El Hidrógeno y las Pilas de Combustible

6.1 El Hidrógeno: Presencia en la Tierra y el Universo

El hidrógeno, simbolizado como H y con número atómico 1, es el elemento más simple y abundante del universo. Su nombre, derivado del latín hydrogenium, significa «generador de agua». Es un gas incoloro, inodoro e insípido, formado por moléculas diatómicas (H₂). Tiene un solo protón en su núcleo y un solo electrón en su corteza.

Propiedades del Hidrógeno

A continuación, se presenta una tabla con las propiedades más relevantes del hidrógeno:

6.2 El Hidrógeno desde el Punto de Vista Energético

El hidrógeno posee características energéticas significativas. 1 kg de hidrógeno contiene una considerable cantidad de energía. En estado líquido, 1 kg de hidrógeno ocupa 14,12 litros, mientras que en estado gaseoso ocupa 11,12 Nm³.

Nota: El hidrógeno es el elemento químico más ligero y abundante del universo, constituyendo el 75% de la materia.

Isótopos del Hidrógeno:

• Protio: El isótopo más común (99,98%), con un protón y sin neutrones en el núcleo.
• Deuterio: Contiene un protón y un neutrón en el núcleo. No es radiactivo. El «agua pesada» contiene este isótopo.
• Tritio: Posee un protón y dos neutrones en el núcleo. Es radiactivo.

Comparativa Energética: Hidrógeno vs. Combustibles Tradicionales

• 1 kg de hidrógeno ≈ 2,78 kg de gasolina ≈ 2,80 kg de gasóleo ≈ 3 kg de gas natural.
• 1 litro de hidrógeno líquido ≈ 0,268 litros de gasolina ≈ 0,236 litros de gasóleo.
• 1 litro de hidrógeno (a 350 bar) ≈ 0,10 litros de gasolina ≈ 0,09 litros de gasóleo ≈ 0,3 litros de gas natural (a 350 bar).

Características Energéticas Clave:

• Fusión: En las estrellas, el hidrógeno se fusiona para formar helio, liberando gran cantidad de energía.
• Alto contenido energético (en peso): Casi tres veces superior al de la gasolina.
• Bajo contenido energético (en volumen, forma gaseosa): Cuatro veces inferior al de la gasolina.
• Inflamabilidad: El hidrógeno gaseoso es muy inflamable y arde a bajas concentraciones en el aire (4% de H₂).

Reacción de combustión del hidrógeno:

2H₂ (g) + O₂ (g) → 2H₂O (g) + 572 kJ/mol

El H₂ explota al mezclarse con O₂. Sus llamas son casi invisibles, dificultando la detección de fugas.

6.3 Métodos para la Obtención de Hidrógeno

El hidrógeno no se encuentra libre en la naturaleza, por lo que debe extraerse de compuestos como el agua, los combustibles fósiles y la biomasa.

Métodos Principales:

• Reformado con vapor: Se hace reaccionar vapor de agua con un hidrocarburo, comúnmente metano (CH₄).
  CH₄ (g) + H₂O (g) → CO (g) + 3H₂ (g)
  Aunque las bajas presiones favorecen la reacción, se realiza a unas 20 atmósferas para facilitar el manejo y comercialización del hidrógeno. El inconveniente es la emisión de gases de efecto invernadero si se usa metano.
• Electrólisis: Separación del agua (H₂O) en hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂) mediante electricidad. No produce emisiones directas, pero es energéticamente costoso.
• Síntesis biológica: Microorganismos anaeróbicos descomponen materia orgánica, produciendo hidrógeno como subproducto. Las enzimas hidrogenasas catalizan estas reacciones.
• A partir de energía solar: Se utiliza energía solar fotovoltaica para realizar la electrólisis del agua.

Esquema de obtención de hidrógeno a partir de energía solar:

1. Panel fotovoltaico.
2. Entrada de agua.
3. Electrolizador.
4. Almacenamiento de hidrógeno.
5. Pila o célula de combustible.
6. Salida de agua.
7. Oxígeno.
8. Hidrógeno.

6.4 Aplicaciones del Hidrógeno

El hidrógeno tiene un gran potencial como vector energético y ya se utiliza en diversas aplicaciones:

• Refinado de combustibles fósiles: Desalquilación, desulfuración y craqueo.
• Obtención de amoniaco (NH₃): Para la fabricación de fertilizantes.
• Industria alimentaria: Hidrogenación de grasas y aceites insaturados (margarinas).
• Producción de metanol y ácido clorhídrico: Tratamiento de metales.
• Gas protector en soldadura.
• Combustible en viajes espaciales.

6.5 Pilas de Combustible

Las pilas de combustible generan electricidad y calor de forma continua a partir de la reacción electroquímica entre hidrógeno y oxígeno. Pueden usar hidrógeno puro o combustibles como metano, metanol o gasolina (previa reforma).

Principio de Funcionamiento:

1. El combustible (hidrógeno o un hidrocarburo) llega al ánodo a través de placas.
2. En el ánodo, catalizado por platino, cada átomo de hidrógeno se divide en:
   • Un electrón (e^–), con carga negativa.
   • Un protón (H⁺), con carga positiva.
3. El electrolito, una membrana polimérica (MEP), permite el paso de los protones (H⁺) hacia el cátodo.
4. En el cátodo, los protones y electrones se combinan con el oxígeno del aire, formando agua (H₂O), que se libera como vapor. Este vapor puede aprovecharse para calefacción.
   Reacción en el cátodo: O₂ (g) + 4H⁺ (ac) + 4e^– → 2H₂O (g)
5. Si el combustible contiene carbono (ej., metano), se produce CO₂ además de agua. Los gases de entrada deben humidificarse.

Diferencias entre Pilas de Combustible y Baterías:

• Batería: Almacena energía, pero no la produce. Tiene una capacidad limitada.
• Pila de combustible: Produce energía, pero no la almacena. Funciona mientras haya suministro de combustible y oxidante.

6.6 Factores que Influyen en el Funcionamiento de las Pilas de Combustible

• Humedad.
• Temperatura.
• Flujo.
• Tecnología y materiales de las celdas.

Vida Útil:

• Pilas estacionarias: Más de 45.000 horas (-35 °C a 40 °C).
• Pilas en vehículos: Más de 5.000 horas (≈ 220.000 km), comparable a la vida útil del vehículo.

6.7 Tipos de Pilas de Combustible

Descripción de Tipos Específicos:

• Pilas de Ácido Fosfórico (PAFC): Usan ácido fosfórico como electrolito. Ventajas: Pueden usar hidrógeno puro, toleran CO (hasta 1,5%), tecnología madura. Desventajas: Usan platino (caro), requieren eliminación de sulfuros si se usa gasolina, baja densidad de potencia, voluminosas y pesadas.
• Pilas de Membrana de Intercambio Protónico (PEMFC): Operan a ≈ 80 °C. Alta densidad de potencia, adaptables a la demanda, usadas en automóviles (arranque rápido) y como reemplazo de baterías. Potencia variable (50-250 kW).
• Pilas de Combustible Alcalinas (AFC): Alta eficiencia (hasta 70%), usadas en misiones espaciales (electricidad y agua potable). Electrolito: solución alcalina de KOH. Temperatura: 150-200 °C. Potencia: 0,3-5 kW.
• Pilas de Combustible de Óxido Sólido (SOFC): Electrolito: óxido de zirconio sólido o cerámica (sin líquido). Operan a altas temperaturas (hasta ≈ 1000 °C). Alta eficiencia (60%, hasta 85% en cogeneración).
• Pilas de Combustible de Carbonatos Fundidos (MCFC): Electrolito: solución líquida de carbonatos de litio, sodio y/o potasio en una matriz porosa.
• Pilas de Combustible de Metanol Directo (DMFC): Usan metanol como combustible. Temperatura: 50-100 °C. Rendimiento: ≈ 40%. Aplicaciones de baja/media potencia (teléfonos, portátiles). En desarrollo.
• Pilas de Combustible de Cerámica Protónica (PCFC): Electrolito cerámico sólido con alta conductividad protónica a altas temperaturas (≈ 700 °C). Pueden usar combustibles fósiles directamente.

6.8 Pilas de Combustible Reversibles

Pueden operar en modo electrólisis, produciendo hidrógeno a partir de electricidad y agua. Útiles en sistemas de energía renovable (ej., solar fotovoltaica) para almacenar excedentes de energía como hidrógeno. Rendimiento: 30-40%.

6.9 Pilas de Combustible Según su Aplicación

• Estacionarias: Instaladas en un lugar fijo.
• Portátiles: Miniaturizadas para dispositivos electrónicos (teléfonos, portátiles, audífonos).
• Usos en lugares sin red eléctrica: Combinadas con energía solar, por ejemplo.
• Vehículos de transporte: Automóviles, autobuses (investigación activa).
• Emisiones de metano: Aprovechamiento de metano en yacimientos o plantas de depuración.

6.10 Proyecto Zeocell (Energías Limpias para Producir Hidrógeno)

Proyecto internacional liderado por la Universidad de Zaragoza para obtener hidrógeno de forma más ecológica. Colaboran instituciones y empresas (ej., Cegasa) de varios países. Objetivos de la UE (2020): Duplicar el uso de energías limpias, reducir emisiones de CO₂ en un 20%, mejorar la eficiencia energética en un 20%, aumentar el uso de cogeneración.

6.11 Las Estaciones para Recargar Hidrógeno (Hidrogeneras)

Constan de cuatro secciones:

1. Producción de hidrógeno: Electrólisis del agua.
2. Almacenamiento: Plataformas de almacenamiento.
3. Compresión: Hidrógeno a alta presión (estado líquido).
4. Surtidor: Dispensación de hidrógeno.

Aplicaciones de las Pilas de Combustible (Resumen)

• Generación eléctrica: Fuentes estacionarias (escuelas, oficinas, bancos, etc.).
• Transporte: Vehículos terrestres, marítimos y aéreos (requieren tamaño y peso reducidos).
• Aplicaciones portátiles: Baja temperatura de operación, ideales para regiones sin infraestructura eléctrica (ordenadores, teléfonos móviles).
• Aplicaciones especiales: Combinación de peso ligero, suministro de electricidad y calor sin ruido ni vibraciones.
• Aplicaciones militares: Autonomía de equipos electrónicos, ahorro de combustible.

6.12 Funcionamiento de las Baterías de Litio

Los iones de litio se mueven del ánodo (grafito) al cátodo (fosfato de hierro y litio) a través del electrolito (gel polimérico). Los electrones fluyen por un circuito externo, generando corriente eléctrica.

Ventajas de las Baterías de Iones de Litio:

• Ligeras (materiales de electrodos poco pesados: litio, grafito).
• Alta densidad energética (el litio es muy reactivo).
• Baja autodescarga (≈ 5% mensual).
• Cientos de ciclos de carga/descarga. No requieren descarga completa.

Inconvenientes de las Baterías de Iones de Litio:

• Vida útil limitada (2-3 años, 6-8 años en baterías grandes para vehículos eléctricos).
• Sensibles a altas temperaturas.
• Riesgo de incendio.
• Precio elevado (especialmente para automóviles, aunque decreciente).
• Peso considerable en baterías para automóviles (150-200 kg).

Características deseables en baterías mejoradas:

• Alta capacidad de almacenamiento.
• Recarga rápida.

6.13 Vehículos Totalmente Eléctricos

Similares a los vehículos convencionales, pero con motor eléctrico en lugar de motor de combustión interna. Diferencias clave:

• Sin cambio de marchas.
• Baterías en lugar de depósito de combustible.
• El motor eléctrico tiene máximo rendimiento al inicio y luego decrece (al contrario que los motores de combustión).
• Mayor peso debido a las baterías.

Recarga de Baterías:

• Enchufes tradicionales (5-8 horas).
• Postes trifásicos de carga rápida (≈ 30 minutos para 80% de carga). Requiere infraestructura (estaciones de servicio).

6.14 Proyecto Movele

Plan español para la introducción del coche eléctrico. Objetivos a corto plazo: 250.000 coches eléctricos en 2014, 540 puntos de carga en Madrid, Barcelona y Sevilla. Requiere colaboración de fabricantes de coches, fabricantes de baterías, empresas eléctricas y propietarios de gasolineras.

6.15 Redes Eléctricas Inteligentes (Smart Grids)

Las redes actuales son ineficientes (unidireccionales, compañía → consumidor). Las redes inteligentes ofrecen:

• Control inteligente de la red.
• Líneas de transmisión superconductoras (menores pérdidas, integración de renovables). Las redes tradicionales pierden ≈ 20%.
• El consumidor puede vender electricidad a la red (generación distribuida).

Beneficios para Vehículos Eléctricos:

1. Optimización de la distribución.
2. Reducción de precios.
3. Facilitación de recargas.
4. Consumo de energías renovables.
5. Reducción de emisiones de CO₂.

6.16 Vehículos Híbridos

• Vehículos con un solo motor eléctrico: Reciben electricidad de baterías.
• Vehículos híbridos: Dos motores (eléctrico y de combustión interna).
• Vehículos de pila de combustible: Funcionan con hidrógeno.

Funcionamiento de vehículos híbridos:

1. Motor de gasolina o diésel clásico, con batería.
2. Motor eléctrico, con realimentación por movimiento del vehículo.

Ventajas de los Vehículos Híbridos:

• Menor consumo de combustible.
• Menores emisiones (durante el uso del motor eléctrico).
• Recarga de combustible convencional en gasolineras.
• Materiales más ligeros.
• Posibilidad de usar biocombustibles.
• Ayudas gubernamentales (pueden compensar el mayor precio inicial).
• Frenos regenerativos (mayor eficiencia energética).

Prioridades del usuario:

• Prestaciones.
• Seguridad.
• Precio.

6.17 Componentes Clave de los Vehículos Híbridos

• Baterías: Almacenamiento de alta capacidad y reducido espacio.
• Equipos de potencia: Pilas de combustible y turbinas de gas (en desarrollo).
• Sistemas de propulsión: Mejora de motores eléctricos (menor contaminación, menor consumo).

6.18 Características de un Último Modelo de Automóvil Híbrido (Ejemplo: Toyota Prius)

• Motor de 1,8 litros y 99 CV (modelo anterior: 1,5 litros y 78 CV).
• Motor eléctrico más ligero y potente (82 CV, anterior: 68 CV).
• Dimensiones: 4,46 m (largo) x 1,74 m (ancho) x 1,49 m (alto) x 2,70 m (batalla).
• Maletero: 445/970 litros.
• Motor híbrido gasolina-eléctrico: 1798 cc, 136 CV.
• Tracción delantera, cambio automático.
• 7 airbags, ESP (control de estabilidad).

6.19 El Coche Eléctrico y Otros Vehículos Ecológicos (NH₃Car, Trenes, 4×4)

Ejemplos de desarrollos:

• Chrysler: Jeep Renegade (potencia), Dodge ZEO (ciudad), Voyager (familiar).
• General Motors: Volt (pila de litio).
• Toyota: Prius (híbrido), vehículo eléctrico en desarrollo (pila de litio).

6.20 Últimos Desarrollos en Vehículos Totalmente Eléctricos o Híbridos

• Nissan Leaf: Totalmente eléctrico. 4,4 m de longitud, 1,77 m de ancho, 5 plazas, motor eléctrico de 107 CV, 140 km/h, autonomía de 160 km.
• Mitsubishi i-MIEV: Totalmente eléctrico. Autonomía de 130 km, 130 km/h, motor de 47 kW (64 CV).
• Renault BE BOP ZE: Furgoneta eléctrica. Autonomía de 160 km.
• HydroGen4 de General Motors: Pila de combustible. 440 celdas en serie, 93 kW.
• Mercedes Blue ZERO: Híbrido. Motor de combustión de 3 cilindros, turbo, 1000 cc, 67 CV.

Fuentes energéticas de vehículos híbridos:

• Electricidad (baterías o pilas de combustible).
• Energía térmica (gasolina, diésel; motor de combustión interna).

Clasificación de vehículos híbridos:

• Paralelo: Motor eléctrico y térmico pueden mover el vehículo.
• Serie: Motor térmico genera electricidad, motor eléctrico mueve el vehículo.

Amoníaco como combustible:

Se ha investigado, pero presenta inconvenientes (no se encuentra en yacimientos, requiere fabricación, almacenamiento presurizado y a baja temperatura).

6.21 Trenes Híbridos

Fabricado por Bombardier. 160 km/h. Cambio diésel-eléctrico sin detenerse. Circula por vías no electrificadas. Reducción de emisiones: ≈ 20%.

6.22 Vehículos con Dispositivo para Reducir las Emisiones de CO₂

Ejemplo: Mitsubishi Montero (2,5 litros, 275 g CO₂/km) modificado por Ian Houston.

6.23 Autobuses Ecológicos

San Francisco (EE. UU.): Sustitución de vehículos diésel municipales por B20 (80% diésel, 20% biocombustible). Ahorro esperado: 4,5 millones de litros de diésel al año.

6.24 Producción de Hidrógeno a Partir de Agua

La electrólisis a alta temperatura (≈ 2200 °C) permite descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno: 2H₂O (g) → 2H₂ (g) + O₂ (g). Es la base del concepto de «motor de agua».

Sistema propuesto por Clean Hydrogen Producers Ltd:

1. Concentrador solar: Espejos solares (93 m²) concentran la radiación hasta 10.000 veces, alcanzando 2200 °C en un horno.
2. Separador de hidrógeno: Filtro cerámico (óxidos de zirconio, tungsteno, tántalo, carburos de silicio) separa H₂ y O₂ a alta temperatura.
3. Pila de combustible: El hidrógeno se usa para generar electricidad.
4. Resumen: Concentración solar → ruptura de moléculas de agua → separación de gases → producción de electricidad en pila de combustible.

Producción estimada: 6,5 kWh/m²/día (6,5 horas de sol), suficiente para descomponer ≈ 94,9 litros de agua/día (≈ 35.300 litros/año). Se puede usar cualquier tipo de agua (filtrada y sin cloro).