................................................... PÁG. 122


3.2.6.1.1. PLACAS ................................................................................................................................................................. PÁG. 122

3.2.6.1.2. VARILLAS ROSCADAS CON ARANDELAS Y TUERCAS .......................................................................................................... PÁG. 122

3.2.6.1.3. CABLE ................................................................................................................................................................... PÁG. 123

3.2.6.1.4. OTROS .................................................................................................................................................................. PÁG. 123

3.2.6.2. CELDAS SECAS ........................................................................................................................................................... PÁG. 123

3.2.6.2.1. PLACAS ................................................................................................................................................................. PÁG. 123

3.2.6.2.1.1. PLACAS NEUTRAS Y VOLTAJE REAL ENTRE PLACAS ........................................................................................................ PÁG. 124

3.2.6.2.2. TUBOS .................................................................................................................................................................. PÁG. 124

3.2.7. AUMENTO DE PRESIÓN Y TEMPERATURA ............................................................................................................................ PÁG. 125

3.3. ELEMENTOS AUXILIARES .................................................................................................................................................... PÁG. 125

3.3.1. DEPÓSITO .................................................................................................................................................................... PÁG. 125

3.3.2. BURBUJEADOR ............................................................................................................................................................. PÁG. 125

3.3.3. ARRESTORES DE LLAMA .................................................................................................................................................. PÁG. 126

4. CONSTRUCCIÓN DE NUESTRA PROPIA CELDA ............................................................................................................................. PÁG. 126

4.1. MODIFICACIÓN DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN PARA ORDENADORES .................................................................................... PÁG. 126

4.2. CONSTRUCCIÓN DE LA CELDA .............................................................................................................................................. PÁG. 129

CONCLUSIÓN

1. CONCLUSIÓN ..................................................................................................................................................................... PÁG. 132

2. REFLEXIÓN PERSONAL .......................................................................................................................................................... PÁG. 132

3. VALORACIÓN PERSONAL ....................................................................................................................................................... PÁG. 133

BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................................................................ PÁG. 134


1. MOTIVACIONES

Como seguramente ocurra con la mayoría de trabajos de investigación, lo que me llevó a escoger este tema fue,

principalmente la curiosidad.

Todo empezó cuando me encontré casualmente con unos artículos que trataban sobre las celdas de hidrógeno. Después de

leerlos quedé asombrado de la cantidad de ventajas que tiene el uso del hidrógeno y de las cualidades de éste, así que decidí

buscar algo más de información.

Pronto me di cuenta que había una cantidad inmensa de artículos, foros, reportajes… que trataban sobre este elemento y

que no todos eran fiables, más por el contrario, la mayoría de ellos no lo eran e incluso llegaban a atribuir a este elemento

propiedades o aplicaciones que iban contra las leyes de la termodinámica. No obstante, pensé que algo de verdad debería

haber entre esas líneas.

Fue entonces cuando decidí que quería realizar mi trabajo sobre este elemento, el hidrógeno, y sus aplicaciones energéticas,

de manera que pudiese aclarar toda esa información confusa y distinguir entre sus propiedades y aplicaciones reales y el gran

número de fraudes, engaños, estafas, etc. que habían surgido en torno a él a lo largo de los años.

Así fue cómo empecé a dejar de lado artículos relaciones con Stanley A. Meyer, Daniel Dingel y con toda clase de tecnologías

misteriosas que nos permitían obtener hidrógeno del agua para hacer funcionar nuestro vehículo que, a su vez,

subministraba la energía necesaria para obtener el hidrógeno.

Después de algunos días de búsqueda incesante de información, empecé a entrever las posibilidades reales que nos ofrecía

el hidrógeno, así que decidí empezar el trabajo propiamente dicho. Veamos las hipótesis de las cuales partimos.

2. HIPÓTESIS

En primer lugar, cabe remarcar que el uso energético del hidrógeno surgió por la necesidad de substituir o, al menos

minimizar, el uso de petróleo y derivados, a causa del agotamiento y la sobreexplotación de éstos.

En segundo lugar, y a pesar de la gran cantidad de artículos que defienden lo contrario, la tecnología actual no nos permite

obtener más energía del hidrógeno de la que nosotros aportamos para obtenerlo y, puesto que tampoco se encuentra puro

en grandes cantidades en la Tierra, no lo podemos considerar una fuente de energía.

Y en último lugar, hay que decir también que, entre las líneas de todos los textos que apelan a favor de la posibilidad de

obtener del hidrógeno más energía de la necesaria para producirlo y producir algún tipo de reacción que nos proporcione

más energía de la que hemos invertido, y que defienden que este magnífico elemento nos puede librar de la esclavitud y la

dependencia del petróleo y sus derivados, hay una parte de verdad con una firme base científica, aunque de momento la

tecnología necesaria para llevar a cabo esto se nos presenta lejana y en un estado prematuro de desarrollo.

Ahora que ya tenemos una base de la cual partir, independientemente de su veracidad o falsedad, veamos los objetivos que

perseguiremos a lo largo de estas páginas para comprobar y desarrollar los enunciados aquí esbozados y cómo

organizaremos la información.

3. OBJETIVOS Y ESTRUCTURA

Antes de entrar en materia y centrarnos en el hidrógeno y sus aplicaciones, dedicaremos unas páginas para ver cuál ha sido

el motivo que nos ha llevado a platearnos el uso del hidrógeno para aplicaciones energéticas.

Una vez hecho esto, veremos lo básico sobre el hidrógeno: qué es, sus propiedades, sus aplicaciones generales, etc. todo con

el objetivo de comprender mejor los apartados posteriores.

Seguidamente veremos un tema dedicado a la etapa de producción, almacenamiento y transporte del hidrógeno, ya que al

ser un una parte del trabajo con bastante contenido e importancia, he creído conveniente separarlo del resto.

A continuación entraremos ya en el trabajo propiamente dicho y veremos las aplicaciones energéticas del hidrógeno.


Además, como parte práctica del trabajo, presentaré un último sobre las celdas de HHO y sobre cómo construirlas. La celda

construida será utilizada para comprobar de manera experimental algunas de las propiedades y aplicaciones del hidrógeno.

Podéis encontrar una estructura más detallada del trabajo con todos sus apartados en el índice, situado al inicio del trabajo.

Así pues, con todo esto lo que perseguimos es lo siguiente:

- Ver qué es lo que nos ha llevado a buscar otras fuentes energéticas.

- Verificar o falsear algunas de las propiedades o aplicaciones más extraordinarias del hidrógeno.

- Determinar las propiedades reales del hidrógeno y, por tanto, sus aplicaciones, tanto en la actualidad como en el futuro.

- Comprobar experimentalmente algunas de las propiedades o aplicaciones del hidrógeno.

4. METODOLOGÍA

La metodología seguida en los temas del trabajo de carácter más bien teórico ha consistido en buscar información en

diferentes medios fácilmente accesibles, como lo son los libros, el internet o las revistas científicas, para encontrar

información tanto general como muy específica (algo difícil de encontrar) del hidrógeno.

Una vez encontrada la información deseada, ésta ha sido contrastada con otras fuentes más fiables, sobretodo en caso de

dudar sobre la veracidad de algún dato o de no confiar plenamente en la fuente de la cual se ha obtenido la misma. Incluso

se ha contactado con instituciones o personas que se dedican profesionalmente a realizar algún tipo de labor con el

hidrógeno, de manera que se pudiesen despejar todas las dudas y garantizar la certeza de los datos que se habían obtenido.

En cuanto a la parte práctica (contrucción de una celda de HHO), la metodología seguida para su desarrollo, tanto teórico

como práctico, fue la siguiente:

1. Buscar información sobre las celdas de HHO en diferentes medios.

2. Contrastarla de igual manera que se hacía con la información de los apartados teóricos.

3. Contactar con otras personas que hayan construido este tipo de dispositivo con anterioridad para poder compartir

experiencias, recibir consejos, etc.

4. Realizar el diseño teórico de la celda.

5. Comprobar experimentalmente si los datos proporcionados en las diversas partes teóricas del trabajo, sobretodo en la

específica sobre las celdas de HHO, se correspondían con los resultados experimentales.

6. Repetir los experimentos diversas ocasiones para comprobar si su resultado es fiable.

7. En caso de que algún dato no se corresponda, evaluar si el error ha sido experimental, en cuyo caso se vería al repetir el

experimento diversas ocasiones y obtener resultados diferentes, o teórico.

8. En caso de haber un error teórico, modificar la información errónea.

Es importante decir que siempre se ha dado mayor importancia a la información procedente de instituciones o especialistas,

puesto que es más fiable y actualizada, y por eso mismo se ha intentado (y logrado en varias ocasiones) contactar con

diversos de estos grupos.

ESTÁ CLARO QUE DEBE DE HABER ALGÚN MOTIVO QUE NOS EMPUJÓ A EMPEZAR A INVESTIGAR SOBRE OTRAS FUENTES ENERGÉTICAS DIFERENTES A LOS

COMBUSTIBLES FÓSILES O SOBRE MANERAS DE OBTENER UN MAYOR BENEFICIO DE LAS YA DESCUBIERTAS, ASÍ QUE ANTES DE ENTRAR EN MATERIA CON EL

HIDRÓGENO, VEREMOS CUALES FUERON ESTOS MOTIVOS Y HAREMOS UN REPASO RÁPIDO SOBRE ALGUNOS CONCEPTOS RELACIONADOS CON LOS

COMBUSTIBLES FÓSILES Y LAS ENERGÍAS ALTERNATIVAS YA CONOCIDAS (HIDRÁULICA, EÓLICA, SOLAR…).

EL HIDRÓGENO Y SUS APLICACIONES ENERGÉTICAS – DÁNIEL GAMEZ FRANCO PÁG. 14 DE 134

1. LOS COMBUSTIBLES FÓSILES

La energía que vemos en nuestro planeta, ya sea la que da lugar al movimiento del aire y de los océanos, a las nubes y a las

lluvias, o la que se manifiesta en forma de vida, procede de las reacciones de fusión nuclear que tienen lugar en el Sol. Las

plantas absorben la energía del Sol a través de la fotosíntesis, y los animales la toman, directa o indirectamente, de las

plantas.

A lo largo de millones de años, una parte de la energía absorbida de este modo por los seres vivos fue quedando enterrada

en forma de materia orgánica y se fue transformando lentamente, mediante procesos físico-químicos, en diversos

compuestos orgánicos sólidos (carbón), líquidos (petróleo) y gaseosos (gas natural).

Estos compuestos, denominados «combustibles fósiles», son finitos1 y no renovables, ya que necesitan de millones de años

para formarse. Además, no existen en la naturaleza otros compuestos de propiedades semejantes a las de éstos, y mucho

menos en cuanto a facilidad de aprovechamiento y cantidad de energía almacenada se refiere.

Por sus excelentes propiedades energéticas fue precisamente por lo que a partir de la Revolución Industrial se empezaron a

extraer para su aprovechamiento y, desde entonces, no hemos cesado de hacerlo. Es cierto que esto hizo posibles grandes

avances tecnológicos y un crecimiento enorme de la población, que a su vez contribuyeron a mejorar notablemente la

calidad de vida de muchas personas, pero también trajo otros problemas que cada día se hacen más evidentes.

1.1. ORIGEN

Los combustibles fósiles se formaron por la descomposición anaeróbica2 de restos de materia orgánica que se asentaron en

el fondo de mares o lagos en grandes cantidades hace millones de años. Con el tiempo geológico, esta mezcla de materia

orgánica y barro quedó enterrada bajo pesadas capas de sedimentos.

En estas condiciones de ausencia de aire, elevadas presiones y temperaturas y por la acción de bacterias anaeróbicas se

modificó químicamente la materia orgánica, dando lugar primero a un material ceroso denominado kerógeno y más tarde,

por acción del calor y mediante un proceso conocido como catagénesis, a hidrocarburos líquidos y gaseosos. Esta

transformación no es rápida, más por el contrario necesita millones de años para completarse [FIGURA 1.1].

Por otro lado, cuando estos procesos se daban en zonas terrestres, las plantas de estas zonas solían formar carbón y metano

y, de hecho, muchas minas de carbón datan del período Carbonífero. Las plantas terrestres también forman kerógeno de tipo

III, una fuente de gas natural.

Existe una gran variedad de compuestos orgánicos o hidrocarburos con diferentes propiedades cuya manera de combinarse y

la proporción en la que se encuentran determinan las propiedades características de un combustible, como son su punto de

ebullición y de fusión, su densidad y viscosidad… Por ejemplo, el gas natural está formado por componentes gaseosos con

puntos de ebullición bajos, mientras que la gasolina o el diésel, por componentes con puntos de ebullición más elevados.

1.2. IMPORTANCIA Y DEPENDENCIA

Por su facilidad de extracción, transporte y utilización, hace unos 250 años, con el inicio de la Revolución Industrial, el ser

humano comenzó a extraer estos compuestos para quemarlos y así aprovechar la energía que contenían, produciendo

también gases ricos en carbono (CO, CO2…), entre otros gases, que eran emitidos a la atmósfera. Esta energía, a su vez, hizo

posible explotar con mayor intensidad otros recursos naturales (agua, tierra, recursos pesqueros…), lo que posibilitó los

grandes avances y cambios que ha experimentado la humanidad en el último siglo: el incremento de la capacidad de producir

y distribuir todo tipo de productos, los avances logrados en medicina, la multiplicación explosiva de la población mundial

[FIGURA 1.2]…

1 LIMITADOS.

2 EN AUSENCIA DE OXÍGENO.


Con el paso de los años, el uso del carbón y las tecnologías relacionadas con éste fueron quedando atrasados y el petróleo, el

gas natural y sus derivados empezaron a ganarle terreno, ya no solo en el campo energético, sino también en el campo de los

materiales.

El petróleo, por su fácil obtención, versatilidad, facilidad de transporte y almacenaje y la gran cantidad de energía que

proporciona por unidad de volumen, se convirtió, desde el inicio de su extracción comercial masiva a principios del siglo XX,

en el combustible fósil que más contribuyó al formidable desarrollo de la industria, la agricultura y los medios de transporte,

permitiendo la especialización de las zonas productivas de todo el mundo. Todo ello posibilitó el incremento de la producción

y del comercio a nivel mundial, pero también originó una mayor dependencia de la energía y del petróleo, así como un modo

de vida basado en el elevado consumo energético y de hidrocarburos del cual actualmente disfrutan un tercio de los

habitantes del planeta.

Hoy en día, nuestra sociedad y modo de vida actuales son posibles gracias al uso intensivo del petróleo, pues actividades tan

básicas como la industria, la producción eléctrica, los transportes, la construcción, el turismo, la agricultura, la pesca, la

ganadería, la minería, la medicina… son muy dependientes de su disponibilidad.

El petróleo además forma parte de todo tipo de plásticos, productos químicos, materiales de construcción… de manera que

está presente en casi todos los bienes de uso común utilizados en nuestros días. La lista sería interminable y abarca objetos

tan variados como componentes internos y cubiertas de aparatos electrónicos, cueros sintéticos, detergentes, productos de

limpieza, cosméticos, pinturas, lubricantes, PVC, fertilizantes agrícolas, medicamentos, aislantes, asfaltos, fibras sintéticas

para la ropa, muebles, botellas, pañales, ordenadores, cámaras de fotos, baterías, gafas, lentillas, champús, teléfonos

móviles, pastas de dientes, bolígrafos, neumáticos…

Los combustibles fósiles continúan siendo la fuente energética básica, pues no sólo aportan el 80% de la energía que se

consume en el mundo, sino que también contribuyen al aprovechamiento de las demás fuentes energéticas conocidas. No

debe sorprender, por tanto, que si el funcionamiento de la sociedad depende en tal medida de un recurso, cualquier

variación en su precio afecte a todos los sectores económicos.

FIGURA 1.1 – LA FORMACIÓN DE COMBUSTIBLES FÓSILES: LOS COMBUSTIBLES FÓSILES SE FORMARON HACE MILLONES DE AÑOS A PARTIR DE MATERIA ORGÁNICA QUE, AL QUEDAR ENTERRADA BAJO DIVERSAS CAPAS DE SEDIMENTOS, ORIGINÓ EL CARBÓN, EL PETRÓLEO Y EL GAS NATURAL, LOS CUALES SE EMPEZARON A EXTRAER CON LA

LLEGADA DE LA REVOLUCIÓN INDUSTRIAL (S. XIX).


FIGURA 1.2: GRÁFICA DE LA POBLACIÓN MUNDIAL BASADA EN LA «DIVISIÓN DE POBLACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS, PERSPECTIVAS DE LA POBLACIÓN MUNDIAL: REVISIÓN DE 2008 Y REVISIÓN DE 2006», EUROSTAT, OFICINAS ESTADÍSTICAS NACIONALES Y ESTIMACIONES DEL BANCO MUNDIAL [CD: DOC1].


1.3. CONTAMINACIÓN Y CONSECUENCIAS AMBIENTALES

Tanto la explotación como el consumo de combustibles fósiles acarrean unas consecuencias medioambientales muy

significativas en todo el planeta cuyas consecuencias se hacen cada día más evidentes.

Además de los ya conocidos efectos de la combustión de hidrocarburos, tales como el efecto invernadero, la lluvia ácida, las

cenizas… existen otros problemas también a tener en cuenta como son los derrames de crudo o los efectos que puede tener

sobre la salud el aumento en la concentración atmosférica de determinados gases.

1.3.1. LLUVIA ÁCIDA

Cuando los combustibles fósiles son quemados, el azufre, el nitrógeno y el carbono desprendidos se combinan con el oxígeno

del aire para formar óxidos: dióxido de azufre (SO2), monóxido de nitrógeno (NO) y dióxido de carbono (CO2),

respectivamente, que a su vez reaccionan químicamente con el vapor de agua de la atmósfera, formando ácido sulfúrico

(H2SO4), ácido nítrico (HNO3) y ácido carbónico (H2CO3).

Estas sustancias químicas contaminantes pueden recorrer grandes distancias, siendo trasladados por los vientos cientos o

miles de kilómetros antes de precipitar en forma de rocío, lluvia, llovizna, granizo, nieve, niebla, neblina o incluso unidas a

partículas secas, constituyendo la lluvia ácida. Cuando la precipitación se produce puede provocar importantes deterioros en

el medioambiente a causa de su nivel de pH de entre 5 y 3 por el exceso de estas substancias, además de poder llegar a

entrar en el ciclo del agua [FIGURA 1.3].

La acidificación de las aguas de lagos, ríos y mares dificulta el desarrollo de vida acuática en ellas, lo que aumenta en gran

medida la mortalidad de peces. De igual manera afecta directamente a la vegetación, produciendo daños importantes en las

zonas forestales y cultivos, y a pequeños insectos e invertebrados como lombrices, caracoles, gusanos… Un efecto indirecto

muy importante es que los protones (H+) procedentes de la lluvia ácida arrastran ciertos iones del suelo (cationes de hierro,

calcio, aluminio, plomo, zinc, etc.) y, como consecuencia, se produce un empobrecimiento en ciertos nutrientes esenciales y

el denominado estrés en las plantas, que las hace más vulnerables a las plagas.

FIGURA 1.3 – LA LLUVIA ÁCIDA: AL QUEMAR LOS COMBUSTIBLES FÓSILES TRASLADAMOS A LA ATMÓSFERA DIVERSAS SUSTANCIAS QUE FORMARAN ÓXIDOS Y, POSTERIORMENTE ÁCIDOS. MÁS TARDE, CUANDO ESTOS ÁCIDOS PRECIPITEN, AFECTARÁN NEGATIVAMENTE A UN GRAN NÚMERO DE ELEMENTOS: INVERTEBRADOS, VIDA

ACUÁTICA, RÍOS, LAGOS, MARES, PLANTACIONES, CULTIVOS, BOSQUES, ESCULTURAS, EDIFICIOS…


La lluvia ácida, por su carácter corrosivo, corroe también las construcciones y las infraestructuras, pudiendo llegar a disolver,

por ejemplo, el carbonato de calcio (CaCO3), y afectar de esta forma a los monumentos y edificaciones construidas con

mármol o caliza.

Actualmente se están tomando medidas para reducir la emisión de los contaminantes precursores de éste problema. Las

más importantes son las siguientes:

- Reducir el nivel máximo de azufre en diferentes combustibles.

- Introducir tecnologías para el control de las emisiones de óxidos en las industrias y establecer unos límites legales.

- Impulsar el uso de energías alternativas en la industria y en el transporte.

- Introducir el convertidor catalítico de tres vías.

- Adición de un compuesto alcalino en lagos y ríos para neutralizar el pH.

A pesar de estas medidas, la lluvia ácida sigue siendo un problema en mucho lugares y conviene buscar una solución mejor

que no busque reducir las emisiones de sustancias contaminantes, sino prácticamente suprimirlas.

1.3.2. CENIZAS

La combustión de combustibles fósiles produce unas partículas sólidas no quemadas llamadas cenizas, las cuales afectan a

diversos organismos vivos, pueden producir problemas respiratorios y suponen un problema importante para personas que

ya padecen algún tipo de afección respiratoria.

Las plantas que queman carbón emiten grandes cantidades de cenizas a la atmósfera. Sin embargo, las regulaciones actuales

existentes en muchos países exigen que las emisiones que contengan cenizas sean limpiadas o que las partículas sean

controladas de otra manera para reducir esa fuente de contaminación atmosférica.

Aunque el petróleo y el gas natural generan menos cenizas que el carbón, la contaminación del aire producida por las cenizas

del combustible de los automóviles pueden ser un problema en ciudades en las que se concentra un gran número de

vehículos de gasolina y diesel.

1.3.3. EFECTO INVERNADERO

Se denomina efecto invernadero al fenómeno por el cual determinados gases de la atmósfera retienen gran parte de la

radiación infrarroja emitida por la Tierra y la reemiten de nuevo a la superficie terrestre calentando la misma. Este efecto es

esencial para la vida del planeta, ya que sin él la temperatura media de la Tierra sería unos 33 °C menos, del orden de - 18 °C,

lo que haría inviable la vida. No obstante, desde la Revolución Industrial, la concentración de los gases de efecto invernadero

ha aumentado y, por tanto, también lo ha hecho la temperatura del planeta [FIGURA 1.4].

1.3.3.1. LOS GASES DE EFECTO INVERNADERO Y SUS CAUSAS

Los denominados gases de efecto invernadero o gases invernadero, responsables del efecto descrito, son principalmente el

vapor de agua (H2O), el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4), los óxidos de nitrógeno (N2O), el ozono (O3) y los

clorofluorocarbonos (CFCl3). Estos gases han estado presentes en la atmósfera en cantidades muy reducidas durante la

mayor parte de la historia de la Tierra, aunque a partir de la Revolución Industrial y debido principalmente al uso intensivo de

los combustibles fósiles en las actividades industriales y el transporte, se han producido sensibles incrementos en las

cantidades de estos gases emitidas a la atmósfera, con el agravante de que otras actividades humanas, como la

deforestación, han limitado la capacidad regenerativa de la atmósfera para eliminar el dióxido de carbono, principal

responsable del efecto invernadero. Por tanto es preciso diferenciar entre el efecto invernadero natural del originado por las

actividades de los hombres. Todo esto, de acuerdo con la mayoría de la comunidad científica, está acentuado el efecto

invernadero en la Tierra.


GASES DE EFECTO INVERNADERO AFECTADOS POR ACTIVIDADES HUMANAS3

DESCRIPCIÓN CO2 CH4 N2O CFC-11 HFC-23 CF4

CONCENTRACIÓN PRE INDUSTRIAL 280 PPM4 700 PPB 270 PPB 0 0 40 PPT

CONCENTRACIÓN EN 1998 365 PPM 1.745 PPB 314 PPB 268 PPT 14 PPT 80 PPT

PERMANENCIA EN LA ATMÓSFERA DE 5 A 200 AÑOS 12 AÑOS 114 AÑOS 45 AÑOS 260 AÑOS < 50.000 AÑOS

EMISIONES DE CO2 EN EL MUNDO PROCEDENTES DE COMBUSTIBLES FÓSILES (1990-2007)5

DESCRIPCIÓN 1990 1995 2000 2005 2007 % CAMBIO 90-07

CO2 EN MILLONES DE TONELADAS 20.980 21.810 23.497 27.147 28.962 38,0%

POBLACIÓN MUNDIAL EN MILLONES 5.259 5.675 6.072 6.382 6.535 25,7%

CO2 POR CÁPITA EN TONELADAS 3,99 3,84 3,87 4,20 4,38 9,8%

3 INFORMACIÓN EXTRAÍDA DE «CAMBIO CLIMÁTICO, CARPETA DE INFORMACIÓN» [CD: DOC2].

4 PARTES POR MILLÓN, SE REFIERE A LA CANTIDAD DE UNIDADES DE UNA SUSTANCIA QUE HAY POR CADA MILLÓN DE UNIDADES DEL CONJUNTO.

5 INFORMACIÓN OBTENIDA DE LA AGENCIA INTERNACIONAL DE LA ENERGÍA.

FIGURA 1.4 – EL EFECTO INVERNADERO: BALANCE ANUAL DE ENERGÍA DE LA TIERRA DESARROLLADO POR TRENBERTH, FASULLO Y KIEHL DE LA NCAR EN 2008. SE

BASA EN DATOS DEL PERIODO MARZO DE 2000 - MAYO DE 2004 Y ES UNA ACTUALIZACIÓN DE SU TRABAJO PUBLICADO EN 1997 [CD: DOC3]. LA SUPERFICIE DE LA

TIERRA RECIBE DEL SOL 161 W/M2 Y DEL EFECTO INVERNADERO DE LA ATMÓSFERA 333W/M², EN TOTAL 494 W/M2; COMO LA SUPERFICIE DE LA TIERRA EMITE UN

TOTAL DE 493 W/M2, SUPONE UNA ABSORCIÓN NETA DE CALOR DE 0,9 W/M2 POR AÑO, LO QUE ACTUALMENTE ESTÁ PROVOCANDO EL CALENTAMIENTO DE LA TIERRA.


Los gases invernadero permanecen activos en la atmósfera mucho tiempo, por eso se les denomina de larga permanencia.

Eso significa que los gases que se emiten hoy permanecerán durante muchas generaciones produciendo el efecto

invernadero. Así del CO2 emitido a la atmósfera, sobre el 50% tardará 30 años en desaparecer, un 30% permanecerá varios

siglos y el 20% restante durará varios millares de años.

La concentración de CO2 atmosférico se ha incrementado desde la época preindustrial (año 1.750) desde un valor de 280

ppm a 379 ppm en 2005. Se estima que dos tercios de las emisiones procedían de la quema de combustibles fósiles mientras

un el tercio restante procede del cambio en la utilización del suelo, incluida la deforestación. Del total emitido solo el 45%

permanece en la atmósfera, sobre el 30% es absorbido por los océanos y el restante 25% pasa a la biosfera terrestre. Por

tanto no solo la atmósfera está aumentando su concentración de CO2, también está ocurriendo en los océanos y en la

biosfera.

1.3.3.2. CONSECUENCIAS

Todo esto provoca un dramático incremento de temperaturas a escala global que ha llevado a algunos científicos a predecir

un escenario de calentamiento global que puede causar numerosos problemas medioambientales, como la destrucción de

los modelos climáticos y la fusión del casquete polar.

En los 100 últimos años, la temperatura media global del planeta ha aumentado 0,7 °C, siendo desde 1975 el incremento de

temperatura por década de unos 0,15 °C. En lo que resta de siglo, según el IPCC6, la temperatura media mundial aumentará

entre 2 °C y 3 °C. Este aumento de temperatura supondrá para el planeta el mayor cambio climático en los últimos 10.000

años y será difícil para las personas y los ecosistemas adaptarse a este cambio brusco.

Este calentamiento es inevitable, puesto que es producido por las emisiones de gases invernadero pasadas y actuales, y

durará varios cientos de años, aun en la hipótesis de que se redujeran las emisiones de gases de efecto invernadero y se

estabilizara su concentración en la atmósfera.7

Las consecuencias del cambio climático provocado por las emisiones de GEI8 se estudian en modelos de proyecciones

realizados por varios institutos meteorológicos. Las más importantes son las siguientes:

- En los próximos veinte años se prevé un calentamiento de 0,2 °C por decenio.

- Las proyecciones muestran la contracción de la superficie de hielos y de nieve, que en la región ártica prácticamente

desaparecerán a finales del presente siglo. Esta contracción del manto de hielo producirá un aumento del nivel del mar

de entre 4 m y 6 m, con nefastas consecuencias para las zonas costeras y ciudades que se encuentren por debajo del

anterior o nuevo nivel del mar.

- Habrá impactos en los ecosistemas de tundra, bosques boreales y regiones montañosas por su sensibilidad al

incremento de temperatura; en los ecosistemas de tipo Mediterráneo y en bosques pluviales tropicales por la

disminución de lluvias; en ecosistemas costeros como manglares y marismas…

- Disminuirán los recursos hídricos de regiones secas de latitudes medias y en los trópicos secos debido a las menores

precipitaciones de lluvia y la disminución de la evapotranspiración, y también en áreas surtidas por la nieve y el

deshielo.

- Se verá afectada la agricultura en latitudes medias, debido a la disminución de agua.

- Efectos negativos sobre los organismos marinos con caparazón por la acidificación progresiva de los océanos a causa de

las emisiones de carbono antropógeno, cuyo pH se estima que se reducirá entre 0,24 y 0,45 en este siglo.

- Incremento los fenómenos climáticos extremos como huracanes, tifones, sequías, inundaciones, olas de calor…

alterando así ecosistemas enteros y afectando también a los seres humanos.

6 INTERGOVERNMENTAL PANEL ON CLIMATE CHANGE, PANEL INTERGUBERNAMENTAL DEL CAMBIO CLIMÁTICO.

7 EL IPCC EN SU INFORME DE 2007 MANIFIESTA: HAY UN ALTO NIVEL DE COINCIDENCIA Y ABUNDANTE EVIDENCIA RESPECTO A QUE CON LAS POLÍTICAS ACTUALES DE

MITIGACIÓN DE LOS EFECTOS DEL CAMBIO CLIMÁTICO Y CON LAS PRÁCTICAS DE DESARROLLO SOSTENIBLE QUE AQUELLAS CONLLEVAN, LAS EMISIONES MUNDIALES DE GASES DE

EFECTO INVERNADERO SEGUIRÁN AUMENTANDO EN LOS PRÓXIMOS DECENIOS. 8 GASES DE EFECTO INVERNADERO.


1.3.3.3. SOLUCIONES

El cambio climático antropogénico afectará seriamente a las próximas generaciones y a los ecosistemas mundiales. Su

incidencia podría limitarse significativamente si se emprendiera una acción conjunta mundial de reducción de emisiones de

CO2 al 50% del nivel de 1990 (actualmente están un 15% por encima de ese nivel) para el 2050, de manera que no se llegase

a superar la concentración de 450 ppm (hoy sobre las 390 ppm) y, por tanto, la temperatura global se mantuviese solo 2 °C

por encima de la temperatura del periodo preindustrial. En las dos próximas décadas también debería interrumpirse la

deforestación tropical, responsable del 20% de las emisiones de gases de tipo invernadero.

Para Nicholas Stern, ex jefe del Servicio Económico del Gobierno del Reino Unido y ex economista jefe del Banco Mundial,

para conseguir esto se requerirá una reducción de las emisiones mundiales anuales de unas 50 gigatoneladas de CO2 para

2050. Para comprender el nivel del esfuerzo que se requiere, en la actualidad, las emisiones anuales por habitante son 12

toneladas en la Unión Europea, 23 toneladas en los Estados Unidos, 6 toneladas en China y 1,7 toneladas en la India. En 2050

la población mundial se estima será de 9.000 millones, y las emisiones anuales por habitante se deberían reducir a dos

toneladas de CO2 equivalente de media, para que el total anual mundial sea de 20 gigatoneladas.

Aunque la industrialización de los países desarrollados desde el siglo XIX es la causante de los niveles actuales de GEI, son los

países en desarrollo los más vulnerables a las consecuencias del cambio climático. Los países ricos deben apoyar

financieramente a los países en desarrollo para que ejecuten planes de crecimiento económico con poco carbono y frenar la

deforestación en sus países.

Fatih Birol, economista jefe de la Agencia Internacional de Energía, señala la importancia de una importante transformación

en del sector energético. Hasta ahora la larga vida útil de gran parte de sus infraestructuras causa una lenta sustitución de

los equipos, lo que motiva que el empleo de tecnologías eficientes se demore. Los sectores público y privado deben aceptar

la necesidad de inversiones adicionales y el retiro temprano de instalaciones inadecuadas, para acelerar el proceso y reducir

las emisiones, especialmente en centrales de energía. Los gobiernos deben dirigir esta transformación y orientar el consumo

mediante medidas claras de tarificación, incluida la tarificación por emisiones de carbono. La energía renovable desempeñará

un papel importante. Se calcula que la generación global de electricidad basada en energías renovables se duplicará entre

2006 y 2030.

Para intentar cumplir estos objetivos, algunos países han creado acuerdos o tratados en los que se establecen una serie de

normas y objetivos que deberán cumplir para reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero. No obstante, no todos

los países han aceptado tales acuerdos, algo necesario si se quiere que tengan el resultado esperado.

1.3.3.3.1. EL PROTOCOLO DE KYOTO

El Protocolo de Kioto [CD: DOC4] es un acuerdo internacional que tiene por objetivo reducir las emisiones de seis de los gases

causantes del calentamiento global: dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), hidrofluorocarbonos

(HFC), perfluorocarbonos (PFC) y hexafluoruro de azufre (SF6), en un porcentaje aproximado de al menos un 5% a nivel

global, dentro del periodo que va desde el año 2008 al 2012, en comparación a las emisiones de 1990.

El 11 de diciembre de 1997, los países industrializados se comprometieron, en la ciudad de Kioto, a ejecutar un conjunto de

medidas para reducir los gases de efecto invernadero. Se estableció que el compromiso sería de obligatorio cumplimiento

cuando lo ratificasen los países industrializados responsables de, al menos, un 55% de las emisiones de CO2. El acuerdo entró

en vigor el 16 de febrero de 2005, con la ratificación de Rusia en noviembre de 2004, después de conseguir que la Unión

Europea pagase la reconversión industrial, así como la modernización de sus instalaciones, en especial las petroleras.

Actualmente lo han firmado 184 partes, 183 países y la Unión Europea, y todos lo han ratificado salvo dos: Estados Unidos y

Kazakhstan [CD: DOC5].

El gobierno de Estados Unidos firmó el acuerdo pero no lo ratificó, por lo que su adhesión sólo fue simbólica hasta el año

2001 en el cual el gobierno de Bush se retiró del protocolo, según su declaración, no porque no compartiese su idea de fondo

de reducir las emisiones, sino porque considera que la aplicación del Protocolo es ineficiente e injusta al involucrar sólo a los

países industrializados y excluir de las restricciones a algunos de los mayores emisores de gases en vías de desarrollo, como

China e India, lo cual considera que perjudicaría gravemente la economía estadounidense. Esto supone un problema porque

Estados Unidos, con apenas el 4% de la población mundial, consume alrededor del 25% de la energía fósil y es el mayor

emisor de gases contaminantes del mundo.


Por su lado, la Unión Europea, como agente especialmente activo en la concreción del Protocolo, se comprometió a reducir

sus emisiones totales medias durante el periodo 2008-2012 en un 8% respecto de las de 1990. No obstante, a cada país se le

otorgó un margen distinto en función de diversas variables económicas y medioambientales según el principio de «reparto

de la carga», de manera que dicho reparto se acordó de la siguiente manera:

REPARTO DE CARGA DE DIVERSOS PAÍSES DE LA UE

ALE

MA

NIA

AU

STR

IA

BÉL

GIC

A

DIN

AM

AR

CA

ITA

LIA

LUX

EMB

UR

GO

PA

ÍSES

BA

JOS

REI

NO

UN

IDO

FIN

LAN

DIA

FRA

NC

IA

ESP

AÑ

A

GR

ECIA

IRLA

ND

A

PO

RTU

GA

L

SUEC

IA

-21% -13% -7,5% -21% -6,5% -28% -6% -12,5% -2,6% -1,9% +15% +25% +13% +27% +4%

España, que como vemos se comprometió a aumentar sus emisiones un máximo del 15% en relación al año base, se ha

convertido en el país miembro que menos posibilidades tiene de cumplir lo pactado. En concreto, el incremento de sus

emisiones en relación a 1990 durante los últimos años ha sido el sigue:

EVOLUCIÓN DE LAS EMISIONES DE ESPAÑA CON RELACIÓN AL AÑO BASE (1990)9

19

96

19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

20

03

20

04

20

05

20

06

20

07

20

08

+7% +15% +18% +28% +33% +33% +39% +41% +47% +52% +49% +52% +42,7%

El problema que supone para España esta distribución de compromisos de umbrales de emisiones es que implica techos

económicos diferentes para cada país de la Unión Europea. España, desde 1990, obtuvo un crecimiento económico

espectacular, traduciéndose en un aumento del transporte y el consumo energético de las familias y la industria. Esta

explicación de los techos económicos diferentes se complementa con el hecho de que el consumo energético es

directamente proporcional al desarrollo económico y el nivel de emisiones de CO2 es proporcional al consumo energético.

Por ello, dentro de un mercado libre y competitivo en la Unión Europea, España está en desigualdad de condiciones con

respecto al resto de países. Además, España, bastante alejada de sus compromisos, es el segundo país mundial en

producción de energía eólica y el país referencia en porcentaje de energía renovable sobre la total consumida. El objetivo de

España debe ser el de seguir este camino de aumento de renovables, aumentar la eficiencia y razonabilidad de los consumos

y exigir la igualdad en límites de cantidades de CO2 por habitante y año con los demás países de la Unión Europea. Quizás

también aumentar la generación de energía nuclear, siempre barata aunque con el problema de los residuos nucleares, en

los términos en los que se limitan las energías renovables. Estas limitaciones, concretamente para el caso de la energía

eólica, radican en su irregularidad generadora, las inestabilidades que producen en la Red Eléctrica Española, y su

incapacidad para regular la carga generada. Recordemos que la generación de la energía volcada a la red debe ser igual a la

que se consume en cada momento. Ya que esta segunda oscila constantemente, la energía generada debe adaptarse

mediante la regulación y la planificación horaria.

Podemos concluir por tanto, que el Protocolo de Kyoto tiene diversos inconvenientes que convendría solucionar:

- En primer lugar, que cuando se realizó el reparto de carga entre los países de la UE no se tuvo en cuenta el desarrollo y

crecimiento que algunos países, como España, podrían experimentar en el futuro, por lo que los porcentajes de

emisiones establecidos deberían revisarse periódicamente de manera que todos los países puedan emitir la misma

cantidad de CO2 por habitante y año.

- En segundo lugar, que numerosos países en vías de desarrollo, como China o India, no están obligados a cumplir el

protocolo, básicamente porque los causantes del efecto invernadero fueron los países desarrollados y porque si se

limita las emisiones de los países en vías de desarrollo no se permitirá su progresión.

9 INFORMACIÓN EXTRAÍDA DEL INVENTARIO ESPAÑOL DE GASES DE EFECTO INVERNADERO: WWW.MMA.ES.


- Por último, los países que cumplen con sus emisiones venden, en numerosas ocasiones, su porcentaje de emisiones

excedentes, conocidos como bonos de carbono, a países que superan el suyo, de manera que, si al menos a nivel global

se reducen las emisiones, suponiendo que todos los países, comprando o no bonos, son capaces de cumplir con sus

obligaciones en cuanto a emisiones, se hace de manera más lenta de lo que cabría esperar.

Para los críticos del sistema de venta de bonos o permisos de emisión estos sistemas no tendrá el efecto deseado de

reducir la concentración de CO2 en la atmósfera, como tampoco de reducir o retardar la subida de la temperatura.

Según el estudio de Wigley en 1999, la implantación del Tratado de Kyoto cumplido por todos los países del mundo,

incluido los Estados Unidos, causaría una reducción de 28 partes por millón (ppm) para 2050, o reducirá la temperatura

predicha para ese año en 0,06 ˚C.

Todos estos inconvenientes han llevado a que, a pesar del cumplimiento de un gran número de países del Protocolo, los

resultados obtenidos sean los siguientes:

EMISIONES DE CO2 EN EL MUNDO PROCEDENTES DE LOS COMBUSTIBLES FÓSILES (EN MILLONES DE TONELADAS)

1990 2007 PORCENTAJE DE CAMBIO

PAÍSES COMPROMETIDOS CON EL PROTOCOLO 8.762 8.162 -7,2% PAÍSES NO COMPROMETIDOS 11.578 17.778 +70,8%

Así pues, podríamos decir que el Protocolo de Kyoto no ha tenido el efecto deseado, puesto que mientras por parte de los

países que se comprometieron a cumplirlo, obtenemos una reducción de emisiones del 7,2%, por parte de los países que no

lo cumplen obtenemos un incremento del 70,8%, lo que se traduce en un incremento global de las emisiones, cuando el

objetivo del Protocolo era de reducirlas.

1.3.3.3.2. LA CONFERENCIA DE CAMBIO CLIMÁTICO DE COPENHAGUE

Para la cumbre sobre el clima de Copenhague en diciembre de 2009, la ONU convocó a 192 países para acordar un límite a

las emisiones de gases de efecto invernadero para el periodo entre 2012 y 2020, y suceder así al período comprendido por el

protocolo de Kyoto (2008 – 2012). Las negociaciones entre los países para limitar emisiones en esta Conferencia de

Copenhague fueron lentas según manifestó preocupado el secretario general de la ONU, Ban Ki-Moon.

La conferencia se desarrolló desde el 7 al 18 de diciembre de 2009. Un primer borrador del acuerdo se dio a conocer el

viernes 11 de diciembre donde estaban las intenciones de un posible acuerdo que no se consiguió posteriormente. El

borrador planteaba que las emisiones de CO2 en el año 2050 deben reducirse en todo el mundo a la mitad de los niveles

existentes en 1990 y pretendía que se fijara un valor intermedio a cumplir en 2020. El objetivo fundamental del acuerdo

también estaba entre paréntesis, aunque durante todo el año 2009, varias conferencias científicas y políticas habían pedido

que el calentamiento global se mantenga por debajo de dos grados centígrados. Para ello los países desarrollados deberían

plantearse una reducción del 75% (en otras opciones hasta el 95%), mientras que para los países en desarrollo el borrador

solicitaba "desviaciones sustanciales" sobre sus tasas actuales de crecimiento de emisiones. Según Kim Carstensen, de la

organización conservacionista WWF10

, en ese momento se desconocía cuánto dinero se aportará para compensar a los países

en desarrollo y quién pagará ese dinero.

El acuerdo final se gestó entre cuatro grandes países emergentes y EE.UU. en una reunión convocada por el primer ministro

chino Wen Jiabao en la que participaron los presidentes de India, Brasil y Sudáfrica, incorporándose después el presidente de

EE.UU. La delegación india propuso un tratado no vinculante que siguiera el modelo de la Organización Mundial del Comercio

donde cada país declarará sus emisiones. Después de llegar al acuerdo a puerta cerrada, Barack Obama lo comunicó a la UE,

que lo aceptó. El texto tiene solo tres folios e incluye de forma orientativa de reducción de emisiones que cada país ha

presentado a la cumbre. El pacto no incluye la verificación de emisiones que rechazaba China. La transparencia se limitará a

un “sistema internacional de análisis y consultas" por definir, estableciéndose que cada país comunicará sus emisiones a la

ONU respetándose la soberanía nacional. No obstante, las reducciones de emisiones que se hagan con dinero internacional sí

estarán sujetas a un completo sistema de comprobación.

10

WORLD WIDE FUND FOR NATURE, FONDO MUNDIAL PARA LA NATURALEZA.


El acuerdo mantiene el objetivo de que la temperatura global no suba más de dos grados centígrados, pero no se ha

incluido la recomendación del IPCC de que las emisiones de los países desarrollados deberían reducirse para 2020 entre un

25% y un 40% sobre el nivel que tenían en 1990. Además, a iniciativa de los pequeños países insulares, que peligran si se

produjera un aumento generalizado del nivel del mar por un deshielo masivo de los polos, un centenar de naciones en

desarrollo solicitaron que el límite se estableciera en 1,5˚C, puesto que en determinadas zonas de países como África un

aumento de 2˚C a nivel global se traduce en 3,5˚C.

El acuerdo alcanzado entre EE.UU., China y otros 27 países no fue aceptado por unanimidad en la Convención pues lo

rechazaron algunos países como Cuba, Bolivia y Nicaragua. Por ello los delegados del pleno de la Conferencia de la ONU

sobre Cambio Climático renunciaron a votarlo y acordaron una fórmula de «tomar conocimiento» del documento. El pacto

alcanzado no será oficial pues la Convención de Cambio Climático funciona por consenso y la oposición de un solo país

impide la adopción del acuerdo.

1.3.4. DERRAMES DE PETRÓLEO

Un derrame de petróleo o marea negra es un vertido que se produce debido a un accidente o práctica inadecuada que

contamina el medio ambiente con productos petroleros. Estos derrames, que suelen producirse en el mar, afectan a la fauna

y la pesca de la zona marítima o litoral afectado.

Sus consecuencias son siempre graves y diversas: afecta a aves, que se quedan en la playa al no poder volar y mueren de frío

o hambre [FIGURA 1.5]; a peces, que pueden incorporar contaminantes orgánicos persistentes, el envenenamiento petrolero

se transmite de un animal a otro por la cadena alimenticia, poniendo también en riesgo la seguridad en la alimentación

humana; a las personas, sobre todo a nivel económico, tanto para trabajadores (marineros, mariscadores, sector de la

hostelería…), como a instituciones y administraciones que deben a realizar un gran esfuerzo económico para ayudar en las

labores de limpieza y restauración del desastre.

Las labores de limpieza son siempre posibles gracias a la colaboración de voluntariado y agentes del gobierno para hacer

limpiezas con palas y a mano, mientras que en otras zonas se utilizan purificadoras de agua u otro tipo de máquinas que

ayudan a purificar grandes volúmenes de agua contaminada. Cuando ocurre en alta mar y el mar está calmado y hay poco

viento se puede quemar el aceite. Otras veces se utilizan detergentes o microorganismos (biorremediación) para dispersar o

deshacer el contaminante.

En la tabla siguiente aparecen los mayores derrames de petróleo de la historia y en la imagen [FIGURA 1.6] que aparece a

continuación, su ubicación.

MAYORES DERRAMES DE PETRÓLEO DESDE 197911

NOMBRE DEL BARCO AÑO PETRÓLEO DERRAMADO NOMBRE DEL BARCO AÑO PETRÓLEO DERRAMADO ATLANTIC EMPRESS 1979 287,000 KT HAWAIIAN PATRIOT 1977 95,000 KT

ABT SUMMER 1991 260,000 KT INDEPENDENTA 1979 95,000 KT CASTILLO DE BELLVER 1983 252,000 KT JAKOB MAERSK 1975 88,000 KT

AMOCO CADIZ 1978 223,000 KT BRAER 1993 85,000 KT HAVEN 1991 144,000 KT KHARK 5 1989 80,000 KT

ODYSSEY 1988 132,000 KT AEGEAN SEA 1992 74,000 KT TORREY CANYON 1967 119,000 KT SEA EMPRESS 1996 72,000 KT

SEA STAR 1972 115,000 KT KATINA P 1992 66,700 KT IRENES SERENADE 1980 100,000 KT PRESTIGE 2002 63,000 KT

URQUIOLA 1976 100,000 KT EXXON VALDEZ 1989 37,000 KT

11

INFORMACIÓN EXTRAÍDA DE LAS ESTADÍSTICAS DE ITOPF (THE INTERNATIONAL TANKERS OWNERS POLLUTION FEDERATION LIMITED).


1.3.5. EFECTOS SOBRE LA SALUD12

El uso industrial y urbano de los combustibles fósiles genera contaminantes físicos (acústicos y radiaciones

electromagnéticas) y químicos (CO2, NOx, SO2, partículas, CO, substancias químicas peligrosas y substancias radiactivas). Las

substancias químicas peligrosas más importantes son las siguientes:

- INORGÁNICAS: Arsénico, cadmio, cromo, cobalto, plomo, manganeso, mercurio, níquel y fósforo.

- ORGÁNICAS: Benceno, formaldehído, naftaleno, tolueno y pireno.

- RADIACTIVAS: Uranio-238, Thorio-232, Potasio-40.

Todos los contaminantes producen efectos adversos en la salud humana, destacando por su frecuencia y gravedad las

enfermedades broncopulmonares. Estos efectos en las personas se manifiestan a corto, medio y largo plazo potenciando los

producidos por los contaminantes preexistentes y afectan principalmente a la población niños, mujeres embarazadas,

personas mayores y a las que padecen enfermedades respiratorias y cardiovasculares.

Las enfermedades asociadas oscilan desde banales (conjuntivitis, rinitis, faringitis, etc.) hasta graves y potencialmente

mortales (bronquitis asmática, enfermedad pulmonar obstructiva crónica, insuficiencia cardíaca e incremento del riesgo de

cáncer).

12

ESTE APARTADO ES UN RESUMEN DE UN ESTUDIO REALIZADO POR DIVERSAS UNIVERSIDADES Y HOSPITALES DE VALENCIA [CD: DOC6].

FIGURA 1.5: EN ESTA IMAGEN DEL DERRAME QUE TUVO LUGAR EN MAGDALENA, ARGENTINA, EN ENERO DE 1990, PODEMOS OBSERVAR LAS CONSECUENCIAS QUE UN

DERRAME ACARREA PARA LAS AVES Y LAS ZONAS COSTERAS.


2. CRISIS ENERGÉTICA

Como ya hemos visto, los combustibles fósiles han sido determinante en el gran desarrollo y crecimiento de la población en

el último siglo y no solo continúan siendo la fuente energética básica, pues no sólo aportan el 80% de la energía que se

consume en el mundo, sino que también contribuyen al aprovechamiento de las demás fuentes energéticas conocidas.

Si la Tierra fuese infinita y sus recursos ilimitados, la población y el consumo energético podrían seguir aumentando

indefinidamente. Pero nuestro planeta es limitado, y por tanto también lo son sus recursos y sumideros. Esto significa que

algún día el proceso de extracción de materiales del subsuelo y su emisión a la atmósfera nos llevaría al punto en que los

recursos comenzasen a dar síntomas de agotamiento y los sumideros, de empezar a saturarse.

Y ese es precisamente el punto en el que estamos: mientras la humanidad continúa creciendo en población y necesidades

energéticas, los geólogos avisan de que el suministro de combustibles fósiles va a empezar a decaer y los climatólogos

advierten que el incremento detectado en las concentraciones de los gases producto de su combustión no tiene precedentes,

al menos en los anteriores cientos de miles y probablemente en millones de años.

2.1. DEPENDENCIA DEL PETRÓLEO

A partir de la Revolución Industrial, los combustibles fósiles empezaron a sustituir a otras fuentes energéticas menos

rentables, como lo eran la eólica, la hidráulica y la fuerza animal. Esto potenció el gran desarrollo de la industria y un enorme

crecimiento en la población, al mismo tiempo que se apoderaba de toda la sociedad.

Así pues, se ha creado a nivel mundial una dependencia y un modus vivendi en torno al petróleo, una sociedad que no puede

imaginarse un mundo sin petróleo, un mundo sin nada. Esta misma sociedad ha sido la que desde el descubrimiento del

petróleo no ha dejado de extraerlo y utilizarlo sin control alguno, llegando a extraer en unos 100 años cerca de la mitad del

petróleo existente inicialmente, el cual necesitó de millones de años para formarse. Por no racionalizar su uso, nos

enfrentamos actualmente un problema que jamás se había planteado, o en el que preferimos no pensar: ¿qué haremos si se

agota el petróleo?

FIGURA 1.6: MAPA CON LA UBICACIÓN DE LOS MAYORES DERRAMES DE PETRÓLEO DES DE 1979, EXTRAÍDA DE ITOPF (THE INTERNATIONAL TANKER OWNER

POLLUTION FEDERATION LIMITED).


Desde hace relativamente poco, la comunidad científica mundial no deja de advertir precisamente de este hecho: que el

petróleo y sus derivados se están agotando y que de no hacer nada para evitarlo, y al ritmo de consumo actual, se

terminarán en unos 40 años. De hecho, desde pocos años atrás, viene manifestándose una progresiva disminución de la

producción excedentaria de petróleo, debido a las dificultades para incrementar la oferta al ritmo que lo hace la demanda,

de forma que el precio del crudo ha experimentado un notable ascenso.

Por todo esto, el petróleo es un bien cada vez más preciado y codiciado, y de ahí uno de sus más conocidos pseudónimos: el

oro negro. Además, numerosos estudios vienen advirtiendo desde hace décadas que, una vez consumida la mitad de las

reservas de petróleo del planeta, el ritmo de extracción comenzará a decaer, lo que supone para la generación de comienzos

del siglo XXI un gran desafío, el de enfrentarse al descenso de la disponibilidad del petróleo, uno de los pilares de neutro

sistema económico y modo de vida actuales, que muy probablemente provocará incrementos en los costes energéticos y

desabastecimientos que pueden llevar a la economía mundial a una recesión sin precedentes, cuyos primeros síntomas ya se

están haciendo notar.

2.2. LA CURVA DE HUBBERT I EL CÉNIT DE LA PRODUCCIÓN MUNDIAL DE PETRÓLEO

En 1950, el científico estadounidense M. King Hubbert demostró que la evolución que experimenta la explotación de

cualquier pozo petrolífero sigue una curva en forma de campana, llamada por ello «curva de Hubbert» [FIGURA 1.7] [CD:

DOC7].

Así pues, al iniciarse la explotación, en el tramo ascendente de la curva, la producción de petróleo aumenta rápidamente, de

forma que se puede extraer cada vez mayor cantidad con muy poco esfuerzo, además de ser de gran calidad. Con el paso del

tiempo el aumento de la producción va perdiendo fuerza, hasta llegar al máximo, conocido como cenit del petróleo, a partir

del cual la producción comienza su declive, disminuyendo la cantidad de petróleo obtenido, así como su calidad y pureza,

hasta el agotamiento del pozo. Este punto se alcanza aproximadamente cuando se ha extraído la mitad del petróleo

existente.

Si la evolución de la producción de cualquier pozo petrolífero muestra una curva en forma de campana, lógicamente, si se

suman las producciones de varios de ellos la curva que se obtiene tiene también una forma similar. Esto significa que la

FIGURA 1.7: CURVA DE PRODUCCIÓN QUE HUBBERT CREÓ EN 1956, DÓNDE APARECE EL PETRÓLEO CONSUMIDO (VERDE), LAS RESERVAS DE PETRÓLEO COMPROBADAS

(NARANJA) Y UNA ESTIMACIÓN DE LOS FUTUROS DESCUBRIMIENTOS (ROJO).


producción de cualquier yacimiento, país productor o la mundial en su conjunto también presentan una evolución en forma

de campana.

Conociendo este hecho, y aplicando una serie de cálculos matemáticos, Hubbert dedujo en 1956, con notable precisión, que

el cenit de la producción de petróleo de EE.UU., que entonces era el mayor productor de crudo del planeta, se alcanzaría

aproximadamente en 1970. Y lo cierto es que el pico se alcanzó el año 1971, año a partir del cual la producción ha seguido un

progresivo descenso hasta tal punto que, actualmente, EE.UU. depende básicamente de la importación de crudo, ya que

apenas hace uso de sus ahora escasas reservas. Para la producción mundial, Hubbert estimó que el cenit tendría lugar a

finales del siglo XX o a principios del siglo XXI, y demostró también que si las reservas mundiales superasen en vez y media a

las que él consideraba más probables, el cenit mundial se retrasaría sólo ocho años.13

Numerosos estudios han venido verificando la validez de los resultados de Hubbert y muestran que ya se ha consumido

aproximadamente la mitad de las reservas iniciales, lo que indica que estamos en los años del cenit de la producción mundial

de petróleo.

Muchos de los principales campos y países productores han entrado ya en declive. Cuando la producción de un país

exportador cae por debajo de su consumo interno, pasa de ser exportador neto a importador neto, con lo que empieza a

presionar sobre los mercados internacionales de crudo. Los países que se mantienen en la parte ascendente de la curva de

Hubbert se ven obligados a aumentar su producción para cubrir, no sólo el incremento de la demanda internacional, sino

también la disminución de las producciones de los que ya han pasado el cenit, lo que cada vez resulta más dificultoso y lo

será más a medida que más campos y países productores vayan superando el cenit y entrando en el declive de sus

producciones. A esto hay que sumarle otro problema: la diversidad geográfica, ya que el petróleo se encuentra concentrado

en un pequeño número de naciones agrupadas en la OPEP14

. Desde un punto de vista económico este es un gran

inconveniente que se debería solucionar con la diversificación de las fuentes de energía, algo que el hidrógeno podría ayudar

a conseguir.

Otra prueba de esto es la incapacidad de las principales empresas extractoras y exportadoras de petróleo de aumentar la

oferta, a pesar de la presión de numerosos gobiernos occidentales de la necesidad de ello, puesto que la demanda lejos de

disminuir, no hace más que aumentar, lo que ha llevado al encarecimiento progresivo del petróleo, que desde hace varios

años no hace más que aumentar de precio, y que seguirá así hasta que se encuentre una solución al problema.

Otra evidencia clara de la proximidad del cenit de la producción mundial de petróleo es que, si bien la demanda continúa

aumentando, el descubrimiento de grandes yacimientos viene disminuyendo desde los años sesenta, pese al empleo de

tecnologías cada vez más sofisticadas y la competencia de las empresas petroleras por hacerse con el mayor número de

yacimientos.

Así pues, aunque se estima que al ritmo de consumo actual queda petróleo para unos 40 años, el desafío más inminente al

que se enfrenta la sociedad de principios del siglo XXI es el que supone entrar en el declive de su producción, en el contexto

de la fuerte dependencia existente hoy en día, y sin otras alternativas energéticas que puedan reemplazar a corto plazo la

gran cantidad de energía que proporciona.

Una última cosa que remarcar para hacernos una idea de la situación actual es que desde los años ochenta el consumo de

petróleo supera a los descubrimientos, de forma que en la actualidad se ha alcanzado la alarmante proporción de que por

cada barril que se descubre se consumen cuatro. Esto significa que casi todo el petróleo que se está consumiendo hoy en día

procede de los grandes yacimientos descubiertos hace varias décadas [FIGURA 1.8].

El encarecimiento de la energía puede generar procesos inflacionarios que se extiendan a todos los sectores económicos y

tener impactos imprevisibles sobre las economías de todos los países, lo que puede poner en riesgo el equilibrio del sistema

financiero internacional y desencadenar intensas crisis sociales. No obstante, esto también alzará a un puesto de privilegio a

las energías renovables y a los combustibles ecológicos. Será entonces cuando existirá un consenso global para la transición

del sistema energético actual a otro que sea sostenible. Afortunadamente ya existen iniciativas en este sentido desde hace

varios años, que aunque han chocado frontalmente con los intereses creados en torno a la industria del petróleo y, la

13

EL INSTITUTO DE LOS RECURSOS MUNDIALES (WOLD RESOURCES INSTITUTE) PUBLICÓ UN INFORME EN 1996 QUE DECÍA: «SI PERSISTE EL CRECIMIENTO DE LA DEMANDA

MUNDIAL EN UN MODESTO DOS POR CIENTO ANUAL, LA PRODUCCIÓN PODRÍA COMENZAR A DECLINAR HACIA EL AÑO 2000 (…) INCLUSO AUNQUE SE DEN ENORMES

AUMENTOS DEL PETRÓLEO ESTIMADO COMO RECUPERABLE (LO CUAL ES POCO PROBABLE), APENAS DARÍA PARA ALGO MÁS DE OTRA DÉCADA (DESDE 2007 A 2018). EN

CONSECUENCIA, A MENOS QUE SE REDUZCA DE FORMA MUY ACUSADA EL CRECIMIENTO DE LA DEMANDA, LA PRODUCCIÓN DE PETRÓLEO COMENZARÁ PRONTO SU LARGO

DECLIVE». 14

ORGANIZACIÓN DE PAÍSES EXPORTADORES DE PETRÓLEO.


mayoría, no han tenido mucho éxito, parece que actualmente empiezan a ganar protagonismo ante la evidente necesidad de

un cambio radical en el ámbito de las energías.

A modo de ejemplo, la petrolera estadounidense Chevron-Texaco ha iniciado recientemente una campaña a través de la web

www.willyoujoinus.com (¿Te unirás a nosotros?) que empieza diciendo: «La energía será uno de los asuntos definitorios de

este siglo. Una cosa está clara: la era del petróleo fácil se ha acabado. Lo que hagamos a partir de ahora determinará nuestro

éxito en responder a las necesidades energéticas del mundo entero durante este siglo y los siguientes».

3. SOLUCIONES

Ante tal problema, es necesario tomar medidas rápido, antes que se desencadenen consecuencias peores de las actuales. Por

tanto, se deben tomar decisiones y medidas radicales y con iniciativa, al mismo tiempo que reales. Está claro que es

completamente imposible suprimir, o siquiera limitar, el uso del petróleo en un período corto de tiempo. Por tanto, la

solución para la actual crisis es doble, y debe darse conjuntamente.

En primer lugar, es necesario reducir el consumo energético y, en concreto, el uso de los combustibles fósiles. Al mismo

tiempo que se hace esto, se debe invertir en investigación y potenciar el uso otras fuentes de energía alternativas, de

manera que podamos compensar de alguna manera la reducción de la energía producida por lo combustibles fósiles [FIGURA

1.9].

Esta es una solución difícil, claro está, pero no es una solución permanente, sino una manera de ganar tiempo hasta que se

desarrollen nuevas tecnologías y se encuentren nuevas fuentes de energía capaces de tomar el relevo al petróleo. En este

caso, esta solución permanente será el hidrogeno, que a pesar de que actualmente solo puede ayudar al aprovechamiento

de otras fuentes de energía como la eólica, hidráulica… se espera que en un futuro pueda convertirse en la primera fuente

energética mundial.15

Esto lo veremos más adelante.

15

ESTA INFORMACIÓN, ASÍ COMO LA GRÁFICA ASOCIADA, HA SIDO EXTRAÍDA DEL DOCUMENTO «LBST – PROSPECTIVA ALTERNATIVA MUNDIAL DE ENERGÍA 2005» Y

MODIFICADA A PARTIR DE LAS FECHAS ORIENTATIVAS QUE EL PROF. SIR CHRIS LLEWELLYN SMITH DIO EN LA «IAEA FUSION ENERGY CONFERENCE» EN 2004 ACERCA DE

CUÁNDO SE CONSTRUIRÍA LA PRIMERA PLANTA DE FUSIÓN NUCLEAR DEMO Y SU SUCESORA PROTO. ESTA Y OTRA INFORMACIÓN SOBRE LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO SE

ENCUENTRA RECOGIDA EN EL DOSIER DE LA AEH2 «¿A PARTIR DE QUÉ FUENTES DE ENERGÍA SE OBTENDRÁ EL HIDRÓGENO?» [CD: DOC8].

FIGURA 1.8: PODEMOS OBSERVAR EN ESTE GRÁFICA COMO LA PRODUCCIÓN ACTUAL SUPERA LOS DESCUBRIMIENTOS ACTUALES, POR LO QUE EL PETRÓLEO QUE

CONSUMIMOS ACTUALMENTE PROCEDE, EN SU MAYOR PARTE, DE DESCUBRIMIENTOS PASADOS.


3.1. AHORRO ENERGÉTICO

Ante la inevitable e inminente reducción de la oferta de petróleo que cabe esperar en los próximos años, la medida

aparentemente más lógica, sencilla e inmediata que se puede adoptar es tratar de reducir el consumo energético, para ir

adaptándolo a la realidad geológica marcada por la curva de Hubbert.

Si en lugar de actuar de este modo se opta por forzar la explotación de los yacimientos petrolíferos del planeta, el efecto que

se puede esperar es que se alargue la meseta de la parte superior de la campana de Hubbert, es decir, que se logre atrasar el

inicio de la caída de la producción mundial de petróleo, pero de lograrse, el efecto posterior será que cuando se inicie la

caída ésta resulte más pronunciada [FIGURA 1.10].

Así pues, el ahorro energético es la medida aparentemente más sencilla e inmediata de aplicar, pero no está exento de

dificultades para ser aplicado masivamente:

- Por una parte, los gobiernos de los países más poderosos del mundo se ven obligados a mantener el crecimiento como

objetivo básico de sus políticas económicas, puesto que si tratasen de establecer unilateralmente políticas drásticas de

reducción del consumo, éstas chocarían con los intereses del sector empresarial y de las grandes compañías

multinacionales; podrían afectar también negativamente a la actividad económica y al empleo; amenazarían al

equilibrio del sistema financiero; encontrarían rechazo entre los agentes sociales y económicos; y podrían encontrar

oposición por parte de los países y de las instituciones económicas con los que mantienen compromisos

internacionales. Además, hasta ahora el crecimiento económico siempre ha venido acompañado de incrementos en el

consumo de energía.

- Las empresas privadas necesitan de elevados niveles de consumo para mantener sus ventas y beneficios, y se valen para

ello de la publicidad, que estimula a los ciudadanos al consumo. No obstante, hay que potenciar el reducir el consumo

energético mediante la mejora de los procesos y máquinas empleadas en diversos procesos productivos.

FIGURA 1.9: EN ESTA GRÁFICA PODEMOS OBSERVAR UNA PREDICCIÓN SOBRE CÓMO A PARTIR DEL CÉNIT DE LA PRODUCCIÓN DE PETRÓLEO, SE EMPEZARÁ A REDUCIR EL

USO DE LOS COMBUSTIBLES FÓSILES, AL MISMO TIEMPO QUE SE POTENCIA EL DESARROLLO LAS ACTUALES ENERGÍAS ALTERNATIVAS, HASTA LA LLEGADA DE LA FUSIÓN

NUCLEAR.

FIGURA 1.10: PODEMOS VER EN AZUL COMO, AL FORZAR LA CURVA DE EXPLOTACIÓN QUE SIGUE DE MANERA NATURAL (ROJO) LA PRODUCCIÓN DE PETRÓLEO, CONSEGUIMOS MANTENER LA OFERTA DURANTE UN TIEMPO DETERMINADO, PERO A COSTA DE AGOTARLO POR COMPLETO ANTES Y DE MANERA MÁS PRONUNCIADA.


- No se puede disminuir significativamente el consumo de petróleo en muchas actividades productivas básicas como la

agricultura o los transportes, al menos de momento, aunque cabe esperar que de aquí a que se consiga sustituir los

combustibles fósiles en los transportes, no se hay agotado por completo, ya que de lo contrario nos deberemos

enfrentar a un nuevo problema: sustituir a los productos derivados del petróleo.

- Si ya parece difícil que los países más desarrollados dejen de aumentar sus niveles de consumo, puede resultar aún más

complicado que los países con menor nivel de renta per cápita acepten renunciar a aumentar el suyo, en su objetivo de

salir de la miseria y tratar de igualar el nivel de consumo de los países más desarrollados, por lo que estos últimos

deberán ayudar a los primeros a seguir con su nivel de crecimiento sin comprometer por ellos ni a recursos ni a zonas

de gran importancia como el Amazonas.

3.2. OTRAS FUENTES DE ENERGÍA

Para hacer frente a este gran cambio será necesario un proceso largo y progresivo, que comience por reducir y optimizar el

consumo de petróleo y derivados, para acabar utilizándolos únicamente en lo imprescindible, sino sustituyéndolo por

completo. Este proceso, que ya ha comenzado, necesita de grandes inversiones en investigación para encontrar sustitutos

adecuados a los distintos derivados del petróleo. No obstante, el mayor problema es el de sustituirlo como fuente de

energía, puesto que no se conoce todavía ninguna fuente energética capaz de afrontar por si misma esta gran

responsabilidad. Sin embargo, este problema parece poder solventarse, a corto plazo, con el uso combinado de distintas

fuentes energéticas, junto con otros métodos o elementos para facilitar el transporte de la energía, y, a largo plazo, con el

desarrollo de nuevas tecnologías en las que se está actualmente investigando y que veremos más adelante.

La otra posibilidad para reducir el consumo de petróleo sería comenzar a sustituirlo por otras alternativas energéticas. En la

actualidad, las fuentes de energía basadas en recursos finitos no renovables (combustibles fósiles y fisión nuclear), que

tantos problemas de contaminación generan, aportan el 86% del enorme consumo de energía global.

A pesar de que son bastantes los años que se lleva investigando arduamente en el campo de las energías renovables (energía

solar, eólica, mareomotriz, hidráulica…) , estas fuentes energéticas pueden continuar siendo complementarias en la

producción de electricidad, pero no pueden aumentar tanto como para reemplazar la gran cantidad de energía suministrada

por las no renovables para cubrir los requerimientos de la sociedad, y menos si la población mundial y las economías de los

países continúan en crecimiento al ritmo actual.

El petróleo representa el 35% del total del consumo energético global y más del 90% de la energía empleada en los

transportes. Resulta muy complicado que pueda ser sustituido como carburante, pues debería primero aparecer una fuente

de energía con sus prestaciones y en cantidad suficiente, y a continuación adaptar o sustituir el inmenso parque de vehículos

actual, más de 800 millones, para que pudiesen funcionar con ella, así como desarrollar toda la infraestructura para la

producción, transporte y distribución de la misma por todo el mundo.

Se repasan a continuación algunas de las dificultades que presentan las fuentes energéticas que se plantean como posibles

alternativas al petróleo y que se espera que puedan experimentar un desarrollo importante en los próximos años, gracias a

las investigaciones en sus respectivos campos, de forma que se consiga una producción energética suficiente y sostenible:

- CARBÓN: Un combustible muy pesado, poco eficiente, con poca versatilidad y con un gran coste de extracción y de

transporte. Es muy contaminante (tanto su minería como su combustión) y es el causante de la lluvia ácida, además de

contribuir al efecto invernadero. Estos problemas se verían incrementados si se tratase de sustituir con él al petróleo.

- GAS NATURAL: Es el que más está aumentando su uso y tiene muchas ventajas, pero su explotación también contribuye al

efecto invernadero y sigue una curva de Hubbert más pronunciada que la del petróleo, de manera que, una vez que se

alcance el cenit, lo que sucederá sólo unos pocos años después que el del petróleo, su declive será mucho más

pronunciado. En Norteamérica la escasez de gas ya empieza a ser un problema acuciante.

- FISIÓN NUCLEAR: Presenta numerosas dificultades para implantarse a gran escala y a corto plazo: el enorme coste

(económico y energético) de la construcción y desmantelamiento de cada central nuclear; la ausencia de soluciones al

tratamiento y almacenamiento de los peligrosos residuos, que emiten radiactividad durante miles de años; el riesgo de

accidentes nucleares y de atentados terroristas; los conflictos entre los países por el temor al posible empleo de la

energía nuclear para fines militares; el gran impacto ambiental que genera la minería del uranio. En todo caso, aunque

todos estos problemas se pudieran superar, el uranio también posee una cresta de Hubbert, que se alcanzará dentro de

unos 25 años, plazo que se acortaría si se incrementase el número de centrales nucleares.


- No obstante, el IPCC en su cuarto informe, recomienda la energía nuclear como una de las tecnologías clave para la

mitigación del calentamiento global, al menos durante un corto período de tiempo.

- ENERGÍA HIDROELÉCTRICA: Actualmente, sólo aporta el 2,3 % de la energía global, tiene pocas posibilidades de

incrementarse significativamente. Las grandes presas siempre causan gran impacto sobre las áreas donde se

construyen, y obligan a desplazarse a las poblaciones residentes en las mismas.

- ENERGÍAS RENOVABLES (SOLAR, EÓLICA, MAREOMOTRIZ, GEOTÉRMICA…): Representan tan sólo el 0,5 % del total mundial, y su

incipiente desarrollo ha sido posible gracias a la disponibilidad de petróleo, que es utilizado tanto en forma de materia

prima como de energía para la fabricación de los costosos materiales necesarios, y para la construcción de las

infraestructuras aparejadas. La energía que proporcionan es difícil de transportar y de almacenar, y su cantidad varía

en función de agentes externos.

- BIOCOMBUSTIBLES: No tienen las prestaciones que presentan los gasóleos obtenidos del petróleo y, para incrementar su

producción significativamente, se tendrían que dedicar una gran cantidad de tierras fértiles a su cultivo, lo que es

complicado en un mundo en el que el hambre y la desertización son dos de sus problemas de más difícil solución.

Además, nuevamente el petróleo aparece como el recurso que está detrás de su desarrollo, pues el proceso de siembra,

tratamiento, fertilización, riego, cosecha, transporte y distribución requiere de energía que en la actualidad se obtiene

éste.

- FUSIÓN NUCLEAR: Es la fuente de energía de la que se dice que resolverá todos los problemas energéticos en el futuro.

Pero las complejidades tecnológicas a superar son de tal magnitud que desde que se planteó inicialmente ya se advertía

que no iba a estar disponible al menos hasta aproximadamente el 2100. Se necesita alcanzar temperaturas superiores a

cien millones de grados para que se produzca la reacción de fusión; materiales que resistan las altas temperaturas y la

radiación; lograr que la energía liberada sea mayor que la necesaria para calentar y mantener aislado el combustible; y

finalmente, desarrollar dispositivos que capturen la energía generada y la conviertan en electricidad, de tal manera que

de todo el proceso se obtenga un balance energético suficientemente positivo.

- EL HIDRÓGENO: Una solución que no es una fuente de energía. Se plantea como combustible para el transporte porque no

es contaminante y se puede utilizar de forma líquida, como los derivados del petróleo. Pero el hidrógeno libre es muy

raro en la naturaleza, y se necesita más energía para obtenerlo de la que después proporciona. Además, requiere de

muy bajas temperaturas para mantenerse líquido, ocupa más volumen por unidad de energía que las gasolinas o el

diesel, y haría falta adaptar a él los vehículos actuales y los sistemas de transporte y distribución de combustible que

están implantados hoy en día.

No obstante, se plantea como una buena solución para aprovechar mejor otras energías, como las renovables, al ser

una solución al problema de su almacenamiento y transporte. Además, es también el combustible necesario para

realizar la fusión nuclear, así que en el momento en que se utilice para estos propósitos, de manera que la energía que

obtengamos de las reacciones de fusión nuclear a la que lo sometamos sea mayor que la invertida en su producción,

podremos pasar a considerarlo algo parecido a una fuente de energía, a pesar de no encontrarse en abundancia de

manera libre en la Tierra.

COMO ACABAMOS DE VER EN EL TEMA 1, EL HIDRÓGENO SERÁ DE VITAL IMPORTANCIA PARA SUPERAR LA ACTUAL CRISIS ENERGÉTICA, TANTO EN EL

FUTURO INMEDIATO, COMO EN EL LEJANO. ASÍ PUES, VAMOS A VER QUÉ ES ESTE ELEMENTO Y CUÁLES SON LAS PROPIEDADES QUE LO HACE IDÓNEO PARA

EL USO COMO COMBUSTIBLE Y PARA OTRAS APLICACIONES.


1. HIDRÓGENO (H) Y DIHIDRÓGENO (H2)

El hidrógeno (H) es un elemento químico representado por el símbolo H, con un número atómico (Z) de 1 y con una masa

atómica media de 1,00797 Da1, siendo pues el elemento químico más ligero y, también, el más abundante, constituyendo

aproximadamente el 75%, en masa, de la materia visible del universo.

En condiciones normales de presión y temperatura es un gas diatómico: Dihidrógeno o hidrógeno diatómico (H2).

El dihidrógeno (H2) es una molécula formada por dos átomos de hidrógeno. A temperatura ambiente es un gas diatómico

incoloro, inodoro, insípido, no metálico y altamente inflamable. Así pues, cada vez que hablemos de hidrógeno, a no ser que

se especifique lo contrario, estaremos hablando de su forma diátomica.

Resulta complicado encontrar hidrógeno, o mejor dicho, dihidrógeno, en estado gaseoso en la Tierra. No obstante, el

hidrógeno puede formar compuestos con la mayoría de los elementos y está presente en el agua y en un gran número de

compuestos orgánicos. Disponemos de una amplia variedad de métodos para su obtención, que se suele realizar

industrialmente a partir de hidrocarburos o a partir de agua mediante un proceso de electrólisis, en el lugar y en el momento

en el que se necesita, a causa de los problemas que puede acarrear su almacenamiento y transporte.

Existen 3 isótopos naturales de hidrógeno y otros 4 sintéticos. El isótopo más común en la naturaleza, conocido como protio

(1H), tiene un solo protón en su núcleo y un electrón orbitando a su alrededor y es el más abundante con diferencia de los 7.

En los compuestos iónicos el hidrógeno puede adquirir carga positiva, convirtiéndose en un catión sin electrones llamado

hidrón (H+), o carga negativa, convirtiéndose en un anión conocido como hidruro (H

-). El hidrógeno juega un papel

importante en la química ácido-base con muchas reacciones de intercambio de protones (1H+) entre moléculas solubles.

Sus principales aplicaciones industriales son el refinado de combustibles fósiles y la producción de amoníaco, aunque como

veremos a lo largo de este trabajo, también existen diversas aplicaciones energéticas que el hidrógeno puede realizar de

manera eficaz. Cabe remarcar que el hidrógeno no es una fuente de energía, sino un portador de energía, al menos en la

Tierra, ya que no podemos encontrarlo en grandes cantidades libre en el aire, sino que debemos obtenerlo mediante

procesos que consumen más energía que la que podemos obtener a partir del hidrógeno. No obstante, el hidrógeno es

también un combustible para centrales de fusión nuclear, y en este caso produce más energía de la necesaria para producirlo

e iniciar la reacción, por lo que se podría considerar, en este caso, una fuente de energía.

Su principal ventaja recae pues, en el hecho de que existen diversas reacciones químicas y métodos, tanto para su

producción como para su utilización (para obtener energía), que no producen residuos no deseados. Por ejemplo, mientras

tanto la producción como la combustión de hidrocarburos producen dióxido de carbono (CO2), un gas perjudicial para el

medioambiente y muy difícil de eliminar o recombinar para re-obtener hidrocarburos, debido a que la molécula de CO2 es

altamente estable, en el caso de utilizar hidrógeno obtendríamos hidrógeno y oxígeno en su producción, y agua y energía en

su combustión. Además, puesto que el oxígeno producido es necesario para la combustión y aprovechando que ambos gases

se encuentran en proporción estequiométrica al producirlos, la mezcla, que recibe el nombre de oxi-hidrógeno, puede ser

utilizada sin necesidad de eliminar ninguno de sus productos o aportar más reactivos en aplicaciones tales como soldadura,

motores de combustión interna… Profundizaremos en esta mezcla de gases en el tema 5.

2. NOMENCLATURA

El término hidrógeno proviene del francés Hydrogène, que su vez proviene del latín hydrogenium, y éste del griego

antiguo hydorgenos (ὕδωργένος-ου, generador de agua): hydor (ὕδωρ, agua) y genos (γένος-ου, generador).

La palabra hidrógeno puede referirse tanto al átomo de hidrógeno (H), como a la molécula diatómica (H2).

Más adelante veremos también los nombres específicos y generales utilizados para designar los distintos isótopos, iones y

compuestos que puede formar el hidrógeno.

1 DALTON O UNIDAD DE MASA ATÓMICA UNIFICADA.


INFORMACIÓN GENERAL

NOMBRE HIDRÓGENO SÍMBOLO H NÚMERO ATÓMICO (Z) 1

CLASIFICACIÓN DE ELEMENTO NO METAL

GRUPO 1 PERÍODO 1

BLOQUE S (SHARP)

CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA 1S1

PROPIEDADES ATÓMICAS PROPIEDADES FÍSICAS

MASA ATÓMICA 1,00797 DA ESTADO GASEOSO

1,007825 DA (H1) ESTRUCTURA CRISTALINA HEXAGONAL

VOLUMEN ATÓMICO 14,4 CM3/MOL COLOR INCOLORO

RADIO ATÓMICO 0,79 Å VOLUMEN ATÓMICO 14,24 CM3/MOL

RADIO MEDIO 25 PM DENSIDAD 0,08988 KG/M3

RADIO COVALENTE 0,32 Å CONDUCTIVIDAD TÉRMICA 0,1815 W/(M·K)

RADIO DE VAN DER WAALS 120 PM CALOR ESPECÍFICO 14304 J/KG·K

RADIO IÓNICO 2,08 O 154 PM PUNTO DE FUSIÓN 14,025 K

NÚMERO DE OXIDACIÓN (ÓXIDO) 1 (ANFÓTERO) ENTALPÍA DE FUSIÓN 0,05868 KJ/MOL

POTENCIAL 1º DE IONIZACIÓN (EV) 13,65 PUNTO DE EBULLICIÓN 20.268 K

ELECTRONEGATIVIDAD 2,1 (PAULING) ENTALPÍA DE VAPORACIÓN 0,44936 KJ/MOL

POTENCIAL DE IONIZACIÓN 1.312 KJ/MOL PRESIÓN DE VAPOR 209 PA A 23 K

AFINIDAD ELECTRÓNICA 73 KJ/MOL VELOCIDAD DEL SONIDO 1270 M/S VALORES EN EL SI (SISTEMA INTERNACIONAL) Y EN CONDICIONES NORMALES (0°C Y 1 ATM), SALVO QUE SE INDIQUE LO CONTRARIO.

3. HISTORIA

El dihidrógeno gaseoso (H2) fue formalmente descrito por primera vez por T. Von Hohenheim (más conocido como Paracelso,

1.493 – 1.541), que lo obtuvo artificialmente mezclando metales con ácidos fuertes. No obstante, Paracelso no era

consciente de que el gas generado en estas reacciones químicas estaba compuesto por un nuevo elemento químico, y no fue

hasta 1.671, que Robert Boyle (1.627 – 1.691) redescubrió y describió la reacción que se producía entre limaduras de hierro y

ácidos diluidos, y que generaba dihidrógeno gaseoso.

En 1.766, Henry Cavendish tropezó con el hidrógeno cuando experimentaba con ácidos y mercurio, y aunque asumió

erróneamente que el hidrógeno era un componente liberado por el mercurio, y no por el ácido, fue el primero en reconocer

el hidrógeno gaseoso como una sustancia discreta, identificando el gas producido en la reacción metal-ácido como aire

inflamable, descubriendo que su combustión generaba agua y describiendo con precisión varias de sus propiedades

fundamentales. Tradicionalmente, se considera a Cavendish el descubridor de este elemento.

En 1783, Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de hidrógeno (ver apartado nomenclatura) cuando comprobó, junto

a Pierre-Simon Laplace (1.749 – 1.827), el descubrimiento de Cavendish y demostraron también que el agua estaba formada

por hidrógeno y oxígeno.

En aquella época se producía hidrógeno haciendo reaccionar ácido sulfúrico con hierro y una de sus primeras aplicaciones

fue como gas ligero para zepelines. El hidrógeno impulsó el ascenso de la primera forma segura de viaje por aire, un globo

aerostático inventado por Jacques Charles en 1.783. Posteriormente, en 1.852, Henri Giffard inventó el primer dirigible que

utilizaba hidrógeno para volar y el conde alemán Ferdinand von Zeppelin promovió la idea de los dirigibles rígidos de

hidrógeno, que más tarde pasarían a llamarse zepelines, el primero de los cuales tuvo su primer vuelo en 1.900. La

planificación regular de vuelos se inició en 1.910 y hacia el estallido de la Primera Guerra Mundial, en agosto de 1.914, habían

llevado a unos 35.000 pasajeros sin un incidente grave. Durante la guerra, los zepelines fueron utilizados como plataformas

de observación y bombarderos.

La primera travesía transatlántica sin escalas fue realizada por el dirigible británico R34 en 1.919. El servicio regular para

pasajeros se reanudó en la década de 1.920 y el descubrimiento de reservas de helio en los Estados Unidos prometieron

aumentar la seguridad de este tipo de transporte, pero el gobierno estadounidense se negó a vender el gas para este fin.

Así pues, el dirigible Hindenburg, al igual que sus predecesores, utilizó hidrógeno como gas ligero para volar.

Lamentablemente, el 6 de Mayo de 1.937, se incendió en pleno vuelo sobre la ciudad de Nueva Jersey. El incidente fue

retransmitido en vivo por radio y filmado [FIGURA 2.1]. A pesar que está muy extendida la idea de que la causa del incidente


fue la ignición de una fuga de hidrógeno, investigaciones posteriores señalaron que fue la tela aluminizada que formaba el

revestimiento de la nave la que prendió a causa de la electricidad estática [FIGURA 2.2], pero el hidrógeno como gas de

elevación había ya perdido toda su reputación.

Aquel mismo año entró en funcionamiento el primer turbogenerador con hidrógeno gaseoso como refrigerante en el rotor y

en el estator, en Dayton (Ohio), diseñado por la compañía Dayon Power & Light Co, debido a la alta conductividad térmica

del hidrógeno. Todavía hoy el hidrógeno sigue siendo extensamente utilizado para este propósito.

François Isaac de Rivaz construyó el primera motor de combustión interna alimentado por una mezcla de hidrógeno y

oxígeno (oxi-hidrógeno) en 1806. Edward Daniel Clarke inventó el soplete de gas de hidrógeno en 1.819. La lámpara de

Döbereiner, el primer mechero de la historia, y la luz de calcio fueron inventadas en 1.823.

El hidrógeno fue licuado por primera vez por James Dewar (1.842-1.923) en 1.898, empleando un refrigerante regenerativo y

su invento, el frasco vacío. Al año siguiente él mismo produjo hidrógeno sólido.

Harold Clayton Urey (1.893-1.981) descubrió el deuterio en 1.931 destilando sucesivamente la misma muestra de agua y

recibió, en 1.934, el premio nobel por haber obtenido este isótopo y por el aislamiento del agua pesada (óxido de deuterio).

Ese mismo año Ernest Rutherford, Oliphant Marcos y Harteck Pablo obtuvieron tritio.

La batería de hidrógeno-níquel se utilizó por primera vez en 1.977 a bordo del U.S. Navy's Navigation technology satellite-2

(NTS-2). Por ejemplo, la Estación Espacial Internacional, Mars Odyssey y la Mars Global Surveyor están equipadas con

baterías de níquel-hidrógeno. El telescopio espacial Hubble, en el momento en que sus baterías originales fueron cambiados

en mayo de 2009, más de 19 años después de su lanzamiento, contaba con el mayor número de ciclos de carga/descarga.

FIGURA 2.1 – ACCIDENTE HINDENBURG: UNA DE LAS FOTOGRAFÍAS TOMADAS POR LA PRENSA EN EL MOMENTO DEL ACCIDENTE.


4. ABUNDANCIA

El hidrógeno es el elemento más abundante del universo, suponiendo más del 75% en masa y más del 90% en número de

átomos.

En el universo, el hidrógeno juega un papel fundamental como combustible de las estrellas por medio de las reacciones de

fusión nuclear entre sus núcleos y se encuentra principalmente en su forma atómica y en estado de plasma cuyas

propiedades son bastante diferentes a las del hidrógeno molecular (H2). En estado plasma, el electrón y el protón del

hidrógeno no se encuentran ligados, por lo que presenta una alta conductividad eléctrica y una gran emisividad (origen de la

luz emitida por el Sol y otras estrellas). Las partículas cargadas están fuertemente influenciadas por los campos eléctricos y

FIGURA 2.2 – EXPLICACIÓN DEL ACCIDENTE DEL HINDENBURG: GRÁFICO EXPLICATIVO DEL ACCIDENTE DEL HINDENBURG PUBLICADO POR EL PERIÓDICO CHILENO «EL

MERCURIO».


magnéticos. Por ejemplo, en los vientos solares las partículas interaccionan con la magnetosfera terrestre generando

corrientes de Birkeland y el fenómeno de la aurora.

Bajo presiones extremadamente altas, como las que hay en el centro de los planetas gigantes (como Júpiter), las moléculas

pierden su identidad i el hidrógeno se convierte en un metal líquido, mientras que bajo presiones extremadamente bajas,

como las que podemos encontrar en el espacio exterior, el hidrógeno tiende a existir como átomos individuales, ya que no

encuentra otros átomos a los cuales unirse.

Por otro lado, también podemos encontrar hidrógeno molecular (H2) en abundancia en las estrellas y en los planetas

gaseosos gigantes (como Júpiter), normalmente formando grandes nubes de este gas que están asociadas a la formación de

las estrellas [FIGURA 2.3].

En la Tierra en cambio, bajo condiciones normales, el hidrógeno existe como gas diatómico (H2), aunque en estado gaseoso

es extremadamente poco abundante en la atmósfera de la Tierra (1 ppm en volumen), debido a que su pequeña masa le

permite escapar al influjo de la gravedad terrestre más fácilmente que otros gases más pesados. El hidrógeno es el

decimoquinto elemento más abundante en la superficie terrestre, aunque la mayor parte de éste se encuentra formando

parte de compuestos químicos tales como los hidrocarburos (petróleo, gas natural, metano…), el agua, muchos minerales, los

ácidos, la materia viva… El hidrógeno gaseoso es producido por algunas bacterias y algas, y es un componente natural de las

flatulencias. Casi todos los compuestos derivados de los organismos vivos lo contienen: grasas, almidones, azúcares,

proteínas…

FIGURA 2.3: EN ESTA IMAGEN PODEMOS OBSERVAR A SATURNO A LA IZQUIERDA Y UNA NUBE DE HIDRÓGENO, DÓNDE SE FORMAN LAS ESTRELLAS, A LA DERECHA.


5. PROPIEDADES FÍSICAS DEL HIDRÓGENO2

A lo largo de este apartado se describirán de forma detalladas las propiedades físicas del hidrógeno, algunas de las cuales ya

hemos ido mencionando. En apartados posteriores veremos para qué aplicaciones hacen idóneo el uso de hidrógeno estas

propiedades y por qué.

5.1. ESTADO

El hidrógeno es el segundo elemento de la tabla periódica que dispone de los puntos de ebullición y de fusión más bajos,

después del helio.

A presión atmosférica, se encontrará en estado líquido por debajo de su punto de ebullición (–252,77 ˚C) y, en estado sólido,

por debajo de su punto de fusión (–259,2 ˚C). Así pues, el hidrógeno líquido es un líquido criogénico, ya que su temperatura

se encuentra por debajo de –73 ˚C.

Esto supone un inconveniente, ya que lo que se suele buscar en los combustibles es que a temperatura ambiente se

encuentren en estado líquido, de manera que ocuparán menos espacio que los combustibles gaseosos, además de ser más

fáciles de transportar. Aunque el punto de ebullición de una sustancia pura aumenta a medida que se eleva la presión, en el

caso del hidrogeno sólo es posible aumentarlo hasta un máximo de –240 ˚C aplicando aproximadamente 13 barg.

FACTOR DE COMPRESIBILIDAD DEL HIDRÓGENO PRESIÓN (BAR) 1 50 100 150 200 250 300 350 400 500 600 700 800 900 1000

FACTOR COMP. 1 1,032 1,065 1,089 1,132 1,166 1,201 1,236 1,272 1,344 1,416 1,489 1,560 1,632 1,70

En cuanto a la capacidad calorífica específica del hidrógeno, éste tiene un calor específico a presión constante (Cp) de 28,623

kJ/kmol·K; y un calor específico a volumen constante (Cv) de 20,309 kJ/kmol·K.

Tal y como se verá más adelante, el hidrógeno usado para la combustión en motores, puede ser almacenado como un gas a

alta presión o bien como líquido criogénico.

5.2. OLOR, COLOR Y GUSTO

El hidrógeno puro es inodoro, no tiene color y es insípido. Si se produjese un escape de hidrógeno, éste resultaría casi

invisible en la luz del día.

El hidrógeno obtenido a partir de otros combustibles fósiles viene acompañado generalmente por nitrógeno, dióxido de

carbono (CO2), monóxido de carbono (CO) y otros gases, la mayoría de los cuales son también inodoros, descoloridos e

insípidos.

No obstante, existen métodos para detectar fugas y llamas de hidrógeno, así como para dotarlo de un olor que nos permita

la detección de fugas de manera olfativa. Veremos todo lo referente a riesgos y seguridad hacia el final de este tema.

5.3. TOXICIDAD

El hidrógeno en si no resulta tóxico, pero puede actuar como asfixiante ya que desplaza el oxígeno que se encuentra en el

aire.

Los niveles de oxígeno por debajo del 19,5% resultan insuficientes para los seres humanos. Los efectos de la deficiencia de

oxígeno pueden incluir la hiperventilación, una disminución de las capacidades mentales, coordinación muscular deteriorada,

2 LA MAYORÍA DE LOS DATOS AQUÍ EXPLICADOS HAN SIDO EXTRAÍDOS DE LA ENCICLOPEDIA ENCARTA Y DE LA ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DEL HIDRÓGENO (AEH2) O CALCULADOS

A PARTIR DE OTROS DATOS CONOCIDOS.


falta de juicio, depresión, inestabilidad emocional y fatiga. Con concentraciones inferiores al 12% de oxígeno, se produce

inconsciencia inmediata, sin síntomas de alerta anteriores.

Es por eso que se debe tener precaución en caso de manipular hidrógeno en recintos pequeños y cerrados, ya que una fuga

podría llegar a causar la muerte por asfixia, además de ser una mezcla inflamable, con los riesgos que comporta su

inhalación.

Debe tenerse en cuenta, además, que el resto de gases que puedan encontrarse mezclados con el hidrógeno, si éste ha sido

extraído de otros combustibles fósiles, como por ejemplo nitrógeno, monóxido de carbono, bióxido de carbono y otros,

pueden también actuar como asfixiadores desplazando el oxígeno. Además, el monóxido de carbono es un gas venenoso, con

lo que se presenta como un elemento peligroso para la salud.

POR EL RIESGO DE ASFIXIA QUE PRESENTA EL HIDRÓGENO, INCLUSO EN ESTADO PURO, ES NECESARIO UTILIZAR INDICADORES OLFATIVOS DE MANEA QUE

UNA FUGA SEA FÁCILMENTE IDENTIFICABLE PARA ASÍ EVITAR ACCIDENTES Y TOMAR LAS MEDIDAS NECESARIAS PARA SU REPARACIÓN.

EXISTEN TAMBIÉN DETECTORES DE GASES QUE PERMITEN DETECTAR VARIACIONES EN LA CONCENTRACIÓN DE ALGÚN GAS EN EL AIRE, CON LO QUE

NORMALMENTE SE DETECTAN ANTES LAS FUGA Y SE PUEDEN IDENTIFICAR LOS GASES FUGADOS.

5.4. DENSIDAD Y MEDIDAS RELACIONADAS

La densidad es medida como la cantidad de masa contenida por volumen de unidad. El valor de la densidad tendrá

significado únicamente en una temperatura y presión especificadas, ya que ambos parámetros afectan a la compacticidad del

enlace molecular, especialmente en los gases. La densidad de un gas se denomina densidad de vapor, mientras que la

densidad de un líquido se denomina densidad líquida.

El hidrógeno dispone de una densidad en estado gaseoso (a 20˚C y 1 atm) de 0,08376 kg/m3; y una densidad líquida de

0,0708 kg/l.

5.4.1. VOLUMEN ESPECÍFICO

El volumen específico es el inverso de la densidad y expresa la cantidad de volumen por unidad de masa. Así, el volumen

específico de gas de hidrógeno (con unas condiciones de 20ºC y 1 atm) es de 11,9 m3/kg, mientras que el volumen específico

del hidrógeno líquido (a –253˚C y 1 atm) es de 0,014m3/kg.

5.4.2. RELACIÓN DE EXPANSIÓN

Cuando el hidrógeno se almacena como un líquido, se evapora durante su expansión a condiciones atmosféricas, con un

aumento correspondiente en su volumen [FIGURA 2.4].

La relación de expansión del hidrógeno es de 1:848, y significa que el hidrógeno, en su estado gaseoso en condiciones

atmosféricas, ocupa 848 veces más que cuando se encuentra en estado líquido.

Cuando el hidrógeno se almacena como un gas a alta presión (250 barg) a temperatura atmosférica, su relación de expansión

a presión atmosférica es de 1:240.

FIGURA 2.4: RELACIONES DE EXPANSIÓN DEL HIDRÓGENO.


5.4.3. FUGAS

Las moléculas del gas de hidrógeno son mucho más pequeñas que las del resto de gases, con lo que pueden difundirse a

través de muchos materiales considerados herméticos o impermeables a otros gases. Esta característica hace del hidrógeno

un elemento más difícil de contener que otros gases.

Si se produce un escape de hidrógeno líquido, la fuga se evaporará muy rápidamente, ya que el punto de ebullición del

hidrógeno es, como ya se ha dicho anteriormente, extremadamente bajo.

Las fugas de hidrógeno son peligrosas, ya que con ellas existe el riesgo de que se produzca fuego al mezclarse con el aire. No

obstante, el pequeño tamaño de la molécula que aumenta la probabilidad de que se produzca una fuga, también da lugar a

que el hidrógeno que haya escapado del lugar donde estaba almacenado se diluya rápidamente, especialmente si nos

encontramos al aire libre.

Cuando el hidrógeno se utiliza como combustible, el hecho de que pueda producirse una fuga hace necesario prestar una

especial atención en el diseño del sistema de carburante, para asegurarse de que cualquier fuga pueda dispersarse y diluirse

de la forma más fácil posible.

AL IGUAL QUE CON EN EL APARTADO DE TOXICIDAD, LA MEJOR SOLUCIÓN, A PARTE DE LA PREVENCIÓN Y EL USO DE EQUIPOS E INSTALACIONES ADECUADOS

AL USO QUE SE LES VA A DAR Y EN BUENAS CONDICIONES, SON LOS INDICADORES OLFATIVOS Y LOS DETECTORES DE GASES.

6. PROPIEDADES QUÍMICAS

6.1. REACTIVIDAD

La alta reactividad es una característica de todos los combustibles químicos. En cada caso, se produce una reacción química

cuando las moléculas de combustible forman enlaces con el oxígeno que hay en el aire, de modo que al final, las moléculas

que han reaccionado dispondrán de menor energía que cuando se encontraban en su estado inicial, sin reaccionar.

Cuando las moléculas reaccionan, el cambio producido en el estado de su energía va acompañado de una cesión de energía

que podremos utilizar para producir trabajo útil.

Para que se produzca una reacción química de este tipo, será necesario un aporte de energía de activación, en el caso de una

combustión, o el uso de catalizadores que faciliten la reacción, en el caso de las pilas de combustible. Una vez iniciada la

reacción, obtendremos energía ya sea eléctrica o calorífica, que podrá ser aprovechada, y agua como producto de la reacción

[FIGURA 2.5].

Como la formación de agua mediante la reacción de hidrógeno y oxígeno es reversible, es decir, que si disponemos de agua

en un estado de baja energía, si aplicamos una cierta cantidad de energía podremos obtener hidrógeno y oxígeno, el

FIGURA 2.5: REACCIÓN DE H2 Y O2 PARA FORMAR AGUA Y ENTREGAR ENERGÍA.


hidrógeno es un combustible idóneo para ser utilizado como portador de energía, como si se tratase de una batería

recargable. Éste es el principio en el que se basa la producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua.

En términos de reducción de la contaminación, el hidrógeno se convierte en un combustible casi ideal, ya que no contiene

elementos carbonosos o sulfurosos, con lo que no se producirá CO, CO2, SOX, NOX ni hollín durante su combustión.

6.2. ENERGÍA

6.2.1. CONTENIDO EN ENERGÍA

El poder calorífico es la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción

química de oxidación y es igual a la energía que mantenía unidos los átomos en las moléculas de combustible, menos la

energía utilizada en la formación de nuevas moléculas resultantes de la combustión. La magnitud del poder calorífico puede

variar según como se mida. Según la forma de medir se utiliza la expresión poder calorífico superior (PCS) y poder calorífico

inferior (PCI):

- PODER CALORÍFICO SUPERIOR (PCS): Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de 1 kg de

combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión está condensado y se contabiliza, por consiguiente, el

calor desprendido en este cambio de fase. También es llamado poder calórico neto.

- PODER CALORÍFICO INFERIOR (PCI): Calor realmente aprovechable de la reacción de combustión (el producido sin aprovechar

la energía de la condensación del agua y otros procesos de pequeña importancia).

En el caso del hidrógeno, éste dispone de un PCS de 141,86 kJ/g (a una temperatura de 25˚C y una presión de 1 atm.); y de un

PCI de 119,93 kJ/g (en las mismas condiciones anteriores).

El hidrógeno dispone de la relación peso – energía más alta que cualquier combustible, al ser el elemento más ligero y no

disponer de ningún átomo de carbón pesado. Es por esta razón que el hidrógeno se ha utilizado extensivamente en los

diferentes programas espaciales, donde el peso resulta un elemento crucial.

La cantidad de energía liberada durante la combustión del hidrógeno, es cerca de 2,5 veces el calor producido en la

combustión de los hidrocarburos más comunes (gasolina, diesel, metano, propano…).

6.2.2. DENSIDAD DE ENERGÍA

La densidad de energía indica la cantidad de energía que hay en un cierto volumen de combustible y es el producto del

contenido en energía (PCI) y de la densidad de un combustible determinado.

La densidad de la energía del hidrógeno es bastante pobre (ya que este elemento dispone de una densidad muy baja),

aunque su relación peso – energía es la mejor de todos los combustibles, precisamente al ser tan ligero. No obstante, para su

uso en vehículos urbanos (coches, motos…), esto supone un problema, ya que se nos presenta el desafío de tener que

desarrollar un conjunto depósito – combustible capaz de contener una buena densidad de energía sin tener un peso

excesivo ni una escasa duración.

La densidad de la energía de un combustible variará si éste se almacena como un líquido o como un gas y, en el caso de

almacenarse en estado gaseoso, influirá también a qué presión se ha efectuado.


COMBUSTIBLE DENSIDAD DE ENERGÍA (PCI) ESTADO

HIDRÓGENO

10.050 KJ/M3

1.825.000 KJ/M3

4.500.000 KJ/M3

8.491.000 KJ/M3

GAS A 1 ATM Y 15 ˚C GAS A 200 BARG Y 15 ˚C GAS A 690 BARG Y 15 ˚C LÍQUIDO

METANO 32.560 KJ/M

3

6.860.300 KJ/M3

20.920.400 KJ/M3

GAS A 1 ATM Y 15 ˚C GAS A 200 BARG Y 15 ˚C LÍQUIDO

PROPANO 86.670 KJ/M

3

23.488.400 KJ/M3

GAS A 1 ATM Y 15 ˚C LÍQUIDO

GASOLINA 31.150.000 KJ/M3 LÍQUIDO

DIÉSEL 31.435.800 KJ/M3 LÍQUIDO

METANOL 15.800.100 KJ/M3 LÍQUIDO

ETANOL 21.100.000 KJ/M3 LÍQUIDO

6.2.3. INFLAMABILIDAD

Para producir fuego o una explosión se necesita un combustible en la concentración adecuada, como el hidrógeno, un

comburente mezclado con el combustible en la cantidad necesario, como el oxígeno, y una fuente de ignición con energía

suficiente para comenzar la reacción.

6.2.3.1. PUNTO DE INFLAMACIÓN O FLASHPOINT

Para aprovechar la mayoría de los combustibles, es necesario que su combustión se produzca cuando se encuentran en

estado gaseoso o de vapor. Combustibles como el hidrógeno o el metano se encuentran ya en estado gaseoso en condiciones

atmosféricas, mientras que otros combustibles, como la gasolina o el diesel, se encuentran en estado líquido, por lo que

resulta necesario evaporarlos antes de quemarlos.

La característica que describe la facilidad de evaporar los combustibles es su punto de inflamación o flashpoint y se define

como la temperatura mínima a la cual el combustible desprende vapores inflamables suficientes a presión atmosférica, que

arden al entrar en contacto con una fuente de ignición, pero sin propagarse la combustión a la masa líquida del combustible.

El punto de inflamación es siempre más bajo que el punto de ebullición del combustible. Para los combustibles que se

encuentren en estado gaseoso en condiciones atmosféricas, el punto de inflamación se encuentra muy por debajo de la

temperatura ambiente y tiene poca importancia, puesto que el combustible ya se encuentra totalmente vaporizado.

El punto de inflamación es el momento más propicio para el peligro de incendio de los combustibles líquidos y su

conocimiento es de suma importancia.

COMBUSTIBLE PUNTO DE INFLAMACIÓN HIDRÓGENO < –253 ˚C METANO –188 ˚C

PROPANO –104 ˚C

GASOLINA –43 ˚C DIÉSEL ENTRE 52 ˚C Y 96 ˚C

METANOL –11 ˚C ETANOL 13 ˚C

6.2.3.2. RANGO DE INFLAMABILIDAD

El rango de inflamabilidad de un gas se define como el rango de temperaturas comprendido entre los límites superior e

inferior de inflamabilidad del mismo, dentro del cual hay una proporción aire/combustible que permite su combustión

[FIGURA 2.6]:

- LÍMITE INFERIOR DE INFLAMABILIDAD (LII): Mínima concentración de un gas necesaria para poder originar una llama en

presencia de una fuente de ignición. Por debajo de este punto la mezcla aire/combustible es muy pobre y no se puede

producir la combustión.


- LÍMITE SUPERIOR DE INFLAMABILIDAD (LSI): Máxima concentración de un gas que permite la correcta propagación de la llama.

Por encima de este límite hay una deficiencia de oxígeno que no permite continuar la combustión, es decir, la mezcla de

oxígeno/combustible es demasiado rica.

Dentro de estos límite encontramos la mezcla estequiométrica de un combustible, que ocurre cuando las moléculas de

oxígeno y de combustible se encuentran en la cantidad justa para completar la reacción de la combustión. En cualquier otra

proporción habrá un excedente de combustible o de oxígeno que no se consumirá en la reacción de combustión.

Dos conceptos relacionados son el límite inferior explosivo (LIE) y el límite superior explosivo (LSE), que definen el rango de

concentraciones en los que una mezcla de aire/combustible puede explotar.

El hidrógeno es inflamable en una gama muy amplia de concentraciones en el aire (4% – 75%) y resulta explosivo sobre una

también amplia gama de concentraciones (15% – 59%) en una temperatura atmosférica estándar; estos límites se expanden

al aumentar la temperatura.

Esto supone al mismo tiempo una ventaja y un inconveniente. Inconveniente porque la gama de concentraciones en la que

una mezcla de hidrógeno/aire puede estallar o inflamarse es muy amplia, por lo que hay que tener especial precaución

cuando se trabaje con él. Por otro lado, su ventaja recae en que en caso de fuga en un depósito, si el gas que ha escapado de

él prendiese, la llama no alcanzaría el interior del depósito, de manera que se iría consumiendo el combustible a la velocidad

que puede salir del depósito y mezclarse con el aire [FIGURA 2.7].

POR EL PELIGRO QUE REPRESENTAN LAS MEZCLAS DE HIDRÓGENO AL TENER RANGOS DE INFLAMABILIDAD Y EXPLOSIÓN TAN AMPLIOS, ES NECESARIO

TRABAJAR EN LUGARES BIEN VENTILADOS Y CON SISTEMAS DE EXTRACCIÓN DE GASES, DE MANERA QUE SEA DIFÍCIL QUE LLEGUE A PRODUCIRSE UNA

MEZCLA INFLAMABLE O EXPLOSIVA, NI SI QUIERA EN CASO DE FUGA.

ADEMÁS, SE RECOMIENDA EL USO DE GENERADORES ELECTROLÍTICOS DE HIDRÓGENO Y SOBRETODO OXI-HIDRÓGENO SOBRE DEMANDA, DE MANERA QUE SE EVITE EL USO

DE BOMBONAS O DEPÓSITOS CON GRANDES CANTIDADES DE MEZCLA INFLAMABLE Y EXPLOSIVA EN SU INTERIOR.

COMO SE HA DICHO YA ANTERIORMENTE, EL USO DE INDICADORES OLFATIVOS Y DETECTORES DE GASES TAMBIÉN AYUDA A DETECTAR FUGAS ANTES QUE ÉSTAS PUEDAN

PROVOCAR ALGÚN ACCIDENTE.

6.2.3.3. TEMPERATURA DE AUTOENCENDIDO

La temperatura de autoencendido es la mínima temperatura necesaria para iniciar la combustión de una mezcla de

combustible en ausencia de fuente de ignición. No debe confundirse la temperatura de autoencendido con la el punto de

inflamación, visto anteriormente.

Para el hidrógeno, la temperatura de autoencendido es relativamente alta (unos 585˚C), lo que supone una ventaja ya que es

difícil que se produzca una ignición no deseada de hidrógeno sin una fuente adicional de ignición, como sería una chispa.

FIGURA 2.6: RANGOS DE INFLAMABILIDAD DE DIFERENTES COMBUSTIBLES A TEMPERATURA AMBIENTE.


COMBUSTIBLE TEMPERATURA DE AUTOENCENDIDO HIDRÓGENO 585 ˚C

METANO 540 ˚C

PROPANO 490 ˚C GASOLINA DE 230 ˚C A 480 ˚C

DIÉSEL DE 204,4 ˚C A 260 ˚C METANOL 385 ˚C

ETANOL 428,8 ˚C

6.2.3.4. OCTANAJE

El número de octano describe las características antidetonantes de un combustible cuando se comprime, en el cilindro de un

motor de combustión interna, por ejemplo. Los golpeteos o picados son detonaciones secundarias, que ocurren después de

la ignición del combustible, debido a la acumulación de calor en ciertas zonas de la cámara de combustión que entran en

contacto con el combustible y producen este efecto si superan su temperatura de autoencendido.

El hidrógeno posee un elevado número de octano, con lo que es especialmente resistente a golpeteos, aun cuando se

realizan combustiones con mezclas muy pobres. Esto lo hace especialmente atractivo como combustible para motores de

combustión interna, ya que la mezcla difícilmente explosionará de manera no intencionada.

COMBUSTIBLE NÚMERO DE OCTANO HIDRÓGENO 130

METANO 125

PROPANO 105 GASOLINA DE 87 A 93

DIÉSEL 30

METANOL 99 ETANOL 100

6.2.3.5. ENERGÍA DE IGNICIÓN

La energía de ignición es la cantidad de energía externa que se debe aplicar para encender una mezcla de combustible. Las

fuentes más comunes de ignición en motores de combustión interna son las bujías (chispas).

Aunque el hidrógeno tenga una temperatura más elevada de autoencendido que el metano, el propano o la gasolina, su

energía de ignición de 0,02 mJ es mucho más baja y resulta por lo tanto más propenso a inflamarse. Incluso una chispa

invisible o una descarga de electricidad estática procedente del cuerpo humano (en condiciones secas) pueden tener la

FIGURA 2.7 – LÍMITE DE INFLAMABILIDAD DEL HIDRÓGENO: VARIACIÓN DE LOS LÍMITES DE INFLAMABILIDAD DEL HIDRÓGENO EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA.


suficiente energía como para provocar su ignición. No obstante, debe tenerse en cuenta que la energía de ignición de todos

estos combustibles es muy baja, con lo que las mismas condiciones que puedan prender a un combustible pueden servir para

prender a cualquiera de los otros.

Además, el hidrógeno tiene la característica agregada de la baja electroconductividad, de modo que el flujo o la agitación del

gas o líquido de hidrógeno puede generar cargas electroestáticas que pueden dar lugar a chispas. Por esta razón, el equipo

que transporta el hidrógeno debe disponer de una toma de tierra.

AUNQUE LA TEMPERATURA DE AUTOIGNICIÓN DEL HIDRÓGENO ES MÁS ALTA QUE LA DE MUCHOS HIDROCARBUROS, LAS MEZCLAS AIRE-HIDRÓGENO,

COMO ACABAMOS DE VER, PUEDEN PRENDER CON ENERGÍAS MUY BAJAS (0,02 MILIJULIOS A PRESIÓN ATMOSFÉRICA), UNAS DIEZ VECES MENORES QUE EN

EL CASO DE UNA MEZCLA GASOLINA-AIRE.

POR ESTE MOTIVO ES NECESARIO EVITAR EN LA MEDIDA DE LO POSIBLE LA ACUMULACIÓN DE ELECTRICIDAD ELECTROESTÁTICA EN ELEMENTOS QUE ESTÉN EN CONTACTO

CON EL HIDRÓGENO, MEDIANTE TOMAS DE TIERRA, Y LAS CHISPAS, MEDIANTE EL USO DE INTERRUPTORES ESPECIALES Y ROPA ADECUADA.

6.2.3.6. VELOCIDAD DE QUEMADO Y VELOCIDAD DE LLAMA

La velocidad de quemado es la velocidad a la cual viaja la llama a través de una mezcla de gas combustible e indica la

severidad de una explosión puesto que las altas velocidades de quemado tienen una mejor tendencia a apoyar la transición

desde la deflagración hasta la detonación en largos túneles o tubos. La velocidad de llama es la suma de la velocidad de

quemado y la velocidad de desplazamiento de la mezcla del gas que no haya sido quemada.

La velocidad de quemado del hidrógeno varía entre 2,65 m/s y 3,25 m/s. De este modo, una fuga de hidrógeno quemará

rápidamente y, consecuentemente, su combustión tenderá a ser de breve duración, lo que es una ventaja en caso de que

una fuga prenda.

6.2.3.7. DISTANCIA DE APAGADO

La distancia de apagado describe las propiedades de extinción de la llama de un combustible cuando éste se usa en un motor

de combustión interna. Concretamente, la distancia de apagado se refiere a la distancia a la que se apaga la llama tomando

como referencia la pared del cilindro, debido a las pérdidas de calor.

La distancia de apagado del hidrógeno es de 0,064 cm, aproximadamente 3 veces menos que la distancia de apagado de

otros combustibles como la gasolina. De este modo, las llamas que produce el hidrógeno al quemarse circulan más cerca de

la pared del cilindro antes de extinguirse, con lo que resultan más difíciles de apagar que las llamas que produce la gasolina.

Esta menor distancia de apagado puede aumentar también la tendencia al petardeo, ya que la llama de una mezcla de

aire/hidrógeno puede pasar más fácilmente cerca de una válvula entreabierta que en el caso de la combustión de una mezcla

de aire/hidrocarburo.

6.2.3.8. CARACTERÍSTICAS DE LA LLAMA

Las llamas de hidrógeno presentan un color azul muy claro y resultan casi invisibles a la luz del día debido a la ausencia de

hollín [FIGURA 2.8]. La visibilidad es realzada por la presencia de humedad o impurezas (tales como sulfuro) en el aire. En

cambio, las llamas de hidrógeno son fácilmente visibles en la oscuridad o bien con luz artificial. Una combustión de hidrógeno

puede ser indirectamente visible al observar la emanación de una especie de ondulaciones y la radiación termal,

especialmente en los grandes fuegos.

En muchos aspectos, los incendios de hidrógeno resultan ser más seguros que los de gasolina. El gas de hidrógeno se eleva

más rápidamente debido a sus altos valores de difusividad y flotabilidad. De esta manera, los incendios de hidrógeno son

verticales y altamente localizados. Cuando un depósito de este combustible se rompe y se produce la ignición, la llama no se

propaga hasta su interior, con lo que el combustible se va consumiendo hasta su agotamiento; en el caso de un vehículo

equipado con un depósito de hidrógeno, el fuego arderá lejos del coche y su interior no alcanzará elevadas temperaturas

[FIGURA 2.9].


6.2.4. FRAGILIZACIÓN POR HIDRÓGENO

La exposición constante al hidrógeno causa, en muchos materiales, un fenómeno conocido como fragilización por hidrógeno

que consiste en la pérdida de resistencia y ductilidad inducida por el hidrógeno que puede derivar en la iniciación o

propagación de fracturas mecánicas.

La fragilización por hidrógeno es especialmente devastadora debido a la naturaleza del fallo originado, que sucede a

tensiones muy pequeñas, es muy frágil es prácticamente imposible prever su aparición.

Los mecanismos que causan este efecto no están del todo bien definidos, pero se conocen los factores que influencian el

índice y la severidad del fenómeno, que son: concentración, temperatura, pureza, humedad y presión de hidrógeno, y

composición, nivel de fatiga, medida de grano y historia sobre microestructura y tratamiento térmico del metal.

FIGURA 2.8 – MOTOR PRINCIPAL DE LA NAVE SHUTTLE: EN ESTA FOTOGRAFÍA PODEMOS OBSERVAR CÓMO, EN DETERMINADAS ZONAS, LA LLAMA PRODUCIDA POR LA

COMBUSTIÓN DE HIDRÓGENO ES A PENAS VISIBLE, A PESAR DE SU GRAN TAMAÑO.

FIGURA 2.9 – ACCIDENTE CON HIDRÓGENO: EN ESTA SECUENCIA DE IMÁGENES SE OBSERVA LA DIFERENCIA DE COMPORTAMIENTO DEL FUEGO EN CASO DE PRODUCIRSE

UN INCENDIO EN UN COCHE ALIMENTADO POR HIDRÓGENO (IZQUIERDA) Y EN OTRO ALIMENTADO POR GASOLINA (DERECHA).

EL HIDRÓGENO QUEMARÁ DE FORMA MÁS INTENSA QUE LA GASOLINA, PERO DURANTE UN PERÍODO DE TIEMPO MÁS CORTO. ADEMÁS, MIENTRAS QUE DE LA

COMBUSTIÓN DE LA GASOLINA SE GENERARÁN HUMOS TÓXICOS, AL QUEMARSE EL HIDRÓGENO, ÉSTE NO EMITIRÁ NINGÚN TIPO DE ELEMENTO NOCIVO AL AMBIENTE.


El problema de la fragilización por hidrógeno afecta a los tres sistemas básicos de cualquier industria que emplee el

hidrógeno: producción, transporte y almacenamiento y utilización. Los veremos más detalladamente en el siguiente tema.

La elección de los materiales para el confinamiento del hidrógeno para una aplicación específica dependerá de la fiabilidad y

coste que requiera el sistema. Las aleaciones que son capaces de resistir a la fragilización por hidrógeno son el acero

inoxidable (austenita), el cobre y el aluminio.

Por otro lado, las aleaciones que no se recomiendan utilizar con hidrógeno, por resultar poco resistentes a la fragilización son

las aleaciones de hierro (ferrita, martensita y bainita), el titanio y sus aleaciones y algunas aleaciones de níquel.

7. EL ÁTOMO DE HIDRÓGENO

7.1. NIVELES ENERGÉTICOS ELECTRÓNICOS DEL ÁTOMO DE HIDRÓGENO

El nivel energético del estado fundamental electrónico de un átomo de hidrógeno es -13,6 eV, que equivale a

un fotón ultravioleta de aproximadamente 92 nm de longitud de onda.

Los niveles energéticos del hidrógeno pueden calcularse con bastante precisión empleando el modelo atómico de Bohr, que

considera que el electrón orbita alrededor del protón de forma análoga a la órbita terrestre alrededor del Sol. Sin embargo, la

fuerza electromagnética hace que el protón y el electrón se atraigan, de igual modo que los planetas y otros cuerpos celestes

se atraen por la fuerza gravitatoria. Debido al carácter discreto (cuantizado) del momento angular postulado en los inicios de

la Mecánica Cuántica por Bohr, el electrón en el modelo de Bohr sólo puede orbitar a ciertas distancias permitidas alrededor

del protón y, por extensión, con ciertos valores de energía permitidos.

Una descripción más precisa del átomo de hidrógeno viene dada mediante un tratamiento puramente mecano-cuántico que

emplea la ecuación de onda de Schrödinger o la formulación equivalente de las integrales de camino de Feynman para

calcular la densidad de probabilidad del electrón. El tratamiento del electrón a través de la hipótesis de De Broglie (dualidad

onda-partícula) reproduce resultados químicos (tales como la configuración del átomo de hidrógeno) de manera más natural

que el modelo de partículas de Bohr, aunque la energía y los resultados espectrales son los mismos.

Si en la construcción del modelo se emplea la masa reducida del núcleo y del electrón (como se haría en el problema de dos

cuerpos en Mecánica Clásica), se obtiene una mejor formulación para los espectros del hidrógeno, y los desplazamientos

espectrales correctos para el deuterio y el tritio. Pequeños ajustes en los niveles energéticos del átomo de hidrógeno, que

corresponden a efectos espectrales reales, pueden determinarse usando la Teoría Mecano-Cuántica completa, que corrige

los efectos de la Relatividad Especial, y computando los efectos cuánticos originados por la producción de partículas virtuales

en el vacío y como resultado de los campos eléctricos.

En el hidrógeno gaseoso, el nivel energético del estado electrónico fundamental está dividido a su vez en otros niveles

de estructura hiperfina, originados por el efecto de las interacciones magnéticas producidas entre los espines del electrón y

del protón. La energía del átomo cuando los espines del protón y del electrón están alineados es superior que cuando los

espines no lo están. La transición entre esos dos estados puede tener lugar mediante la emisión de un fotón a través de una

transición de dipolo magnético. Los radiotelescopios pueden detectar la radiación producida en este proceso, lo que sirve

para crear mapas de distribución del hidrógeno en la galaxia [FIGURA 2.10].

FIGURA 2.10: LÍNEAS ESPECTRALES DE EMISIÓN DEL HIDRÓGENO.


7.2. ISÓTOPOS3

El hidrógeno posee tres isótopos naturales (1H, 2H y 3H) y otros cuatro altamente inestables (4H, 5H, 6H y 7H) que han sido

sintetizados en laboratorio, pero nunca observados en la naturaleza [FIGURA 2.11]. Cabe remarcar que el hidrógeno es el

único elemento que posee diferentes nombres comunes para cada uno de sus isótopos naturales: protio (1H), deuterio (2H) y

tritio (3H).

La notable diferencia en cuanto a la abundancia relativa de los tres isótopos hace que las propiedades del hidrógeno sean

básicamente las del isótopo protio (1H).

Debido a que el hidrógeno es tan ligero, las diferencias relativas en cuanto a masa atómica entre sus isótopos es la mayor

que podemos encontrar en toda la tabla periódica, por lo que el hidrogeno es el elemento que presenta isótopos con una

mayor diferencia en cuanto a propiedades físicas.

3 DOS ÁTOMOS DEL MISMO ELEMENTO QUE TIENEN DIFERENTE MASA SE DENOMINAN ISÓTOPOS. LA DIFERENCIA DE MASA ES CONSECUENCIA DEL DIFERENTE NÚMERO DE

NEUTRONES EN EL NÚCLEO ATÓMICO.

FIGURA 2.11 – REPRESENTACIÓN DE LOS ÁTOMOS DE LOS 7 ISÓTOPOS DE HIDRÓGENO: PODEMOS OBSERVAR COMO LA ÚNICA DIFERENCIA ENTRE ELLOS ES EL NÚMERO

. L .


CARACTERÍSTICA 1H (PROTIO) 2H (DEUTERIO) 3H (TRITIO) 4H 5H 6H 7H NEUTRONES 0 1 2 3 4 5 6

MASA ATÓMICA (DA) 1.00782503207(10)

2.0141017778(4)

3.0160492777(25)

4.02781(11) 5.03531(11) 6.04494(28) 7.05275(108)*

PUNTO DE EBULLICIÓN (K) 20,6 23,9 25,2 - - - - LONGITUD DEL ENLACE (Å) 0,7414 0,7414 0,7414 - - - -

ENERGÍA DE ENLACE

(KJ·MOL-1)4 435,5 443,4 446,9 - - - -

CALOR LATENTE DE FUSIÓN 0,117 0,197 0,250 - - - -

ABUNDANCIA NATURAL

(NÚMERO DE ÁTOMOS) 99,985 % 0,015 % TRAZAS (SINTÉTICO) (SINTÉTICO) (SINTÉTICO) (SINTÉTICO)

ESPÍN NUCLEAR 1⁄2+ 1+ 1⁄2

+ 2− 1⁄2+ 2− * 1⁄2

+ * PERIODO DE

SEMI-DESINTEGRACIÓN

(PSD) ESTABLE

CON 0

NEUTRONES

ESTABLE CON 1

NEUTRÓN

12,32 AÑOS 1.39(10)×10−22 S [4.6(9)

MEV]

>9.1×10−22 S ?

2.90(70)×10−22 S [1.6(4)

MEV]

2.3(6)×10−23 S [N

8] [20(5) MEV] *

DESINTEGRACIÓN (MD) Β- N SIN DATOS SIN DATOS SIN DATOS

ENERGÍA DE

DESINTEGRACIÓN (ED) 0,019 MEV 2,910 MEV SIN DATOS SIN DATOS SIN DATOS

PRODUCTO DE

DESINTERACIÓN (PD) 3HE 3H SIN DATOS SIN DATOS SIN DATOS

VALORES EN EL SI (SISTEMA INTERNACIONAL) Y EN CONDICIONES NORMALES (0°C Y 1 ATM), SALVO QUE SE INDIQUE LO CONTRARIO. * VALOR NO COMPROBADO EXPERIMENTALMENTE.

7.2.1. PROTIO (1H)

El protio, cuyo símbolo es 1H, es el isótopo estable del hidrógeno más común, con una abundancia natural del 99,985%, en

número de átomos. Está constituido por un único protón en su núcleo y un electrón que orbita a su alrededor; si pierde

este electrón, el ion resultante recibe el nombre de protón [FIGURA 2.12].

En la Tierra no se encuentra de manera aislada, sino en su forma biatómica (H2); podemos encontrarlo, en cambio, de

manera aislada en el espacio, donde es el combustible habitual en las reacciones de fusión nuclear que tienen lugar en las

estrellas.

Como hemos dicho antes, sus propiedades son básicamente las del hidrógeno, que se han detallado en apartados anteriores,

y lo mismo pasa con sus aplicaciones, que las veremos más adelante.

4 MEDIDA A –259,1 ˚C

FIGURA 2.12 – TUBO DE DESCARGA CON PROTIO (1H): PODEMOS OBSERVAR EL RESPLANDOR QUE PRODUCE EL PROTIO EN ESTADO DE PLASMA.


7.2.2. DEUTERIO (2H)

El deuterio, cuyo símbolo es 2H, es un isótopo estable del hidrógeno que se encuentra en la naturaleza con una abundancia

del 0,015%, en número de átomos, encontrándose las menores concentraciones en el hidrógeno gaseoso, y las mayores en

aguas oceánicas. Está constituido por un protón y un neutrón en su núcleo y un electrón que orbita a su alrededor; si pierde

este electrón, el ion resultante recibe el nombre de deuterón.

El deuterio también recibe el nombre de hidrógeno pesado y se puede nombrar como 2H o como D. Aunque no es un

elemento en sentido estricto (es hidrógeno), como ya hemos dicho antes, debido a su masa, se diferencia en bastantes

aspectos del protio.

El deuterio fue detectado por Harold Clayton Urey, un químico de la Universidad de Columbia, que ganó, en 1934, el Premio

Nobel de química por este trabajo.

La existencia del deuterio en la tierra, en otras partes del Sistema Solar y en los espectros de estrellas es un dato importante

en cosmología. La fusión estelar destruye el deuterio y no hay procesos de creación naturales conocidos con excepción de

la nucleosíntesis primordial. Así, la existencia del deuterio, es un argumento a favor de la teoría del Big Bang, en vez de

la teoría del estado estacionario del universo.

Así pues, no existe ningún método conocido para sintetizarlo artificialmente. Los métodos actualmente empleados para su

obtención consisten en procesar químicamente grandes cantidades de agua para encontrar las moléculas de agua pesada

(2H2O), formadas con deuterio en vez de protio, y extraer este elemento, presente en 1 de cada 3200 moléculas. No

obstante, el agua pesada es ligeramente más abundante en el fondo marino, debido a su mayor densidad con respecto al

agua convencional. Existe otra molécula de agua con deuterio llamada agua semipesada (1H2HO) con la mitad de deuterio

que las anteriores.

PROPIEDAD D2O (AGUA PESADA) H2O (AGUA COMÚN)

PUNTO DE FUSIÓN (°C) 3,82 0,0 PUNTO DE EBULLICIÓN (°C) 101,4 100,0

DENSIDAD (A 20 °C, G/ML) 1,1056 0,9982 TEMP. DE MÁXIMA DENSIDAD (°C) 11,6 4,0

VISCOSIDAD (A 20 °C, CENTIPOISE) 1,25 1,005 TENSIÓN SUPERFICIAL (A 25 °C, DYN•CM) 71,93 71,97

ENTALPÍA DE FUSIÓN (CAL/MOL) 1,515 1,436 ENTALPÍA DE VAPORIZACIÓN (CAL/MOL) 10,864 10,515

PH (A 25 °C) 7,41 7,00

FIGURA 2.13 – TUBO DE DESCARGA CON DEUTERIO (2H): PODEMOS OBSERVAR EL RESPLANDOR QUE PRODUCE EL DEUTERIO EN ESTADO DE PLASMA.


7.2.3. TRITIO (3H)

El tritio, cuyo símbolo es 3H, es un isótopo radioactivo del hidrógeno que se encuentra en la naturaleza con una abundancia

muy baja, de trazas, por efecto de la interacción de los rayos cósmicos con los gases atmosféricos, aunque también ha sido

liberado tritio por la realización de pruebas de armamento nuclear y se puede producir artificialmente en el laboratorio por

bombardeo con neutrones de blancos de litio, boro o nitrógeno. El tritio posee una semivida de 12,33 años y a medida que se

degrada, emite un electrón, causando una liberación de energía en forma de radiación beta y dando lugar a helio-3 (32He+).

Está constituido por un protón y dos neutrones en su núcleo y un electrón que orbita a su alrededor; si pierde

este electrón, el ion resultante recibe el nombre de tritón.

Al tener su núcleo tres nucleones que participan en la interacción fuerte y un solo protón cargado eléctricamente, con él se

puede realizar fusión nuclear más fácilmente que con protio (1H) y, por este motivo esta es una de sus aplicaciones.

Está presente en el aire y en el agua formando el compuesto conocido como agua tritiada o superpesada (3H2O), pero en

proporciones muy bajas. Al igual que con el deuterio, existe también una forma de agua semi-superpesada o agua tritiada

(1H3H O).

El tritio produce emisiones beta de baja energía y no emite ningún otro tipo de radiación primaria. De hecho, el tritio emite el

nivel más bajo de energía por radiación beta de todos los isótopos (en la práctica implica que sus partículas beta son

fácilmente detenidas por finas capas de cualquier material sólido). A pesar de ello el tritio es radiotoxico por inhalación e

ingestión.

Se espera que a medio o largo plazo la tecnología logre fusionar de forma controlada tritio y deuterio. Esta fuente de energía,

al contrario que la nuclear actual, sería limpia e inagotable, pues el deuterio está presente en el agua de mar y el tritio se

produce con litio, que también es muy abundante en la corteza terrestre. El producto de la fusión de ambos elementos es

el helio, que no es radiactivo.

7.2.4. ISÓTOPOS ARTIFICIALES (4H, 5H, 6H Y 7H)

- 4H: Fue sintetizado bombardeando tritio con núcleos de deuterio a alta velocidad. Se desintegra por emisión de

neutrones y tiene un período de semidesintegración de 9,93696 · 10-23 segundos.

- 5H: Fue detectado en 2005 en el bombardeo de átomos de hidrógeno con iones pesados. Se desintegra por emisión de

neutrones i tiene un período de semidesintegración de 8,01930x10-23 segundos.

- 6H: Se desintegra por triple emisión de neutrones y tiene un período de semidesintegración de 3,26500-22 segundos.

- 7H: Fue creado en el laboratorio RINKEN en Japón, colisionando un haz de átomos de helio-8 de alta energía sobre

hidrógeno criogenizado dónde se detectaron tritones i neutrones provenientes de la desintegración del hidrógeno-7.

Este método fue el mismo empleado para producir y detectar el hidrógeno-5.

7.3. CATIONES (HIDRONES)

Cuando cualquier isótopo de hidrógeno pierde su electrón se convierte en un catión hidrógeno (nH+), el cual recibe otro

nombre genérico: hidrón, que le fue asignado por la IUPAC5 y que no hace distinción isotrópica. Según qué isótopo forme el

hidrón, se le asignará a este un nombre más específico: protón (1H+), deuterón (2H+) o tritón (3H+).

7.3.1. PROTÓN (1H+)

Un protón aislado H+ no puede existir en disolución debido a su fuerte tendencia a unirse a átomos o moléculas con

electrones mediante un enlace coordinado o enlace dativo. Para evitar la cómoda, aunque incierta, idea del protón aislado

solvatado en disolución, en las disoluciones ácidas acuosas se considera la presencia del ionhidronio (H3O+) organizado en

clústers para formar la especie H9O4+.

Los cationes hidrógeno en compuestos iónicos siempre se encuentran formando especies más complejas.

5 INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLIED CHEMISTRY, UNIÓN INTERNACIONAL DE QUÍMICA PURA Y APLICADA.


7.3.2. DEUTERÓN (2H+)

El deuterón es el catión del isótopo deuterio y, por tanto, su símbolo es 2H+. Al igual que este, es un núcleo estable y por ello

no se desintegra. Desempeñan un papel importante en las reacciones de fusión nuclear que tienen lugar en las estrellas y en

los reactores nucleares, aún en desarrollo.

8. APLICACIONES GENERALES

Las aplicaciones del hidrógeno son muchas y variadas, tanto las más comunes y conocidas (las del hidrógeno convencional,

con las propiedades del protio que hemos descrito anteriormente), como las específicas de sus otros isótopos de manera

aislada.

Más adelante se profundizará en las aplicaciones energáticas (Tema 4) y en las del oxi-hidrógeno (Tema 5). De momento,

veamos un resumen de las aplicaciones más importantes del hidrógeno:

- La mayor parte del hidrógeno que se consume a nivel mundial es utilizado para la producción de amoníaco para

fertilizantes mediante el proceso de Haber o para convertir fuentes pesadas de petróleo en fracciones más ligeras

mediante hidrocraqueo.

- También se utiliza, aunque actualmente muy poco debido en gran medida al accidente del Hindenburg, como gas ligero

en aerostática.

- Recientemente se ha empezado a investigar en su uso en celdas de combustible y como combustible de fusión nuclear.

- Producción de ácido clorhídrico.

- Como combustible para cohetes espaciales.

- En estado líquido, a temperaturas criogénicas, es usado como refrigerante o para investigación en campos tales como la

superconductividad.

- El deuterio se utiliza en reacciones de fusión nuclear, junto con el tritio y otros elementos, debido a la gran sección

eficaz de la reacción.

- El agua pesada, formada con oxígeno y deuterio, se utiliza en reactores de fisión nuclear como moderador de neutrones

y refrigerante.

- En química y bioquímica, el deuterio se utiliza como trazalíneas isotópico no radiactivo en moléculas para estudiar

reacciones químicas y cambios metabólicos, debido a que químicamente se comporta de manera semejantemente al

hidrógeno ordinario, pero puede ser distinguido de éste por su masa, usando espectrometría de masa o espectrometría

infrarroja.

- El tritio se utiliza para producir bombas de hidrógeno.

- El tritio también se utiliza como trazador en geoquímica isotópica, y en dispositivos luminosos auto-alimentados o

pinturas luminosas. Antes era común emplear el tritio como radiomarcador en experimentos químicos y biológicos,

pero actualmente se ha substituido por otros elementos.

- El hidrógeno está empezando a ser utilizado como portador de energía, como combustible, en todo tipo de vehículos,

ya funcionen con motores de combustión interna o con motores eléctricos alimentados mediante una celda de

combustible de hidrógeno.

- El hidrógeno también se utiliza en algunos procesos especiales de soldadura y corte, aunque en este caso es más común

su uso juntamente con oxígeno, creando un gas llamado oxi-hidrógeno. Veremos más acerca de este gas y sus

aplicaciones en el tema 5.

- También se utiliza hidrógeno en hornos de sinterización y de reducción (eliminación de oxígeno) de metales y para crear

atmósferas reductoras en la industria del vidrio.

- Por último, se utiliza para la fabricación de ciertos semiconductores.


9. SEGURIDAD Y PRECAUCIONES

Como hemos visto ya en apartados anteriores, el hidrógeno tiene ciertas propiedades, como su inflamabilidad, que lo hacen

especialmente peligrosos. Por otro lado, otras propiedades como su baja densidad, hacen que sea menos probable un

accidente con hidrógeno debido a fugas.

No obstante, es necesario tomar precauciones a la hora de trabajar con hidrógeno o con cualquier otro elemento peligroso

para reducir al máximo los riesgos.

Existen diversos códigos y estándares específicos para vehículos con celdas de hidrógeno, aplicaciones de celdas de

hidrógeno estacionarias, aplicaciones de celdas de hidrógeno portátiles. Además, existen otros códigos y estándares de

carácter más general para el almacenamiento de hidrógeno y su correcta manipulación.

Los más importantes son los desarrollados por la NASA, que ya cuenta con una amplia experiencia en el campo del hidrógeno

[CD: DOC9].

EN EL TEMA ANTERIOR HEMOS HABLADO DE LAS PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO Y HEMOS VISTO COMO ALGUNAS DE ELLA LO HACÍAN UN GRAN

CANDIDATO PARA SER UTILIZADO COMO COMBUSTIBLE, ADEMÁS DE PARA OTRAS MUCHAS APLICACIONES. NO OBSTANTE, TAMBIÉN HEMOS VISTO QUE

OTRAS PROPIEDADES SUPONEN UN INCONVENIENTE Y UN RETO A SUPERAR, PUESTO QUE CONVIENE BUSCAR SOLUCIONES A LOS PROBLEMAS QUE ÉSTAS

IMPLICAN. UNO DE LOS MAYORES PROBLEMAS ES LA FRAGILIZACIÓN POR HIDRÓGENO, QUE AFECTA A LA OBTENCIÓN, AL ALMACENAMIENTO, AL TRANSPORTE Y AL

USO DEL HIDRÓGENO. EN ESTE TEMA VEREMOS LOS 3 PRIMEROS, MUY RELACIONADOS ENTRE SÍ Y DE GRAN IMPORTANCIA.


1. OBTENCIÓN

La mayor parte del hidrógeno producido industrialmente hoy en día se produce a partir de los combustibles fósiles, ya que

actualmente no se usa como portador de energía, sino que se produce para otro tipo de usos industriales.

No obstante, en un futuro no muy lejano en el que los hidrocarburos pierdan protagonismo para dárselo a fuentes

energéticas renovables y limpias, se deberán emplear otros métodos, hoy en día poco utilizados, para su producción, ya sea

para utilizarlo como portador de energía o para algún otro tipo de aplicación industrial.

1.1. HIDRÓGENO RESIDUAL

Antiguamente, era común la evacuación de los excedentes de hidrógeno pero, en la actualidad, muchas plantas recogen este

hidrógeno para su aprovechamiento, ya que puede ser refrigerado, comprimido y purificado para su posterior uso en otros

procesos en las mismas instalaciones o vendido a otros clientes a través de gaseoductos, camiones, bombonas…

No obstante, en las industrias dónde la producción de hidrógeno residual es muy baja y su aprovechamiento no es rentable,

éste suele ser quemado.

1.2. HIDRÓGENO A PARTIR DE HIDROCARBUROS

En la producción industrial de hidrógeno, el método actualmente más utilizado es el reformado de hidrocarburos con vapor

de agua, aunque recientemente están ganando terreno métodos como la electrolisis o la termólisis, que no dependen de la

disponibilidad de hidrocarburos. Otro problema de estos métodos es que la mayoría emiten cantidades importantes de CO2.

Actualmente, en torno al 95% de la producción mundial de hidrógeno proviene de los hidrocarburos, a causa de que éste se

puede generar a partir de gas natural con una eficiencia de aproximadamente el 80% o a partir de otros hidrocarburos con un

grado de eficiencia variable.

El principal inconveniente de estos procesos es que el hidrógeno obtenido contiene impurezas de CO y otros elementos, por

lo que no puede ser utilizado en aplicaciones que necesiten hidrógeno puro a no ser que se someta antes a procesos de

purificación.

1.2.1. REFORMADO CON VAPOR DE AGUA

Para producir grandes cantidades de hidrógeno mediante este método se suele utilizar metano o gas natural, que reacciona

a altas temperaturas (700 °C – 1.1000 °C) con vapor de agua (H2O):

3

Además, existen catalizadores para reducir las temperaturas necesarias para realizar este proceso hasta valores

comprendidos entre los 800 ˚C y los 900 ˚C. Un ejemplo serían los catalizadores de níquel, que consistes en partículas de este

metal adheridas a soportes porosos de óxidos inorgánicos (alúmina, magnesia y otros óxidos mixtos) con una gran superficie

efectiva

En una segunda etapa, más hidrógeno es generado mediante el aprovechamiento del CO de la reacción anterior que

reacciona a más baja temperatura en una reacción de desplazamiento de gas de agua, un tipo de reacción utilizado en

muchos procesos y descubierto en 1780 por Felice Fontana:

Esencialmente, el átomo de oxígeno es eliminado del agua adicional (vapor) para oxidar el CO a CO2, y es esta misma

oxidación la que proporciona energía para mantener la reacción. El calor adicional requerido para dirigir el proceso suele ser

subministrado por la quema de metano o algún otro gas combustible.


En este caso, los catalizadores utilizados suelen ser partículas de cobre y zinc sobre soportes de alúmina, o mezclas de óxidos

de hierro y cromo, y permiten que la reacción ocurra a temperaturas comprendidas entre los 150 °C y los 450 °C.

La reacción completa requiere un aporte energético de unos 210 kJ/mol. La eficiencia de este proceso es de entre el 65% y el

85%, aunque es posible combinar el reformado con vapor de agua con la co-generación de vapor y energía en una sola

planta, como la construida por Air Products and Chemicals, Inc. en Port Arthur (Texas), de manera que se obtengan mayores

beneficios y eficiencia que si se separasen estos procesos.

El reformado con vapor de agua genera dióxido de carbono (CO2) y, puesto que la producción se lleva a cabo en una sola

instalación, es posible separar el CO2 y eliminarlo, por ejemplo mediante la inyección en un pozo de petróleo o gas (captura

de CO2), aunque en muchos casos esto no se realiza.

1.2.2. OXIDACIÓN PARCIAL

El principal inconveniente del reformado es que los enlaces C-H del carbono son muy fuertes, por lo que se necesita una

cantidad de energía importante para romperlos. La reacción de oxidación parcial ocurre cuándo una mezcla sub-

estequiométrica de combustible-aire es parcialmente quemada en un reformador, creando un gas de síntesis rico en

hidrógeno y además generando energía en forma de calor. Existen dos tipos de oxidación parcial:

- OXIDACIÓN PARCIAL TÉRMICA (TPOX): Se produce a temperaturas de 1.200°C en adelante y sin catalizador. Su fórmula

general es:

- OXIDACIÓN PARCIAL CATALÍTICA (CPOX): El uso de un catalizador reduce la temperatura requerida a unos 800-900°C. Este

método sólo se puede utilizar si el contenido de azufre del combustible es inferior a 50 ppm. Su fórmula general es:

Al igual que con el proceso anterior, el CO producido puede utilizarse para producir más hidrógeno mediante reacciones de

desplazamiento. No obstante, en cuanto a producción de hidrógeno, este método es menos eficiente que el anterior:

mientras que con el reformado con vapor de agua se obtiene un máximo de cuatro moléculas de hidrógeno por cada

molécula de metano, en este caso tan sólo se pueden obtener tres.

Para mejorar todavía más el proceso, se optimiza al máximo el aporte de energía necesaria para la reacción, haciendo

reaccionar el metano con agua y con oxígeno, de manera que se consigue una situación autotérmica (ni falta ni sobre

energía). Esto permite obtener 3,5 moléculas de hidrógeno por cada molécula de metano, a cambio de acortar la vida de los

catalizadores como consecuencia de cambios de temperatura que se producen por la imposibilidad de hacer reaccionar el

metano con oxígeno y agua a la vez

1.2.3. REFORMADO CON CO2 Y DESCOMPOSICIÓN DIRECTA DEL METANO

Estos dos procesos permiten producir hidrógeno a partir de metano sin producir CO2.

El reformado con CO2 necesita temperaturas más elevadas que las necesarias para el reformado con vapor y más energía

para producirse. No obstante, su principal ventaja recae en que no sólo no produce CO2, sino que lo consume:

2 2

Por otro lado, también es posible descomponer el metano directamente utilizando catalizadores de níquel sobre soportes de

óxido de silicio (SiO2) y temperaturas de entre 500-700˚C:

2

Esta reacción se utiliza también para obtener nanotubos de carbono y fibras de carbono, pero presenta el inconveniente de

que es poco viable para producir grandes cantidades de hidrógeno


1.2.4. REFORMADO CON PLASMA

El proceso Kværner o CB&H (kvaerner Carbon Black & Hydrogen process) es un proceso de reformado por plasma

desarrollado por la compañía noruega Aker Solutions para la producción de hidrógeno y negro de carbón1 a partir diversos

tipos de hidrocarburos.

Este proceso consiste en separar los hidrocarburos en sus componentes, carbono e hidrógeno, en un quemador de plasma a

unos 1600 ˚C. La reacción es la siguiente:

í

La gran ventaja de este método es que todo el gas es transformado en carbono e hidrógeno de manera eficiente y no se

produce dióxido de carbono.

En 2009 se presentó una variante del proceso que utilizaba un convertidor de plasma alimentado con todo tipo de basura y

desechos que debido al campo de energía tan potente que se crea en su interior, se descomponen en diversos elementos,

entre los cuales se encuentra el hidrógeno. El principal inconveniente de este proceso es la separación del hidrógeno de los

demás elementos y su purificación.

1.2.5. GASIFICACIÓN DE CARBÓN, BIOMASA Y DERIVADOS DE LOS HIDROCARBUROS

La gasificación es un proceso termoquímico en el que un sustrato carbonoso (carbón, biomasa, plástico) es transformado en

un gas combustible mediante una serie de reacciones que ocurren en presencia de un agente gasificante (aire, oxígeno,

vapor de agua o hidrógeno).

La composición del gas es muy dependiente de las condiciones en las que se realiza la gasificación pero suelen ser ricos en

monóxido de carbono y/o hidrógeno, con contenidos menores de dióxido de carbono, metano y otros hidrocarburos. El

sustrato carbonoso y el agente gasificaste son los parámetros que determinan el mayor o menor contenido en energía de la

mezcla de gases obtenida. Dependiendo de los componentes de ésta, será necesario utilizar reacciones de desplazamiento,

procesos de purificación o alguno de los métodos descritos anteriormente para la extracción del hidrógeno.

1.3. HIDRÓGENO A PARTIR DE AGUA

1.3.1. ELECTROLISIS

La electrolisis del agua consiste en descomponer el agua (H2O) en oxígeno (O2) e hidrógeno (H2) mediante acción de una

corriente eléctrica. Veremos más acerca de la electrolisis en el tema 4, ya que muchas de las pilas de hidrógeno son

reversibles, por lo que se pueden utilizar también como celdas electrolíticas.

1.3.1.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Una fuente de energía eléctrica es conectada a dos electrodos o platos, normalmente hechos de algún metal inerte como

platino o acero inoxidable, que están colocados en el agua. Al conectar la fuente se produce hidrógeno en el cátodo (cargado

negativamente) y oxígeno en el ánodo (cargado positivamente). Suponiendo la eficiencia farádica ideal, la cantidad de

hidrógeno generada es el doble del número de moles de oxígeno (proporción 2:1) y ambas son proporcionales a la carga

eléctrica total que circule por la solución.

Sin embargo, en muchas celdas dominan las reacciones secundarias, lo que provoca diferentes productos y una eficiencia

farádica por debajo de la ideal.

1 EL NEGRO DE CARBÓN ES UN MATERIAL PRODUCIDO POR LA COMBUSTIÓN INCOMPLETA DE LOS PRODUCTOS DERIVADOS DEL PETRÓLEO. ES UNA FORMA DE CARBONO

AMORFO CON UNA RELACIÓN SUPERFICIE-VOLUMEN EXTREMADAMENTE ALTA, POR LO QUE ES UNO DE LOS PRIMEROS NANOMATERIALES AMPLIAMENTE USADOS, POR

EJEMPLO, COMO PIGMENTO O COMO REFUERZO EN PRODUCTOS DE GOMA Y PLÁSTICO.


La electrolisis del agua pura requiere un exceso de energía en forma de sobretensión para superar diversas barreras de

activación. Sin el exceso de energía, la electrolisis del agua pura se produce muy lentamente o ni tan sólo se produce, a causa

de la limitada auto-ionización del agua y de su baja conductividad eléctrica, que es aproximadamente una millonésima parte

de la del agua marina. Esto es debido a que el agua marina presenta sal diluida en ella, que actúa como electrolito2, un

requisito indispensable para que la reacción se produzca rápidamente. Además, el uso de electro–catalizadores3 facilita

todavía más la reacción.

1.3.1.2. ECUACIONES Y REACCIONES

En el agua, en el cátodo cargado negativamente, tiene lugar una reacción de reducción, en la cual los electrones del cátodo

son dados a los cationes de hidrógeno para formar gas. En el ánodo, cargado positivamente, tiene lugar una reacción de

oxidación que genera oxígeno en forma de gas y da electrones al ánodo para completar el circuito:

REACCIÓN BALANCEADA CON ÁCIDO REDUCCIÓN EN EL CÁTODO 2

2

OXIDACIÓN EN EL ÁNODO 2 4 4

REACCIÓN BALANCEADA CON BASE REDUCCIÓN EN EL CÁTODO 2 2 2

OXIDACIÓN EN EL ÁNODO 4

2 4

Combinando ambas pares de medias reacciones obtenemos la misma descomposición total del agua en oxígeno e hidrógeno:

2 2

El número de moléculas de hidrógeno producidas es, por tanto, el doble que las de oxígeno y el número de electrones que

circulan por el agua es el doble que el número de moléculas de hidrógeno y cuatro veces el de moléculas de oxígeno

producidas.

1.3.1.3. TERMODINÁMICA DEL PROCESO

La descomposición del agua pura en hidrógeno y oxígeno a temperatura y presión estándar no es favorable en términos

termodinámicos. Veámoslo en la anterior reacción con ácido:

REACCIÓN BALANCEADA CON ÁCIDO REDUCCIÓN EN EL CÁTODO 2

2 E

ORED = 0 V

OXIDACIÓN EN EL ÁNODO 2 4 4 E

OOX = -1,23 V

Por tanto, el potencial estándar de la celda de electrolisis del agua es de -1,23 V a 25°C con pH 0. También es -1,23 V a 25°C

con pH 7, basándonos en la ecuación de Nernst4. Así pues, el voltaje mínimo teórico necesario para producir la electrolisis

del agua es 1,23 V, aunque en la práctica es en torno a 2,2 V, a causa del uso de electrolitos y la sobretensión necesaria para

que se produzca la reacción.

1.3.1.4. SELECCIÓN DEL ELECTROLITO

Si el proceso descrito anteriormente tiene lugar en agua pura, los cationes H+ se acumularan en el ánodo y aniones OH

- lo

harán en el cátodo. Esto puede ser comprobado añadiendo un indicador de pH al agua, con lo que podremos observar que el

agua cercana al ánodo tiene carácter ácido, mientras que el agua cercana al cátodo tiene carácter básico.

Los iones negativos hidroxilos que se acerquen al ánodo se combinan en su mayoría con cationes hidronio (H3O

+) para formar

agua, y viceversa. No obstante, los pocos iones que alcancen el electrodo contrario pueden causar una sobretensión en

ambos electrodos.

2 UN ELECTROLITO O ELECTRÓLITO ES CUALQUIER SUSTANCIA QUE CONTIENE IONES LIBRES QUE SE COMPORTAN COMO UN MEDIO CONDUCTOR ELÉCTRICO.

3 UN ELECTRO–CATALIZADOR ES UNA FORMA ESPECÍFICA DE CATALIZADOR QUE PARTICIPA EN UNA REACCIÓN ELECTROQUÍMICA MODIFICANDO E INCREMENTANDO SU

VELOCIDAD SIN SER CONSUMIDOS EN EL PROCESO Y QUE FUNCIONA EN LAS SUPERFICIES DEL ELECTRODO O ES LA PROPIA SUPERFICIE DEL ELECTRODO, FACILITANDO LA

TRANSFERENCIA DE ELECTRONES ENTRE EL ELECTRODO Y LOS REACTIVOS. 4 LA ECUACIÓN DE NERNST SE UTILIZA PARA CALCULAR EL POTENCIAL DE REDUCCIÓN DE UN ELECTRODO CUANDO LAS CONDICIONES NO SON LAS ESTÁNDAR.


El agua pura es un muy buen aislante puesto que tiene una auto-ionización baja (Kw = 10 · 10-14

) a temperatura ambiente y,

en consecuencia, es muy mala conductora de corriente (CE = 0,055 μS · cm-1

) y, a no ser que se le aplique un potencial muy

elevado para incrementar su auto-ionización, su electrolisis es poco efectiva.

En cambio, si se añade un electrolito disuelto, la conductividad del agua se incremente notablemente, ya que el electrolito

se disocia en cationes y aniones; los aniones se dirigen al ánodo donde neutralizan la acumulación de cationes H+, mientas

que los cationes hacen lo mismo en el cátodo, pero con los aniones OH-, lo que permite un flujo constante de electricidad.

El electrolito se debe escoger con precaución, puesto que sus aniones compiten con los iones de hidróxido para dar un

electrón, por tanto, un anión electrolítico con menos potencial estándar de electrodo que el hidróxido será ionizado en su

lugar, y por se producirá menos oxígeno. De la misma manera, un catión con mayor potencial estándar de electrodo que el

ión hidrógeno será reducido en su lugar y se producirá menos hidrógeno. Además, si el producto escogido como electrolito

participa en la reacción, puede originar otras sustancias no deseadas en lugar de hidrógeno, algunas de las cuales pueden

ser tóxicas.

Los siguientes cationes tiene menos potencial estándar de electrodo que el H+ y, por tanto, son adecuados para utilizarlos

como cationes electrolitos: Li+, Rb

+, K

+, Cs

+, Ba

2+, Sr

2+, Ca

2+, Na

+ y Mg

2+. El potasio, el sodio y el litio son usados

frecuentemente ya que forman sales solubles económicas.

Ácidos fuertes como el ácido sulfúrico (H2SO4) y bases fuertes como el hidróxido de potasio (KOH) y el hidróxido de sodio

(NaOH) son frecuentemente usados como electrolitos. También existen electrolitos sólidos poliméricos, como NAFION, que

dan buenos resultados.

1.3.1.5. TÉCNICAS Y CELDAS

1.3.1.5.1. DEMOSTRACIÓN FUNDAMENTAL

Dos cables, que va desde los terminales de una batería, se colocan en un vaso de agua con una cantidad de electrolito

suficiente para establecer la conductividad de la solución. Con los electrodos y electrolito correctos, el hidrógeno y el oxígeno

empezaran a producirse en los electrodos de carga opuesta. El oxígeno se recogen en el ánodo y el hidrógeno se acumula en

el cátodo.

1.3.1.5.2. VOLTÁMETRO DE HOFMANN

El voltámetro de Hofmann se suele usar como una celda electrolítica a pequeña escala y está formado por tres cilindros

unidos. El cilindro central se utiliza para el subministro de agua o electrolito, mientras que los dos laterales tienen un

electrodo, normalmente de platino, en su parte inferior, que se encuentra conectado a una fuente eléctrica [FIGURA 3.1].

Cuando la electricidad pasa a través del voltámetro, el oxígeno se produce en el ánodo y el hidrógeno en el cátodo, y ambos

gases desplazan el agua y se van acumulando en la parte superior de sus respectivos tubos, de donde podrán ser extraídos a

través de una llave de paso. Además, se puede apreciar visualmente la proporción de volúmenes entre ambos gases.

1.3.1.5.3. ELECTRÓLISIS INDUSTRIAL

Aunque se está investigando para mejorar los métodos de electrolisis industrial, actualmente este método se utiliza tan solo

cuando se desea obtener hidrógeno u oxígeno de gran pureza, puesto que el producido utilizando hidrocarburos presenta

trazas de monóxido de carbono, entre otras substancias, que pueden ser perjudiciales para diversas aplicaciones. Para hacer

esto se utilizan dispositivos muy parecidos a los voltámetros de Hofmann, pero a gran escala y con diversos grupos de

cilindros y electrodos.

Otro método de electrolisis industrial, este más utilizado debido a su mayor eficiencia, consiste en agrupaciones de

electrodos que permiten generar grandes cantidades de oxi-hidrógeno (HHO) para aplicaciones en las que no se necesita

separar el oxígeno del hidrógeno, normalmente porque se utilizará para una combustión. Profundizaremos en el oxi-

hidrógeno y las celdas de HHO en el tema 5, dedicado al estudio y construcción de estos dispositivos.


1.3.1.5.4. ELECTRÓLISIS A ALTA PRESIÓN

Se caracteriza por ofrecer una salida de hidrógeno de entre 1.700 psi y 2.900, presurizándolo en el electrolizador, de

manera que no se necesita un compresor externo para este fin y supone también un ahorro de energía.

Existe una variante de esta técnica, llamada electrólisis a ultra alta presión, en la cual la presión de salida es de entre 5.000 y

10.000 psi. A estas presiones, la solubilidad del agua y la permeabilidad transversal de la membrana (electrodos) afectan a la

pureza del hidrógeno, así que se hace necesario el uso de recombinantes catalíticos para mantener los niveles de H2 y O2

dentro de un rango seguro.

1.3.1.5.5. ELECTRÓLISIS A ALTA TEMPERATURA

La electrolisis a alta temperatura es económicamente más eficiente que la electrolisis convencional, ya que parte de la

energía necesaria se subministra en forma de calor, que normalmente es más barata que la electricidad y más fácil de

obtener, y porque la electrolisis es más eficiente a altas temperaturas. De hecho, a 2.500 °C no sería necesario el subministro

de electricidad puesto que el agua se descompondría en sus componentes mediante termólisis. No obstante, tal temperatura

es difícil de conseguir, por lo que los sistemas de electrolisis a alta temperatura trabajan a 100-850°C.

Debido a sus altas temperaturas de trabajo es necesario prestar especial atención en la selección de los materiales, que

deberán poder aguantar las altas temperaturas durante un período de tiempo aceptable.

1.3.1.5.6. ELECTRÓLISIS DE ORINA

Un equipo de ingenieros de la Universidad de Ohio, Estados Unidos, ha conseguido producir hidrógeno a partir de orina, un

residuo fácil de obtener. Los investigadores creen que mediante la electrolisis de orina es posible obtener una mayor

cantidad de hidrógeno que con los métodos actuales a partir de agua. El sistema descompone la urea a una tensión de sólo

0,37 V, que es significativamente inferior a los 1,23 V necesarios para dividir el agua.

La orina es el principal constituyente de urea, que incorpora cuatro átomos de hidrógeno por molécula. El proceso de

separación a través de la electrólisis enfocada a romper las moléculas, se realiza mediante un nuevo proceso de bajo costo

FIGURA 3.1 – VOLTÁMETRO DE HOFMANN: PODEMOS OBSERVAR COMO LA PROPORCIÓN DE HIDRÓGENO – OXÍGENO ES 2:1 Y CÓMO FLUYE LA CORRIENTE DE CÁTODO

(-) A ÁNODO (+).


constituido por electrodos de níquel que de forma selectiva y eficiente oxida la urea, obteniendo el hidrógeno puro en el

cátodo.

El principal problema de este método es que la electrólisis de la urea libera sulfato de amonio y partículas de nitrato al aire,

compuestos que pueden derivar en problemas de salud como bronquitis y asma. Otro inconveniente es que las bacterias

convierten rápidamente la urea en amonio, lo que limita la efectividad del proceso si la orina ha estado sometida durante

mucho tiempo a la acción bacteriana. Sin embargo, los ingenieros están desarrollando un método para solucionar este

problema.

Lo positivo es que esta técnica permitirá obtener energía a partir de un desecho y ayudará al tratamiento de aguas

residuales. Antes de fin de año, la doctora Botte espera poder comercializar el producto que le dará una utilidad y un valor

insospechado a la orina.

1.3.1.6. EFICIENCIA

La electrolisis del agua no convierte toda la energía eléctrica en energía química del hidrógeno. El proceso necesita más

energía de la que se podría esperar basándonos en los potenciales de reducción totalmente reversibles de una celda. Este

potencial extra se suele perder en diversas formas de sobretensión que generan calor. Para una celda bien diseñada, la

sobretensión más alta es la sobretensión de reacción para la oxidación de los cuatro electrones del agua en oxígeno en el

ánodo., ya que no se ha desarrollado ningún electro-catalizador para facilitar esta reacción, aunque se está investigando en

aleaciones de platino.

La simple reacción con dos electrones para producir hidrógeno en el cátodo puede ser electro-catalizada con apenas ninguna

sobretensión de reacción con platino o, en teoría, con encima hidrogenasa (encima catalizadora para la oxidación reversible).

Si se utiliza otros materiales menos efectivos para el cátodo, se producirá una sobretensión más elevada.

La eficiencia energética de la electrolisis del agua varía ampliamente. Aunque se suelen considerar valores de entre el 50-

80%, esto se refiere sólo a la conversión de energía eléctrica en energía química. La energía perdida en la producción de

electricidad no se tiene en cuenta.

En el tema 5 trataremos un tipo concreto de electrolizador, el generador de HHO, y analizaremos una serie de métodos que

afirman poder mejorar notablemente la eficiencia de ese tipo concreto de electrolizadores, llegando incluso a producir más

gas que el equivalente en energía química de la energía eléctrica subministrada a la celda.

1.3.2. DESCOMPOSICIÓN FOTOQUÍMICA DEL AGUA

La fotoelectrolisis es un proceso muy parecido a la electrolisis convencional. La diferencia recae en que la energía necesaria

para dividir las moléculas de agua proviene de la luz, normalmente solar, que es convertida en electricidad. Así pues, es una

manera totalmente limpia de producir energía y almacenarla.

Las celdas fotoquímicas son dispositivos muy parecidos a las placas solares, aunque normalmente de tamaño reducido, que

convierte la luz, incluida la visible, en energía. En algunos casos producen hidrógeno en un proceso similar a la electrolisis.

En este tipo de celdas, la electrolisis del agua tiene lugar cuando el ánodo es irradiado con radiación electromagnética. Este

proceso se conoce como fotosíntesis artificial.

Existen dos tipos de sistemas fotoquímicos con catalizadores: uno que utiliza superficies semiconductoras como catalizador

(la superficie semiconductora absorbe energía solar y actúa como electrodo para la descomposición del agua) y otro que

utiliza complejos metálicos dentro de la solución como catalizador. Los catalizadores más utilizados en este tipo de celdas son

los siguientes: NaTaO3, K3Ta3B2O12 y (Ga82Zn18)(N82O18).

Este tipo de dispositivos se encuentra en una fase temprana de desarrollo, pero ha logrado superar el 10% de eficiencia

económica, aunque su principal problema es la corrosión de los semiconductores que están permanentemente en contacto

con el agua.


1.3.3. A PARTIR DE BIOMASA

La biomasa se entiende como la materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable

como fuente de energía5. A esta definición se le debe añadir la condición de que, en el caso de la materia orgánica muerta,

solo se solo se considere la reciente, ya que si no deberíamos considerar también los combustibles fósiles.

La biomasa es una fuente de energía utilizada ampliamente a lo largo de la historia y que todavía hoy sigue utilizándose

ampliamente en países en vías de desarrollo. Un ejemplo sería la combustión de madera. Aunque esta combustión genera

CO2, este no constituye un aporte neto de este gas a la atmósfera, como pasa con los hidrocarburos, ya que es el mismo CO2

que las en su día fue fijado por las plantas para crecer. Así pues, las emisiones de CO2 utilizando biomasa se enmarcan en un

ciclo cerrado [FIGURA 3.2].

La biomasa, pero, presenta graves inconvenientes El primero es que el uso de distintos productos, hasta ahora utilizados solo

para la alimentación, para la producción de hidrógeno u otros combustibles provoca un encarecimiento de los mismos, que

en muchos casos son indispensables para la alimentación. El segundo es que la producción de biocombustibles (bioetanol,

biodiesel…), ampliamente extendida por diversos países como Brasil o Estados Unidos que utilizan estos productos como

combustibles o como aditivos para la gasolina, con el objetivo de disminuir su dependencia de los combustibles fósiles y sus

emisiones de CO2 a la atmósfera implica que se dediquen campos de cultivo a su producción. Se calcula que actualmente el

20% y el 50% de la producción mundial de maíz y colza, respectivamente, se han destinado a este sector y se espera que

estas cifras continúen aumentando, puesto un gran número de países planea aumentar progresivamente el uso de estos

combustibles.

Así pues, es necesario distinguir entre biomasa comestible (la mayor parte de la utilizada actualmente para fines

energéticos) y biomasa energética (residuos agrícolas y forestales procedentes de zonas rurales o de la industria poco usados

actualmente) para evitar problemas en lo referente a alimento y hambre, que actualmente ya son uno de los problemas

mundiales más importantes y trágicos.

5 DEFINICIÓN DE LA REAL ACADEMIA DE LA LENGUA ESPAÑOLA (RAE).

FIGURA 3.2: PODEMOS OBSERVAR EN ESTA REPRESENTACIÓN EL CICLO CERRADO EN EL QUE SE MUEVE EL DIÓXIDO DE CARBONO PRODUCIDO MEDIANTE EL USO DE

BIOMASA.


1.3.3.1. PIROLISIS Y GASIFICACIÓN DE LA BIOMASA

La pirolisis consiste en calentar la biomasa de manera súbita a temperaturas de entre 400-600˚C en ausencia de oxígeno,

mientras que la gasificación consiste en calentar la biomasa en presencia de aire y vapor de agua. En ambos casos se obtiene

una mezcla de gases (metano, monóxido de carbono y dióxido de carbono) y un residuo líquido-sólido (alquitrán, brea y

carbón), pudiendo alcanzar concentraciones de H2 de hasta el 40%.

1.3.3.2. REFORMADO DE BIOETANOL

Uno de los combustibles más comunes que se pueden obtener a partir de la biomasa es el bioetanol, una mezcla de etanol y

agua que puede ser fácilmente reformada a presión atmosférica mediante acción de calor y con ayuda de un catalizador en

una mezcla de gases rica en hidrógeno.

3 6 2

Los catalizadores utilizados (Ni, Cu, Co, Ru, Rh, Pt, Pd, entre otros) suelen utilizar un soporte metálico que también participa

en la reacción, por lo que se deben buscar materiales con características redox como el óxido de zinc, de cerio, de circonio y

de cobalto.

Para evitar que se produzcan otras reacciones que transformen parte del etanol en otras substancias, el reformado se debe

realizar a temperaturas bajas. El mejor catalizador para realizar esto es el cobalto, pero presenta el inconveniente de generar

residuos carbonosos que se deben extraer mediante diferentes métodos.

La principal ventaja del bioetanol es que se han realizado importantes avances en su producción a partir de fracciones no

comestibles de los vegetales constituidas por celulosa, hemicelulosa, lignina y otros minerales, aunque con procesos más

largos que requieren tratar estos componentes previamente y fermentaciones que requieren cierto tiempo. No obstante, se

estima que si se aprovechase toda la biomasa no comestible de esta manera, se podría llegar a disminuir el consumo

mundial de gasolina en un 50%.

1.3.4. DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA DEL AGUA

La descomposición térmica del agua, también llamada termólisis, se define como una reacción química en la cual una

substancia se descompone en al menos otras dos substancias al calentarse. A elevadas temperaturas, las moléculas de agua

se dividen en sus componentes:

- A temperatura ambiente, una de cada 100 trillones se disocia por efecto del calor.

- A 2200°C, un tres por ciento de las moléculas de agua se disocian en diversas combinaciones de sus componentes: H,

H2, O, O2, OH y, en menor medida H2O2 y HO2.

- A 3.000°C, más de la mitad de las moléculas de agua se descomponen.

El uso de catalizadores acelera la disociación de las moléculas y reduce la temperatura necesaria.

La descomposición térmica del agua ha sido investigada como método de producción de hidrógeno desde los años 60. Las

altas temperaturas necesarias para obtener cantidades importantes de hidrógeno imponen severos requerimientos en los

materiales utilizados para la construcción de máquinas o instalaciones que lleven a cabo la descomposición térmica del agua.

Para aplicaciones industriales o comerciales, las restricciones materiales han limitado el éxito de aplicaciones para la

producción de hidrógeno directamente a partir de la descomposición térmica del agua.


1.3.4.1. ENERGÍA TÉRMICA NUCLEAR

En centrales nucleares, tanto de fisión como de fusión, que trabajen a temperaturas superiores a los 1000˚C es posible

aprovechar la energía térmica producida para la generación de hidrógeno y energía eléctrica en porcentajes variables,

considerando así el hidrógeno como una manera de almacenar energía y, por tanto, ajustar la producción de electricidad a la

demanda.

A pesar de que esta tecnología constituye una buena opción para la producción de hidrógeno a un coste bajo, no se espera

que sea rentable hasta el 2030, con la llegada de los reactores de fisión nuclear de cuarta generación. Además, unos años

más adelante, con la llegada de la fusión nuclear, esta opción puede llegar a ser la más utilizada.

1.3.4.2. ENERGÍA TÉRMICA SOLAR

Las altas temperaturas necesarias para la descomposición térmica del agua pueden conseguirse mediante sistemas de

concentración solar. Un ejemplo de este tipo de instalaciones lo encontramos la planta piloto Hydrosol-2 de Almería [FIGURA

3.3.], España, capaz de obtener hasta 1200˚C mediante la concentración de los rayos solares. Puesto que utiliza

concentradores modulares equipados con materiales altamente refractarios, como el grafito o el óxido de circonio, es posible

ampliar su potencia fácilmente mediante la adición de estos módulos.

No obstante, su principal inconveniente es el gran espacio que necesitan y las bajas cantidades de hidrógeno que pueden

producir. A modo de ejemplo, un concentrador de 100m2 apenas puede generar un quilogramo de hidrógeno por hora.

Además, otro inconveniente es su dependencia de la luz solar, lo que las hace todavía más inviables en países con climas

poco soleados.

FIGURA 3.3 – PLANTA HYDROSOL-2: PODEMOS OBSERVAR EN ESTA FOTOGRAFÍA LAS INSTALACIONES DE HYDROSOL-2 Y APRECIAR ASÍ LA GRAN NECESIDAD DE ESPACIO

DE ESTE TIPO DE INSTALACIONES QUE NECESITAN UNA EXTENSA SUPERFICIE DONDE COLOCAR LOS ESPEJOS QUE DIRIGIRÁN LA LUZ SOLAR A LA TORRE DE CONCENTRACIÓN, A LA DERECHA DE LA IMAGEN.


1.3.4.3. CICLOS TÉRMICOS

Aunque los dos modelos de central descritos anteriormente permiten alcanzar temperaturas muy elevadas, estas no son lo

suficientemente altas para realizar la pirolisis, por lo que se deben utilizar ciclos térmicos para disociar el agua. Estos ciclos

consisten en enlazar diversas reacciones químicas de manera que sea posible realizar la descomposición del agua, pero a

temperaturas más bajas.

Existen ciclos térmicos de dos reacciones que permiten disminuir la temperatura necesaria para la primera reacción a 2000˚C

y a unos 400˚C la de la segunda. No obstante, la primera temperatura sigue siendo demasiado alta en la actualidad, por lo

que es necesario el uso de ciclos de más de dos reacciones. Los más prometedores son los siguientes:

1.3.4.3.1. CICLOS AZUFRE-YODO

Desarrollado en los años setenta a raíz de la crisis del petróleo. Las reacciones involucradas son las siguientes y se realizan en

compartimentos separados:

REACCIÓN TEMPERATURA

! ! "

850˚C

# ! 2 2# ! 120˚C

2# # 450˚C

El rendimiento conseguido experimentalmente en este tipo de reacciones es del 42-57%. El principal inconveniente de este

ciclo es el carácter corrosivo de los reactivos, lo que limita los materiales que pueden utilizarse para la construcción de las

instalaciones necesarias. Además, la última reacción no es sencilla, por lo que existe una variante de este ciclo, llamado ciclo

de Westinghouse, que sustituye la segunda y tercera etapa por un proceso electrolítico que permite generar hidrógeno

directamente:

! 2 !

1.3.4.3.2. CICLO UT-3

Desarrollado en la misma época en la universidad de Tokio. Sus etapas son las siguientes:


$ 2$ 760˚C

$ $ "

572˚C

%& 8$ 3%$ 4 $ 220˚C

3%$ 4 %& 6$ 560˚C

Estas reacciones se llevan a cabo en reactores distintos pero emparejados: el primero con el segundo y el tercero con el

cuarto, para aprovechar la presencia de los productos de la etapa realizada anteriormente.

Este ciclo tiene una eficiencia del 49-53% y es uno de los más atractivos para ser comercializado actualmente.


1.3.4.3.3. CICLO COBRE-CLORO

Trabaja a temperaturas muy bajas y tiene una eficiencia de en torno al 49%. Su principal aplicación es en reactores de baja

temperatura. Sus etapas son:


2() () ( 100˚C

2() ( * () 2) 300˚C

( * () 2() "

450˚C

( ) () "

425˚C

1.4. PRODUCCIÓN BIOLÓGICA DE HIDRÓGENO: BIOHIDRÓGENO

Probablemente, una solución ideal sería utilizar un proceso biológico para aprovechar la energía solar directamente para

generar hidrógeno a partir de agua.

Esta solución se consideró en los años 70, a causa de la crisis del petróleo. El principio es muy simple: una planta, como por

ejemplo un alga, es manipulada y cultivada para que foto-sintetice el hidrógeno del agua, actuando como una combinación

entre un panel solar y una unidad de electrolisis de agua.

No obstante, conseguir que las algas foto-sinteticen hidrógeno en masa no ha sido posible hasta hace poco. Investigadores

de la Universidad de California en Berkeley (UCB) han descubierto que utilizando una clase particular de alga, la

Chlamydomonas reinhardtii, se puede detener el proceso de fotosíntesis normal que quema la energía almacenada y obtener

hidrógeno como producto. Las celdas biológicas realizan de dos a tres ciclos de fotosíntesis normal al día, seguidos de hasta

cuatro días de metabolización atípica de la energía almacenada para producir hidrógeno. La clave es privar de azufre a la

planta, obligando al organismo a desarrollarse en unas condiciones pobres en azufre y anaerobias.

Las tasas de producción actuales se encuentran alrededor de los tres mililitros de hidrógeno por cada litro de cultivo, pero se

cree que será posible aumentarlas hasta unos quince mililitros con una investigación más profunda. Por el momento, esta

tecnología ha sido patentada por la UCB, lo que hace pensar que tal vez sea comercializada posteriormente.

Desafortunadamente, este proceso presenta una producción demasiado baja como para poder ser utilizado para genrar

grandes cantidades de hidrógeno. No obstante, su coste también es muy bajo.

1.5. SEPARACIÓN Y PURIFICACIÓN DEL HIDRÓGENO

Como hemos visto, existe una gran variedad de procesos y métodos para la producción de hidrógeno, algunos de los cuales

son capaces de producir hidrógeno de gran pureza. No obstante, otros muchos producen subproductos que hacen que el gas

obtenido no sea sólo hidrógeno, algo indispensable para algunas aplicaciones como por ejemplo las pilas de hidrógeno,

muchas de las cuales son poco tolerantes a las impurezas. Veremos esto con más detalle en el siguiente tema.

Existen dos métodos diferentes para la purificación del hidrógeno que, en numerosas ocasiones, se utilizan conjuntamente

para obtener una mayor eficacia.

1.5.1. PURIFICACIÓN CATALÍTICA DE HIDRÓGENO

Con los subproductos no deseados producidos con la mayoría de los procesos catalíticos explicados anteriormente, es posible

el uso de reacciones de desplazamiento de gas de agua (WGS), ya explicadas, para obtener más hidrógeno, mejorando así

su eficiencia y producción la producción de hidrógeno, al mismo tiempo que se elimina una parte de los productos no

deseados.

No obstante, se requiere una segunda etapa de reacciones catalíticas de oxidación selectiva con oxígeno de CO (COPROX) a

baja temperatura, en la cual es muy importante la selección de un buen catalizador que no reaccione con el hidrógeno para


producir agua, para eliminar las impurezas restantes que la reacción de desplazamiento no ha podido eliminar por completo

o que tan solo ha transformado.

Para eliminar las impurezas de metano, por ejemplo, los catalizadores empleados suelen contener nanopartículas de paladio

sobre un soporte de alúmina. En cambio, para oxidación del monóxido de carbono se suelen utilizar óxidos de diversos

metales (estaño o cerio) mezclados con nanopartículas de otros metales (platino o rodio).

1.5.2. SEPARACIÓN DE HIDRÓGENO

Existen tres métodos que permiten separar el hidrógeno de mezclas de gases de manera más eficaz que la oxidación

selectiva, ya que el método anterior, a pesar de que permite obtener algo más de hidrógeno en diversos procesos de

producción, presenta dificultades para eliminar por completo todas las impurezas de una mezcla de gases sin hacer

reaccionar también algún átomo de hidrógeno que se perdería.

1.5.2.1. SEPARACIÓN MEDIANTE ADSORCIÓN POR CAMBIO DE PRESIÓN

Este método se basa en la capacidad de determinados adsorbentes para capturar impurezas. El proceso consiste en ciclos de

dos etapas:

- ETAPA DE ALTA PRESIÓN: Se realiza a presiones de 15-30atm y las impurezas son retenidas por el adsorbente.

- ETAPA A PRESIÓN ATMOSFÉRICA: Las partículas se desorben.

A diferencia de las impurezas, el hidrógeno raramente es adsorbido, con lo que tras varios ciclos se obtiene hidrógeno puro.

La capacidad o intensidad de la adsorción sigue la aproximadamente la siguiente secuencia:

H2 < HE < O2 < N2 < AR < CO < CH4 < C2HN < CO2 < C3HN < C4+ < H2S < NH3 <H2O

La principal ventaja de este método es que cuantos más ciclos se realicen, mayor será la pureza del hidrógeno obtenido,

pudiendo llegar a purezas de 99-99,999% en volumen, con tan solo 1-10ppm de CO.

1.5.2.2. SEPARACIÓN MEDIANTE MEMBRANAS

Este método consiste en separar los diferentes componentes del gas a purificar según su capacidad de atravesar una

membrana. En el caso del hidrógeno se utilizan tanto membranas poliméricas como membranas metálicas, consiguiendo una

mayor cantidad de hidrógeno que la recuperada por los métodos de adsorción. Estas membranas suelen tener forma laminar

o tubular y un grosor de milésimas de milímetro, y en el caso de las membranas poliméricas suelen ir unidas a un sustrato

poroso para facilitar su manipulación.

Las membranas metálicas aprovechan la capacidad de adsorber hidrógeno de algunos metales como el paladio (Pd), con lo

que al aplicar una cierta presión se consigue que el hidrógeno atraviese la membrana, mientras que otros elementos no lo

logran.

Estos sistemas permiten obtener purezas mayores del 99,9999%, pero su principal inconveniente es que las membranas son

dispositivos caros y delicados que deben soportar, en algunos casos, presiones y temperaturas elevadas, por lo que se deben

sustituir periódicamente a casusa de defectos estructurales producidos por estas condiciones, a pesar del desarrollo de

membranas más resistentes.

1.5.2.3. SEPARACIÓN CRIOGÉNICA

En este caso, la separación se produce a causa de las diferentes temperaturas de ebullición de las impurezas presentes en el

hidrógeno. Así pues, la temperatura de ebullición del hidrógeno es -258,8˚C, por lo que enfriando los gases a temperaturas

algo superiores a estas conseguimos que las impurezas condensen o solidifiquen, mientras el hidrógeno permanece en

estado gaseoso.

Aunque este método es el más efectivo, tiene un coste energético elevado a causa de las temperaturas necesarias para

llevarlo a cabo.


2. ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO

Si el principal desafío en el uso del hidrógeno como combustible es su obtención y producción de manera eficiente, el

segundo principal desafío es su almacenamiento.

En el tema anterior, cuando tratamos las propiedades del hidrógeno, vimos que este presenta un punto de ebullición muy

bajo, por lo que su estado normal es gas, y la densidad más baja de todos los elementos, lo que supone que contiene mucha

energía por unidad de masa pero muy poca por unidad de volumen. Esto significa que un volumen determinado de

hidrógeno contiene mucha menos energía que el mismo volumen de otros combustibles, lo que se traduce en un aumento

del tamaño de los sistemas de almacenaje o, si más no, de su peso [FIGURA 3.4].

Esto es debido a que para almacenar el hidrógeno se necesitan sistemas de almacenamiento capaces de soportar grandes

presiones, por lo que son considerablemente más aparatosos y/o más pesados que los usados en caso de la gasolina o

combustibles diesel y superan la ventaja ganada en cuanto a peso por la elevada relación peso–energía del hidrógeno.

Además, el problema de la fragilización por hidrógeno limita los materiales que se pueden utilizar no sólo en sus sistemas de

almacenamiento, sino en cualquier componente que deba entrar en contacto con él.

A modo de ejemplo, imaginemos un coche que dispone de un depósito de gasolina de 50 litros (42 kg de peso entre

combustible y depósito) y 1580 MJ de energía almacenada. Para almacenar la misma cantidad de energía harían sólo falta

13,2 kg de hidrógeno, que a 15 ˚C y 1 bar de presión ocuparían 158000 dm3, es decir, lo que ocuparían 158000 litros de

FIGURA 3.4 – COMPARACIÓN DE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO: EL VOLUMEN Y PESO DE DISTINTOS SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO SE COMPARA

CON LOS SISTEMAS DE ALMACENAJE DE GASOLINA, METANO Y UNA BATERÍA (CADA UNO DE ELLOS CONTIENE 1044500 KJ DE ENERGÍA ALMACENADA). PODEMOS

OBSERVAR EN TURQUESA EL PESO QUE REPRESENTA EL COMBUSTIBLE Y EN BLANCO EL DEL SISTEMA DE ALMACENAJE, CON RESPECTO AL TOTAL.


gasolina. Naturalmente, este volumen no es viable para ser transportado a bordo de un coche, por lo que hay que aumentar

la densidad del gas.

Existen diversos métodos para conseguir esto, algunos de los cuales todavía se encuentran en fases iniciales de desarrollo.

Irónicamente, la mejor forma de almacenar el hidrógeno, al menos de momento, es en forma de hidrocarburo, lo que

requiere de sistemas adicionales para extraerlo.

2.1. GAS A ALTA PRESIÓN (CGH2)6

Los métodos de almacenaje de hidrógeno a alta presión son los sistemas más comunes y desarrollados actualmente. Como

cualquier otro gas, el hidrógeno se puede comprimir para reducir su volumen específico.

El almacenamiento como gas comprimido es el más sencillo, aunque las densidades energéticas conseguidas son las menores

a menos que se emplee alta presión, ya que la densidad energética depende linealmente de la presión si se asume un

comportamiento como gas ideal. Las presiones de trabajo actuales son de 200 barg, llegando a 700 barg en los equipos más

avanzados.

El consumo energético de este procedimiento viene dado por la necesidad de comprimir el hidrógeno [FIGURA 3.5] y, puesto

que el trabajo no crece linealmente, por lo que resulta más eficaz trabajar a altas presiones.

En cuanto a densidad, en la realidad ésta varía de forma prácticamente lineal con el aumento de la presión [FIGURA 3.6].

El transporte y suministro convencional de hidrógeno se efectúa en botellas de acero, similares a las que se usan para

almacenar gas natural, a una presión de 200 barg para ser utilizado en procesos de soldadura y para usos de laboratorio,

entre otros. En los proyectos de demostración de vehículos movidos con hidrógeno se han empleado presiones superiores:

los autobuses de Madrid y Barcelona del proyecto CUTE, iniciado en 2003 pero cancelado posteriormente por su elevado

coste, almacenaban el hidrógeno a 350 barg, mientras que los proyectos más recientes llevados a cabo por compañías del

sector de la automoción como BMW, Mercedes-Benz y Honda, entre otros muchos, han llegado hasta los 700 barg.

No obstante, la tecnología empleada en la fabricación de las botellas o cilindros es muy diferente en cada caso. Todos ellos

deberán construirse con paredes gruesas y con materiales de alta resistencia y muy duraderos. En el siguiente apartado se

exponen las características de las distintas tecnologías.

6 LA TERMINOLOGÍA «GAS A ALTA PRESIÓN» SE REFIERE GENERALMENTE A PRESIONES POR ENCIMA DE LOS 200 BARG CUANDO SE USA EN RELACIÓN A LOS SISTEMAS DE

ALMACENAJE. NO OBSTANTE, CUALQUIER GAS CON PRESIONES POR ENCIMA DE LOS 2 BARG TIENE EL POTENCIAL SUFICIENTE COMO PARA CAUSAR DAÑOS SEVEROS EN LAS

PERSONAS, POR LO QUE ESAS PRESIONES DEBERÁN SER CONSIDERADAS TAMBIÉN COMO «ELEVADAS».


FIGURA 3.5: EN ESTA GRÁFICA PODEMOS OBSERVAR EL TRABAJO NECESARIO PARA COMPRIMIR EL HIDRÓGENO A UNA DETERMINADA PRESIÓN. DEBE TENERSE EN

CUENTA QUE DICHOS CONSUMOS DE ENERGÍA CORRESPONDEN A COMPRESIONES ISOTERMAS REVERSIBLES, SIENDO LOS CONSUMOS REALES MAYORES. ASÍ, EL 5,3%

TEÓRICO PARA ALCANZAR 200 BARG SE CONVIERTE EN REALIDAD EN ALGO MENOS DEL 10%. EN CUALQUIER CASO, LA CURVA NO CRECE LINEALMENTE, LO QUE SUPONE

QUE EN TÉRMINOS RELATIVOS RESULTA MÁS EFICAZ TRABAJAR A ALTAS PRESIONES. ASÍ, EL MÍNIMO CONSUMO PARA ALCANZAR LOS 700 BARG ES 6,5%, ES DECIR, SÓLO

UN 22% MÁS QUE PARA ALCANZAR 200 BARG, HABIÉNDOSE INCREMENTADO LA PRESIÓN 3,5 VECES, DESVIACIÓN QUE SE MANTIENE EN LA REALIDAD.

FIGURA 3.6: EN EL GRÁFICO SIGUIENTE SE MUESTRA LA DENSIDAD DEL HIDRÓGENO EN FUNCIÓN DE LA PRESIÓN A UNA TEMPERATURA DE 0˚C.


2.1.1. TECNOLOGÍA DE CILINDROS

Los cilindros para almacenamiento de gases a alta presión se dividen en cuatro categorías:

- Tipo I: Son las botellas tradicionales, hechas completamente de metal, generalmente acero. Debido a su elevado peso,

su uso para almacenar hidrógeno como combustible resulta inviable en el caso de los vehículos.

- Tipo II: Son cilindros de metal, generalmente aluminio, reforzado en su parte recta con materiales compuestos (fibras

de vidrio o carbono), que ofrecen la ventaja de una reducción en peso frente a los de tipo I y que son los que

normalmente se emplean en vehículos cuyo combustible es el gas natural.

- Tipo III: Estos cilindros están formados por una delgada capa metálica llamada liner, recubierta de materiales

compuestos. Los materiales compuestos son los que soportan los esfuerzos mecánicos mientras que el liner evita el

paso del hidrógeno. Estos cilindros soportan presiones superiores que los de tipo I y II, con lo que se reducen

significativamente las necesidades de espacio al no tener que hacerse las paredes del cilindro tan gruesas.

- Tipo IV: Son cilindros como los de tipo III, pero en este caso el liner es un polímero en lugar de un metal. Trabajan con

las mismas presiones y tienen un peso algo menor, sin embargo, la difusividad del hidrógeno a través del liner es

mayor, lo que puede resultar un problema de seguridad y, además, soportan un número menor de ciclos de carga y

descarga.

Los cilindros de tipo I y tipo II llegan a presiones de trabajo de unos 300 barg, mientras que los tipos III y IV tienen presiones

de hasta 700 barg cuando están destinados a ir a bordo de un vehículo, y de hasta 800 barg cuando van destinados a

aplicaciones estacionarias. En la actualidad existen programas de investigación para construir cilindros de hasta 1000 barg,

pero, si tenemos en cuenta el gráfico anterior en el que se muestra la densidad del hidrógeno en función de la presión, es

poco probable que se desarrollen presiones superiores porque la ganancia en densidad será cada vez menor.

Es importante destacar el elevado coste de los materiales compuestos. A modo de ejemplo, un cilindro de tipo I para

presiones de 200 barg puede costar del orden de 250€/kg de H2 de capacidad, mientras que uno de tipo III puede costar

1000€/kg si es para 350 barg y hasta 1700€/kg si es para 700 barg.

Otro aspecto a tener en cuenta es que si un vehículo va equipado con varios cilindros, como es el caso de los autobuses,

suele quedar más espacio sin utilizar debido al espacio residual entre las botellas.

En cuanto a riesgos, es importante saber que con el aumento de la temperatura puede aumentar la presión de almacenaje

hasta un 10% o más. Cualquier gas almacenado a estas altas presiones es extremadamente peligroso y es capaz de lanzar un

chorro de gas con una fuerza explosiva o lanzar pequeños proyectiles como si de balas se tratasen, por lo que es

especialmente importante el correcto diseño de estos sistemas para prevenir accidentes. De hecho, a pesar del peligro

potencial, los cilindros de alta presión disponen de un excelente expediente de seguridad. El diseño de un cilindro debe

someterse a rigurosas pruebas y pasar satisfactoriamente las pruebas de certificación para el gas específico que deban

contener.

2.2. HIDRÓGENO LÍQUIDO (LH2)

Los sistemas de almacenaje de hidrógeno en estado líquido solventan muchos de los problemas relacionados con el peso y

el tamaño que tenían los sistemas de almacenaje de gas a alta presión, no obstante, necesitan temperaturas criogénicas.

Además, enfriando el hidrógeno hasta que su estado se vuelva líquido aumenta su densidad, con lo que se facilita su

transporte.

El hidrógeno líquido puede almacenarse sólo por debajo de su punto normal de ebullición (-253˚C) a presión ambiental en un

tanque súper-aislante de doble pared llamado tanque Dewar. Éste aislamiento es la parte fundamental de la tecnología de

estos tanques y está formado por varias capas de vacío separadas por capas de diversas fibras.

El hidrógeno no se puede almacenar en estado líquido indefinidamente. Absolutamente todos los tanques permiten que una

cierta cantidad de calor del ambiente de los alrededores se transfiera al interior del tanque. No obstante, este aislamiento

permite que el hidrógeno permanezca en estado líquido dentro del tanque hasta diez días antes de que sea necesario

expulsar parte del hidrógeno al exterior por los aumentos de presión ocasionados por su calentamiento. Una vez que se

empiezan a producir expulsiones, el ritmo de pérdida diaria es del 1-2% de su capacidad total.


Los tanques que se emplean a bordo de los vehículos contienen una mezcla bifásica de hidrógeno que se mantiene a una

presión de entre 3 y 10 bares aproximadamente. Si la presión es demasiado baja, parte del hidrógeno se vaporiza por medio

de una resistencia eléctrica o permitiendo el intercambio de calor con el exterior; por el contrario, si la presión es demasiado

elevada, se expulsa parte del hidrógeno gaseoso al exterior.

El proceso de licuefacción de hidrógeno requiere mucha energía, entre el 30-40% del contenido energético del hidrógeno

licuado, y resulta tecnológicamente complejo. De hecho, sólo existen unas veinte plantas de este tipo en todo el mundo, de

las cuales cuatro se encuentran en Europa: dos en Alemania, una en Holanda y otra en Francia.

Los tanques de almacenaje de hidrógeno líquido estacionarios normalmente son de forma esférica, dado que esta forma

geométrica ofrece una menor área superficial para un volumen determinado (menor superficie de transferencia térmica) y

distribuye de manera más uniforme la presión.

Los tanques para vehículos se fabrican con formas cilíndricas, no tanto por la presión interior sino para minimizar esta

superficie de transferencia. Por ello, se intentará que la longitud y el diámetro sean lo más parecidos posible, aunque las

necesidades de cada proyecto en concreto pueden forzar a utilizar otras geometrías con peores prestaciones [FIGURA 3.7].

EL USO DE UNAS TEMPERATURAS TAN REDUCIDAS NO SOLO PRESENTA EL PROBLEMA DEL AISLAMIENTO, SINO TAMBIÉN OTROS PROBLEMAS COMO LA

CONTRACCIÓN Y FRAGILIZACIÓN DE LOS MATERIALES, LA POSIBILIDAD DE CONGELACIÓN DEL OXÍGENO DEL AIRE CIRCUNDANTE, EL POSIBLE DERRAME EN

CASO DE ACCIDENTE Y SU RÁPIDA EXPANSIÓN EN CONTACTO CON EL AIRE.

ADEMÁS, EL CONTACTO DEL AIRE ATMOSFÉRICO CONDENSADO O SOLIDIFICADO, O TRAZAS ACUMULADAS EN EL PROCESO DE PRODUCCIÓN, CON EL HIDRÓGENO LÍQUIDO

LO CONTAMINAN Y FORMAN UNA MEZCLA INESTABLE QUE PUEDE DETONAR CON EFECTOS SIMILARES A LOS PRODUCIDOS POR TRINITROTOLUENO (TNT).

TAMBIÉN SE DEBE TENER EN CUENTA EL USO DE PROTECCIÓN ADECUADA AL MANIPULAR HIDRÓGENO LÍQUIDO DEBIDO A SU BAJA TEMPERATURA Y EL DAÑO QUE PUEDE

CAUSAR EN CONTACTO CON CUALQUIER PARTE DEL CUERPO.

BMW ha apostado por esta forma de almacenamiento para sus 750 hl. El depósito consiste básicamente en dos capas de

acero separadas por una cámara de vacío, donde existen además 70 capas de fibra de vidrio intercaladas con láminas de

aluminio que actúan como aislante térmico. Además, el tanque posee un aislamiento exterior del depósito que actúa como

una capa de 4 metros de grosor de estireno, siendo su espesor de sólo 3 centímetros. Todo este aislamiento consigue que el

aumento de temperatura por día sea de 1˚C, con lo cual se produce un aumento de la presión de 1bar/día. Este hecho está

también previsto con la inclusión de válvulas que se abren cuando la sobrepresión es de 4bar, con lo cual se evitan posibles

fallos debidos a las tensiones generadas. Por último, el asunto de las explosiones sería causado en coches con motor

convencional por la reacción del oxígeno del aire y la gasolina en el interior del depósito, pero, en este caso, al no existir aire

en el interior, queda descartada esta posibilidad. Hay que excluir también la posibilidad de entrada de aire en el tanque a

causa de la mayor presión a que se encuentra sometido el hidrógeno.

2.3. HIDRUROS

2.3.1. VENTAJAS

Tal y como se ha podido ver en puntos anteriores, el almacenamiento de hidrógeno gaseo comprimido necesita de elevadas

presiones en los depósitos de confinamiento, mientras que el almacenamiento líquido necesita de depósitos criogénicos. Por

tanto, ambos sistemas presentan dificultades. Ante esta situación aparece el almacenaje por hidruros metálicos, que

solventa algunos de los inconvenientes anteriores y presenta un modo compacto e intermedio en peso para el almacenaje.


2.3.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Existen ciertos metales que presentan una cierta tendencia a combinarse con el hidrógeno. Los enlaces que se forman no

suelen ser muy fuertes, lo cual permite romperlos aplicando algo de calor. Así pues, en el caso de los vehículos con motores

de combustión, podemos aprovechar los gases calientes del escape para provocar la deserción del hidrógeno contenido en el

metal. En cualquier otro caso, esto puede realizarse mediante resistencias. El proceso resulta totalmente reversible, de

manera que podremos rellenar el depósito tantas veces como sea necesario.

Los hidruros metálicos se dividen en tres categorías generales en función del tipo de enlace: iónicos (AB), metálicos (AB5) y

covalentes (A2B). Cada grupo tiene características especiales. Los AB son los de menor coste, los A2B son los más ligeros y los

AB5 muestran poca histéresis7, tolerancia a las impurezas y fácil hidrogenación. Además, tanto los de tipo AB como los AB5

tienen presiones de equilibrio de unos pocos bares hasta los 100˚C.

El almacenamiento de hidrógeno se produce del siguiente modo:

- Al principio el metal está libre de hidrógeno.

- Al aumentar la temperatura, llega un momento en el que la fase alfa se convierte en la fase hidruro, y el hidrógeno se

disuelve en la fase metálica aumentando la presión.

- Conforme aumenta la presión, los incrementos en contenido de hidrógeno son cada vez menores hasta que el material

puede considerarse cargado.

- En la descarga la presión disminuye, de manera que debe suministrarse calor si se quieren mantener las condiciones

isotermas de reversibilidad. Sin embargo, aun en el mejor de los casos, se produce un efecto de histéresis.

7 LA HISTÉRESIS ES LA TENDENCIA DE UN MATERIAL A CONSERVAR UNA DE SUS PROPIEDADES, EN AUSENCIA DEL ESTÍMULO QUE LA HA GENERADO.

FIGURA 3.7: DEPOSITO DE HIDROGENO LIQUIDO DE 120 LITROS. CON UN PESO DE 90 KG Y 8 BARES DE PRESIÓN DISEÑADO POR LA COMPAÑÍA LINDE.


2.3.3. VENTAJAS Y PROBLEMAS TÉCNICOS

La principal ventaja de los metales como contenedores de hidrógeno se encuentra en el hecho de que se pueden conseguir

densidades de hidrógeno dentro del metal mayores que la del hidrógeno líquido. Otra ventaja de esta forma de almacenar

hidrógeno es su seguridad, ya que resultan más seguros que los actuales depósitos de gasolina.

Por otra parte, el mayor problema que presentan los hidruros metálicos como sistema de almacenaje de hidrógeno es su

elevado peso, que en el caso de los vehículos provocará una reducción de la relación potencia/peso. Este problema surge al

emplear aleaciones de hierro y titanio, y podría solventarse parcialmente con aleaciones de magnesio y níquel, más ligeras,

pero que requieren una mayor temperatura para liberar el hidrógeno.

Otra desventaja de la utilización de hidruros la encontramos a la hora de repostar, ya que el tiempo que tarda un depósito de

este tipo en rellenarse es de unos 15 minutos, demasiado tiempo en comparación con los 3 minutos que aproximadamente

se necesitan con un vehículo de gasolina. La velocidad en el proceso de carga y descarga del hidrógeno depende del

coeficiente de transmisión de calor en el lecho metálico y de las presiones y temperaturas de almacenamiento. Sin embargo,

no se trata de un aspecto que no pueda ser superado satisfactoriamente con la investigación necesaria.

Desde los años 70 se han construido varios prototipos de coche que cuentan con este tipo de sistema de almacenamiento y

el resultado ha sido bastante satisfactorio, aunque todavía es uno de los sistemas de almacenamiento menos desarrollados.

2.4. ADSORCIÓN AL CARBÓN

La adsorción al carbón es una técnica muy parecida a la empleada con los hidruros metálicos, en donde el hidrógeno se une

químicamente sobre la superficie de nanoestructuras de carbón altamente porosas. El carbón es adsorbido entre -185˚C y -

85˚C y a presiones 21-48 barg. La cantidad de adsorción de carbón aumenta con temperaturas más bajas, mientras que

temperaturas por encima de los 150˚C hacen expulsar el hidrógeno.

2.5. MICROESFERAS DE CRISTAL

Los sistemas de almacenaje de hidrógeno mediante microesferas de cristal utilizan bolas huecas y minúsculas de cristal, de

unos pocos micrones8 de diámetro, en el interior de las cuales el hidrógeno es forzado bajo muy altas presiones.

El proceso que se sigue con este sistema de almacenaje de hidrógeno es el siguiente:

- Una vez se ha introducido el hidrógeno a alta presión y temperatura, las microesferas se pueden almacenar en

condiciones normales de temperatura y presión sin que sufran pérdidas.

- Para extraer el hidrógeno, las microesferas se introducen en un tanque de baja presión y se calientan de nuevo. El calor

provocará que el hidrógeno sea expulsado quedando almacenado en el tanque.

2.6. OXIDACIÓN DE HIERRO

La oxidación del hierro es un proceso mediante el cual el hidrógeno es formado cuando el hierro esponjoso reacciona con el

vapor de agua de la siguiente manera:

% %

3% %&

El subproducto de este proceso es la herrumbre. Una vez que el hierro se haya oxidado por completo, debe ser introducido

en un nuevo tanque y reconvertido en hierro esponjoso mediante procesos industriales.

En el caso de los vehículos con motor de combustión, el vapor y el calor necesarios para la reacción pueden ser

potencialmente suministrados mediante los gases de escape.

8 MILLONÉSIMAS DE METRO.


Aunque el hierro es barato, es muy pesado, con lo que el proceso es eficaz sólo un 4,5%. Además, se requiere el uso de un

costoso catalizador para mantener la reacción a las temperaturas prácticas de entre 80˚C y 200˚C.

2.7. BIOCOMBUSTIBLES

De igual manera que es posible la obtención de hidrógeno a partir de biocombustibles como el etanol o el metanol en

industrias, también es posible realizar esta conversión mediante catalizadores que nos permiten obtener el hidrógeno

necesario en un momento determinado. Incluso existen pilas de combustible que integran este catalizador con una unidad

que genera electricidad mediante la recombinación química del hidrógeno para producir agua, de manera que pueden

trabajar directamente con un estos biocombustibles.

Por tanto, es posible utilizar los biocombustibles como portadores de hidrógeno, con lo que tan solo sería necesario un

depósito para combustibles líquido, como los utilizados actualmente para la gasolina, para transportarlos.

3. TRANSPORTE DE HIDRÓGENO

3.1. EN FORMA GASEOSA

La distribución a través de semirremolques con botellas de 200 bares, con una capacidad en torno a 300 kg de hidrógeno, es

la más adecuada para unas demandas bajas como las actuales. Cuando haya un aumento de la demanda, a medio plazo, este

sistema de distribución no será suficiente y será necesario realizar la distribución a través de cisternas de hidrógeno líquido

con una capacidad de 3.000 kg de hidrógeno. A largo plazo, con una introducción total en el mercado y la llegada de la

economía del hidrógeno9, la forma de distribución más viable técnica y económicamente será a través de tuberías, mediante

una red canalizada de hidrógeno.

El creciente interés en el uso del hidrógeno como vector energético10

ha dado lugar a numerosos estudios acerca de la

viabilidad del transporte de hidrógeno mediante tuberías. Es cierto que estas redes de tuberías son parecidas a las utilizadas

actualmente para la distribución de gas natural, aunque con variaciones en ciertos parámetros, como el diámetro, el nivel de

presión, las distancias entre las estaciones de compresión, el material de fabricación… debido a las propiedades físico-

químicas del hidrógeno gaseoso, vistas en el tema anterior.

El hidrógeno ya es suministrado hoy en día mediante tuberías en varias áreas industriales de los Estados Unidos, Canadá, y

Europa. Las presiones de funcionamiento típicas son de 1-3 MPa, con caudales de 310-8.900 kg/h. Alemania dispone una

tubería de 210 km que funciona desde 1939, llevando 8.900 kg/h de hidrógeno a presiones de unos 2 MPa. La tubería más

larga de suministro de hidrógeno del mundo es propiedad de Air Liquide11

, con una longitud de 400 km y que conecta el

norte de Francia con Bélgica. En Estados Unidos hay más de 720 km de tuberías de hidrógeno concentradas a lo largo de la

costa del Golfo y la región de los Grandes Lagos. Con los objetivos de mejorar la logística del hidrógeno se han lanzado en

Europa proyectos como el Naturhy para investigar sobre la distribución de hidrógeno a través de las tuberías de gas natural

[FIGURA 3.8].

9 LA ECONOMÍA DE HIDRÓGENO ES UN MODELO ECONÓMICO ENERGÉTICO ALTERNATIVO AL USO DE COMBUSTIBLES FÓSILES, EN EL CUAL LA ENERGÍA, PARA SU USO BÁSICO EN

LOS MEDIOS DE TRANSPORTE, SE ALMACENA COMO HIDRÓGENO. UNA MUY BUENA FUENTE DE INFORMACIÓN SOBRE EL TEMA ES EL LIBRO «LA ECONOMÍA DEL HIDRÓGENO»

DE JEREMY RIFKIN. 10

SE DENOMINA VECTOR ENERGÉTICO A AQUELLAS SUSTANCIAS O DISPOSITIVOS QUE ALMACENAN ENERGÍA, DE TAL MANERA QUE ÉSTA PUEDA LIBERARSE POSTERIORMENTE

DE FORMA CONTROLADA. SE DIFERENCIAN DE LAS FUENTES PRIMARIAS DE ENERGÍA EN QUE, A DIFERENCIA DE ÉSTAS, SE TRATA DE PRODUCTOS MANUFACTURADOS, EN LOS

QUE PREVIAMENTE SE HA INVERTIDO UNA CANTIDAD DE ENERGÍA MAYOR PARA SU ELABORACIÓN. POR TANTO, SE PUEDEN CONSIDERAR SINÓNIMOS DE «PORTADORES DE

ENERGÍA». 11

AIR LIQUIDE ES UNA MULTINACIONAL FRANCESA LÍDER MUNDIAL EN LA PRODUCCIÓN Y COMERCIALIZACIÓN DE GASES INDUSTRIALES Y MEDICINALES.


3.2. EN FORMA LÍQUIDA

El transporte de hidrógeno en estado líquido está bien establecido y se realiza a través camiones, ferrocarril y transporte

marítimo, por medio de contenedores aislados especiales de doble pared para prevenir los problemas de vaporización, la

capacidad de los cuales depende del medio de transporte al que vayan destinados. Algunos contenedores utilizan nitrógeno

líquido a modo de camisa exterior para minimizar la transferencia de calor al interior del tanque, por lo que la cantidad de

hidrógeno vaporizado en este tipo de contenedores suele ser de sólo un 0,3-0,6% del contenido total al día.

El hidrógeno se transporta en estado líquido por una cuestión económica. Un camión cisterna llega a transportar, en

hidrógeno líquido, el equivalente a 15-30 camiones que transporten hidrógeno gaseoso a alta presión. Posteriormente a su

transporte, el hidrógeno se convierte a gas ya en la planta donde vaya a ser utilizado. La capacidad típica de estos

convertidores es de hasta 3.000 m3/h.

Otra idea para el suministro del hidrógeno líquido sería a través de una tubería aislada que incluyese también un cable

superconductor. El hidrógeno líquido actuaría como refrigerante para el superconductor y permitiría el transporte de energía

eléctrica eliminando las pérdidas de las líneas eléctricas convencionales.

Los problemas principales para el transporte del hidrógeno líquido son su difícil aislamiento y las pérdidas durante el bombeo

y el reenfriamiento del hidrógeno líquido a lo largo del transporte.

Otra forma líquida de transportar el hidrógeno sería contenido en biocombustibles, como ya hemos mencionado

anteriormente. Esto permitiría su distribución tanto por diferentes medios de transporte (camión, ferrocarril, barco, etc.)

como por canalizaciones.

3.3. HIDROGENERAS

Una hidrogenera es una estación de servicio que dispensa hidrógeno [FIGURA 3.9], ya sea en pilas de combustible o como

materia prima. Si bien se lleva utilizando el hidrógeno en la industria durante muchos años, el uso por personal no cualificado

de forma segura es algo nuevo. Esto va a implicar un diseño de los surtidores de manejo muy sencillo y a prueba de fugas o

errores.

FIGURA 3.8: MAPA DE LA UBICACIÓN DE LAS PRINCIPALES TUBERÍAS UTILIZABLES PARA LA DISTRIBUCIÓN DE HIDRÓGENO EN EUROPA PROPUESTA EN EL PROYECTO

NATURHY.


La disponibilidad suficientemente extensa de estas instalaciones y el sobrecoste que la estación de servicio tenga sobre el

precio final del combustible son temas económicos que probablemente tengan su solución a largo plazo.

Por otro lado, la velocidad de repostado es un problema técnico, que afectará al diseño del esquema de carga y dependerá

del tipo hidrógeno que se necesite (comprimido, licuado o combinado en un compuesto líquido).

Dentro de las hidrogeneras distinguimos dos tipos diferentes: las que producen el gas «in situ» según la demanda y las que

se provén de hidrógeno producido externamente. Para ambos, la seguridad, no sólo del cliente, sino de su personal y de

toda la instalación, es una prioridad, y para esto no encarezca las instalaciones de forma desmesurada es importante el

desarrollo de estándares, tal como vimos en el tema 2.

La velocidad de repostado que permita una mayor utilización de las instalaciones es también un parámetro de interés,

aunque no el más crítico. Un parámetro que sí que será crítico en la implantación y distribución a nivel mundial de las

hidrogeneras es el económico, que engloba la inversión inicial, los costes de mantenimiento de los equipos y el coste de

personal. Aunque éste dependerá de si las estaciones de servicio tienen o no producción, en ambos casos será necesario que

el personal que deba estar de forma permanente en las estaciones de servicio no sea de formación alta, pues esto supondría

unos costes inviables.

Por último, los requisitos de las empresas energéticas son claros: unos costes mínimos de transporte. Esto implica que estas

empresas son las más interesadas en buscar un óptimo sistema de suministro, probablemente mezcla de las diversas

soluciones vistas anteriormente y la producción «in situ» mediante los sistemas vistos al inicio del tema, incluidos los

biocombustibles, los cuales debería ser posible obtener también, para los casos de vehículos que opten por transportar el

hidrógeno contenido en etanol o metanol.

A lo largo de los próximos años y con la difusión de los vehículos de hidrógeno y la implantación de este gas en el mercado,

se verá una notable evolución desde las actuales gasolineras hasta las hidrogeneras finales, que durante el tiempo que dure

este largo y progresivo cambio, deberán ser capaces de adaptarse a las necesidades y demandas del mercado.

FIGURA 3.9: INAUGURACIÓN DE LA HIDROGENERA UBICADA EN EL EDIFICIO QUE LA FUNDACIÓN PARA EL DESARROLLO DE LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS DEL HIDRÓGENO

EN ARAGÓN TIENE EN EL PARQUE TECNOLÓGICO WALQA DE HUESCA.

DESPUÉS DE CONOCER LAS PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO Y LA GRAN CANTIDAD DE MÉTODOS QUE EXISTEN PARA SU OBTENCIÓN Y TRANSPORTE, VAMOS

A VER CUÁLES SON SUS APLICACIONES ENERGÉTICAS, QUE NOS PODRÍAN AYUDAR TAMBIÉN A SOLUCIONAR ALGUNOS DE LOS PROBLEMAS VISTOS EN EL

TEMA 1.


1. EL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE PARA EL TRANSPORTE

Durante más de un siglo el hidrógeno se ha considerado como un combustible conveniente y limpio, con capacidad para

reducir los costos económicos, políticos y ambientales de los sistemas energéticos, debido a la amplia gama de fuentes

energéticas, muchas de ellas renovables, y productos químicos (gas natural, carbón, biomasa, agua, aguas negras, residuos

sólidos, desechos del petróleo…) a partir de los cuales podemos obtenerlo. Así pues, a largo plazo, el hidrógeno ofrece un

potencial de energía que sería sostenible en todos sentidos.

Además, también ayuda a reducir la contaminación y, por tanto, los costos relacionados con la preservación de la salud, que

cada día son más elevados en nuestras sociedades.

Por varios motivos, una de las aplicaciones energéticas más importantes para el hidrógeno la encontramos en el sector de los

transportes. Muchos de estos motivos los hemos visto a lo largo de los temas anteriores; los principales son:

- Actualmente, los consumidores pagan bastante más por la energía utilizada en el transporte que por la empleada en

otros ámbitos (hogar, trabajo…), pudiendo ser la relación de hasta 8 a 1 para una familia de clase media.

- El sector transporte tiene también un gran potencial de ganancias por eficiencia de combustible, es decir, cuan más

eficiente es un combustible, mayor beneficio pueden obtener a partir del mismo. Así pues, la eficiencia de los

automóviles modernos se encuentra en torno al 13% (ciclo de manejo urbano), mientras que los vehículos a hidrógeno

(híbridos, eléctricos, de combustión interna…) pueden alcanzar eficiencias del orden de entre el 35% y el 45%.

- Los vehículos impulsados por hidrógeno pueden cumplir con la demanda creciente de bajas o cero emisiones.

- El transporte de hidrógeno resulta, en principio, más barato que el de la electricidad, aunque por el momento es

también más complicado y resulta más caro.

En diferentes países industrializados se están llevando a cabo, actualmente, investigaciones para el uso del hidrogeno como

portador de energía.

2. PILAS DE COMBUSTIBLE

Una pila de combustible, cuyo funcionamiento es semejante al de una batería, es un dispositivo que genera electricidad

combinando hidrógeno y oxígeno electroquímicamente sin ninguna combustión, pero que a diferencia de una batería, no se

agota ni requiere recarga, aunque sí necesita un subministro continuo de combustible con el cual producirá energía en forma

de electricidad y calor, y agua pura como único subproducto.

Las pilas o celdas de combustible permiten promover una diversidad de energía y una transición hacia fuentes de energía

renovables, debido a los distintos combustibles que pueden ser usados en éstas (hidrógeno, metanol, etanol, gas natural,

LGP…) y al hecho de que, en el caso de las que funcionan con hidrógeno puro, el proceso es reversible, es decir, que

producen hidrógeno y oxígeno si se les subministra agua y energía, normalmente eléctrica, que puede ser obtenida de un

gran número de fuentes (biomasa, sistemas eólicos, hidráulicos, solares…).

Además, no todas las pilas que veremos se alimentan directamente de hidrógeno y oxígeno. Muchas de ellas se alimentan

con otros combustibles que, mediante reacciones químicas, liberan hidrógeno que es aprovechado para la producción de

energía.

2.1. ORIGEN

La primera pila de combustible fue construida en 1.839 por Sir William Grove, un abogado londinense con aficiones

ingenieriles. No obstante, el verdadero interés por estos dispositivos no vino hasta comienzo de 1.960, cuando el programa

espacial de los Estados Unidos seleccionó las celdas de combustible, en lugar de arriesgarse con el generador nuclear o de

escoger la costosa energía solar, para muchos de sus proyectos. Por ejemplo, fueron celdas de hidrógeno las que

proporcionaron electricidad y agua a las naves espaciales Gemini y Apollo.


2.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El funcionamiento de una pila de combustible, en este caso de una con membrana intercambiadora de protones o electrolito

polimérico (PEMFC, del inglés Proton Exchange Membrane Fuel Cell) que utilizaremos a modo de ejemplo, se puede resumir

en:

- El hidrógeno llega al ánodo y se disocia en un electrón y un protón.

- Los protones son conducidos a través de la membrana (electrolito) hacia el cátodo.

- Los electrones, que han sido forzados a viajar a través de un circuito conductor externo para producir energía porque no

pueden pasar a través de la membrana, se encuentran, al llegar al cátodo, con oxígeno y protones (los producidos en la

disociación del hidrógeno) y se combinan para formar agua.

Cabe remarcar que muchas membranas necesitan estar humidificadas para que se produzca una conducción protónica

efectiva y que es común el uso de catalizadores en el ánodo y el cátodo para facilitar la reacción. También es común la

producción de calor en este tipo de dispositivos, en mayor o menor medida, según su tipo.

En otro tipo de pilas que utilizan hidrógeno contenido en otras moléculas combustibles (diésel, metanol, hidruros

químicos…), en vez de hidrógeno puro, el residuo producido, además de agua, es dióxido de carbono (CO2), entre otras

substancias.

2.2.1. AGRUPACIÓN

La tensión o voltaje que nos puede subministrar una pila de hidrógeno depende de la carga del circuito. En un circuito

abierto, esta tensión es de aproximadamente 1,2V. Así pues, para conseguir pilas de hidrógeno que subministren diferentes

voltajes e intensidades, estas se suelen agrupar en serie (para ganar voltaje) y paralelo (para ganar intensidad).

2.3. TIPOS

Como ya se ha mencionado antes, existen diversos tipos de pilas de combustible, cada una con unas características que la

diferencia de las demás en distintos aspectos: materiales de construcción, tamaño, peso, rendimiento, coste de producción,

combustibles que puede utilizar… No obstante, y de acuerdo a un reciente estudio realizado por Arthur D. Little Inc., no se

puede considerar ninguna de ellas como la mejor, puesto que cada una es apropiada para ciertas aplicaciones.

Algunos ejemplos de tipos de pilas y/o celdas de combustible pueden ser: alcalinas (AFC), de borohidruro directo (DBFC), de

carbón directo (DCFC), de etanol directo (DEFC), de metanol directo (DMFC), electro galvánicas (EGFC), de ácido fórmico

(FAFC), de hidruro metálico (MHFC), microbianas (MFC), de carbonatos fundidos (MCFC), de ácido fosfórico (PAFC),

fotoquímicas (PEC), de membrana intercambiadora de protones (PEMFC), protónica cerámica (PCFC), de óxido sólido

(SOFC)1… Veamos las más importantes:

2.3.1. ALCALINAS (AFC)

También llamadas celdas de combustible Bacon en honor a su inventor, Fancis Thomas Bacon (1.904-1.992), son una de las

pilas de combustible más desarrolladas, utilizadas desde hace años por la NASA en misiones espaciales tales como las

misiones Apollo o en el Space Shuttle. Consumen hidrógeno y oxígeno puros y producen agua, calor y electricidad, siendo

una de las pilas de combustible con una eficiencia más alta, de hasta el 70%.

Las AFCs de alta temperatura trabajan entre 100-250°C, aunque existen otros modelos que operan a temperaturas más

bajas, entre los 23-70°C.

Las AFCs tienen la ventaja de poder utilizar metales no-preciosos para los electrodos. En cambio, su principal inconveniente

es la intoxicación por CO2 y, como en muchas otras, la durabilidad de sus componentes. Aunque puede trabajar

1 EXISTE UN EXTENSO DOCUMENTO EN INGLÉS REALIZADO POR EL DEPARTAMENTO DE ENERGÍAS DE ESTADOS UNIDOS, TITULADO «FUEL CELL HANDBOOK», CON TODA LA

INFORMACIÓN REFERENTE A PILAS DE COMBUSTIBLE IMAGINABLE [CD: DOC11].


establemente durante más de 8.000 horas, para que su uso a gran escala sea económicamente viable, se necesitan alcanzar

las 40.000 horas, algo en lo que se está investigando actualmente.

2.3.1.1. REACCIÓN

En estas pilas tiene lugar una reducción redox2 entre hidrógeno y oxígeno. En el ánodo, el hidrógeno es oxidado:

2 2 2

Esto produce agua y libera dos electrones, que circulan a través de un circuito externo y llegan al cátodo, reduciendo el

oxígeno:

2 4 4

Esto, su vez, libera cuatro iones hidróxido. La reacción completa consume un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno en la

producción de una molécula de agua y libera electricidad y calor como subproductos [FIGURA 4.1].

2.3.1.2. ELECTROLITOS

En algunas AFCs, los electrodos están separados por una matriz porosa saturada en una solución acuosa alcalina, como

hidróxido de potasio (KOH), que puede ser fácilmente intoxicada con dióxido de carbono (CO2) mediante su conversión a

carbonato de potasio (K2CO3), por lo que sólo se pueden utilizar gases purificados y se suelen incorporar filtros para la

eliminación del dióxido de carbono que pueda llegar a su interior, lo que hace que su coste se dispare.

Por otro lado, la intoxicación del electrolito es, en algunos casos, irreversible, aunque existen algunos tipos de celdas AFC con

cierta resistencia este efecto.

- DE ELECTROLITO LÍQUIDO ESTÁTICO: Suelen utilizar un electrolito de amianto saturado en hidróxido de potasio (KOH), platino

como catalizador y producen agua pura en el ánodo. Este tipo de pila es muy sensible al CO2.

- DE ELECTROLITO LÍQUIDO CIRCULANTE: Dentro de este grupo encontramos dos variantes más:

2 REACCIÓN EN LA QUE UN ELEMENTO (REDUCTOR) CEDE ELECTRONES AL MEDIO, OXIDÁNDOSE, PARA QUE OTRO ELEMENTO (OXIDANTE) LOS CAPTE, REDUCIÉNDOSE.

FIGURA 4.1 – CELDA AFC: PODEMOS OBSERVAR EN ESTA REPRESENTACIÓN LAS REACCIONES QUE TIENE LUGAR EN ESTE TIPO DE PILA DE COMBUSTIBLE.


- PILAS ASK: El electrolito circula entre los electrodos y el agua producida se mezcla con éste, por lo que deberá ser

substituido manualmente cada cierto tiempo. Además, puesto que los electrodos se encuentran más separados

para permitir la circulación del electrolito, la resistencia de la celda aumenta y, por tanto, su potencia de salida

disminuye en comparación con las pilas de electrolito estático.

Pueden utilizar catalizadores como el platino o metales no nobles y pueden funcionar miles de horas con aire sin

que los poros del cátodo se bloqueen con K2CO3, lo que sería irreversible, siempre y cuándo se substituya el

electrolito con suficiente frecuencia.

- PILAS ELOFLUX: El electrolito circula a través de los electrodos, su fabricación es menos costosa y el electrolito se

remplaza con gran facilidad, pero aún está en desarrollo.

- CON MEMBRANA DE INTERCAMBIO ANIÓNICA ALCALINA (AAEM): Este tipo de membranas semi-impermeables generalmente

hechas de ionómeros3 están diseñadas para conducir aniones y no permitir el paso de oxígeno o hidrógeno. Su ventaja

recae en poder usar metales no-nobles (hierro, cobalto o níquel) para su fabricación y en proteger a los electrodos de la

formación de carbonatos.

2.3.1.3. VARIANTES

Las celdas de borohidruro directo y de hidruro metálico son dos subclases relativamente nuevas dentro de las pilas AFCs que

se encuentran actualmente en fase de desarrollo e investigación y se caracterizan por su capacidad para combinar

químicamente y almacenar hidrógeno en su interior. Sus principales características son las siguientes:

- CELDAS DE BOROHIDRURO DIRECTO (DBFC): Se alimentan con borohidruro de sodio o de potasio como combustible y aire,

oxígeno o peróxido de hidrógeno como oxidante. Tienen un potencial de trabajo elevado y su producción no es muy

costosa. Una vez se ha oxidado el combustible, este puede ser hidrogenado para reconvertirlo en un borohidruro con

agua, electricidad y calor. No obstante, presentan el inconveniente que en la reacción de oxidación se produce

hidrógeno como subproducto, y este debe ser eliminado o evacuado para su uso en otras aplicaciones o en otro tipo de

pilas de combustible.

- CELDAS DE HIDRURO METÁLICO (MHFC): Se alimentan con hidrógeno puro como combustible y aire u oxígeno puro como

oxidante. Son reversibles (se pueden recargar eléctricamente de manera semejante a una batería NiMH), trabajan a

temperaturas por debajo de los -20°C, tiene una vida útil prolongada, buenas propiedades de arranque en frío y pueden

operar durante periodos de tiempo limitados sin una fuente de hidrógeno externa, lo que permite el reemplazo de

cisternas o bombonas en caliente, es decir, sin tener que desconectar la celda, en aplicaciones estacionarias.

El funcionamiento de este tipo de celdas está estrechamente relacionado con el apartado de hidruros metálicos del

tema 3.

2.3.2. CARBONATO FUNDIDO (MCFCS)

Las celdas de carbonato fundido trabajan a temperaturas por encima de los 600°C y ofrecen rendimientos muy elevados,

sobre el 60%, pudiendo incluso alcanzar el 85% si el calor residual es recuperado y aprovechado.

Utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de carbonatos fundidos suspendidos en una matriz cerámica porosa y

químicamente inerte de beta-alúmina (BASE, Beta-Alumina Solid Electrolyte). Su elevada temperatura de trabajo permite

usar metales no-preciosos como catalizadores en el ánodo y en el cátodo y reducir así su coste.

Además, a diferencia de muchos otros tipos de pilas o celdas que trabajan a temperaturas más bajas, las MCFCs no necesitan

un reformador externo que convierta determinados combustibles en hidrógeno, puesto que su alta temperatura los

transforma automáticamente en hidrógeno mediante un proceso llamado reformado interno, lo que también ayuda a

reducir costes. Es más, debido a su alta resistencia a las impurezas y a que ni el monóxido ni el dióxido de carbono afectan a

sus componentes, se cree que pueden funcionar con óxidos de carbón (o derivados) como combustible e incluso utilizarse

para el reformado de carbón en hidrógeno, teniendo en cuenta que es posible hacerlas resistentes al sulfuro y otros

elementos que aparecen durante este proceso [FIGURA 4.2].

Este tipo de celdas está pensada para aplicaciones estacionarias: industria, plantas energéticas, aplicaciones militares…

3 POLÍMERO FORMADO POR UNIDADES REPETITIVAS NO IÓNICAS Y UN PEQUEÑO PORCENTAJE, NORMALMENTE INFERIOR AL 15%, DE UNIDADES REPETITIVAS QUE CONTIENEN

IONES.


Se están invirtiendo muchos esfuerzos en la investigación de este tipo de celdas debido a su gran potencial y a que tiene un

problema que conviene corregir: su alta temperatura de trabajo y el electrolito corrosivo aceleran la corrosión y rotura de sus

componentes, disminuyendo la vida de la pila.

2.3.3. ÁCIDO FOSFÓRICO (PAFCS)

Utilizan ácido fosfórico [FIGURA 4.3] como electrolito y electrodos porosos de carbono con un catalizador de platino, lo que

eleva su coste. El ácido fosfórico se solidifica a 40°C, lo que dificulta su puesta en marcha y limita sus aplicaciones a

funcionamiento continuo. Una vez entran en funcionamiento, su temperatura de trabajo es de entre 150-200°C.

Éste es el tipo de celda de combustible más desarrollado a nivel comercial y ya se encuentra en uso en aplicaciones tan

diversas como clínicas y hospitales, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas eléctricas y una terminal aeroportuaria.

Como vemos, sus aplicaciones son básicamente estacionarias, pero también se han utilizado en vehículos grandes, como

autobuses.

Las PAFCs también son muy tolerantes a las impurezas y ofrecen unas eficiencias elevadas, de hasta el 85% si el vapor que

producen es aprovechado en cogeneración. Sin utilizar cogeneración, en cambio, su eficiencia se ve reducida hasta un rango

de entre el 37% y el 42%, aunque continúan siendo porcentajes bastante altos.

Uno de sus principales inconvenientes, a parte del coste de producción, es que son menos potentes que otros tipos de

celdas, cosa que, en comparación, las hace más pesadas y grandes.

FIGURA 4.2 – CELDA MCFC: PODEMOS OBSERVAR EN ESTA REPRESENTACIÓN LAS REACCIONES QUE TIENE LUGAR EN ESTE TIPO DE PILA DE COMBUSTIBLE. A LA SALIDA

DE LA CELDA (IZQUIERDA, ABAJO) SE OBTIENE AGUA QUE PUEDE SER UTILIZADA PARA LA PRODUCCIÓN DE ÓXIDOS DE CARBONO, QUE SON RECONDUCIDOS A LA ENTRADA

DE LA PILA (DERECHA, ABAJO).


2.3.4. POLÍMERO SÓLIDO O MEMBRANA DE INTERCAMBIO PROTÓNICO (PEMFC)

Las PEMFCs fueron inventadas en 1960 por Willard Thomas Grubb y Leonard Niedrach de General Electric. Se utilizaron en las

misiones Gemini de la NASA, aunque posteriormente fueron remplazadas por pilas de hidrógeno alcalinas ya que no dieron

los resultados esperados y su coste era muy elevado. Actualmente, gracias a las muchas investigaciones llevadas a cabo y con

el uso de electrolitos más delgados y con menos platino, su coste se ha reducido significantemente y su rendimiento ha

aumentado, lo que ha obligado a replantearse su uso.

Las PEMFCs pueden entregar mucha potencia con un peso y un volumen bajos, en comparación con los otros tipos de pilas.

Utilizan un polímero sólido como electrolito y electrodos porosos de carbono con un catalizador de platino. No utilizan

substancias altamente corrosivas para funcionar, tan solo necesitan hidrógeno y oxígeno (del aire, por ejemplo) [FIGURA 4.4].

Su temperatura de trabajo relativamente baja, de unos 80°C, lo que les permite un arranque rápido y supone un menor

desgaste para sus componentes, prolongando por tanto la vida de los mismos.

Por otro lado, el catalizador utilizado debe ser un metal noble, normalmente platino, lo que eleva considerablemente su

coste. Además, el catalizador de platino es extremadamente sensible al CO, por lo que es necesario un circuito de filtrado

externo si el hidrógeno utilizado no es puro. Actualmente se está investigando en catalizadores de platino/rutenio, que son

más resistentes al CO.

Su principal aplicación es el uso en vehículos, a causa de su buena relación potencia/densidad y su rápida puesta en marcha,

aunque también se puede utilizar en algunas aplicaciones estacionarias. También se está trabajando en su miniaturización

para poder utilizarlas en pequeños aparatos electrónicos (móviles, ordenadores portátiles, videocámaras…) [FIGURA 4.5].

2.3.4.1. REACCIÓN

Las PEMFCs transforman la energía química liberada en la reacción electroquímica entre el hidrógeno y el oxígeno en energía

eléctrica. Las reacciones que tiene lugar durante este proceso son las siguientes:

- El hidrógeno es liberado sobre el lado del ánodo del conjunto electrodo-membrana (MEA) y se divide en electrones y

protones con ayuda del catalizador:

2 2

- Los protones atraviesan la membrana llegando al lado del cátodo.

FIGURA 4.3 – CELDA PAFC: PODEMOS OBSERVAR EN ESTA REPRESENTACIÓN LAS REACCIONES QUE TIENE LUGAR EN ESTE TIPO DE PILA DE COMBUSTIBLE.


- Los electrones viajan a través de un circuito externo y al llegar al cátodo se encuentran con los protones y oxígeno, con

los que se combinara de acuerdo a la siguiente fórmula para formar agua:

2 2 2

FIGURA 4.4 – CELDA PEMFC: PODEMOS OBSERVAR EN ESTA REPRESENTACIÓN LAS REACCIONES QUE TIENE LUGAR EN ESTE TIPO DE PILA DE COMBUSTIBLE.

FIGURA 4.5 – CELDA PEMFC PARA VEHÍCULOS RC: COMO PODEMOS VER, YA EXISTEN EMPRESAS QUE COMERCIALIZAN CELDAS PEMFC DE TAMAÑO REDUCIDO Y

PARA APLICACIONES VARIAS.


2.3.4.2. MEMBRANA ELECTROLÍTICA

La membrana intercambiadora de protones debe ser resistente al entorno oxidante del ánodo y al reductor del cátodo. Debe

permitir también el paso de los iones de hidrógeno (protones), pero no el de los electrones ni el de los gases de un lado al

otro de la celda, a no ser que se trate de H+

(g), puesto que esto provocaría un cruce de gases y también afectaría al correcto

funcionamiento de la celda.

Tanto la membrana intercambiadora de protones, como los electrodos con el catalizador, se encuentran unidos en un

conjunto electrodo-membrana (MEA).

La membrana debe estar en todo memento húmeda, pero sin llegar al punto que se acumule agua ni tampoco que se seque.

Esto supone también un problema, puesto que esta agua se produce de manera normal en la pila, pero los excesos deben ser

evacuados mediante bombas electro-osmóticas para evitar su acumulación en el cátodo que atrae al agua por polarización.

Otro inconveniente de esta membrana es la facilidad que tiene para intoxicarse con monóxido de carbono y la poca

tolerancia a las impurezas. Para evitar este problema, como con muchas otras pilas o celdas, se ha planteado el uso de otros

combustibles reformados en hidrógeno, como por ejemplo el metanol. No obstante, este proceso no es sencillo, requiere

procesos de purificación del hidrógeno, produce subproductos tales como monóxido y dióxido de carbono y necesita una

media hora de arranque.

Otro tipo de membrana muy utilizado son las de Nafion, que necesita humidificación de agua líquida, por lo que no puede

trabajar a más de unos 85°C. Otras membranas como las de polibenzimidazole (PBI) o las utilizadas en las PAFCs pueden

soportar hasta 220°C, sin necesidad de agua, ofreciendo una mayor eficiencia y potencia y sin los problemas causados por el

CO.

2.3.4.3. CATALIZADORES

Aunque actualmente se usa platino, este no es un catalizador apropiado para el proceso, que todavía tiene pérdidas

eléctricas significativas. Por el momento no se ha logrado encontrar ningún otro catalizador que ofrezca mejores resultados,

aunque se está investigando en un catalizador más barato fabricado con hierro, nitrógeno y carbono que puede ofrecer

resultados parecidos a los del platino (99A/cm3 a 0.8v); el único inconveniente es su escasa durabilidad, debido a la necesidad

de hacer la membrana extremadamente delgada (50 µm) para reducir su resistencia al paso de los protones, ya que tras unas

100 horas de trabajo su rendimiento se reduce en un 50%.

Como los catalizadores de platino son extremadamente sensibles a las presencia de CO, existen también catalizadores de

platino-rutenio para sistemas en los que se utilicen combustibles reformados, ya que estos son más tolerantes a la presencia

de CO.

Actualmente se sigue investigando en catalizadores con una mayor actividad y una menor sensibilidad a las impurezas que

los usados actualmente, pero con un coste menor.

Una alternativa que se está planteando es mejorar el rendimiento de los actuales catalizadores con platino en 4 veces para

obtener un mayor beneficio del dinero invertido en su fabricación. Una manera de realizar esto es optimizar el tamaño y la

forma de las partículas de platino de manera que se obtenga una mayor área de catalizador disponible para participar en la

reacción por cantidad de platino usado. Otra manera de hacer esto es crear aleaciones de platino con otros metales, como

por ejemplo el Pt3Ni, que ha demostrado ser 10 veces más efectivo que el platino puro, además de ligeramente más barato.

2.3.4.4. TIPOS

Existen dos tipos de celdas PEM que se presentan como una solución a los inconvenientes que todavía supone el transporte

del hidrógeno, como ocurre en muchas aplicaciones portátiles como pueden ser los vehículos, son las de metanol o etanol

directo, que utilizan etanol o metanol a partir del cual obtienen el hidrógeno con el cual producirán energía.

Ya hemos hablado del inconveniente de este tipo de combustibles producidos a partir de biomasa en el tema 3. No obstante,

este tipo de celdas constituye una solución idónea para muchos problemas y, en muchos casos, no se pueden sustituir de

manera eficiente por ningún otro sistema. Así pues, este tipo de tecnología se plantea, de momento, como posible para una


primera fase del cambio hacia la economía del hidrógeno por las facilidades que proporciona en cuanto a transporte de

combustible.

2.3.4.4.1. CELDAS DE COMBUSTIBLE DE METANOL DIRECTO (DMFC)

Suelen trabajar a unas temperaturas de entre 50-120°C, y aunque lo hacen mejor a temperaturas y presiones superiores, las

perdidas en el sistema completo hacen que se utilicen a presión atmosférica.

Uno de sus principales inconvenientes es que para evitar que el metanol atraviese la membrana sin reaccionar, este se debe

subministrar en forma de solución débil, por lo que se pierde eficiencia.

Además de poderse utilizar en vehículos, las celdas de metanol directo también se utilizan en pequeños aparatos

electrónicos como ordenadores portátiles, PDAs, cámaras fotográficas o como baterías [FIGURA 4.6]…

2.3.4.4.1.1. METANOL

El metanol es líquido de -97,0°C hasta los 64,4°C a presión atmosférica. Su densidad energética en volumen es mayor que la

del hidrógeno comprimido y 15 veces mayor que la de las baterías de litio-ion. Su densidad energética en masa es de 6,1

kWh/kg.

Además, el ser un líquido en condiciones normales hace que se pueda transportar en depósitos convencionales como los

usados actualmente en los coches, aunque el peso de todo el sistema aumenta ligeramente. Por otro lado, tiene la mitad de

densidad energética en volumen que la gasolina, aunque si comparamos la autonomía de un coche de gasolina con motor de

combustión interna con la de uno de metanol con una DMFC, veremos que ofrecen resultados similares, con las ventajas que

supone un coche eléctrico.

2.3.4.4.1.2. REACCIÓN

Las DMFC basan su funcionamiento en la oxidación del metanol en una capa catalizadora para formar dióxido de carbono. El

agua es consumida en el ánodo y formada en el cátodo. Los protones (H+) atraviesan la membrana intercambiadora de

protones, normalmente de Nafion, y llegan al cátodo donde reacción con el oxígeno para producir agua. Los electrones se

transportan a través de un circuito externo para producir energía de ánodo a cátodo.

FIGURA 4.6 – BATERÍA DMFC: FOTOGRAFÍA DE UNA BATERÍA PORTÁTIL DESARROLLADA POR TOSHIBA QUE SUBMINISTRA ELECTRICIDAD A PARTIR DE METANOL, UTILIZANDO UNA PILA DMFC SITUADA EN SU INTERIOR.


OXIDACIÓN EN EL ÁNODO 6 6

REDUCCIÓN EN EL CÁTODO 6 6 3

REACCIÓN REDOX COMPLETA 2

El metanol y el agua son adsorbidos por un catalizador normalmente hecho de partículas de platino y rutenio y pierden agua

hasta que se forma el dióxido de carbono. Como el agua se consume en el ánodo durante la reacción, el metanol puro no

puede utilizarse sin proveer agua a la celda, cosa que limita la densidad energética del metanol y complica el diseño de los

sistemas auxiliares de aprovisionamiento de agua.

Actualmente se utiliza un catalizador de platino tanto en la oxidación como en la reducción, lo que afecta negativamente al

rendimiento de la celda porque el metanol presente en la zona del cátodo se oxidará. Si se encontrase otro catalizador para

la oxidación, este problema se solucionaría, y además se reduciría significativamente su coste.

Otro problema del catalizador de platino es que el CO que se crea en la oxidación del metanol se adhiere al catalizador y

reduce su efectividad. Este problema se puede mejorar añadiendo rutenio al catalizador, ya que esto provocaría la oxidación

del agua para formar OH, que a su vez oxidaría el CO en CO2, que puede ser liberado en forma de gas y no afecta tan

negativamente al catalizador.

OXIDACIÓN EN EL ÁNODO 6 5 6

REDUCCIÓN EN EL CÁTODO 3 6 6

REACCIÓN REDOX COMPLETA 2

2.3.4.4.2. CELDAS DE COMBUSTIBLE DE ETANOL DIRECTO (DEFC)

Este tipo de celdas son muy parecidas a las anteriores, con la diferencia que el etanol cuenta con varias ventajas:

- No es tan tóxico y perjudicial para la celda.

- Ya existe una cadena de subministro y producción en el mercado actual, ya que tiene diversas aplicaciones, incluso se

utiliza en algunos vehículos con motor de explosión como combustible.

- Es un combustible que ofrece muchas facilidades a los consumidores a la hora de trabajar con él.

El etanol tiene una densidad energética de 8kWh/kg y puede ser obtenido en grandes cantidades de la biomasa mediante

procesos de fermentación utilizando recursos renovables como la caña de azúcar, el trigo, el maíz o incluso la paja. Además,

otro de los atractivos del bio-etanol es que mediante estos procesos de producción se absorbe una gran cantidad de CO2 de

la atmósfera, de manera que aunque las celdas también liberen este gas, siempre en menores cantidades que los actuales

motores de combustión interna, se crearía un ciclo cerrado, lo que sería mucho mejor que liberarlo sin más como se lleve

haciendo durante años. También supone una gran ventaja su transporte y almacenamiento, en comparación con los del

hidrógeno puro, ya que al igual que el metanol y la gasolina, permite utilizar depósitos convencionales.

Existen nuevos catalizadores nanoestructurados para este tipo de celdas que utilizan básicamente metales no-nobles, como

hierro, cobalto y níquel (mezclados en el ánodo y puros en el cátodo), que parecen dar muy buenos resultados, tanto en

rendimiento como en coste.

Un polímero es utilizado como catalizador. El etanol líquido (C2H5OH) es oxidado en el ánodo, en presencia de agua, lo que

forma CO2, cationes H+ y electrones. Los electrones viajan a través de un circuito externo y los protones pasan a través de la

membrana para formar, junto con el oxígeno y los electrones, agua al otro lado de la celda.


2.3.5. ÓXIDO SÓLIDO (SOFCS)

Otra celda de combustible altamente prometedora, la celda de combustible de óxido sólido [FIGURA 4.7], podría ser usada en

aplicaciones de alta potencia, incluyendo estaciones de generación de energía eléctrica a gran escala.

Algunas organizaciones que desarrollan este tipo de celdas de combustible también prevén el uso de estas en vehículos, y

actualmente ya se están utilizando para aplicaciones estacionarias en algunos países, por ejemplo Japón.

Un sistema de óxido sólido normalmente utiliza un material duro cerámico en lugar de un electrólito líquido, permitiendo

que la temperatura de operación alcance los 1000˚C, lo que permite alcanzar eficiencias e hasta un 60%.

2.4. APLICACIONES DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE

Las aplicaciones de las pilas de combustible son muchas y variadas, y abarcan a nivel energético prácticamente todos los

ámbitos imaginables: pequeños electrodomésticos y aparatos electrónicos, producción de energía a nivel industrial y

doméstico, transporte… Una de las aplicaciones más atractivas de estas pilas es en transporte.

Además, algunas de estas pilas son reversibles, es decir, también sirven para producir hidrógeno y/u oxígeno si le

subministramos la energía y los reactivos necesarios. Algunas de sus otras aplicaciones destacables son la producción de O2 y

electricidad en el espacio y algunos usos militares, como los submarinos U212 o U214, que funcionan con 9 pilas de

combustible de hidruros metálicos.

En lo referente a transporte, un vehículo que funcione con pilas de hidrógeno, y por tanto con un motor eléctrico para poder

transformar la energía subministrada por la pila en movimiento, se considera ZEV4 ya que la reacción consiste en la

combinación de hidrógeno y oxígeno para dar agua y no existen productos de reacción secundarios, como los NOx, al no

darse combustión alguna. Ahora bien, el principal problema que presentan las pilas de combustible se encuentra en su alto

coste de producción, como hemos visto anteriormente, aparte de otros problemas como la alta sensibilidad ante impurezas.

Así pues, a pesar de conseguir unos muy altos rendimientos, las pilas de combustible se presentan como la fuente de energía

más común a largo o muy largo plazo, tan pronto se desarrolle la tecnología involucrada y, con ello, se reduzcan los precios.

4 ZERO EMISSION VEHICLE, VEHÍCULOS DE EMISIÓN CERO.

FIGURA 4.7 – CELDA SOFC: PODEMOS OBSERVAR EN ESTA REPRESENTACIÓN LAS REACCIONES QUE TIENE LUGAR EN ESTE TIPO DE PILA DE COMBUSTIBLE.


2.5. BARRERAS Y LIMITACIONES

Existen ciertas limitaciones que impiden la actual implementación de las pilas de hidrógeno, aunque se espera que en un

período de 10-30 años esta tecnología avance lo suficiente como para solventar estos inconvenientes, que son,

principalmente, los siguientes:

- RELACIÓN POTENCIA-VOLUMEN: Un problema en el que se está trabajando actualmente y, de hecho, ya existen algunos

prototipos de pilas miniaturizadas [FIGURA 4.8].

- DURABILIDAD: Ya que la elección de los materiales para la construcción de una pila de hidrógeno presenta algunos

inconvenientes a casusa de la fragilización por hidrógeno.

- COSTES: Puesto que esta tecnología es relativamente joven y es actualmente cuando se está empezando a investigar

seriamente sobre el tema, muchas de las pilas existentes son todavía prototipos y utilizan materiales extremadamente

caros, como el platino, para algunos de sus elementos. Así pues, habrá que esperar un tiempo hasta que diversas

empresas del sector empiecen a producir estos dispositivos en serie y mediante procesos industriales que abaraten los

costes.

En la actualidad existen diversas empresas que ya comercializan pilas y celdas de combustible a precios más accesibles,

pero siguen siendo bastante elevados y prohibitivos en muchos casos.

- ACEPTACIÓN PÚBLICA: El uso de pilas de combustible implica un cambio a nivel global, como veremos en el apartado de la

economía del hidrógeno.

3. MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

La aplicación del hidrógeno como combustible en motores de combustión interna es otra manera de utilizar este elemento

para transportar la energía necesaria en todo tipo de vehículos y, en principio, soluciona algunos de los problemas de las pilas

de hidrógeno, como por ejemplo los elevados costes de producción a causa de algunos de los materiales empleados.

El interés por el hidrógeno no es tan reciente como se puede creer, ya a finales del siglo XIX H. R. Ricardo concibió un motor

de cuatro tiempos que empleaba esta sustancia como combustible. Como es de esperar, este proyecto no produjo resultados

totalmente satisfactorios, ya que por las especiales condiciones de combustión del hidrógeno, el motor no presentaba un

buen comportamiento debido a problemas de autoencendido. De todos modos, el principal problema consistía en el

almacenamiento, generación y manejo del, por aquel entonces, recién descubierto elemento.

En 1820, el reverendo W. Cecil presentó su trabajo ante la Cambridge Philosophical Society en un papel titulado «En la

aplicación del gas de hidrógeno para producir energía móvil en una máquina». El motor diseñado por Ceil funcionó

basándose en el principio de vacío, en donde la presión atmosférica mueve un pistón contra el vacío para producir potencia.

Este vacío se creaba quemando una mezcla de hidrógeno y aire, permitiendo que se expandiese y que posteriormente

reenfriase. Aunque el motor funcionó satisfactoriamente, este tipo de motores nunca llegaron a ser prácticos [FIGURA 4.9].

Sesenta años más tarde, durante su trabajo con los motores de combustión (1860-1870), Nikolaus August Otto, el inventor

del ciclo Otto, utilizó, un productor sintético de gas que probablemente contenía hidrógeno en un 50% para el combustible.

Otto experimentó también con gasolina, pero prefirió trabajar con combustibles gaseosos por motivos de seguridad. El

FIGURA 4.8: PILAS DE COMBUSTIBLE MINIATURIZADAS.


desarrollo del carburador [FIGURA 4.10], no obstante, inició una nueva era en la cual la gasolina pudo usarse de manera

práctica y segura, con lo que desplomó el interés por los demás combustibles.

Varios años más tarde, cuando se comenzaron a construir los dirigibles de hidrógeno, el ingeniero alemán Rudolph Erren

trabajó en un motor para estos aparatos cuyo combustible fuera el hidrógeno. Llegó a resolver los problemas de

autoencendido en el carburador mediante la inyección directa y, de no ser por ciertos acontecimientos históricos, como la

Primera Guerra Mundial y el accidente con el dirigible Hindenburg que desprestigió al hidrógeno, y por el descubrimiento de

grandes y accesibles yacimientos de petróleo, podría haber sido posible la construcción de dirigibles con motores de

hidrógeno. No obstante, R. Erren y sus compañeros llegaron a adaptar miles de vehículos en Europa y Estados Unidos para

funcionar con motores de hidrógeno, aunque estos todavía presentaban algunos problemas.

Por último, desde los años 70 se viene investigando con grandes dotaciones económicas el uso del hidrógeno como

combustible. Por ejemplo, gracias a la carrera espacial entre la URRS y los Estados Unidos se produjo un gran avance en el

manejo del hidrógeno por sus ventajas en lo que a peso se refiere, lo que lo hace idóneo como combustible para cohetes.

Además, el hidrógeno se ha emplea también en la alimentación eléctrica en diversas misiones espaciales, incluyendo las

misiones Apollo en la Luna, Skylab, las misiones Viking en Marte y la misión Voyager a Saturno.

3.1. TIPOS DE MOTOR

Existen dos tipos básicos de motor de combustión que emplean hidrógeno como combustible. El primero y más importante

es el motor de combustión de hidrógeno de cuatro tiempos, que es en esencia un motor típico de combustión interna, y el

segundo se trata del motor Wankel. En cuanto a los motores de dos tiempos, su utilización con hidrógeno no es posible

debido a que no dispone de válvulas y, al utilizarlo con gas, este se expandiría ocupando la cámara de combustión y también

la zona situada por debajo del pistón dónde se encuentren los gases de escape esperando a ser evacuados. Al iniciarse la

combustión, y debido a la alta velocidad de la llama de hidrógeno, la mezcla detonaría por ambos lados del pistón,

estropeando así el motor.

FIGURA 4.9: MOTOR DE VACÍO DE W.CEIL.


3.1.1. ROTATIVO WANKEL

Este tipo de motor rotativo parece dar buenos resultados al emplear hidrógeno como combustible, según ensayos realizados

con dinamómetro una vez resueltos los problemas que presentaba en lo que a estanqueidad se refiere. Estos buenos

resultados se deben a la configuración de este motor, el cual minimiza las dificultades de combustión que se dan en otros

tipos de motores.

El motor rotativo no suele dar problemas de autoencendido pues, tal y como se puede apreciar en la fotografía del motor, la

cámara de combustión presenta una geometría adecuada para la combustión del hidrógeno [FIGURA 4.11], con una relación

volumen/superficie muy elevada. De todos modos, suponiendo que los gases de escape fueran responsables del

autoencendido, tampoco plantearían problemas en el motor Wankel, ya que cuando los gases frescos entran, la cámara ya se

encuentra vacía y los gases de escape, lejos.

En el motor Wankel es posible el aprovechamiento de la alta temperatura de ignición del hidrógeno. Se está investigando la

posibilidad de incluir agua pulverizada en la mezcla de entrada, la cual se evapora al quemarse el hidrógeno llegando a

ejercer presiones muy altas de forma elástica, a diferencia de lo que ocurre en el pistón, en el cual se da una detonación.

Actualmente se está tratando de conseguir que la mayor parte de la potencia se deba a la acción del vapor de agua y no al

hidrógeno.

Otra ventaja más de este motor radica en su relación potencia/peso, ya que este tipo de motor desarrolla una alta potencia

en comparación con su tamaño. La compañía Reg Technologies ha conseguido una relación potencia/peso cerca de los 0,34

kg/CV, una cantidad ínfima comparada con los 2,72 kg/CV que presenta el motor de émbolo.

No obstante, el motor Wankel no está libre de defectos pues presenta un problema en lo que a lubricación se refiere. El

aceite empleado en la lubricación de los sellos5 se encuentra en contacto con la mezcla de combustible y aire, con lo que al

producirse la combustión no sólo se quemará el hidrógeno, sino que también lo hará el aceite. En realidad este hecho

constituye dos problemas: el primero es la desaparición del lubricante, con lo que el consumo del mismo aumentará; el

segundo afectará a las emisiones del motor ya que al quemar el aceite se producirá CO2 además de otros contaminantes

como pueden ser los sulfuros, NOx…. Lo cual ha provocado que los automóviles con motor rotativo no lleguen a ser

considerados ZEV.

Otro problema que aún hoy no ha sido resuelto del todo es el denominado dieseling, que se produce a causa de la precisión

del punto de combustión, ya que en caso de retrasarse un poco puede ocurrir que la combustión comience antes de que el

5 PIEZA ALARGADA QUE SE ENCUENTRA EN LOS VÉRTICES DEL ROTOR PARA SEPARAR LA CÁMARA DEL MOTOR EN TRES ZONAS BIEN DIFERENCIADAS Y NO COMUNICADAS ENTRE

SÍ.

FIGURA 4.10 – CARBURADOR: EN ESTE ESQUEMA PODEMOS OBSERVAR EL DISEÑO DE UN CARBURADOR Y SUS DIFERENTES PARTES.


rotor alcance su posición adecuada. En estos casos, que se suelen dar cuando la velocidad es baja, la explosión empuja al

rotor en sentido contrario al ciclo de rotación, lo que puede provocar daños importantes en el motor.

A pesar de todo, la compañía Mazda ha desarrollado varios coches que cuentan con este tipo de motor desde los años 70 y

que, según la propia compañía, ofrecen unas prestaciones casi iguales que la de los motores de cuatro tiempos

convencionales e incluso superiores en algunos aspectos. Recientemente, la compañía japonesa ha adaptado algunos

modelos de forma que empleen hidrógeno como combustible. Dichos modelos son el HR-X1, HR-X2 y el MX-5 (del cual

detallamos una comparativa con sus equivalentes en gasolina y eléctrico):

MOTORIZACIÓN GASOLINA HIDRÓGENO ELÉCTRICA POTÉNCIA (CV) 120 110 -

VELOCIDAD PUNTA (KM/H) 183 150 130

0-100 KM/H (SEG) 9,4 13 21,5

TIEMPO DE REPOSTAJE 3 MIN 15 MIN HORAS

Podemos observar que las diferencias ente el modelo de gasolina y de hidrógeno no son muy grandes, al menos en

comparación con el modelo eléctrico, por lo que el uso del hidrógeno constituye una solución real.

FIGURA 4.11 – MOTOR ROTATIVO RENESIS HYDROGEN DE MAZDA: EN ESTA FOTOGRAFÍA DE UN MOTOR WANKEL PODEMOS OBSERVAR SU GEOMETRÍA Y DISEÑO, ASÍ COMO LA PRESENCIA DE MENOS PARTES MÓVILES QUE EN UN MOTOR DE ÉMBOLO.


3.1.2. OTTO 4 TIEMPOS

El diseño de este motor es básicamente el mismo que el de un motor a gasolina de cuatro tiempos. Esta clase de motores

permiten aprovechar las especiales características que presenta el hidrógeno como combustible, vistas en el tema 2.

Con un adecuado diseño podemos conseguir un motor con un rendimiento energético mayor que el equivalente en

gasolina y totalmente ecológico. El alto número de octanos permite elevar la relación de compresión que se traducirá en un

aumento del rendimiento energético, mientras que la alta velocidad de llama contribuye a la reducción de las emisiones de

NOx. Gracias a estas y otras posibilidades se puede aumentar el rendimiento total del sistema hasta un 25-30% con respecto

a los motores equivalentes en gasolina.

Las prestaciones de este nuevo motor son muy similares a las que vienen ofreciendo los motores que emplean hidrocarburos

como combustible, tal como podemos ver en la siguiente tabla dónde se comparan dos modelos de BMW prácticamente

idénticos, pero con motorizaciones de gasolina (750 IL) e hidrógeno (750 HL):

MOTOR 750 IL 750 HL

COMBUSTIBLE GASOLINA SÚPER H2

CILINDROS 12 12

VÁLVULAS POR CILINDRO 2 2

CILINDRADA (CM3) 5379 5379

POTENCIA MÁXIMA (CV/RMP) 243 204

VELOCIDAD MÁXIMA (KM/H) 250 226

ACELERACIÓN 0 – 100 KM/H (S) 6,8 9,6

TIEMPO RECORRIDO 1.000 M (S) 26,7 26,1

Se puede apreciar que las prestaciones empeoran un poco con respecto al modelo de gasolina. La disminución de potencia se

puede explicar gracias al poder calorífico (QC) de la mezcla que entra en el pistón:

!"22,4 $

$ !"% &"

'()*+/+-

PARA LA GASOLINA PARA EL HIDRÓGENO

LI = 40 MJUL/KG

PMGASOLINA = 168 G/MOL

F = 1 N

PMAIRE = 28,9 G/MOL

QC = 44 KJOUL/KG

LI = 100 MJUL/KG

PMHIDRÓGENO = 1 G/MOL

F = 1 N

PMAIRE = 28,9 G/MOL

QC = 7,6 KJOUL/KG

Así pues, gracias a estos cálculos podemos demostrar que la potencia ofrecida por un motor de gasolina será mayor que la

del mismo motor en el caso de quemar hidrógeno, siempre y cuando el dosado6 sea el mismo para los dos casos. Ahora bien,

la posibilidad de usar hidrógeno como combustible se hace interesante gracias a diversos aspectos vistos anteriormente.

3.2. RELACIÓN AIRE/COMBUSTIBLE

Independientemente del tipo de motor de combustión interna utilizada y de su combustible, para un buen funcionamiento

del mimo y para la reducción de emisiones perjudiciales para el medioambiente, es necesario que se produzca una

combustión estequiométrica7 de aire/combustible. Así pues, calculemos esta relación en el caso de la combustión de

hidrógeno:

2 2 2./+ 0 1./+ 0

Puesto que el motor no funcionará con oxígeno puro, sino que lo hará con aire, es necesario tener en cuenta la presencia de

otros gases, como el nitrógeno (N2), en nuestros cálculos:

6 RELACIÓN EN PESO ENTRE COMBUSTIBLE Y AIRE.

7 PROPORCIÓN EN MASA DE COMBUSTIBLE Y COMBURENTE NECESARIOS PARA LOGRAR UNA COMBUSTIÓN COMPLETA.


1./+ 0 279% 0 6 7 + 89:21% 0 7 + 89:; 3,762./+ 0 6

Sumando los moles de nitrógeno y de oxígeno, obtenemos el número total de moles de aire:

1./+ 0 3,762./+ 0 6 4,762./+ 0 89:

Con todo esto podemos obtener la relación estequiométrica de aire/hidrógeno basada en volumen:

4,762./+ 0 89:2./+ 0

2,41

También es posible calcular el porcentaje de espacio que ocupa el hidrógeno de una mezcla estequiométrica de aire-

hidrógeno en la cámara de combustión:

</+*.7 0 </+*.7 =/=8+ 100 2./+ 0

4,762./+ 0 89: 2./+ 0 100 29,6%

Por otro lado, también podemos calcular la relación estequiométrica basada en masa utilizando las densidades molares de

cada uno de los gases:

3,762./+ 0 6 28@./+ 1./+ 0 32@

./+2./+ 0 2@

./+ 34,33

1

Los cálculos demuestran que la relación estequiométrica de aire/hidrógeno, en términos másicos, es de 34:1. Esto significa

que, para producir una combustión completa, por cada gramo de combustible serán necesarios 34 g de aire, proporción

bastante más elevada que la requerida en motores de gasolina, que suelen tener una proporción de 14,7:1,

aproximadamente.

Puesto que el hidrógeno es un combustible gaseoso en condiciones ambientales, desplazará mayor parte del volumen de la

cámara de combustión que un combustible líquido. Por lo tanto, el aire podrá ocupar menos espacio de la cámara de

combustión. Como hemos calculado, en condiciones estequiométricas, el hidrógeno desplaza cerca del 30% del volumen

total de la cámara de combustión, en comparación con cerca del 1-2% de desplazado en el caso de la gasolina.

A causa de estas diferencias en cuanto a volumen ocupado por el combustible y proporciones estequiométricas,

dependiendo del método que utilicemos para introducir el hidrógeno en la cámara de combustión, la energía obtenida a la

salida, comparada con la obtenida en un motor de gasolina (100%), variará desde el 85% en el caso de inyección por el

colector de admisión hasta el 120% en sistemas de inyección a alta presión [FIGURA 4.12].

Debido al amplio rango de inflamabilidad del hidrógeno, los motores que utilicen este combustible podrán funcionar con

relaciones de aire/hidrógeno desde 34:1 (estequiométrica) hasta 180:1.

Por otra parte, mediante el uso de un turbocompresor instalado en el sistema de escape del motor, tendremos la posibilidad

de inyectar mayor cantidad de aire en el interior del motor. No obstante, esto implica que el aire inyectado estará también a

mayor temperatura, hecho que se deberá contrarrestar con el uso de un refrigerador de aire de admisión que mantenga la

temperatura de este aire entrante por debajo de los 60˚C, para evitar problemas de preignición. Además, el sistema de

refrigeración de aceite tendrá que tener la potencia suficiente para refrigerar también al turbocompresor.


3.3. EVOLUCIÓN TÉCNICA DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

Aunque el funcionamiento y diseño de un motor de combustión interna para hidrógeno o para gasolina son esencialmente lo

mismo, serán necesarias una serie de modificaciones para adaptarlos a las particularidades del hidrógeno.

3.3.1. CONTROL DE ACEITE DEL MOTOR

Aunque la combustión de hidrógeno sólo genera agua, en el caso de un motor de combustión interna el hidrógeno viene

acompañado de otros componentes del aire que se queman juntamente con el combustible y con los aceites necesarios para

lubrificar las partes móviles del motor, por lo que se debe minimizar el uso de estos lubrificantes.

Esto puede conseguirse mediante la su mejora y desarrollo, disminuyendo la rugosidad de las distintas partes del motor que

están en contacto, y utilizando aleaciones que experimenten poca dilatación por efecto de la temperatura, como es el caso

de las aleaciones aluminio-silicio.

3.3.2. CULATA Y REFRIGERACIÓN

Para evitar combustiones indeseadas del hidrógeno (autoencendido) a causa de su amplio margen de inflamabilidad y baja

energía de ignición, es necesario evitar la acumulación excesiva de calor en determinadas zonas del motor, especialmente en

la cámara de combustión.

Para hacer esto se incremente el flujo de refrigerante en las zonas más propensas a acumular calor (bujía, válvulas…), se

utilizan aleaciones que sean buenas conductoras térmicas, se mecaniza la cámara de combustión y aumenta la relación de

compresión.

FIGURA 4.12: COMPARACIÓN LOS VOLÚMENES DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN Y EL CONTENIDO EN ENERGÍA PARA MOTORES DE HIDRÓGENO Y DE GASOLINA

UTILIZANDO DIVERSOS SISTEMAS DE INYECCIÓN DE HIDRÓGENO.


3.3.3. SISTEMA DE IGNICIÓN

Debido al bajo límite de energía de ignición del hidrógeno, es fácil producir su ignición mediante los sistemas comúnmente

utilizados: las bujías.

En el caso de relaciones aire/hidrógeno pobres, la velocidad de la llama se reduce considerablemente, y es preferible utilizar

un sistema de doble bujía.

Existen unos sistemas de ignición llamados chispa residual que consisten en una bobina de ignición por cada par de cilindros

que en activarse hace saltar la chispa en las bujías de dos cilindros al mismo tiempo, pero como únicamente uno se

encontrará en fase de compresión, evidentemente sólo se producirá una explosión, mientras que la otra chispa se pierde.

Este sistema funciona bien en motores de gasolina y permite reducir sus costes de frabricación, pero para los motores de

hidrógeno, las chispas residuales son una fuente potencial para provocar el preencendido del combustible.

Las bujías para los motores de hidrógeno deben estar clasificadas como frías8, para evitar una ignición no deseada por

acumulación de calor en ella, y sus extremos no deben ser de platino, ya que éste podría actuar como catalizador de la

ignición.

3.3.4. SISTEMAS DE INYECCIÓN

3.3.4.1. SISTEMAS DE INYECCIÓN CENTRAL

Este método consiste en inyectar el hidrógeno directamente en el colector de admisión para que este se distribuya en las

cámaras al iniciarse el tiempo de admisión correspondiente a cada una.

Aunque presenta graves problemas de retroceso de llama, su uso se limita a caudales muy bajos de hidrógeno y, de hecho,

sólo suele utilizarse para híbridos que inyectan hidrógeno junto con gasolina para reducir así el consumo de ésta y

aprovechar mejor la energía generada por el motor.

Veremos más acerca de estos sistemas en el tema 5.

3.3.4.2. CARBURACIÓN

Es un método simple de entregar hidrógeno al motor es utilizando un carburador, siempre y cuando éste no deba ser

subministrar a presiones elevadas, aunque presenta el inconveniente de la combustión irregular, problemas de preencendido

y retroceso de llama, por lo que en algunos casos será necesario utilizar válvulas evitan que la combustión se propague más

allá de ella.

3.3.4.3. SISTEMAS DE INYECCIÓN POR CONDUCTO (PIF9)

El sistema de suministro de combustible por conducto inyecta el combustible directamente dentro del conducto de admisión

de cada cilindro después del inicio de la carrera de admisión, de manera que se reducen las posibilidades de que se produzca

el preencendido del hidrógeno, ya que el aire que haya entrado en la cámara de combustión la habrá enfriado ligeramente.

Por tanto el subministro de aire e hidrógeno se realizan de manera separada.

La presión de suministro a la entrada por el orificio de admisión tiende a ser mayor que en un sistema de carburación o en un

sistema de inyección central, pero menor que en los sistemas de inyección directa.

Existen dos variantes de este sistema [FIGURA 4.13]:

- SISTEMA DE INYECCIÓN A VOLUMEN CONSTANTE (CVI, CONSTANT VOLUME INJECTION): Utiliza un dispositivo mecánico accionado

por levas para elegir el momento en el cual se debe inyectar hidrógeno en cada cilindro. Utiliza la sincronización

constante y una presión variable en el conducto del combustible.

8 TIPO DE BUJÍA QUE TRANSFIERE CALOR SU EXTREMO HACIA LA CABEZA DEL PISTÓN DE MANERA RÁPIDA Y ACUMULA POCA ENERGÍA. AUNQUE SUELEN ACUMULAR CARBONO,

EN EL CASOS DE LA COMBUSTIÓN DEL HIDRÓGENO ÉSTE SE ENCUENTRA POCO PRESENTE, POR LO QUE NO REPRESENTA UN PROBLEMA. 9 PORT INJECTION FUEL.


- SISTEMA DE INYECCIÓN ELECTRÓNICA DE COMBUSTIBLE (EFI, ELECTRONIC FUEL INJECTION): Calcula la cantidad de hidrógeno que debe

introducirse en cada cilindro y utiliza inyectores electrónicos de combustible individuales para cada cilindro. Utilizan una

sincronización variable y una presión constante en el conducto del combustible.

3.3.4.4. INYECCIÓN DIRECTA (DI10)

Los motores más sofisticados de combustión interna de hidrógeno utilizan sistemas de inyección directa en el cilindro

durante la carrera de compresión, de manera que la válvula de admisión se encuentra cerrada cuando se inyecta el

combustible a presiones elevadas, evitando así por completo el problema del preencendido en el conducto de admisión y del

retroceso de llama.

La potencia obtenida usando un sistema de inyección directa en un motor de hidrógeno es un 20% mayor que en un motor

de gasolina, y un 42% mayor que en el caso de usar carburador en un motor de hidrógeno, como vimos anteriormente en la

figura 4.10.

No obstante, algunos estudios aseguran que este tipo de inyección puede llegar a producir mayores emisiones de NOx que un

sistema de inyección no directa a causa del reducido tiempo que tiene el aire y el hidrógeno para mezclarse, lo que muchas

veces provoca la combustión de mezclas que no son del todo homogéneas.

La inyección directa puede realizarse con hidrógeno a temperatura ambiente o con hidrógeno criogenizado. Éste último tiene

la ventaja de que al entrar a una temperatura extremadamente baja en la cámara de combustión, se potencia el llenado del

cilindro, lo que se traduce en un aumento de potencia y rendimiento del motor que llegará a equipararlo a los actuales

motores de combustión interna de gasolina.

Existen variantes de este sistema con un sistema de doble inyección para los híbridos gasolina-hidrógeno de fabricación

industrial, que no deben confundirse con los vehículos de gasolina con ahorradores de combustible de hidrógeno, en los

cuales se utiliza un sistema de inyección central.

3.3.5. VENTILACIÓN DEL CÁRTER

Al igual que en los motores de gasolina, el combustible sin quemar puede filtrarse por los aros del pistón y entrar en el cárter

del motor. Esto supone un riesgo de explosión o incendio potencial en el caso del hidrógeno, por lo que se debe ventilar el

cárter.

Puesto que el hidrógeno tiene un límite de energía de ignición más bajo que la gasolina, el hidrógeno que no se haya

quemado y que pueda entrar en el cárter del motor tiene una alta probabilidad de incendiarse. Se debe prevenir la

10

DIRECT INJECTION.

FIGURA 4.13: SISTEMAS DE INYECCIÓN CVI Y EFI CON SUS RESPECTIVOS ELEMENTOS.


acumulación de hidrógeno en esa zona mediante la ventilación y una válvula de descarga de presión que se abra en caso de

explosión para evitar un aumento súbito de la presión del motor.

El mismo problema ocurre con los gases de escape, básicamente agua, que pueden llegar al cárter si no se dispone de la

ventilación adecuada y reducir la eficacia de los lubrificantes al mezclarse con ellos.

3.3.6. SISTEMAS DE ESCAPE

El sistema de escape debe adaptarse para poder dar salida al vapor de agua generado en la combustión del hidrógeno,

evitando que este se condense y acumule en su interior. Además, deberá ser especialmente resistente a la corrosión.

3.3.7. ACEITE LUBRICANTE

Uno de los problemas que nos podemos encontrar con el aceite lubricante es que debido a la gran cantidad de agua

generada por el motor al consumir hidrógeno, el aceite pueda quedarse pegado a las paredes de los cilindros, anulando así su

función de lubricar. Además, éste puede reaccionar con el vapor de agua generado en la combustión, dando lugar a

subproductos no deseados. Por tanto, se recomienda el uso de lubricantes sintéticos de baja volatilidad a elevadas

temperaturas.

3.3.8. CAMBIOS ESTRUCTURALES

Para realizar todos los cambios citados anteriormente y hacer que el motor pueda soportar las presiones mayores que se

producirán en su interior, será necesario el refuerzo de algunos elementos, así como su rediseño o reubicación.

En algunos casos también será necesario el uso de nuevas aleaciones o materiales más apropiados para su uso con

hidrógeno, que deberán adaptarse a las propiedades de éste, vistas en el tema 2, siendo un requisito indispensable su alta

resistencia a la corrosión y a la fragilización por hidrógeno.

4. VEHÍCULOS CON HIDRÓGENO

Utilizando pilas de combustible y/o motores de combustión interna, ambos vistos anteriormente, es posible crear una gran

variedad de vehículos que funcionen con hidrógeno, ya sea mediante su combustión en motores térmicos, mediante el uso

de pilas de combustible que produzcan electricidad o mediante una combinación de ambos, dando lugar a un híbrido.

Todas las opciones presentan la ventaja de que sus emisiones contaminantes son mucho más bajas que las emitidas

actualmente mediante el uso de combustibles, llegando algunas de ellas a ser consideradas ZEV.

Por otro lado, dada la gran cantidad de métodos que existen para almacenar y producir hidrógeno, existen un gran número

de soluciones para construir el depósito de combustible de cualquier vehículo. Una primera opción es el transporte del

hidrógeno puro en algún sistema de almacenaje de los vistos en el tema 3, que pueden ser adaptados a las dimensiones y

necesidades de cualquier automóvil. Una segunda opción es el transporte del hidrógeno en forma de biocombustible (etanol

o metanol), que en el caso de algunas pilas de hidrógeno podrá ser utilizado directamente.

Si por el contrario se necesaria su extracción, ya sea para sus uso en un tipo determinado de pila o para su combustión en

motores de combustión interna, existen catalizadores como los empleados en el interior de algunas pilas que realizan esta

división externamente.

Investigadores de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)

han desarrollado y patentado un catalizador que consiste en una pieza de cerámica con canales en su interior y que ha sido

recubierta con un aerogel, un material muy poroso y transparente, que contiene nanopartículas de cobalto que actúan

transformando el etanol en hidrogeno.


Para su funcionamiento, el catalizador debe ser calentado a la temperatura de reacción (unos 310˚C). Entonces, una mezcla

de etanol y agua en forma de gas pasa a través de los canales de la cerámica y sale en forma de hidrógeno y CO2. Por cada

molécula de etanol y tres de agua se obtienen seis moléculas de hidrógeno y dos de CO2.

Los directores de la investigación, Jordi Llorca, profesor de la UPC en el Instituto de Técnicas Energéticas (INTE), y Elies

Molins, profesor de investigación del CSIC en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, indican que una de las

principales ventajas del dispositivo es la ganancia energética: «La energía de cada molécula de etanol corresponde a la de 5

moléculas de hidrógeno, pero en nuestro catalizador se obtienen 6 moléculas de hidrógeno, dado que en la reacción se

absorbe calor. Así, el calor residual de la pila de combustible (o de cualquier otra fuente) se aprovecha y aumenta aún más el

rendimiento global del sistema». Se trata pues de un circuito realimentado donde la energía para activar el catalizador se

puede generar parcialmente mediante la pila de combustible o totalmente mediante los gases de escape de un motor de

combustión, de igual manera que ocurre con el agua necesaria para diluir el etanol, que se puede obtener de la salida de

agua de la celda o de los gases de escape de un motor.

Existe un segundo tipo de híbrido, diferente al típico pila-motor de combustión, que utiliza la electricidad sobrante generada

por el alternador de un motor de combustión de hidrocarburos para producir HHO mediante la electrolisis del agua. Este gas

es introducido entonces en el motor para reducir así el consumo de hidrocarburos. Trataremos esto en profundidad en el

tema 5.

Aunque actualmente ya existe una gran cantidad de vehículos de hidrógeno de todo tipo: coches híbridos, eléctricos, de

combustión, aviones, barcos… su difusión e implantación a nivel mundial será larga y lenta, tanto por su coste como por la

gran inversión en infraestructura necesaria.

Por tanto, este cambio se producirá muy probablemente de manera progresiva, empezando primero con los híbridos

combustión hidrocarburo-pila hidrógeno, hasta llegar a los puramente eléctricos, debido a que la eficiencia de los motores de

combustión interna está limitada a un máximo aproximado del 40% a causa de las pérdidas de calor, algo que sólo se podría

solucionar con motores cerámicos, concepto mucho menos desarrollado que los motores eléctricos, que llegan a alcanzar

eficiencias cercanas al 90%.

Aunque me gustaría analizar diversos modelos de coches de hidrógeno de todo tipo, esto resulta prácticamente imposible

ante el rechazo de las empresas automovilísticas a proporcionar detalles sobre sus avances. Así pues, tan sólo se conocen los

nombres de los vehículos, sus prestaciones y algo de información sobre los fines perseguidos con sus respectivos desarrollos,

por lo que sabemos que existen investigaciones para encontrar catalizadores capaces de transformar los gases de escape

perjudiciales para el medioambiente en otros inocuos, para mejorar la estanqueidad de los motores de combustión para

facilitar su uso con hidrógeno…

En resumen, actualmente nos encontramos en una fase temprana de desarrollo de las tecnologías energéticas del hidrógeno,

por lo que existen muchísimas líneas de investigación para solucionar los muchos y variados problemas que presenta el uso

del hidrógeno como combustible y que hemos ido desde el tema 1, lo que no significa que le hidrógeno sea una mala opción,

sino simplemente que se necesitan algunos años de investigación y desarrollo para poder utilizar de manera eficiente esta

tecnología.

5. FUSIÓN NUCLEAR

Si el uso de motores de combustión de hidrógeno, o de mezclas de hidrocarburos e hidrógeno producido mediante celdas

electrolíticas de HHO, se presentan como una primera etapa a corto plazo en la transición hacia la economía del hidrógeno, y

las pilas de combustible como una etapa a plazo medio, la fusión nuclear se nos presenta como la fase final de esta transición

hacia un sistema energético más efectivo y limpio que el actual.

5.1. PRINCIPIO FÍSICO

Los átomos están formados por un núcleo y unos electrones. En el núcleo se encuentran los nucleidos (protones y

neutrones), que se mantienen ligados dentro del núcleo por la fuerza de enlace, pues si no hubiera esta fuerza la repulsión

electromagnética entre los protones impediría la existencia de núcleos estables mayores que el hidrógeno.


Por tanto, esta división que observamos en la tabla [FIGURA 4.14] nos determina dos maneras diferentes de aprovechar la

energía contenida en estos isótopos:

- FISIÓN NUCLEAR: Consistente en separar un núcleo pesado en dos o más núcleos más ligeros. La suma de las masas de los

núcleos ligeros es menor que la del núcleo pesado, el decremento de masa se ha transformado en energía.

- FUSIÓN NUCLEAR: Consiste en la unión de dos núcleos ligeros para dar lugar a otro más pesado. En este caso la energía

también se obtiene por la diferencia de masa entre los núcleos que se fusionan y el núcleo resultado de la fusión. Con

esta reacción la energía por unidad de masa es mucho mayor que con la fisión, de manera que con la misma cantidad de

combustible se logra más energía, obteniendo mayor rendimiento energético por unidad de masa.

5.2. TIPOS DE REACCIONES Y PRIMERAS CENTRALES

Las principales reacciones estudiadas para producir energía por fusión nuclear, ordenadas de menor a mayor temperatura

para obtener una tasa significativa de fusiones, son las siguientes:

A B C3,5<D 7 C14,1<DE

A A C0,82<D 7 C2,45<D

A A B C1,01<D F C3,02<D

B B 27 C2 5,034<D C1,259<DE

A C3,6<D F C14,7<DE

F 9G C1,7<D C2,3<DE

F H 3 C3 2,888<DE

La más atractiva actualmente es la fusión de deuterio (D) y tritio (T) para producir una partícula alfa y un neutrón, pues es la

que tiene mayor sección eficaz a bajas temperaturas [FIGURA 4.15], pero en el futuro se piensa utilizar otras reacciones para

evitar el empleo de tritio, un isótopo radiactivo del hidrógeno, y que entre los productos de la reacción se produzca un

neutrón, que activaría las paredes del reactor.

Por tanto, se prevé que las primeras centrales de fusión nuclear estarán basadas en la reacción de D-T. En esta reacción se

producen neutrones de 14 MeV que se llevan un 80% de la energía producida y que se absorben en la envoltura generadora

de tritio (también llamada manto fértil) que rodea la cámara de vacío. Esta envoltura contiene litio que mediante reacciones

con los neutrones que escapan del plasma se transforma en tritio y helio mediante las reacciones siguientes:

9G 7 B 4,86<E

9I 7 B 7 J 2,5<E

FIGURA 4.14: SI DIVIDIMOS LA ENERGÍA DE ENLACE DE UN ISÓTOPO ENTRE EL NÚMERO DE NUCLEONES DE SU NÚCLEO Y SE PONE EN FUNCIÓN DEL NÚMERO MÁSICO DE

CADA ISÓTOPO, LA SIGUIENTE GRÁFICA, EN LA QUE SE OBSERVA QUE HAY UN MÁXIMO DE ENERGÍA POR NUCLEÓN, QUE CORRESPONDE AL ISÓTOPO DE HIERRO 56.


El litio natural contiene un 92.5% de 7Li y un 7.5% de

6Li. El espesor del manto fértil debe ser lo suficientemente grande (del

orden de un metro) para frenar los neutrones de 14 MeV producidos en las reacciones de fusión. Al frenar los neutrones,

genera calor, que es transferido a un refrigerante que circula por su interior y que lo extrae al exterior para producir vapor de

agua que finalmente se utilizará para generar electricidad. El tritio producido en el manto se separa del helio y se recupera

para inyectarlo en el plasma como combustible.

5.3. FUSIÓN TERMONUCLEAR CONTROLADA

Para obtener reacciones de fusión se deben unir dos núcleos ligeros para formar otro mayor, fenómeno que no sucede en

condiciones normales por la fuerte repulsión electrostática entre los dos núcleos, que sólo tienen cargas positivas. Para que

se puedan fusionar dos núcleos superando la barrera electrostática, éstos han de tener energías suficientemente elevadas

para pasar la barrera de potencial gracias al efecto túnel.

Aunque existen diversas reacciones para la producción de fusión nuclear, todas ellas necesitan temperaturas superiores a los

10keV (116 · 106 K) para obtener un valor de la sección eficaz que permita una tasa significativa de reacciones de fusión. A

estas temperaturas el gas se encuentra en forma de plasma (está ionizado), los electrones se han separado de sus núcleos y

tenemos un gas formado por dos fluidos, los electrones y los iones. Con estas temperaturas no se puede pensar en un

contenedor normal para el plasma, pues el contacto con las paredes lo enfriaría inmediatamente. Para ello se utiliza el

confinamiento magnético, aprovechando que el plasma es un gas ionizado, con lo que se puede controlar mediante campos

magnéticos y evitar así que alcance las paredes del reactor.

Para mantener el plasma a la temperatura adecuada para que se produzcan las reacciones de fusión, se deben tener en

cuenta las entradas y pérdidas de energía dentro del plasma. Como entrada de energía se tiene en cuenta el calentamiento

óhmico y la potencia de fusión, mientras que las pérdidas se producen principalmente por radiación, transporte del calor y

fuga de partículas. Puesto que estos conceptos son complejos y necesitan de fórmulas complicadas para su cálculo, no

haremos un balance energético de la reacción, pero asumiremos que éste es positivo, al menos en la fusión de átomos

ligeros, por lo que la fusión nuclear constituye una forma de energía prácticamente limpia e inagotable.

No obstante, existen detractores de esta tecnología [CD: DOC10] que todavía no confían en su eficacia, algo que se verificará,

o no, con las investigaciones y el gran número de proyectos que se están llevando a cabo a nivel mundial para el desarrollo

de esta tecnología.

FIGURA 4.15: PODEMOS OBSERVAR LA TASA DE REACCIÓN DE DIFERENTES COMBINACIONES DE ISÓTOPOS PARA LA REALIZACIÓN DE LA FUSIÓN NUCLEAR E FUNCIÓN DE

LA TEMPERATURA.


5.4. CONFINAMIENTO MAGNÉTICO

Para obtener energía de las reacciones de fusión una de las vías es el confinamiento magnético. Un plasma es un gas

ionizado, en el que los iones y electrones que lo forman están disociados. De esta manera se tiene que el conjunto es

eléctricamente neutro pero cada partícula está cargada. Como cada partícula tiene carga eléctrica, éstas experimentan la

fuerza de Lorenz, con lo que podrán confinarse mediante campos magnéticos, ya que una partícula cargada gira alrededor de

una línea de campo magnético.

Para hacer esto se crea un cilindro, el cual se cierra sobre sí mismo, originando un toro. Dentro de él, se debe colocar el gas

neutro al que no afectan los campos magnéticos hasta su ionización; una vez ionizado quedaría confinado en el toro. El

problema es que debido a la no uniformidad del campo magnético en el radio mayor, los electrones e iones del plasma se

repelen y crean un campo eléctrico que hace que las partículas escapen del confinamiento para acabar contra las paredes del

contenedor y de este modo enfriándose sin llegar a producir reacciones de fusión.

Para evitar esto, se superpone un campo magnético poloidal al toroidal, de manera que la nueva curvatura del campo

compensa las variaciones del campo magnético toroidal, de modo que no se crea el campo eléctrico que rompe el

confinamiento. Existen dos maneras de obtener este campo magnético poloidal: inducir un corriente en el plasma o crearlo

externamente mediante bobinas externas a éste. Según el método utilizado para obtener este campo magnético, se

obtendrá un reactor de tipo tokamak o stellarator, respectivamente [FIGURA 4.16].

Existe otro tipo de confinamiento, el inercial [FIGURA 4.17], en el que una diminuta cápsula de combustible se comprime

mediante láser o haces de iones pesados a unas densidades extremas hasta que se inicia la fusión en su centro y esta se

propaga hacia el exterior, donde el combustible está más frío. En este método, el tiempo de confinamiento es

extremadamente corto, del orden del milisegundo.

5.5. DESVENTAJAS

La pregunta que muchos se plantean al empezar a conocer algo acerca del mundo de la energía de fusión nuclear y ver que

ya ha habido numerosas investigaciones en este campo en el pasado es: ¿Qué es lo que hace tan difícil el que no tengamos

ya energía de fusión nuclear a nuestra disposición? La respuesta a esta pregunta no es única, y para contestarla se deben

tener en cuenta muchas variables: tecnologías desarrolladas y disponibles en cada momento, avances de la ciencia en los

campos de la energía nuclear y la radioactividad, desprestigio de la energía nuclear de fisión por sus numerosos peligros… No

obstante, los puntos que más dificultan la llegada de esta tecnología son los siguientes:

- CONSUMO ENERGÉTICO MONUMENTAL: Por lo que se está investigando para poder alcanzar un factor de ganancia infinito o,

al menos, bastante elevado. Esto haría que la reacción de fusión se mantuviese por sí misma, sin necesidad de aporte

energético externo. El objetivo actual es conseguir un factor de ganancia en torno a 20, aunque actualmente a penas se

ha rozado el 1,5.

FIGURA 4.16: PARTES DE LOS REACTORES TOKAMAK (IZQUIERDA) Y STELLARATOR (DERECHA).


- DISEÑO: En el caso de la contención inercial por haces de partículas de alta energía, ésta presenta inmensos problemas

de anisotropía11

de la radiación y del plasma e inestabilidades de Rayleigh-Taylor12

al iniciarse la reacción, algo difícil de

solucionar. El diseño de los reactores tipo tokamak tampoco es nada sencillo, debido a las altas temperaturas que

deben soportar sus materiales y a la necesidad de un equilibrio magnético perfecto para poder controlar el plasma.

- COMPORTAMIENTO DE LOS PLASMAS DE ALTA ENERGÍA: Que es esencialmente caótico y cae con facilidad en regímenes de

inestabilidad autoamplificada, por lo que es necesario un estudio en profundidad sobre el comportamiento del mismo,

algo en lo que puede resultar de gran ayuda el LHC y las investigaciones que allí se están llevando a cabo.

- FLUJO NEUTRÓNICO ELEVADO: Dentro de un reactor de fusión, el flujo neutrónico es inmenso, y por efecto Wigner, estas

avalanchas neutrónicas debilitan rápidamente los materiales circundantes.

- FALTA DE TECNOLOGÍA: Con la tecnología actual, no es posible convertir o almacenar toda la energía producida en una

central de fusión nuclear, al menos de manera eficiente.

5.6. VENTAJAS

Si tenemos en cuenta todos los esfuerzos que se están invirtiendo en el desarrollo de la energía de fusión nuclear, está claro

que debe ser porque ésta tenga algo que la haga merecedora de tal esfuerzo. Veamos cuáles son estas ventajas:

- COSTES: Es posible construir una planta nuclear de fusión en prácticamente cualquier lugar con costes muy semejantes y,

además, los costes de transporte del combustible y el residuo son ridículos.

- RENTABILIDAD DEL COMBUSTIBLE: La relación energía producida/cantidad de combustible es extremadamente alta.

- ABUNDANCIA DE COMBUSTIBLE: Es decir, de hidrógeno. Aunque separar químicamente el hidrógeno del agua y convertirlo

en los isótopos deuterio y tritio necesarios tiene un gasto energético y económico elevado, la posibilidad de

transformarlo íntegramente en energía según la conocida ecuación de Einstein, E = mc2, puede obtener rendimientos

que compensen la inversión inicial.

- SUBPRODUCTO DE LA REACCIÓN: Que es helio, un gas noble e inerte que no es radiactivo ni tóxico, lo que nos permitiría

acabar con muchos de los problemas comentados en el tema 1, además de disponer de una energía tan limpia como las

renovables, pero con una fiabilidad, estabilidad y potencia mayores.

- IMPOSIBILIDAD DE ACCIDENTES GRAVES: El accidente más grave que se puede producir en una planta nuclear de fusión es una

fuga de tritio radiactivo, pero que debido a las pequeñas cantidades utilizadas, se habría disuelto en el aire, a

concentraciones seguras, incluso antes de salir del recinto de la central. Además, tampoco son posibles, por la

naturaleza de un reactor de fusión, accidentes como el de Chernóbyl o Isla Tres Millas.

- SOLUCIÓN A PROBLEMAS ASOCIADOS A LA DISPONIBILIDAD DE ENERGÍA: Si se dispone de suficiente energía, es posible solucionar

muchos otros problemas, como la falta de agua potable.

5.7. ESTADO ACTUAL

Actualmente en la investigación sobre fusión nuclear ya se ha conseguido demostrar su viabilidad científica, es decir en

alguna de las máquinas actuales se han producido reacciones de fusión. Ha sido en dos grandes tokamaks, como son JET

(Joint European Torus) de la Unión Europea y TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) de los Estados Unidos.

Hasta ahora las máquinas que parecían con más futuro eran los tokamaks, pues la tecnología para construirlos es

relativamente más sencilla que no la de los stellarators. Este hecho provocó que las primeras máquinas de tamaño medio

fueran del tipo tokamak, con lo que están más avanzadas y se tiene más experiencia en su operación. De todos modos

actualmente la vía de los stellarators, una vez disponible la tecnología necesaria para su construcción, es muy prometedora

pues al ser máquinas con un posible funcionamiento continuo, las hacen más aptas para un futuro reactor.

11

LA ANISOTROPÍA ES LA PROPIEDAD GENERAL DE LA MATERIA SEGÚN LA CUAL DETERMINADAS PROPIEDADES FÍSICAS VARÍAN SEGÚN LA DIRECCIÓN EN QUE SON EXAMINADAS. 12

LA INESTABILIDAD RAYLEIGH-TAYLOR (IRT) SE PRODUCE CUANDO UN FLUIDO DE BAJA DENSIDAD EMPUJA A OTRO DE ALTA DENSIDAD.


5.7.1. JET

JET es un gran tokamak construido por la asociación EURATOM y que está emplazado en Abingdon (Inglaterra). Su

mantenimiento está a cargo de la asociación UKAEA, mientras que los experimentos son propuestos y realizados por los

diferentes laboratorios pertenecientes a la asociación EURATOM.

Es uno de los dos tokamaks en el que se han obtenido reacciones de fusión [FIGURA 4.18]. Los experimentos llevados a cabo

para probar la viabilidad científica de la fusión se produjeron a partir del año 1991. Se inyectó deuterio y tritio en la cámara

de vacío y calentando con suficiente potencia se produjeron las reacciones de fusión. Este gran tokamak tiene algunos

récords de producción de reacciones de fusión, como son: mayor energía, mayor potencia y mayor relación entre potencia

producida e inyectada.

5.7.2. TORE-SUPRA

Tore-Supra es un gran tokamak cuya principal característica son sus bobinas superconductoras. Pertenece a la asociación

CEA-Cadarache y comenzó su operación en 1988. Tiene un radio mayor de 2.25 m y un radio menor del plasma de 0.7 m. El

tener sus bobinas superconductoras y que todos sus componentes estén refrigerados hace que se pueda operar en estado

casi estacionario, obteniendo pulsos de hasta dos minutos.

Los principales objetivos científicos de este tokamak comprenden:

- Experiencia en bobinas superconductoras trabajando a temperaturas criogénicas.

- Puesta a punto de tecnologías de primera pared capaces de aguantar flujos de algunos

- megavatios de potencia por metro cuadrado.

- Obtener experiencia en plasmas de larga duración.

- Control y comprensión del plasma del borde, así como control de la pérdida de calor del

- plasma.

- Dominio de la tecnología del calentamiento por microondas.

FIGURA 4.17 – FUSIÓN POR CONFINAMIENTO INERCIAL: UN PERDIGÓN DE DEUTERIO-TRITIO SE ENCUENTRA EN EL CENTRO DE UNA CÁMARA DE IMPLOSIÓN DONDE ES

ALCANZADO POR NUMEROSOS HACES SINCRÓNICOS DE ALTA ENERGÍA (POR EJEMPLO, LÁSERES DE ELEVADA POTENCIA). EL COLOR AZUL REPRESENTA ESTOS HACES DE

RADIACIÓN, EL NARANJA LA LIBERACIÓN DE ENERGÍA DE FUSIÓN Y EL VIOLETA, EL TRANSPORTE DE ENERGÍA TÉRMICA HACIA EL INTERIOR. 1. HACES LÁSER O DE RAYOS X INDUCIDOS POR LÁSER CALIENTAN RÁPIDAMENTE LA SUPERFICIE DEL BLANCO DE FUSIÓN (PERDIGÓN), FORMANDO UN PLASMA QUE

LO ENVUELVE. 2. EL PERDIGÓN DE COMBUSTIBLE ES COMPRIMIDO POR LA LIBERACIÓN DE ENERGÍA DE FUSIÓN EN EL MATERIAL SUPERFICIAL, QUE SE COMPORTA COMO UN COHETE

QUE COMPRIME SU NÚCLEO DESDE TODAS DIRECCIONES. 3. DURANTE LA FASE FINAL DE LA IMPLOSIÓN, EL NÚCLEO DEL PERDIGÓN ALCANZA 20 VECES LA DENSIDAD DEL PLOMO Y FUSIONA A CIEN MILLONES DE GRADOS

CENTÍGRADOS. 4. LA IGNICIÓN TERMONUCLEAR SE EXPANDE RÁPIDAMENTE A LO LARGO DEL COMBUSTIBLE ASÍ ULTRACOMPRIMIDO, LIBERANDO MUCHA MÁS ENERGÍA QUE LA

UTILIZADA EN TODO EL PROCESO.


5.7.3. HELIAC FLEXIBLE TJ-II

El heliac flexible TJ-II es un stellarator de tamaño medio construido por el Laboratorio Nacional de Fusión y emplazado en

Madrid. La configuración magnética está formada por superficies anidadas en forma de judía que se enrollan helicoidalmente

a lo largo del toro con cuatro periodos.

La finalidad de los experimentos de TJ-II es profundizar en el estudio de la física de los dispositivos con eje magnético

helicoidal [FIGURA 4.19]. La operación de este dispositivo comprenderá tres fases: en la primera se utilizará hasta 600 kW de

calentamiento por ondas en la resonanacia ciclotrón electrón (ECRH), la segunda fase dispondrá de 3 MW de calentamiento

per NBI y por último en la tercera fase se llevará a la máquina a su límite de beta. Los valores máximos previstos son de 2 ·

1020

m-3

para la densidad y 2 keV para la temperatura.

5.7.4. LHD

LHD (Large Helical Device) es un stellarator situado en Toki (Japón) con bobinas superconductoras, entró en funcionamiento

en 1998 y desde entonces está obteniendo resultados con pulsos cada vez más largos, actualmente el pulso más largo ha sido

de 2 minutos. Es el mayor stellarator actualmente en funcionamiento.

El objetivo general del LHD es demostrar el potencial de los dispositivos helicoidales para producir plasmas sin corrientes

en estado estacionario con un alto parámetro de Lawson e investigar los plasmas en un amplio rango de operación.

5.7.5. WENDELSTEIN 7-X

Wendelstein 7-X es un gran stellarator [FIGURA 4.20] situado en Greifswald (Alemania). Utiliza bobinas superconductoras que

le permiten operar de manera continua y obtener así experiencia para la operación de un reactor comercial.

No utiliza tritio, por lo que no se induce radioactividad en la máquina, mejorando así su funcionamiento y vida útil.

FIGURA 4.18 – INTERIOR DEL REACTOR DEL JET: PODEMOS VER EL INTERIOR DEL REACTOR DEL JET PARADO (IZQUIERDA) Y EN FUNCIONAMIENTO (DERECHA).


FIGURA 4.19: SIMULACIÓN DE TRAYECTORIAS DE IONES EN PLASMAS DE FUSIÓN EN EL REACTOR TJ-II.

FIGURA 4.20 – CONSTRUCCIÓN DEL WENDELSTEIN 7-X: PODEMOS OBSERVAR COMO COLOCAN UN MÓDULO DEL REACTOR EN EL QUE SE OBSERVA CON GRAN DETALLE

LA DIFICULTAD Y COMPLEJIDAD DEL DISEÑO DE ESTE TIPO DE REACTORES, LOS STELLATOR.


5.7.6. ITER

El ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, en español Reactor Termonuclear Experimental Internacional) es

un proyecto de gran complejidad ideado, en 1986, para demostrar la factibilidad científica y tecnológica de la fusión nuclear.

El ITER se construirá en Cadarache (Francia) y costará 10.300 millones de euros, pagados por la Unión Europea (UE), Rusia,

Estados Unidos, Corea del sur, China, India y Japón.

El ITER está diseñado para calentar un plasma de hidrógeno gaseoso hasta 100 millones de grados centígrados con un reactor

tokamak [FIGURA 4.21]. El ITER debería generar su primer plasma hacia el año 2016 y estar plenamente operativo en el 2022.

Los principales objetivos de ITER son:

- Alcanzar un factor de ganancia 10.

- Producir un plasma estacionario con factor de ganancia 5.

- Mantener un pulso de fusión durante al menos ocho minutos.

- Conseguir que un plasma mantenga su propia fusión por su elevada temperatura.

- Desarrollar las tecnologías necesarias para una planta de fusión nuclear comercial viable.

- Verificar los conceptos teóricos de realimentación del tritio.

FIGURA 4.21: REACTOR DEL ITER.


5.7.7. DEMO Y PROTO

El objetivo a largo plazo del programa europeo de fusión es la realización de prototipos de reactores de fusión que

desemboquen en la construcción de centrales comerciales que respondan a la demanda de la sociedad. De esta manera,

después de ITER, el programa europeo prevé el reactor de demostración DEMO, un prototipo de reactor en el que se

producirá electricidad y que deberá demostrar la viabilidad económica de una central de fusión.

Para llegar a DEMO se requiere una gran mejora de las tecnologías de fusión nuclear y un mayor conocimiento del

comportamiento del plasma en las condiciones de operación de un reactor.

PROTO es el proyecto que sucede a DEMO y que forma parte de la estrategia para la investigación en energía de fusión a

largo plazo de la Comisión Europea. Deberá aplicar todo lo aprendido con los proyectos anteriores, sobre todo con su

predecesora DEMO, para convertirse en la primera planta eléctrica comercial de energía nuclear de fusión en el mundo.

A LO LARGO DE ESE DOSIER VAMOS A PROFUNDIZAR EN LOS GENERADORES DE HHO, VIENDO LOS DIVERSOS TIPOS EXISTENTES, SUS VENTAJAS E

INCONVENIENTES, EVALUANDO SU FUNCIONAMIENTO… TODO CON EL OBJETIVO DE, FINALMENTE, Y CON LAS CONCLUSIONES QUE HAYAMOS PODIDO

OBTENER DEL ESTUDIO REALIZADO, CONSTRUIR UNO DE ESTOS DISPOSITIVOS.


1. CONCEPTOS BÁSICOS

El oxi–hidrógeno (HHO) es una mezcla de gases formada por hidrógeno (H2) y oxígeno (O2), en proporción estequiométrica

(2:1), al igual que en el agua, de manera que en la combustión de este gas tan solo se produce agua y energía en forma de

calor.

Sus propiedades en lo referente a energía son muy parecidas a las del hidrógeno puro, vistas en el tema 2.

Los generadores de HHO son celdas electrolíticas que disocian el agua (H2O) en sus componentes por acción de una corriente

eléctrica, dando lugar a esta mezcla de gases.

Este tipo de dispositivos tienen un principio de funcionamiento muy parecido al voltámetro de Hofmann, visto en el tema 3,

y, en general, a cualquier otro sistema de producción de hidrógeno basado en electrolisis. La diferencia principal es que por

la estructura de este tipo de generadores, resulta imposible obtener una salida separada de hidrógeno y oxígeno, de manera

que los dos se evacuan por una misma salida, dando lugar al HHO.

2. APLICACIONES

2.1. ALUMBRADO

Antes de la invención y difusión de las lámparas eléctricas, existían diversos tipos de lámparas de oxi–hidrógeno, como por

ejemplo la luz de calcio [FIGURA 5.1], que utilizaban una llama de oxi–hidrógeno para calentar una pieza de óxido de calcio

que desprendía una fuerte luz blanca producida por una combinación de incandescencia y candoluminiscencia. Actualmente,

este tipo de lámparas han sido substituidas por lámparas eléctricas.

2.2. SOPLETE DE OXIHIDRÓGENO

El soplete de oxihidrógeno [FIGURA 5.2] es un tipo de soplete que funciona con una mezcla de hidrógeno y oxígeno que fue

desarrollado por el mineralogista inglés Edward Daniel Clarke y el químico americano Robert Hare a principios del siglo XIX.

Dada la alta temperatura que alcanza la llama que produce, se utilizaba para fundir materiales refractarios, como la

porcelana, el ladrillo refractario… y además era una herramienta comúnmente utilizada en diversos campos de la ciencia.

FIGURA 5.1 – LUZ DE CALCIO: EN ESTA FOTOGRAFÍA PODEMOS VER UNA DE LAS YA OLVIDADAS LUCES DE CALCIO UTILIZADAS AMPLIAMENTE EN LOS TEATROS DE

LONDRES EN EL S. XIX.


Actualmente se sigue utilizando para aplicaciones tales como corte y soldadura de metales, cristal y termoplásticos. También

está muy extendido su uso en la industria cristalera para el pulido por fuego, proceso que consiste en fundir ligeramente la

superficie de cristal para eliminar arañazos y embotamientos, y que también puede aplicarse a determinados plásticos.

Aunque compite con otro tipo de sopletes como el de acetileno o la soldadura por arco eléctrico, sigue siendo la herramienta

de corte preferida para muchas aplicaciones, y su uso automatizado en la industria metalúrgica está muy extendido [FIGURA

5.3].

2.3. SOPLETE DE AGUA

Prácticamente idéntico al anterior, pero en versión portátil [FIGURA 5.4]. Combina una fuente de corriente continua, una

celda electrolítica, un manómetro, un supresor de combustión y los sistemas de seguridad necesarios (válvulas, circuitos de

control, refrigeración…). Su funcionamiento se basa en producir oxi–hidrógeno sobre demanda, por lo que se elimina la

necesidad de depósitos para los gases.

Por otro lado, el tener los dos gases mezclados desde su producción en la celda hasta su quema en el soplete hace estos

sistemas más propensos a retrocesos de llama que pueden provocar algún accidente. No obstante, el uso de válvulas de

seguridad y de equipos de protección adecuados, y la ausencia de depósitos con grandes cantidades de gas, hacen que estos

imprevistos no sean de gran importancia ni riesgo.

La primera unidad fue diseñada en 1962 por William Rhodes y Raymond Hanes y comercializada bajo el nombre Water

Welder.

FIGURA 5.2 – EQUIPO DE OXICORTE: EN ESTA IMAGEN PODEMOS VER UN EQUIPO DE OXICORTE BASTANTE COMPLETO, FORMADO POR UN SOPLETE CON BOQUILLAS

INTERCAMBIABLES, REGULADOR DE CABAL, LLAVE DE PASO DE PRESIÓN Y DOS MANÓMETROS CON REGULACIÓN DE CABAL.


FIGURA 5.3 – OXICORTE CON CONTROL CNC: PODEMOS OBSERVAR EN LAS INSTALACIONES DE OMNIMAT ® COMO ACTUALMENTE LA TÉCNICA DEL OXICORTE SE HA

INTEGRADO CON SISTEMAS DE CONTROL NUMÉRICO (CNC), LO QUE PERMITE CORTAR TODO TIPO DE MATERIALES CON TODO TIPO DE FORMAS DE MANERA RÁPIDA Y

PRECISA.

FIGURA 5.4 – SOPLETES DE AGUA: PODEMOS VER DOS MODELOS PORTÁTILES DE SOPLETES OXHÍDRICOS, UNO DE TAMAÑO MUY REDUCIDO Y OTRO PARA APLICACIONES

QUE REQUIEREN UNA MAYOR CANTIDAD DE GAS. AUNQUE NO PAREZCAN MUY DIFERENTES EN CUANTO A TAMAÑO, EL PRIMERO ESTÁ AMPLIADO AL DOBLE RESPECTO A

SU TAMAÑO ORIGINAL.


2.4. REDUCIR CONSUMO DE VEHÍCULOS

Otra aplicación que actualmente se encuentra en expansión es su uso en vehículos con motor de combustión interna. En este

caso el gas se produce aprovechando la electricidad excedente que proviene del alternador, que de otra manera se perdería,

y se inyecta mezclado con el combustible convencional (gasolina o diésel), de manera que se mejora tanto la eficiencia como,

dependiendo de la configuración del sistema, el consumo y/o la potencia del motor.

Utilizando este sistema es posible aumentar la eficiencia de un vehículo entre un 20% y un 60%.

3. DISEÑO DE LAS CELDAS DE HHO

La construcción de celdas de HHO es fácil y está al alcance de prácticamente cualquiera. No obstante, resulta difícil encontrar

información completa y fiable sobre este tema en Internet o libros, a causa del gran número de compañías y particulares

que empezaron a vender estos dispositivos y a crear nuevos diseños que actualmente están al alcance de todos en la Red.

Así pues, nosotros seguiremos un orden de construcción, es decir, iremos viendo diferentes conceptos o aspectos a tener en

cuenta a la hora de diseñas y construir una de estas celdas en el orden más parecido posible al que deberíamos seguir a la

hora de construirla.

Estos pasos se seguirán asumiendo la construcción de una celda de alta eficiencia; en caso de utilizar diseños poco eficientes

es muy probable que los cálculos aquí realizados no tengan una gran precisión, debido a que las pérdidas de energía

generadas por un parámetro mal ajustado comporta el desajuste de los demás, con consecuencias que pueden ir desde

producciones de gas muy bajas hasta el completo fallo del sistema o destrucción de alguno de sus componentes.

3.1. PARÁMETROS DE LA FUENTE (VOLTAJE Y AMPERAJE) Y CONSUMO POR LITRO DE HHO

El consumo por litro (Cl) se define como la cantidad de vatios (W) necesaria para producir un litro de gas en una hora (LPH1).

Aunque este es un concepto que suele evaluarse después de haber construido la celda, tenerlo presente antes de empezar

ayuda a conseguir diseños más eficientes que nos evitan tener que realizar modificaciones posteriores para corregir los

errores de diseño arrastrados desde el principio. Se calcula mediante la fórmula siguiente:

, DONDE:

CL: CONSUMO POR LITRO A LA HORA.

WT: POTENCIA TOTAL.

VT: VOLTAJE TOTAL.

AT: AMPERAJE TOTAL.

LPH: LITROS POR HORA.

De esta fórmula podemos obtener las magnitudes que necesitamos para diseñar una celda eficiente. Por tanto, en caso de

que ya tengamos una fuente de alimentación y conociendo su tensión de salida y máxima corriente, podremos calcular la

producción de gas por hora, suponiendo que usemos una distribución eficiente de los electrodos, por lo que daremos al

consumo por litro un valor de unos 2,75 Wh/l.

En caso de querer determinar el voltaje o la intensidad y/o la potencia de la fuente que necesitamos para alimentar la celda,

daremos este mismo valor al consumo y un valor a la producción de litros por hora según la cantidad de gas que queramos

producir, para calcular así la potencia. En caso de haber calculado la potencia y no saber cómo repartirla en voltaje e

intensidad, daremos a la intensidad un valor máximo de 40 A y calcularemos el voltaje. Deberemos aproximar este voltaje a

12 V, 24 V, 110 V o 220 V y entonces con esta nueva cifra calcularemos el amperaje real. Aunque se puede utilizar cualquier

valor para ambos parámetros, estas tensiones son las más comunes entre fuentes de alimentación, por lo que será más fácil

encontrar distribuidores dónde comprar estos componentes.

En caso de que la celda vaya a ser utilizada en un coche, deberemos dar al voltaje el valor de la batería que éste utilice,

normalmente 12 V o 24 V, y al amperaje un valor que sepamos con seguridad que la batería va a poder entregar sin agotarse,

que normalmente se encuentra entre los 5 A y los 10 A para vehículos de ciudad (monovolúmenes, turismos, berlinas…).

1 LITRO POR HORA.


Lo importante al terminar esta parte del diseño es haber determinado con cierta precisión el voltaje y el amperaje con los

que trabajará la celda, teniendo en cuenta los límites de la red o de las fuentes de alimentación que estén a nuestro alcance.

El consumo por litro y la producción de gas variarán según el diseño de electrodos escogido y otros parámetros. De cualquier

manera, si no se comete ningún error en el diseño, la tendencia es a que ambas cifras mejoren, aumentando la producción y

disminuyendo el consumo.

A modo de ejemplo, existen diversos tipos de electrolizador para reducir el consumo de vehículos que no utilizan diseños

eficientes. Estos dispositivos deben ir conectados a la batería del coche, con lo que funcionan a 12 V, y su consumo se limita a

unos 5 A mediante un electrolito débil, poco conductor. No obstante, debido a su diseño inapropiado, estas celdas suelen

tener una producción muy baja, en torno a unos 3,5 LPH, lo que se traduce en un consumo de 17,14 Wh/l, cuando con un

diseño correcto de 7 placas en serie que ocupe aproximadamente el mismo espacio conseguiremos una producción de 24,5

LPH (2,45 Wh/l).

3.1.1. FUENTES DE ALIMENTACIÓN

Una vez determinados los parámetros del apartado anterior, deberemos buscar una fuente que se adecúe a nuestras

necesidades. En el mercado existen muchos tipos de fuentes de alimentación, y la mayoría se pueden utilizar para alimentar

una celda de HHO. A continuación analizaremos algunas para ver sus ventajas e inconvenientes, sus características

principales, para qué tipo de celda son idónea cada una de ellas… y otras características a tener en cuenta.

A pesar de los datos generales que se presentan a continuación, siempre existen excepciones, por lo que una vez se tenga

una idea de lo que se necesita, se recomienda consultar a un profesional que pueda asesorarnos en la elección de nuestra

fuente, de acuerdo a nuestras necesidades y a las especificaciones cada fabricante.

Dos condiciones a tener en cuenta antes de realizar esta elección son que necesitamos fuente de corriente continua (CC) y

que se recomienda siempre que sea posible, y sobre todo cuando se trabaje con fuentes no profesionales, que trabajen por

debajo de su amperaje máximo, para alargar así su vida útil. No obstante, existen métodos que veremos más adelante para

realizar esta limitación nosotros mismos.

3.1.1.1. TIPOS DE FUENTE

3.1.1.1.1. FUENTE CONMUTADA DE LABORATORIO

Este tipo de fuentes son una buena opción para voltajes de alimentación bajos, y resulta relativamente fácil encontrar

fuentes de voltaje y amperaje ajustable de entre 0 V y 100 V aproximadamente, aunque no suelen tener intensidades que

superen los 30 A.

A pesar de su potencia y fiabilidad, no se recomienda su uso para celdas de más de 24 V ni para uso continuado, ya que la

mayoría no están diseñadas para este uso.

Además cuentan con el inconveniente de ser bastante caras, y más tratándose de modelos de gran potencia.

3.1.1.1.2. FUENTE CONMUTADA PARA ORDENADORES

Este tipo de fuentes pueden ser fácilmente adaptadas para su uso para otras aplicaciones. Normalmente subministran

voltajes de 3,3 V, 5 V y 12 V, siendo este último el que se utilizaría. En cuanto a amperaje, existen fuentes de hasta 100 A,

aunque se recomienda utilizar estas fuentes hasta un máximo de 40 A.

Es una buena opción en cuando a precio, ya que fuentes con una salida de 12 V a 30 A pueden costar en torno a 30€, aunque

el coste se dispara cuando se trata de fuentes de más de 600 W. Al igual que con las fuentes de laboratorio, su uso quedaría

limitado a ocasional, ya que aunque este tipo de fuentes sí que están pensadas para soportar grandes cargas de trabajo

durante largos períodos de tiempo, su vida útil no suele ser demasiado larga, esto sin tener en cuenta los posible fallos o

deterioros prematuros provocados por las modificaciones necesarias para adaptarla a su nuevo uso. Además, al modificar la

fuente, si ésta es nueva, se pierde la garantía del fabricante.


Es importante buscar las fuentes que reciben la designación «single rail», lo que nos indica que en la placa sólo

encontraremos una única salida de 12 V por la cual circulará toda la corriente. Las fuentes con dos líneas separadas, aun

siendo del mismo voltaje, no pueden ser aprovechadas íntegramente, ya que suelen presentar dificultades a la hora de

realizar las conexiones.

Este tipo de fuente no permite regular el amperaje, por lo que se deberá hacer con otros métodos que detallaremos más

adelante.

3.1.1.1.3. BATERÍA ELÉCTRICA

En el caso de montar la celda en un vehículo, como puede ser un coche, una moto, un barco… para aprovechar la energía

excedente producida por el alternador, no queda otra opción que utilizar su batería. Éstas suelen ser de 12 V o 24 V y aunque

pueden llegar a subministrar corrientes bastante altas, se recomienda limitar el consumo de la celda a entre 5 A y 15 A, para

evitar consumir la batería más rápido de lo que el alternador puede recargarla.

Es posible utilizarlas también fuera de un vehículo, pero esto nos obliga a disponer de un cargador de baterías apropiado y

esperar el tiempo necesario para recargar la batería cada vez que la gastemos.

La limitación de corriente también deberá hacerse de manera manual.

3.1.1.1.4. FUENTE DE ALIMENTACIÓN INDUSTRIALES

Suelen ser fuentes pensadas para aplicaciones industriales de diferentes potencias. Las hay de voltaje regulable, con y sin

limitación de amperaje, de baja potencia, de alta potencia… y la mayoría están pensadas para uso continuado.

Son la mejor opción, ya que permiten controlar prácticamente todos sus parámetros, además de ser de gran calidad,

fiabilidad y duración, pero tiene un coste elevado, por lo que se recomienda sólo para uso profesional.

3.1.1.1.5. CIRCUITOS PWM

El uso de un sistema de alimentación por pulsos (PWM, Pulse Width Modulation) puede mejorar todavía más la eficiencia de

la celda. Esto es debido a que al inicio de cada pulso, suponiendo el mismo voltaje de alimentación, circula más corriente a

través de la celda que con una alimentación continúa.

Existen afirmaciones de diferentes individuos (S. A. Meyer, Boyce…) y seguidores que afirman que se puede mejorar la

eficiencia mediante fenómenos de resonancia que se consiguen con circuitos de alimentación PWM ricos en harmónicos. No

obstante, estos fenómenos no se han podido demostrar y en muchas ocasiones van en contra de las leyes de la

termodinámica, puesto que afirman producir más energía al quemar el gas que la necesaria para su producción.

Además, el uso de circuitos PWM permite limitar el flujo de corriente que pasa a través de una celda y, en muchos casos,

también permiten regular el voltaje.

Aunque se consideran un tipo de fuente de alimentación, en realidad se podrían incluir como subtipos de la mayoría de los

tipos que estamos repasando. Existe una gran variedad de circuitos PWM en el mercado, con características y precios muy

variados. La mejor opción en cuanto a precio son los utilizados para el control de velocidad de motores eléctricos, además de

tener también una buena duración. Existen también otros tipos destinados a la industria con mayor precisión, más opciones

de control… y otros pensados para hobby, de menor potencia.

Se recomienda el uso de circuitos PWM siempre que sea posible, aunque su coste suele ser elevado en todas sus variantes.

3.1.1.1.6. RECTIFICADOR DE CORRIENTE ALTERNA (CA)

En caso de necesitar voltajes elevados existe una opción más económica que la mayoría de fuentes capaces de

subministrarlos. Esta opción consiste en utilizar Corriente Alterna (CA) rectificada a Corriente Continua (CC), de manera que

podemos obtener fácilmente voltajes de 110 V o 220 V con distintos amperajes que dependerán de la potencia contratada y

de la limitación que nosotros establezcamos en el circuito.


Esta limitación de corriente se debe realizar mediante un condensador conectado en paralelo a la entrada de alimentación

del circuito, antes del transformador, si lo hay. En el apartado sobre la limitación de corriente, que veremos más adelante, se

detalla esta técnica.

3.1.1.1.7. PEQUEÑOS TRANSFORMADORES O CARGADORES

Pequeños transformadores o cargadores como los utilizados para móviles, equipos de música, impresoras y, en general,

prácticamente cualquier aparato eléctrico de baja o media potencia, pueden ser utilizados como fuente de alimentación para

celdas de baja producción, pensadas para usos de laboratorio, por ejemplo.

Es una de las opciones más económicas y que suponen menos modificaciones, ya que en la mayoría de los casos tan solo es

necesario cortar el antiguo terminal de conexión y pelar los cables por los extremos.

En este caso, debido a su escasa potencia, no es necesario limitar la corriente, ya que ya suele ser bastante baja y estos

dispositivos no suelen disipar mucho calor.

3.1.1.1.8. OTRAS OPCIONES

Como hemos dicho al principio, la única cosa indispensable para este tipo de fuentes es que sean de corriente continua, por

lo que cualquier otro elemento que nos la subministre será válido. Así pues, elegir cualquiera de las opciones anteriores u

otra completamente nueva e innovadora (placas solares, energía eólica…) tan solo dependerá de nuestras necesidades

energéticas, de nuestro presupuesto y de nuestra capacidad para realizar las modificaciones necesarias, si las hay.

3.1.2. LIMITACIÓN DE CORRIENTE

Puesto que no todas las fuentes permiten regular su amperaje, algo necesario debido a que el calentamiento de electrolito

provoca que disminuya el voltaje necesario para hacer circular un determinado flujo de corriente, con lo que al mantener el

voltaje, el flujo aumentará, lo que a su vez provocará más calentamiento de la celda. Este ciclo puede llevar a la celda a

trabajar a temperaturas demasiado altas y, si no se controla, puede llegar a hacer que el electrolito hierva, lo que puede

causar el deterioro de diversas partes de la celda y/o la rotura permanente de la fuente de alimentación por un

sobrecalentamiento.

Aunque existen celdas pensadas y adaptadas para trabajar a temperaturas cercanas a los 100 ˚C, en ningún momento se

puede superar el punto de ebullición del electrolito que estemos utilizando, puesto que esto haría que la celda dejase de

funcionar inmediatamente hasta que éste condensase de nuevo, incluso aunque sus componentes estén preparados para

trabar a tales temperaturas.

Así pues, existen cuatro métodos principales para limitar la corriente que circula por la celda, cada uno para una aplicación

diferente.

3.1.2.1. LIMITACIÓN DE CORRIENTE CAPACITIVA

Deberemos limitar la corriente capacitivamente en el caso de electrolizadores alimentados por corriente alterna rectificada.

Esta técnica consiste en colocar un condensador para CA en serie entre la fuente de CA y el puente rectificador. La reactancia

del condensador limitará la corriente a un cierto valor, pero sin disipar energía en forma de calor tal como haría una

resistencia.

Los condensadores para la corrección de factores de potencia son los ideales para este propósito. Para 230 V CA/ 50 Hz se

necesitan unos 14μF por amperio.


3.1.2.2. LIMITACIÓN MEDIANTE EL ELECTROLITO

En el caso de no disponer de una opción mejor, se puede limitar el flujo de corriente disminuyendo la cantidad de electrolito

diluido en el agua. No obstante, debido al calentamiento de la celda, el flujo irá aumentando lentamente, por lo que este

método sólo es efectivo para uso durante un período de tiempo corto o cuando se prevé el calentamiento y se compensa

mediante el uso de todavía menos electrolito. No es un método muy preciso.

3.1.2.3. LIMITACIÓN POR RESISTENCIA

En caso de que la limitación no sea para proteger la fuente, sino para disminuir la producción de la celda, es posible añadir

una resistencia en paralelo para dividir la corriente, la potencia de la cual deberá ser adecuada a la cantidad de energía que

deba disipar. También es posible el uso de un potenciómetro o reóstato, que permiten un ajuste de la producción de gas

más preciso. Esta resistencia se calcula mediante la siguiente fórmula:

Ω! , DONDE:

R: VALOR DE LA RESISTENCIA EN PARALELO.

VT: VOLTAJE TOTAL.

IDISIPADA: INTENSIDAD QUE SE QUIERE DISIPAR.

IT: INTENSIDAD TOTAL.

ICELDA: INTENSIDAD CONSUMIDA POR LA CELDA.

RCELDA: RESISTENCIA TOTAL DE LA CELDA.

3.1.2.4. LIMITACIÓN POR POTENCIA MÁXIMA

Otra opción cuando se desea limitar el amperaje para limitar así la producción es utilizar una fuente al máximo de su

capacidad, normalmente ya limitada internamente, de manera que aunque la resistencia del electrolito varíe, no aumentará

e flujo de corriente.

Este método, al igual que el anterior, solo se recomienda para regular la producción de gas en fuentes limitadas previamente

o de gran fiabilidad y calidad, ya que de lo contrario esteremos forzando su funcionamiento.

3.2. ELECTRODOS Y DISEÑO DE LA CELDA

El escoger una correcta configuración de los electrodos es esencial para conseguir celdas eficientes, puesto que de ella

dependerán en gran medida las fugas de energía de la celda y, por tanto, su producción y rendimiento. Los parámetros más

importantes que hacen referencia a los electrodos son los siguientes:

3.2.1. SEPARACIÓN ENTRE ELECTRODOS

La separación de los electrodos depende de la cantidad de gas que se vaya a producir y ésta, a su vez, depende del amperaje

que vaya a circular a través de la celda, como ya hemos dicho varias veces, asumiendo un diseño eficiente.

En la práctica, entre 2 mm y 4 mm es una distancia adecuada para producciones de hasta 15 A (unos 12 LPH). A partir de aquí

deberemos aumentar la separación, que deberá ser de entre 4 mm y 8 mm para flujos de corriente de entre 15 A y 40 A.

Esta mayor separación se debe a que producciones de gas elevadas harán burbujear y espumear el electrolito, con lo que

aparecerán espacios sin líquido entre los electrodos que reducirán la eficiencia de la celda.

La manera de separar los electrodos no depende de la distancia entre ellos, que suele ser de fácil ajuste, sino del tipo de

diseño que escojamos. Veremos esto más adelante.


3.2.2. MATERIAL

El mejor material para la fabricación de los electrodos, por sus propiedades eléctricas, es el níquel. No obstante, éste

presenta algunos problemas por la fragilización por hidrógeno, visto en el tema 2, por lo que no se recomienda el uso aislado

de este material, que además tiene un coste elevado. En su lugar se utiliza acero inoxidable, en algunos casos recubierto de

níquel. De esta manera obtenemos unos electrodos con buenas propiedades eléctricas, así como resistentes a la fragilización

y a la corrosión. Para que sean todavía más resistentes, se recomienda el uso de acero del grado 316, más resistente a la

corrosión.

Para ganar algo de superficie de reacción, los platos se suelen lijar con una lija muy fina en forma de cruz (primero en vertical

y luego en horizontal), de manera que se crean pequeños espacios en la superficie del electrodo que, a pesar de ser apenas

visibles a simple vista, aumentan la superficie reactiva del electrodo.

3.2.3. DENSIDAD DE CORRIENTE Y SUPERFICIE DE LOS ELECTRODOS

La densidad de corriente (dC) se define como la cantidad de corriente que circula por unidad de superficie de un electrodo, y

se calcula mediante la siguiente fórmula:

"# $

% $

&' , DONDE:

DC: DENSIDA DE CORRIENTE.

N: NÚMERO DE AGRUPACIONES DE CELDAS.

IE: INTENSIDAD QUE CIRCULA A TRAVÉS DEL

ELECTRODO.

SE: SUPERFICIE DEL ELECTRODO.

Suponiendo una misma superficie de electrodo, en aumentar la corriente que circula por la celda, aumentaremos la

producción de gas, pero también el voltaje necesario para hacer circular esta corriente, por lo que la eficiencia de la celda

disminuirá. Para evitar esto, lo ideal es mantener un flujo de 1000 A/m2, ya que a menor área, se necesitará un mayor

voltaje para hacer circular el mismo amperaje, que generará más calor.

En el caso de una celda sencilla, con una ánodo (electrodo positivo) y un cátodo (electrodo negativo), la intensidad que

circula por cada electrodo será igual a la total. En el caso de utilizar agrupaciones de electrodos conectadas a la fuente en

paralelo, la intensidad que circula por cada agrupación será igual a la total dividida entre el número de agrupaciones,

asumiendo que todas tengan el mismo tipo y cantidad de electrodos.

Por tanto, deberemos asumir una densidad de corriente de 1000 A/m2 a partir de la cual determinaremos la superficie de

cada electrodo y las agrupaciones de los mismos que se necesitarán.

3.2.4. ELECTROLITO

Es necesario el uso de un electrolito sólido que se mezclará con agua destilada para diluirlo y así hacerla conductora, de

manera que obtengamos un producto con las mínimas impurezas posibles, al mismo tiempo que permita un buen flujo de

corriente eléctrica a través suyo. No obstante, el electrolito escogido no debe originar nuevos componentes en las

reacciones que se den en la celda, tan solo facilitar la división de las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno.

El uso de un producto incorrecto como electrolito puede generar subproductos no deseados que deteriorarán la celda y, en

algunos casos, pueden ser tóxicos.

La conductividad del electrolito líquido que obtengamos vendrá determinada por la concentración de la disolución y por el

producto usado. Por tanto, se recomienda determinar la cantidad necesaria de manera práctica para así observar la

variación que experimenta la intensidad de corriente que circula por nuestra celda en función de la concentración de la

disolución.


En la siguiente tabla se muestran los mejores electrolitos y sus aplicaciones:

PRODUCTO FÓRMULA QUÍMICA APLICACIONES

VOLTAJE AMPERAJE TEMPERATURA

SULFATO DE MAGNESIO MGSO4 INDIFERENTE BAJO BAJA HIDRÓXIDO DE POTASIO KOH INDIFERENTE ALTO ALTA

HIDRÓXIDO DE SODIO NAOH INDIFERENTE ALTO MEDIA SULFATO DE SODIO NA2SO4 BAJO BAJO MEDIA

ÁCIDO SULFÚRICO DILUIDO H2SO4 BAJO MEDIO MEDIA

En general, el hidróxido de potasio (KOH) es el mejor electrolito para cualquier aplicación, ya que es el que soporta

condiciones más variadas y no deja residuos. El hidróxido de potasio, en cambio, genera un residuo marrón que enturbia la

disolución y ensucia la celda, reduciendo progresivamente su eficiencia si no se limpia periódicamente.

El ácido sulfúrico es otra opción, que aunque queda limitada para celdas de poca potencia. No obstante, si se decide su uso,

es importante que se haga en concentraciones muy bajas.

En general, se debe tener especial precaución a la hora de trabajar con cualquiera de estos productos, incluso una vez se

encuentran diluidos, ya que la mayoría son ácidos o bases fuertes y corrosivos. Es importante también que los materiales

utilizados en la construcción de las diferentes partes de la celda sean capaces de soportar esta corrosión.

3.2.5. AJUSTE DEL VOLTAJE ENTRE ELECTRODOS

Como vimos en el tema 3, para producir la electrolisis del agua se necesitan teóricamente 1,23 V, al tener en cuenta la

presencia del electrolito este valor aumente hasta aproximadamente 1,48 V, dependiendo del electrolito utilizado. En la

práctica este valor es todavía más alto, entre 2,0 V i 2,4. Es importante tener en cuenta que más voltaje no mejora la

producción, puesto que su única función es la de superar diversas barreras de activación de la reacción. De hecho, todo el

voltaje extra se traduce en pérdidas de eficiencia, ya que se pierde en forma de calor, que a su vez afecta negativamente al

rendimiento de la celda. Este voltaje es determinado por el material de los electrodos, el espacio entre ellos, la conductividad

del electrolito y la densidad de corriente.

Es importante saber que este nos es el voltaje total con el que se deberá alimentar la celda, sino el que deberá circular entre

cada par de electrodos adyacentes.

Por tanto, lo primero que haremos será determinar el valor de este parámetro según los siguientes aspectos:

- Si se utilizan materiales menos conductores que el acero, se incrementará este valor, de lo contrario se disminuirá.

- Si el espacio entre los electrodos es pequeño, el voltaje disminuirá, de lo contrario aumentará.

- Si se utiliza un electrolito bastante conductor su valor disminuirá, de lo contrario aumentará. En caso de ajustar el flujo

de corriente mediante el uso de poco electrolito, este valor aumentará.

- Si la densidad de corriente se encuentre por encima de 1000 A/m2, el voltaje aumentará, de lo contrario disminuirá.

Según la tendencia observada en estos puntos (a aumentar o a disminuir), se escogerá un valor u otro entre 2,0 V y 2,4 V. No

obstante, la mayoría de diseños utilizan métodos de separación de electrodos modulares que permiten una fácil modificación

de la distancia entre ellos y soportan el trabajo a temperaturas relativamente altas, pero siempre por debajo de los 80 ˚C.

Además, la intensidad total de la celda puede ser regulada mediante los métodos vistos anteriormente, como por ejemplo

reduciendo la cantidad de electrolito presente en el agua, o mediante la fuente de alimentación.

Así pues, este valor podrá ser alterado fácilmente una vez construida la celda y, de hecho, las propias variaciones de la

temperatura de la celda lo harán oscilar entre diferentes valores, por lo que normalmente simplemente se coge como

referencia el rango en el que se debe situar o un valor intermedio (2,2 V) para determinar las características que veremos a

continuación.


3.2.6. DISEÑOS Y TIPOS DE CELDAS

Los generadores de HHO son formados principalmente por una serie de electrodos y el recipiente o cámara/s internas dónde

estará el electrolito, además de otros elementos auxiliares que veremos más adelante.

Así pues, según la forma de los electrodos y del recipiente, éstos estarán completamente o parcialmente sumergidos en

electrolito, dando lugar a una celda de baño y seca, respectivamente.

3.2.6.1. CELDAS DE BAÑO

Este tipo de celdas se componen de un recipiente lleno de electrolito en el cual los electrodos están completamente o

prácticamente sumergidos.

Su característica principal es que el recipiente hace a la vez de celda y de depósito de electrolito, ya que los electrodos no

suelen ocupar más de ¾ partes del espacio vertical de la celda.

En la parte superior se coloca una tapa en la cual se encuentra la salida de los gases, para su posterior aprovechamiento.

Este tipo de celdas suelen son poco eficientes por las pérdidas de corriente que se producen en los bordes de los electrodos

y que provocan que la celda se caliente, pero tienen la ventaja de ser más fáciles de construir que los otros tipos, además de

no necesitar depósito de electrolito, y permitir utilizar prácticamente cualquier elemento metálico como electrodo. Por

tanto, su producción no suele superar los 1,5 LPM2, a pesar de que su consumo sea elevado, por lo que no se recomienda su

uso.

Otro inconveniente es que la única forma de ajustar el voltaje entre electrodos en estas celdas es mediante la fuente de

alimentación, ya que su diseño no permite ajustarlo mediante una distribución determinada de los electrodos, como sí que

pasa con las celdas secas. También, dependiendo del tipo de electrodos que utilicemos, será absolutamente imposible

ajustar algunos de los parámetros calculados anteriormente; los tipos de electrodos más utilizados se presentan a

continuación:

3.2.6.1.1. PLACAS

Al usar placas es posible ajustar la mayoría de los parámetros vistos anteriormente. Este tipo de diseño suele agrupar las

placas en dos grupos distintos, uniéndolas mediante una varilla roscada metálica que nos hará de terminal y con el doble de

la distancia deseada más el grosor de una placa de separación. De esta manera obtenemos dos bloques de electrodos iguales

que mediante varillas roscadas de materiales no conductores, separadores de plástico o la fijación de ambos en una posición

fija mediante la varilla roscada metálica, nos permiten intercalar una placa de cada grupo, que corresponden a polaridades

diferentes de la fuente de alimentación.

Así pues, el bloque mínimo de electrodos utilizando este diseño está formado por dos placas (+-), de manera que cada vez

que se añada otra placa con polaridad, intercalándolas siempre, estaremos aumentando el número de agrupaciones (2 +-+, 3

+-+-…). Es necesario tener esto presente en apartados anteriores, por ejemplo a la hora de calcular la superficie de los platos

y la densidad de corriente.

El grosor de las placas suele ser de entre 0,8mm y 1,2mm.

3.2.6.1.2. VARILLAS ROSCADAS CON ARANDELAS Y TUERCAS

Este tipo de electrodos están formado por una varilla roscada en la que se inserta alternativamente una tuerca y una

arandela del mayor diámetro posible, con el objetivo de ganar superficie de reacción. El otro electrodo suele ser un tubo en

el cual se puede insertar el anterior conjunto sin tocar las paredes.

Este diseño presenta muchas fugas de corriente y eficiencias muy bajas, así como un peso elevado y complicaciones

innecesarias en su construcción. Además, resulta difícil ajustar y calcular muchos de los parámetros anteriores debido a las

irregularidades de sus piezas.

2 LITROS POR MINUTO.


3.2.6.1.3. CABLE

Permiten crear celdas ligeras a cambio de una corta vida útil, a causa de la corrosión y deterior del cable, y con una

producción de gas baja por su escasa superficie reactiva y eficiencia.

Suelen estar formadas por dos cables enrollados helicoidalmente en un soporte plástico de manera que no se toquen.

Existen muchos dispositivos con este diseño que son comercializados por diversas compañías como reductores de consumo

para vehículos, pero como acabamos de ver no son eficientes. Por tanto, podemos deducir que este diseño muy

probablemente surgió como una manera de reducir los costes de estos dispositivos, al utilizar menos acero, para poder

obtener un mayor beneficio de las ventas.

Permite ajustar algunos parámetros, como la distancia entre electrodos, pero es prácticamente imposible ajustar otros, como

la superficie de los mismos. Además, no permite agrupaciones, así que el único modelo de conexión posible es el formado

por dos electrodos (+-), por lo que resulta sumamente difícil ajustar la densidad de corriente debido a la imposibilidad de

variar la superficie de reacción y el flujo de corriente que circula por los electrodos.

3.2.6.1.4. OTROS

En el caso de las celdas de baño, la lista de elementos que se pueden utilizar como electrodos es prácticamente interminable

y abarca prácticamente cualquier elemento conductor que podamos sumergir en el electrolito.

No obstante, todos los diseños imaginables: tubos, perfiles, varillas, cubiertos… presentan algo en común: su escasa

eficiencia. Por eso mismo no se recomienda, en ningún caso, el uso de este tipo de diseños, que además, en la mayoría de

casos, no permiten el correcto ajuste de los parámetros vistos anteriormente.

3.2.6.2. CELDAS SECAS

Este tipo de celdas reciben este nombre y se diferencian del anterior grupo porque el electrolito no se encuentra alrededor

de los electrodos, sino entre ellos, y se almacena en un depósito separado de la celda.

Estos diseños pretenden aumentar la eficiencia del sistema mediante la reducción de las fugas de corriente, que suelen

producir en su mayoría por los bordes de los electrodos, al encontrar aquí el camino más fácil para circular. Así pues, al evitar

que los bordes de los electrodos toquen el electrolito, conseguimos reducir en gran medida las pérdidas.

Para hacer circular el gas y el electrolito por toda la celda, de manera que se pueda recoger la producción de manera fácil y

crear un flujo constante de gas–electrolito (sistema auto-bombeante), se realizan pequeños agujeros en los electrodos, que

supondrán una pequeña pérdida de eficiencia. No obstante, de los dos agujeros necesarios, tan solo el utilizado para la

circulación del electrolito se encontrará sumergido, mientras que el otro permanecerá por encima del nivel de líquido.

3.2.6.2.1. PLACAS

Este diseño suele crear agrupaciones de placas separadas por una junta de goma EPDM, PVC blando o algún otro material

parecido que, al mismo tiempo que hace de separador, crea una cámara hermética entre ambas placas. Por eso mismo, es

necesario tener presente el espacio ocupado por la junta al calcular la superficie de reacción.

Para hacer circular el gas y el electrolito, los electrodos disponen de dos agujeros que permiten su flujo por toda la celda, de

manera que se crear un sistema auto–bombeante que permite mantener el nivel de electrolito por debajo del agujero

destinado al flujo de gases. Aunque existen diseños en los que esto se realiza de manera individual en cada cámara, además

de la complicación en cuanto a construcción que esto significa, no suele dar buenos resultados, ya que es difícil mantener el

mismo nivel de electrolito en toda la celda.

En los extremos de las agrupaciones se suele colocar una pieza de metacrilato o PVC con una junta, lo que permite compactar

todo el grupo y permite ver el nivel del electrolito y la reacción en todo momento. Además, en esta pieza suele ubicarse la

entrada de electrolito y la salida de HHO.

En este tipo de diseño no es necesario subministrar el voltaje entre placas directamente des de la fuente, ya que existe un

sistema de agrupación de electrodos que permite dividir internamente voltajes más elevados.


3.2.6.2.1.1. PLACAS NEUTRAS Y VOLTAJE REAL ENTRE PLACAS

De igual manera que se pueden crear circuitos en serie conectando diversos elementos encadenados entre sí, y conectado la

fuente de alimentación tan solo en los extremos, es posible hacer lo mismo con los electrodos, pero con la diferencia que la

conexión entre ellos se produce a través del electrolito. Las placas que quedan sin conectar reciben el nombre de neutras o

bipolares.

Estas placas no se conectan a ninguna fuente de electricidad y se encuentran colocadas entre dos placas conectadas a

polaridades diferentes. De esta manera se consigue que en cada cámara creada entre las placas conectadas haya un voltaje

igual al total dividido por el número de espacios, sin necesidad de ajustar la salida de voltaje de la fuente ni utilizar cables.

Para calcular el número de placas debemos tener en cuenta el voltaje entre electrodos, calculado en apartados anteriores, y

el voltaje total de la fuente. Obtenemos el número de placas aplicando la siguiente fórmula:

(

) 1 , DONDE:

N: NÚMERO DE PLACAS POR AGRUPACIÓN. VT: VOLTAJE TOTAL DE LA CELDA. VC: VOLTAJE CALCULADO ENTRE ELECTRODOS.

El valor obtenido debe ser redondeado y determinará el número total de placas de cada agrupación. De estas placas, las dos

de los extremos serán los que vaya conectadas a la fuente a polos opuestos, mientras que las restantes quedarán entre

medio de éstas, separadas entre ellas, de manera que formarán una conexión en serie con las placas adyacentes.

Una vez determinado el número de placas, volveremos a calcular el voltaje entre electrodos, que cambiará al haber

redondeado los valores obtenidos inicialmente, mediante la fórmula siguiente:

+,# %- , DONDE:

N: NÚMERO DE PLACAS POR AGRUPACIÓN. VT: VOLTAJE TOTAL DE LA CELDA.

V’C: NUEVO VOLTAJE ENTRE ELECTRODOS.

Con el nuevo valor, que se acerca más al valor real que el anterior, es posible modificar ligeramente algunos parámetros de

los vistos en el apartado de ajuste de voltaje entre electrodos.

A modo de ejemplo, en el caso de tener una fuente de alimentación de 12 V, la configuración más utilizada es de 5 neutros (-

NNNNN+), de manera que el voltaje entre placas es de 2 V. Para celdas con más producción se agrupan diversos conjuntos

como el anterior (-NNNNN+NNNNN-…), de manera que se divide el amperaje por agrupación. De igual manera que se trabaja

con 12 V, es posible trabajar hacerlo con otros valores mucho más altos, por ejemplo 220 V; en este caso utilizaríamos un

total de 101 placas, de las cuales 99 serían neutras.

Así pues, este sistema es el más recomendado y eficiente, con el único problema que suele calentarse con el uso. Para evitar

esto se recomienda el uso de circuitos PWM y un ajuste preciso de los parámetros vistos anteriormente, como por ejemplo la

densidad de corriente.

3.2.6.2.2. TUBOS

Los electrodos son dos tubos de acero concéntricos con un espacio entre ellos. Necesitan agujeros entre ellos en la parte

inferior para permitir el flujo de electrolito, pero no en la superior, dónde el propio extremo de los tubos permite la salida de

los gases.

Deben ir colocados en un recipiente hermético de manera que el borde inferior de los tubos quede insertado en el fondo,

para evitar así que el electrolito toque el borde. Estos diseños presenta menos problemas de calentamiento, incluso sin

utilizar circuitos PWM, debido a la mayor cantidad de electrolito que circula por la celda.

No obstante, el uso de agrupaciones con neutros en estos sistemas suele dar más problemas, sobre todo al utilizar un gran

número de los mismos, por la reducción de superficie que se produce al reducir también el diámetro de los tubos.

Este sistema suele ser más utilizado en celdas pequeñas con voltajes de alimentación cercanos al calculado entre electrodos,

aunque el sistema de placas con neutros es igualmente válido y, en general, más recomendado.


3.2.7. AUMENTO DE PRESIÓN Y TEMPERATURA

Independientemente del diseño de celda utilizada, es necesario que el recipiente utilizado o creado por los electros, sea

completamente hermético para evitar fugas.

En celdas secas de placas, debido a la facilidad para apretar el conjunto, es posible aumentar su presión de salida mediante

tetinas pequeñas que permitan la salida de poca cantidad de gas. En cualquier otro diseño, la presión soportada por el

conjunto vendrá dada por la resistencia del recipiente utilizado y su hermeticidad.

La temperatura de cualquier tipo de celda también aumentará con el uso. Por tanto, es necesario que los materiales

escogidos para su construcción sean capaces de soportar sus temperaturas de trabajo y que éstas, mediante todos los

métodos vistos anteriormente, se mantengan siempre por debajo de la temperatura de ebullición del electrolito empleado.

En cualquier caso, es normal que las celdas trabajen a temperaturas en torno a los 65 ˚C y a presiones algo superiores a la

atmosférica. De hecho, esto mejora ligeramente su eficiencia.

3.3. ELEMENTOS AUXILIARES

Además de la celda propiamente dicha, son necesarios otros elementos para mantener un flujo de agua contante en la celda,

para purificar el gas y para transportarlo hasta la herramienta u objeto en el que vayamos a utilizarlo.

3.3.1. DEPÓSITO

Es el primer elemento conectado a la celda. Consiste en un depósito, normalmente de algún material plástico resistente a

sustancias corrosivas, como el hidróxido de potasio o el hidróxido de sodio, normalmente utilizados como catalizadores de la

reacción.

Tiene tres conexiones, una de salida de agua en la parte inferior, una de salida de gas en la parte superior y otra de entrada

de gas también en la parte superior. Esta última canaliza el gas hasta la parte inferior del depósito a través de una conducción

de plástico. Esto hace que el depósito actúe a la vez como elemento de protección, al hacer la misma función que un

arrestador de llama, ya que si se produjese una explosión a la salida del depósito, debido a la rápida velocidad de llama del

hidrógeno, ésta no se propagaría hasta la celda, al no encontrar un flujo continuo de gas entre ambos elementos.

3.3.2. BURBUJEADOR

Este elemento consiste en un depósito con una entrada de gas, que al igual que en el depósito de electrolito se canaliza hasta

la parte inferior, y una salida de gas, también en la parte superior. La diferencia recae en que el agua de este elemento es

pura y no se comunica con la de la celda, de manera que sirve para purificar el gas obtenido de los posibles restos de

catalizador; por eso es conveniente su sustitución de manera periódica. Así pues, su función es doble, tanto protectora como

purificadora.

A pesar de que en muchos casos el burbujeador es la única protección de todo el circuito de gas, este tipo de dispositivos no

están diseñados especialmente para este propósito, ya que con producciones altas se puede llegar a crear una columna de

gas lo largo de todo el burbujeador que cree una conexión hacía la celda.


3.3.3. ARRESTORES DE LLAMA

Estos dispositivos son un tipo de válvula que evita que una combustión o explosión se propague a través suyo. Se recomienda

el uso de válvulas de este tipo en la salida de hidrógeno del sistema, lo más cerca posible de su lugar de aplicación.

Su fabricación artesanal no es viable, por lo que la mejor opción es acudir a algún punto de venta especializado.

4. CONSTRUCCIÓN DE NUESTRA PROPIA CELDA

4.1. MODIFICACIÓN DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN PARA ORDENADORES

Nuestra celda necesita de una fuente de alimentación con potencia suficiente para producir una cantidad importante de

hidrógeno. Existen muchos tipos de fuentes eléctricas en el mercado, pero conforme aumenta su potencia, también lo hace

su precio, y de manera exponencial. Por eso mismo, hemos optado por modificar una fuente ATX, como las utilizadas en los

ordenadores, para nuestros propósitos.

Este tipo de fuentes tienen una amplia gama de potencias, así como precios muy variados, de manera que no nos será difícil

encontrar una fuente con una potencia aceptable y a un precio razonable. No es necesario que compréis la misma fuente que

se utiliza aquí, pero sí una que sea similar. Las cosas básicas de debe tener son las siguientes:

- Al menos 500W de potencia.

- Una única salida de 12V con al menos 20A. Existen fuentes de mucha potencia que utilizan dos salidas de 12V, de

manera que se reparten el amperaje. Este tipo de fuente double-rail no es lo que necesitamos.

- Ventilador.

Nosotros hemos optado por una fuente B-Move PSU 500W, que proporciona una salida de 12v a 28A.

Una vez tenemos la fuente, ya podemos comenzar con su modificación, pero olvidéis probarla antes para comprobar su

correcto funcionamiento, ya que una vez modificada perderemos la garantía. Al final obtendremos una fuente que nos

subministrará 3 voltajes diferentes con intensidades de hasta 30A [FIGURA 5.5].

FIGURA 5.5 – FUENTE ATX MODIFICADA: PODEMOS OBSERVAR COMO SE HA MEJORADO LA VENTILACIÓN DE LA FUENTE, SE HAN COLOCADO TODOS LOS CONTROLES EN

UN MISMO PANEL, SE HAN AÑADIDO DIFERENTES SALIDAS DE VOLTAJE…


Las herramientas y materiales que necesitaremos serán los siguientes:

MATERIALES HERRAMIENTAS 2 RESISTENCIAS DE 330 OHMS

1 RESISTENCIA CERÁMICA DE 10 OHMS Y 10W UN INTERRUPTOR DE CORREDERA

DOS LEDS DE DIFERENTES COLORES 2 PORTA LEDS

TUBO TERMORETRÁCTIL 3 CONECTORES BANANA HEMBRA ROJOS

1 CONECTORES BANANA HEMBRA NEGROS 4 CONECTORES BANANA MACHO NEGROS

2 CONECTORES BANANA MACHO ROJOS 3 FUSIBLES DE LOS AMPERAJES DE SALIDA DE NUESTRA FUENTE

3 PORTAFUSIBLES 1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN ATX PARA PC DE MIN. 500W CON

VENTILADOR ESTAÑO

CHAPA DE ALUMINIO CHAPA METALICA AGUJEREADA O MALLA

CINTA AISLANTE CONECTORES FASTON

CABLES VARIOS TIPEX

SOLDADOR DE ESTAÑO TIJERAS ALICATES DE CORTE ROTULADOR PERMANENTE ESCUADRA Y REGLA DREMEL CON ACCESORIOS SURTIDOS

Empezaremos retirando la carcasa superior de nuestra fuente, a la que normalmente viene atornillado el ventilador, que

habrá que desconectar de la placa, para poder retirar completamente.

Una vez abierta, lo primero que deberemos hacer será evaluar, según el espacio disponible en su interior y las modificaciones

que queramos hacer, dónde y cómo ubicaremos todos los componentes.

Para este uso, tan solo necesitamos obtener salida de 0V y 12V. No obstante, aprovecharemos también para poner las tomas

de 3,3V y 5V, de manera que tengamos una fuente bastante completa, aprovechable para otras aplicaciones.

Así pues, vamos a necesitar espacio suficiente para colocar 4 conectores banana hembra, que serán los componentes que

más espacio nos ocupen, además de los cables que pasarán de estar fuera de la celda a estar por dentro, en su mayoría,

aunque acortados.

En nuestra fuente, y en la mayoría, el lugar dónde mejor podemos ubicar los nuevos componentes es en el panel de

ventilación trasero, dónde se encuentra la toma de corriente. Esto es así porque normalmente la placa se encuentra

desplazada hacia el lado contrario para permitir la salida del aire por aquí. Al utilizar este espacio para colocar los

componentes taparemos la salida de aire, por lo que deberemos abrir una nueva ventilación, en la otra parte de la carcasa,

más tarde. Es recomendable que la ubicación para los componentes se busque siempre en la base de la carcasa, ya que el

hacerlo en la tapa dificultaría mucho las conexiones. También es posible hacerlas en un panel anexo a la caja original, pero

esto también complicaría el diseño y aumentaría considerablemente el tamaño de nuestra fuente.

Ahora que hemos decidido dónde colocar nuestros componentes, debemos decidir su ubicación exacta y construir un panel

con la chapa de aluminio para colocarlos. Este panel deberá tener la medida de la parte trasera de nuestra fuente, de manera

que la cubra por completo, e irá fijado a ella mediante los tornillos que normalmente se utilizan para fijar la fuente a la caja

del PC.

Será necesario que retiremos temporalmente el interruptor y la conexión de red de nuestra fuente. A continuación

deberemos superponer la placa en su lugar y marcaremos con permanente los agujeros de anclaje y los del interruptor y la

toma de corriente. Una vez hecho esto, dibujaremos el espacio restante los agujeros necesarios para todos los otros

componentes (portaleds, conectores banana hembra, interruptor…), intentando que el hueco se ajuste lo máximo posible al

tamaño de la parte de fijación de cada componente.

Una vez esté todo marcado, revisaremos que no falte nada y que todos los componentes se puedan colocar en la posición

indicada sin chocarse con otros y si todo está bien, con ayuda de nuestra herramienta Dremel o similar, haremos todos los


cortes y agujeros necesarios, intentando dejar los bordes lo más lisos posibles, pasando herramientas de pulido después de

hacer el rebaje necesario.

Ahora deberemos hacer algo parecido en la caja de la fuente, pero teniendo en cuenta que algunos agujeros ya vienen de

serie. Para hacer el resto, situaremos nuestro panel en su posición y marcaremos todos sus agujeros con tipex sobre la

fuente. Ahora retiramos el panel para evitar dañarlo, y repetimos el proceso.

Una vez terminado esto ya podemos atornillar permanentemente el panel sobre la caja y, a continuación, recolocaremos el

interruptor y la toma de corriente originales de la fuente. También podemos colocar los conectores banana, que se fijan con

una tuerca, y el nuevo interruptor, que dependiendo del tipo, modelo y fabricante se fijará con tuerca o con tornillos. En

nuestro caso es un interruptor de corredera que se fija con dos tornillos M2.

Es posible añadir un fusible en cada conector para mayor protección de la fuente. Para esto tan solo tendremos que fijar un

portafusibles justo debajo del conector deseado, de manera que prácticamente se toquen. Así solo tendremos que añadir

una gota de estaño más tarde para fijarlos.

Ahora empezaremos con la parte de soldadura. Deberemos identificar los diferentes cables e ir haciendo las soldaduras

pertinentes. Como no todas las fuentes son iguales, es posible que no encontremos alguno de los cables citados, pero los

importantes deberían aparecer en todas, así que no deberíamos tener ningún problema.

Antes de empezar a soldar cada uno de los cables deberemos evaluar la distancia necesaria para conectarlo en su posición

sin tener que dejar una gran cantidad de cable enrollado dentro de la fuente, puesto que después deberemos cerrarla de

nuevo.

- C. VERDE: Este cable es el de encendido/apagado. Deberemos conectarlo al interruptor que colocamos anteriormente de

manera que podamos conectarlo y desconectarlo con un cable negro, que también deberemos soldar al interruptor.

- C. GRIS: Éste es el indicador de encendido, que nos indicará cuándo la fuente esté conectada. Deberemos soldar una

resistencia de 330 Ohms y a continuación un Led que nos hará de indicador. Podemos proteger el conjunto con tubo

termorretráctil.

- C. LILA: Éste es el indicador de funcionamiento, que nos indicará cuándo nuestra fuente esté trabajando (subministrando

corriente). Deberemos hacer lo mismo que con el cable gris, pero a poder ser con un led de distinto color para

diferenciarlos fácilmente.

- C. AZUL: Este cable normalmente es de –12V y soporta muy poco amperaje, por lo que no lo utilizaremos. Simplemente

lo enrollamos sobre él mismo y aislamos el extremo con cinta aislante.

- C. BLANCO: Este cable normalmente es de –5V y soporta muy poco amperaje, por lo que no lo utilizaremos. Simplemente

lo enrollamos sobre él mismo y aislamos el extremo con cinta aislante.

- C. MARRON: Este cable debe conectarse a un cable naranja (3,3v) directamente. La mayoría de fuentes ya lo llevan

conectado en el mismo cabezal de conexiones, pero como nosotros lo hemos eliminado deberemos puentearlo de

nuevo. Simplemente enrollar ambos cables, añadir un punto de estaño y proteger la unión con cinta aislante o tubo

termorretráctil.

- C. NARANAJAS: Nos dan una salida de aproximadamente 3,3v. Deberemos unirlos a los lugares citados anteriormente y,

los sobrantes, los uniremos entre sí, y los conectaremos a un conector banana con un conector en forma de U, que nos

permita un fijación rápida con la tuerca del conector banana.

- C. AMARILLOS: Nos dan una salida de aproximadamente 12v y serán los que utilicemos para la celda. Debemos unirlos

entre sí, y los conectaremos a un conector banana con un conector en forma de U, que nos permita un fijación rápida

con la tuerca del conector banana. Deberemos reservar uno de estos cables para la carga mínima necesaria para la

fuente. En este soldaremos un terminal faston. Reservamos también su correspondiente cable de 0v.

- C. ROJOS: Nos dan una salida de aproximadamente 5v. Debemos unirlos entre sí, y los conectaremos a un conector

banana con un conector en forma de U, que nos permita un fijación rápida con la tuerca del conector banana.

Deberemos reservar uno de estos cables para la carga mínima necesaria para la fuente. En este soldaremos un terminal

faston. Reservamos también su correspondiente cable de 0v.

- C. NEGROS: Son los negativos (0v). Debemos unirlos entre sí, y los conectaremos a un conector banana con un conector

en forma de U, que nos permita un fijación rápida con la tuerca del conector banana.

Una vez realizadas todas las soldaduras, ya sólo colocar todos los componentes en su posición definitiva, fijarlos y comprobar

que todas las conexione sean correctas, en cuyo caso proseguiremos con el montaje.


Probablemente nos resulte imposible recolocar la tapa de la fuente a causa del espacio ocupado por los cables, que antes

estaban por fuera de la caja. En cualquier caso, la tapa original ya no nos sirve, ya que hemos tapado los agujeros de

ventilación con el panel que hemos colocado, por lo que la mejor solución es realizar otra tapa con la misma forma y

dimensiones con algún tipo de lámina o malla metálica maleable, pero que tenga suficiente rigidez como para dar a la fuente

la robustez que necesita.

Puesto que esta nueva tapa permite un flujo de aire en cualquier dirección, no será necesario que recortemos la zona dónde

vaya a ir el ventilador, ya que el aire circulará a través suyo. Para compensar el espacio ocupado por los cables, fijaremos el

ventilador por encima de la tapa, en vez de por debajo, de manera que éste quede por fuera de la caja, sobredimensionado.

Una vez llegados a este punto, ya podremos cerrar el conjunto con los tornillos necesarios y comprobar su correcto

funcionamiento, no sin antes conectar la resistencia de carga mínima (cerámica de 10Ω y 10W) en los terminales que

colocamos para ello, que deberemos sacar por la salida de cables original de la fuente para facilitar la colocación de la

resistencia.

La mejor forma de comprobar que la fuente funciona es con un tester, pero si no disponemos de él, es posible realizar otro

tipo de comprobación con un comprobador de pilas luminoso.

4.2. CONSTRUCCIÓN DE LA CELDA

Aunque esta tarea puede parecer complicada, tan solo hace falta paciencia y dedicación para su realización [FIGURA 5.6].

La primera parte de nuestro trabajo será decidir el diseño de la celda y todo lo referente a él a partir de las directrices dadas

a lo largo de este tema. Es importante tener en cuenta que la celda que yo he construido me sirvió para experimentar y

probar diferentes configuraciones, electrolitos, comprobar las experiencias y resultados que otras personas que también se

dedicaba a investigar, por afición, en este campo, compartían conmigo… todo con tal de poder dar una serie de pautas para

poder construir una celda lo más eficiente posible. Por tanto, su construcción no se ha basado en las directrices dadas, sino

en diferentes conceptos o aspectos que se quería comprobar o que se tenía la certeza de que eran ciertos. En nuestro caso

hemos decidido realizar una celda seca con 26 platos de acero inoxidable 316 de 200x150x1mm unidos en dos agrupaciones

de 13 platos con 3 conectados y 10 neutros en cada una (-NNNNN+NNNNN-||-NNNNN+NNNNN-).

La separación central se utiliza como refuerzo de la celda, y no es más que una placa de metacrilato agujereada para permitir

el flujo de gas y electrolito de una agrupación a la otra. Dos placas más como esta, pero sin agujerear, serán utilizadas en los

extremos del conjunto para su aprisionamiento. Una de ellas deberá incorporar dos tetinas, una de entrada de agua y otra de

salida de gas, a la misma altura que los agujeros realizados en las placas.

Se recomienda la compra de las placas ya cortadas y agujereadas por la dificultad que supone el trabajar con acero inoxidable

si no se dispone del equipo adecuado.

Necesitaremos también unas juntas de goma EPDM de 2mm de grosor que nosotros mismos cortaremos con ayuda de un

cúter, la medida exterior de las cuales será idéntica a la de las placas, mientras que su medida interior (zona a desechar) será

un centímetro menos por cada lado.

En estas juntas se realizará un corte en forma de triángulo en una de sus esquinas, de manera que una vez montado el

conjunto podamos conectar un terminal faston plano entre placa y placa.

Una vez cortadas placas, juntas y tapas, tan solo deberemos hacer un sándwich colocando cada elemento en su posición y

aprisionar el conjunto con varillas roscadas y tuercas, que deberán atravesar las tapas del conjunto pero no las placas o las

juntas, de manera que éstas encajen perfectamente en el hueco limitado por las varillas, que deberán ser o ir recubiertas de

un material no conductor.

Una vez hecho esto, tan solo deberemos conectar todos los elementos del conjunto (celda, depósitos, burbujeador…)

mediante el uso de tetinas y tubos flexibles, y ya podremos comprobar su funcionamiento, añadiendo el electrolito

correspondiente en el sistema y conectando la fuente de alimentación a las placas correspondientes.

En mi caso, debido a que, como he dicho anteriormente, esta celda se utilizó para experimentar y, por tanto, no todas las

decisiones que se tomaron sobre su diseño fueron acertadas, el rendimiento de la celda no es muy bueno. No obstante,

siguiendo los puntos especificados anteriormente en el apartado de diseño, podemos determinar fácilmente que los

principales problemas de la celda construida son el escaso espacio entre platos (2mm, que deberían haber sido 4mm), y la


delgadez de los platos de PVC de los extremos (8mm que deberían ser al menos 25mm para poder soportar la presión que

crea el gas producido).

FIGURA 5.6: CELDA DE HHO REALIZADA.


1. CONCLUSIÓN

Después de muchas horas de duro trabajo e investigación, se han podido verificar las hipótesis planteadas al principio y, por

tanto, podemos extraer las siguientes conclusiones:

1. El hidrógeno, debido al gran número de procesos existentes para su producción, su notable presencia en prácticamente

todo lo que nos rodea y a sus propiedades, constituye un excelente vector energético que puede ayudar a potenciar el

uso de fuentes de energía renovables hasta ahora poco utilizadas.

2. Aunque actualmente la mayoría de tecnologías relacionadas con este elemento se encuentran en fases tempranas de

desarrollo, se espera que en los próximos años experimenten un gran desarrollo y mejora gracias a los grandes

esfuerzos y capitales invertidos investigación.

3. Con la progresiva difusión e implantación de las diferentes tecnologías energéticas relacionadas con el hidrógeno y la

progresiva sustitución de los combustibles fósiles, se creara un sistema económico, en torno a este elemento, que será

mucho más justo que el actual, en el cual unos pocos países controla la oferta energética a nivel global.

4. Este mismo hecho implicará la adopción de tecnologías más limpias y respetuosas con el medioambiente que las

actuales, con lo que se solucionarán, aunque de manera lenta, los problemas ocasionados por los combustibles fósiles.

5. La cúspide de este gran cambio se alcanzará con el uso de la energía de fusión nuclear a nivel global, con lo que el

hidrógeno pasará de ser tan solo un portador de energía, a ser también una fuente de energía, ya que mediante su

fusión podremos obtener más energía que la necesaria para producirlo previamente, constituyendo así una fuente

prácticamente inagotable de energía limpia.

2. REFLEXIÓN PERSONAL

Después de realizar este trabajo y ampliar ampliamente mis conocimientos sobre los diversos temas tratados, y a pesar de

que creo que este cambio hacia una forma de energía limpia e inagotable es necesario, por dificultoso que resulte, estoy

convencido que los gobiernos de numerosos países se han equivocado al pensar que esto va a solucionar la gran mayoría de

los problemas globales.

En mi opinión, la necesidad del cambio energético surgió tanto por los problemas derivados de los combustibles fósiles

(problemas medioambientales, agotamiento de las reservas mundiales de petróleo…), como por la dificultad de satisfacer la

demanda mundial de energía, continuamente en aumento. Aunque lógicamente ambos problemas están estrechamente

relacionados y se podría incluso pensar que el primero es causa del segundo, opino que existe un tercer factor que no se

contempló y que provocará serios problemas en el futuro a no ser que se tomen medidas, a poder ser pronto, porque no sé

hasta qué punto sería posible solucionar este problema de manera pacífica si se llega a un agravamiento extremo del mismo.

Este tercer factor no contemplado es la población mundial y su crecimiento. Ésta está estrechamente ligada a la oferta-

demanda energética y al desarrollo tecnológico y científico, y normalmente el aumento de uno hace que los otros le sigan al

poco tiempo. Así pues, al alcanzar un crecimiento que se podría considerar infinito de la oferta de energía por el uso de la

fusión nuclear, también se potenciará rápidamente el desarrollo tecnológico y científico y un crecimiento desmesurado de la

población, cosa que no se ha considerado un problema en caso de no depender de los combustibles fósiles.

El problema, pues, es que existen otros recursos considerados infinitos y de gran necesidad cuya demanda aumentará con el

aumento de la población, como son los alimenticios e hídricos, cuya disponibilidad dudo que pueda ser aumentada

exponencialmente de la misma manera que se ha hecho con la energía, ya que la presión que se ejercería sobre estos

recursos naturales sería demasiado alta.

Por tanto, creo que la solución ideal, aunque algo radical, a este problema encadenado es el establecimiento de límites de

población mundial y una estabilización de la misma en un valor sostenible y que no suponga un abuso de los recursos que

nos proporciona la Tierra y que, de no hacer nada, llegará un momento que empiecen a dar síntomas de agotamiento.

Es cierto que este límite supondría un problema al principio, ya que implicaría modificar sistemas de organización social y

económica utilizados desde hace mucho tiempo, pero es algo necesario. Un ejemplo de esto sería un país con un sistema de

seguridad social en el cual mientras el crecimiento vegetativo sea positivo, todo funcionará correctamente, al menos en la

teoría, a nivel económico. En cuando la población se estancase o disminuyese (entre otras causas), se produciría un


envejecimiento de la misma que obliga a ampliar las edades de jubilación, aumentar los impuestos y disminuir o congelar las

prestaciones proporcionadas por el Estado para poder mantener las garantías de la seguridad social. Todas estas medias,

como podemos observar a raíz de la actual crisis económica, no son bien recibidas por ningún sector social, ya que implican

un empeoramiento en la calidad de vida y una disminución del poder adquisitivo, pero son necesarias.

De aquí se puede deducir que en el momento en que en este país, utilizado como ejemplo, se hizo balance del capital

recaudado con impuestos y del necesario para ofrecer las prestaciones sociales pertinentes, la población se encontraba en un

momento de crecimiento, con lo que era joven y permitía el establecimiento de impuestos bajos y garantías sociales altas,

puesto que el número de gente joven que trabajaba era mayor que el de los que no lo hacían.

El problema es que este crecimiento no se puede mantener eternamente, así que en el momento que la población comience

a envejecer, todo el sistema se tambaleará, algo que no ocurriría si el balance se realizase asumiendo un crecimiento de la

población vegetativo y un equilibrio entre población activa y pasiva.

3. VALORACIÓN PERSONAL

Aunque me ha gustado poder trabajar en un tema que me apasiona, ha habido momentos en los que me he sentido

frustrado o agobiado por el tiempo y los plazos de entrega y, a pesar de que finalmente y con muchos esfuerzos logré

cumplir, me hubiese gustado poder tratar otros apartados que también me interesaban, aunque eso hubiese supuesto

probablemente demasiado trabajo para una sola persona y un trabajo excesivamente largo.

De hecho, me he visto obligado a eliminar del trabajo diversas encuestas realizadas a diferentes personas no relacionadas

con el hidrógeno, así como otra realizada a una empresa líder del sector, por falta de tiempo. También he tenido que

suprimir un tema que tratase la economía del hidrógeno dado que el trabajo se estaba haciendo demasiado extenso.

Por tanto, espero poder aprovechar este trabajo en el futuro, probablemente en la universidad, de manera que lo pueda ir

completando cada vez más, ampliando mis conocimientos sobre estos temas.


BIBLIOGRAFÍA

- PROGRAMA «REDES» DE RTV1.

- PROGRAMA «MARAVILLAS MODERNAS» DE DISCOVERY CHANNEL.

- DOCUMENTAL «UNA VERDAD INCÓMODA» DE AL GORE.

- LIBRO «LA ECONOMÍA DEL HIDRÓGENO» DE JEREMY RIFKIN

- LIBRO «EL HIDRÓGENO» DE JORDI LORCA

- LIBRO «FUEL CELL HANDBOOK» DEL DEPARTAMENTO DE ENERGÍA DE EE.UU.

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