12.9.04

El hidrógeno: un combustible limpio pero no exento de problemas

Se pueden ver desde hace un año por Madrid y por otras grandes ciudades europeas. Son autobuses movidos por hidrógeno, un ambicioso proyecto comunitario que trata de evaluar la validez de esta prometedora tecnología que podría resolver el problema de la contaminación atmosférica.

Nos dicen que el hidrógeno es un combustible ideal, que cuando se combina con el oxígeno produce energía y vapor de agua como único producto. Pero hay cierto misterio en torno a este gas. Por ejemplo, cuando uno visita los almacenes de un laboratorio de química es fácil encontrar grandes botellas de gas a presión, utilizadas en las experiencias de síntesis: nitrógeno, amoniaco, dióxido de carbono, oxígeno, cloro, helio, argón... Pero nunca he visto una botella de hidrógeno. Y no es que no se pueda comprimir o licuar como cualquier otro gas; el problema es que resulta peligroso almacenar hidrógeno a presión, y los laboratorios prefieren sintetizarlo en el momento en que lo necesitan.

¿Por qué es especialmente peligroso el almacenamiento de hidrógeno a presión?

Cuando los gases están por debajo de una temperatura determinada (llamada de inversión) la expansión provoca una reducción de temperatura: es lo que se llama efecto Joule-Thomson. Es decir, que si se produce un escape a través de una válvula, su temperatura disminuye, y esto es lo que ocurre con casi todos los gases almacenados a temperatura ambiente. Casi todos ellos, al margen de su mayor o menor reactividad química, se enfrían cuando se expanden adiabáticamente. Es decir, si se produce un escape la expansión va acompañada de un fuerte descenso térmico que reduce su potencial reactivo. Esta es la causa de esos bloques de hielo que se forman en las juntas de grandes depósitos de gas a presión, señalando así los puntos donde se producen pequeñas fugas.

Pero las temperaturas de inversión del hidrógeno y el helio son extremadamente bajas, hasta el punto de que para lograr una reducción de temperatura por expansión deben enfriarse primero por debajo de sus temperaturas de inversión: el hidrógeno mediante aire líquido y el helio mediante hidrógeno líquido. En definitiva, ambos gases El hidrógeno tienen un comportamiento anómalo, y se calientan cuando se expande. El helio, un gas inerte, no plantea ningún problema por este hecho, pero el hidrógeno es altamente reactivo y si aumenta la temperatura al producirse un escape habrá un gran riesgo de explosión con el oxígeno del aire.

Profundicemos un poco más en el fenómeno. El proceso de Joule-Thomson consiste en el paso de un gas desde un contenedor a presión constante a otro a presión inferior y también constante (Pf < Pi), a través de un estrangulamiento o una pared porosa. El gas se expande adiabáticamente en el paso de un contenedor a otro, y se produce una variación en su temperatura que depende de las presiones, inicial y final, y del gas utilizado. El proceso de Joule-Thomson se suele caracterizar por el parámetro µ, que es la diferencial de temperatura respecto de la presión. El parámetro µ está relacionado con parámetros propios del gas, y puede determinarse experimentalmente a partir de las medidas de variación de temperatura frente a las variaciones de presión.

En un gas ideal µ vale siempre cero. En gases reales, a cada temperatura pueden existir valores de la presión para los que µ es positivo y el gas se enfría en la expansión y otros para los que es negativo produciéndose un calentamiento. Los procesos Joule Thompson son una forma sencilla y eficiente de bajar la temperatura de un gas usando un compresor y se utilizan en multitud de máquinas destinadas a enfriar o licuar gases. Claro que esto solo funciona en la zona de valores de µ positivos, lo que suele corresponder a la mayoría de los gases en condiciones estándar. Pero en el caso del hidrógeno µ es negativo a temperatura ambiente, lo que obliga a adoptar grandes precauciones frente a posibles escapes para evitar el riesgo de reacción explosiva en el aire.

La solución: pilas de combustible
La pila de combustible es una pequeña central electroquímica que libera energía a partir de la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno. Tiene estructura de sándwich, con dos electrodos porosos de papel de grafito entre los que se sitúa el electrólito, una lámina plástica permeable a los protones o membrana de polímero (PEM). En el interior de la pila de combustible se produce una reacción química entre el hidrógeno y el oxígeno, en el transcurso de la cual se liberan electricidad y calor, y el producto resultante es agua. La diferencia de potencial producida por una sola pila es reducida, por lo que es necesario alinear varias pilas formando bloques o unidades de pilas de combustible. Las pilas utilizan diferentes fuentes de hidrógeno: hidrógeno líquido (a unos 254 °C bajo cero), metanol, borohidruro de sodio e hidruros metálicos. Lógicamente solo se produce agua como único subproducto cuando el combustible es el hidrógeno.
Hay además metales con capacidad para adsorber (es decir, enganchar en su superficie) grandes cantidades de hidrógeno. El ejemplo más destacado es el platino, imprescindible en los electrodos de hidrógeno y en procesos catalíticos donde interviene este gas. El problema es que es muy caro y que se “envenena” fácilmente cuando los productos no son muy puros, lo que requiere costosos procesos de reactivación.El hidrógeno es un combustible muy interesante para el transporte en las ciudades, por su insignificante contaminación del aire, pero obviamente no resuelve el problema energético ya que por aquello de los rendimientos se necesita más energía para separarlo del agua que la que luego se puede aprovechar cuando se recombina de nuevo. Es ley de física.

6 comentarios:

Anónimo dijo...

muchas gracias por esat util informacion me sirvio mucho tanto para aprender como para hacer mi tarea..

Anónimo dijo...

Muchas gracias por el artículo, a mi también me ha servido para documentarme sobre procesos Joule Thomson (de todas las páginas visitadas por google ésta ha sido con mucho la que mejor explicaba todo)

Un saludo

Anónimo dijo...

la verdad a mi tambien me sirvio de mucho ya que haces muy buenas ejemplificaciones y asi lo comndemos mejor

Anónimo dijo...

Muy interesante la información, sin lugar a dudas de un muy buen respaldo, mi única objeción es por aquello de que su rendimiento no es completo. Muy cierto pero si lo comparamos con el combustible fósil el rendomiento es máximo en energía no recuperable; es decir, quiza tenga que perder energía en separar el hidrógeno, pero se paga con el beneficio.

cavilo dijo...

Con relacion al hidrógeno como combustible para vehículos en mescla con combustibles fósiles, cual sería el problema mayor para su uso, si los vehiculos híbridos son los que estan solucionando el problema de la polusión en el planeta tierra.?

QED dijo...

Los vehículos híbridos no combinan hidrógeno y combustibles fósiles, sino un motor eléctrico y uno de explosión. Los motores eléctricos son mucho más eficientes, porque no tienen el límite termodinámico de los de explosión. Su problema es que hay que generar la electricidad y transportarla. Por tanto, contaminan en la central y se pierde rendimiento durante la transformación y transporte.