El papel del hidrógeno en la carrera espacial y en la transición energética

AleaSoft, 7 de agosto de 2019. El hidrógeno y su uso como fuente de energía han jugado un papel muy importante en los viajes espaciales. Desde AleaSoft se repasa cómo se usó el hidrógeno en el programa Apolo que llevó al primer ser humano a pisar la Luna y su papel en la transición energética actual.

En una noticia reciente sobre la conquista del espacio y la revolución fotovoltaica, desde AleaSoft se describía el papel que algunas tecnologías que lideran la transición energética, como la fotovoltaica, habían tenido en la conquista del espacio. En este caso, se tratará de otra tecnología muy presente en los viajes al espacio: el hidrógeno. Seguramente el hecho de no tener una estructura mecánica reconocible asociada, como el caso de los paneles solares con la fotovoltaica, ha hecho que su presencia y su uso en misiones espaciales haya pasado más desapercibido. Pero no por ello, su papel ha sido menos decisivo.

El gas hidrógeno es la molécula más simple del universo formada por dos átomos de hidrógeno, el elemento más ligero de la tabla periódica. En condiciones terrestres de temperatura y presión se encuentra en estado gaseoso y para convertirlo en líquido hay que enfriarlo a -253 °C, muy cerca del cero absoluto. Pero para su uso como fuente de energía, su característica más interesante es su capacidad de combinarse con el oxígeno y liberar energía.

El hidrógeno en el viaje que llevó al ser humano a pisar la Luna

Ahora que se celebran los cincuenta años del primer viaje tripulado que puso el pie en la Luna, es interesante mencionar que, entre otras tecnologías, ese viaje fue posible gracias al hidrógeno. La participación más visible del hidrógeno en el viaje del Apolo 11 fue su uso como combustible de los cohetes Saturn V. Para la primera fase del despegue del cohete, cuando se eleva sobre el suelo en medio de una bola de fuego, los cinco motores F-1 del Saturn V usaban queroseno y oxígeno como combustibles. Pero para la segunda y tercera etapas, los motores J-2 usaban hidrógeno y oxígeno, y eran los encargados de poner la sonda en órbita y dar el empuje final que enviaba el vehículo hacia la Luna.

AleaSoft - Lanzamiento Apolo 11 Saturn V hidrógeno
Despegue de un cohete Saturn V con la misión Apolo 11 abordo. Fuente: NASA.

Para la propulsión de los cohetes, lo que se usa es la capacidad del hidrógeno para ser quemado como un combustible fósil y producir explosión, pero con la diferencia importante de que durante su combustión no se genera CO2, solamente H2O, o sea, agua. El hidrógeno puede ser usado como combustible básicamente con la misma tecnología que para los combustibles fósiles y desarrollar una potencia similar. La complejidad del hidrógeno reside en su manejo, ya que hay que almacenarlo bajo presión y al ser una molécula tan pequeña es propenso a sufrir escapes.

La otra aplicación del hidrógeno en los viajes a la Luna fue para la generación de electricidad a bordo de los módulos de las misiones Apolo. De la misma manera que usando electricidad se puede separar el agua en hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis, combinando hidrógeno y oxígeno en una celda de combustible se puede producir electricidad y agua. Tres pilas de combustible proporcionaban suficiente energía para hacer funcionar todos los instrumentos de la sonda espacial. Además, el agua producto de la reacción que combinaba el hidrógeno y el oxígeno se usaba en el sistema de refrigeración de algunos aparatos e incluso como agua de consumo para la tripulación, si bien con algunos inconvenientes como el mal sabor y las burbujas de gas que se creaban en condiciones de ingravidez.

AleaSoft - Celda combustible hidrógeno Apolo 11
Pila de combustible de hidrógeno de las misiones Apolo. Fuente: Wikipedia. Autor: James Humphreys – SalopianJames CC BY-SA 3.0.

El hidrógeno y la transición energética

El papel que se espera que juegue el hidrógeno en la transición energética contempla tanto su uso como combustible como para la generación directa de electricidad.

En la vertiente de su uso como combustible, en la actualidad el hidrógeno se puede usar mezclado con gas natural hasta una cierta concentración sin cambiar la tecnología existente. El uso de hidrógeno mezclado con gas natural en un ciclo combinado para generar electricidad o inyectándolo directamente a la red de distribución de gas puede ayudar a reducir las emisiones de CO2 y a reducir la demanda de gas natural.

En su uso para la generación directa de electricidad mediante la reacción química con oxígeno, su aplicación más visible es en los vehículos de hidrógeno. Un coche que se alimente de hidrógeno funciona con un motor eléctrico, pero a diferencia de los coches eléctricos enchufables, la electricidad necesaria para hacerlo funcionar se genera en el propio vehículo en una pila de combustible que hace reaccionar el hidrógeno con el oxígeno del aire para producir electricidad. La electricidad alimenta el motor eléctrico y el único residuo es el agua producida durante la reacción.

Es habitual la comparación entre los vehículos de hidrógeno y los vehículos eléctricos de baterías, y existe un debate muy interesante sobre cuál de las dos opciones debería ser la escogida para la descarbonización del transporte. Aunque también hay quien aboga por el sentido común de una convivencia de las dos tecnologías en el futuro parque móvil.

Entre las ventajas del vehículo de hidrógeno frente al de baterías destacan la autonomía, el peso y el tiempo de repostaje. Mientras que entre los inconvenientes se encuentran la complejidad, la eficiencia y, de momento al menos, el precio y la disponibilidad de puntos de repostaje. Desde AleaSoft se prevé que cada tecnología tendrá su parte de mercado según el uso y las necesidades del vehículo. En coches de uso diario con distancias medias de menos de 200 km, el coche eléctrico de baterías es perfectamente adecuado si se puede recargar durante la noche o mientras está aparcado. Para vehículos que requieren más energía para hacer distancias más largas como camiones, barcos o aviones, o vehículos donde el tiempo de recarga penaliza, como los taxis, el hidrógeno será una opción más viable.

Pero el papel clave del hidrógeno en la transición energética según los especialistas de AleaSoft será en su combinación con las renovables. Los inconvenientes de una fuente de energía renovable intermitente, como la eólica o la fotovoltaica, se pueden solventar usando el hidrógeno como almacenaje de energía. Cuando haya excedente de energía eléctrica o cuando el precio del mercado eléctrico sea muy bajo, se puede usar la generación renovable para producir hidrógeno. Este hidrógeno se puede almacenar y reconvertirlo en electricidad en una celda de combustible cuando el precio del mercado sea más ventajoso, o incluso venderlo directamente para su uso como combustible o para repostaje de vehículos de hidrógeno.

La producción de hidrógeno

Para que el hidrógeno pueda ayudar eficientemente a reducir las emisiones de CO2 es necesario que no se genere CO2 durante su producción. Generar hidrógeno directamente a partir de la electrólisis del agua es caro debido a que es un proceso que requiere de mucha electricidad, por lo que actualmente la mayoría del hidrógeno se produce a partir de gas metano. En el proceso de reformado con vapor, a partir de cada molécula de gas metano se producen cuatro moléculas de hidrógeno, pero también una molécula de CO2.

Pero generar hidrógeno mediante electrólisis no implica que no se libere CO2. Si la electricidad usada para la electrólisis no es de origen 100% renovable, entonces ha habido emisión de CO2 en algún momento de la generación del hidrógeno. Es aquí donde la sinergia entre el hidrógeno y las renovables tiene un papel clave a jugar. Por ejemplo, una planta de producción de hidrógeno asociada a una planta fotovoltaica implica disponer de energía renovable a coste muy bajo para producir hidrógeno 100% libre de emisiones de CO2.

Revolución del hidrógeno + revolución fotovoltaica

El futuro del hidrógeno presenta retos muy interesantes que supondrán mejoras importantes en la eficiencia de su uso, como combustible y en pilas de combustible, y de su producción por electrólisis. Su naturaleza de gas renovable y no contaminante lo posiciona como ganador indiscutible frente a los combustibles fósiles contaminantes y no renovables.

Según AleaSoft, la revolución del hidrógeno será completa si va emparejada con la revolución fotovoltaica porque ambas compensan las carencias de la otra y son complementarias. La capacidad de usar el hidrógeno para almacenar energía suplirá la intermitencia de la fotovoltaica y supondrá no tener que vender la producción cuando los precios del mercado eléctrico sean más bajos. Para el hidrógeno, la energía de bajo coste y de origen renovable de la fotovoltaica son la clave para tener un gas que pueda sustituir paulatinamente a otros combustibles como el gasóleo, la gasolina y posteriormente al gas natural.

Fuente: AleaSoft Energy Forecasting.

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