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Combustible del futuro |
Por James E. Kloeppel |
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| La fábrica Mercedes-Benz desarrollo un programa activo
de investigación para desarrollar un automóvil que funcione
con una fuente de energía de hidrógeno |
La humanidad ha desarrollado una alta dependencia por los combustibles
fósiles, y en la actualidad esas plantas y animales que vivieron
en la era prehistórica, que quedaron atrapados en diversos terrenos
geológicos antiguos, ahora regresan para exterminarnos como si trataran
de vengarse. La vida del pasado, en forma de contaminación ambiental,
amenaza a la vida del presente.
A medida que se va destruyendo el medio
ambiente, cada vez se reconoce mejor que este grave mal es ocasionado por
el alto consumo universal que realiza el hombre de los combustibles fósiles.
Por lo tanto, existe una creciente e imperiosa necesidad de buscar, globalmente,
fuentes alternas de energía.
El hidrógeno, elemento no contaminante
y fácil de producir, pudiera ser llevado por tubería a los
hogares y edificios comerciales e industriales para utilizarlo para cocinar
y brindar calefacción, como también pudiera ser convertido
en electricidad en la forma de celdas de combustible. Como líquido
criogénico (que requiere el empleo de temperaturas muy bajas), el
hidrógeno pudiera ser usado para lanzar cohetes o como combustible
de aviones. O encerrado en estado sólido en recipientes de almacenamiento
de hidruro metálico, el hidrógeno pudiera proporcionar un
medio de propulsión terrestre. y todo esto pudiera ser proporcionado
sin causar ningún tipo de impacto al medio ambiente.
Si cambiáramos de un sistema
económico basado en los combustibles fósiles a otro, en el
que se dependiera del gas hidrógeno que se quema limpiamente, las
ciudades volverían a estar una vez más libre de la contaminación
del aire conocida como "smog". Bill Livesay, especialista en energía
del Instituto de Tecnología de Georgia, dice: "Así, la
lluvia ácida, los derrames de petróleo y el calentamiento
del globo, como el dinosaurio, podrían ser cosas del pasado".
Pero él nos advierte que esta
tecnología no será nada sencillo de implantar. "Tenemos
en nuestras manos trabajos muy serios que tienen que ser realizados".
Una lección no aprendida
La crisis del petróleo de la
década de 1970 hizo que surgiera un cierto número de adelantos
de importancia, tanto en el campo de la conservación de energía
Como en el relacionado Con el desarrollo de combustibles alternos. En los
E.U.A., alentados por las campañas del Gobierno Federal para reducir
la dependencia por el petróleo extranjero, muchos norteamericanos
respondieron y en invierno mantuvieron más bajos los termostatos
de la calefacción, instalando ventanas diseñadas para sellar
Con más eficiencia, instalando material aislante en la vivienda y
en tuberías y conduciendo menos sus automóviles. Asimismo,
los fabricantes de autos lanzaron nuevos modelos con sistemas de combustible
dramáticamente mejorados, mientras que rebajas en los impuestos en
forma de créditos promovían el uso de combustibles alternos
(Como la energía solar) para brindarle calefacción a viviendas
y negocios. Los E.U.A. de una manera exitosa se había apretado el
cinturón y, al menos por un tiempo, había ampliado sus horizontes.
Lo que sucedió a continuación
fue el ejemplo clásico de la ley económica del "equilibrio
de la oferta y la demanda". Según los autos se volvieron más
eficientes en lo relacionado con el consumo de combustible y el pueblo aprendió
a ahorrar energía en la casa y la oficina, la demanda por el petróleo
decayó. Con una demanda reducida, los suministros de petróleo
aumentaron y el precio de un barril de crudo cayó cerca de su nivel
anterior.
Desafortunadamente, a medida que el
mercado mundial del petróleo nuevamente se estabilizó, el
movimiento hacia mayor eficiencia y las nuevas fuentes de recursos renovables
se paralizó. De hecho, muchas personas, considerando que el problema
de la energía había sido resuelto definitivamente, volvieron
a sus viejos hábitos.
Ahora, después que los precios
de la gasolina han vuelto a subir y ha resurgido la preocupación
por mantener un suministro ininterrumpido de petróleo (todo esto
avivado por las tensiones con el Oriente Medio), debemos recordar la amarga
experiencia del pasado. El suministro de petróleo mundial verdaderamente
es limitado, y los países no pueden darse el lujo de malgastar ese
combustible precioso ni pueden aplazar el desarrollo de fuentes alternas
de energía.
Las reservas de energía del
mundo han sido consumidas a un ritmo en verdad alarmante. Livesay explica:
"Más de la mitad del suministro de petróleo y gas natural
de los E.U.A. ya ha sido consumido. Los depósitos restantes, de acuerdo
con los niveles actuales de consumo, se proyecta que tengan una duración
de unos treinta años más. Y las reservas del resto del mundo,
después de ese momento, tendrán una duración de otros
veinte años. y lo peor es que, en la actualidad, no existe una estrategia
para hacerle frente a este inminente desastre".
Livesay, quien estudió los sistemas
de energía del petróleo durante la crisis de las décadas
de 1970 y 1980, cree que en los E.U.A. se debería adoptar rápidamente
una política nacional para desarrollar el hidrógeno como una
fuente alterna de energía.
Energía de una gota
de agua
De una forma, ya el hidrógeno
le sirve de combustible a gran parte del planeta. A través del proceso
de fotosíntesis, las plantas convierten la luz solar en alimento
usando el hidrógeno. La clorofila hallada en las plantas verdes utiliza
la luz solar para separar el agua absorbida por las raíces en sus
elementos básicos: hidrógeno y oxígeno. El oxígeno,
en este caso un producto de desecho, es liberado en la atmósfera.
Pero el hidrógeno en conservado y combinado con el di óxido
de carbono para formar carbohidratos simples: éste es el principio
de una elaborada cadena alimenticia que nutre (y le proporciona energía)
a prácticamente todos los seres vivientes, incluyendo al hombre.
"Empleando una tecnología
ya existente, podemos duplicar la producción de hidrógeno
de la naturaleza, a través de la división de las moléculas
de agua", dice Livesay. "Realizada a una escala grande, la electrólisis
del agua pudiera generar cantidades substanciales de hidrógeno para
satisfacer nuestras necesidades básicas de energía".
Para demostrar este punto, Livesay
inserta un dispositivo simple consistente en dos electrodos (cada uno cubierto
por lo que aparentemente es un tubo invertido de ensayo dentro de un depósito
de cristal con agua. Entonces presiona un interruptor, permitiendo que una
corriente eléctrica pase entre los electrodos. Pronto las burbujas
se forman a los lados de los electrodos. Al elevarse hacia la superficie,
quedan atrapadas dentro de los tubos de ensayo.
Después de unos minutos, Livesay
de nuevo presiona el interruptor y saca el dispositivo del agua. El sostiene
un fósforo (cerillo) encendido debajo de uno de los tubos de ensayo.
La llama brilla notablemente. "Ese era el oxígeno", comenta.
A continuación, sostiene el fósforo debajo de la boca abierta
del otro tubo. Se ve un resplandor brillante, acompañado por un fuerte
chasquido (una explosión en miniatura). "Este era el hidrógeno".
Este sencillo experimento, muy familiar
para los estudiantes de secundaria, nos permite vislumbrar la enorme energía
que está escondida dentro de una gota de agua.
El hidrógeno
La descomposición del agua por
la electrólisis fue demostrada por primera vez a principio de 1800,
pero casi 100 años pasaron antes de que el proceso fuera utilizado
en la producción comercial. Incluso entonces, las plantas de electrólisis
fueron usadas para generar oxígeno, pero no hidrógeno. En
efecto, el hidrógeno liberado era tratado como un producto secundario
con poca utilidad práctica. Hoy, la electrólisis del agua
es usada como fuente primaria para la generación de oxígeno
de alto grado, para aplicaciones médicas e industriales, y para suplir
la demanda de oxígeno de los submarinos.
Simple, limpia y confiable, la electrólisis
está idealmente equipada para acoplarse con la electricidad generada
del sol. "Las celdas solares durante mucho tiempo han estado plagadas
con problemas asociados con el almacenamiento y la transmisión de
la energía que producen", explica Livesay. "Adicionalmente,
tales variables como la hora del día, la estación y las condiciones
de la temperatura local pueden causar una mayor fluctuación de la
cantidad de energía que se recibe, y es convertida, en un lugar y
hora específica. El hidrógeno, producido por electrólisis
de la energía solar, pudiera ser almacenado hasta que se le necesite.
Y la distribución del gas hidrógeno a largas distancias a
través de tuberías sería más eficiente que la
transmisión de la electricidad a través de los cables eléctricos".
Livesay vislumbra un tiempo en el futuro
cuando paneles solares gigantes y eficientes conviertan la luz solar en
electricidad. La electricidad, a su vez, le brindaría energía
a enormes plantas de electrólisis, para producir hidrógeno
masivamente. Entonces el hidrógeno sería distribuido como
un combustible portátil y almacenable.
"Pero la belleza verdadera de
usar hidrógeno como combustible", comenta Livesay, "es
que puede ser obtenido del agua, una materia prima barata y abundante. Y
cuando es quemado, regresa en forma de agua, lo que da inicio aun proceso
cíclico que es inofensivo para el ambiente".
Algo falta
El hidrógeno es el material
más abundante en el universo, y es el producto con el cual se forman
las estrellas. Identificado por vez primera en el Siglo XVI, este gas misterioso
(que produce agua cuando es quemado) fue llamado hidrógeno, que significa
"productor de agua".
Siendo más ligero que el aire,
el hidrógeno fue usado para inflar globos de observación tan
temprano como en el año 1783. Un siglo más tarde, este gas
claro, incoloro, fue el que le proporcionó flotabilidad a las naves
aéreas rígidas diseñadas por el Conde Fernando Von
Zeppelin.
El hidrógeno también
le sirvió de combustible a un temprano motor de combustión
interna desarrollado en 1820. De hecho, el hidrógeno brevemente compitió
con la gasolina por la distinción de ser la fuente de combustible
elegida por el mundo. Aunque la gasolina ofrecía potencialmente costos
menores, muchos experimentadores consideraban que era demasiado inflamable,
dificultosa y peligrosa para ser usada. Ellos preferían el hidrógeno.
Pero la invención del carburador hizo que los motores con propulsión
de gasolina fueran al mismo tiempo inofensivos y prácticos, y el
hidrógeno fue olvidado durante mucho tiempo.
El interés en el hidrógeno
como combustible fue reavivado durante el embargo del petróleo árabe
en la década de 1970. En su más reciente reaparición,
el hidrógeno de forma experimental le ha servido de propulsión
a automóviles, ómnibus y aviones, e incluso llevó a
los hombres a la Luna. Para su uso mundial como un combustible alterno,
todavía el hidrógeno presenta un inconveniente de importancia.
"El eslabón perdido es la falta de un espacio lo suficientemente
grande para el almacenamiento del hidrógeno en los vehículos,
el que por lo demás presenta una cadena de energía perfecta",
explica Livesay.
Hasta el presente, el hidrógeno
puede ser almacenado convenientemente sólo en la forma de gas comprimido
o como un líquido criogénico, y ninguna de estas dos formas
está particularmente bien adaptada para servirle de combustible a
un auto familiar. Los cilindros de hidrógeno comprimido son extremadamente
pesados y contienen relativamente poca cantidad de combustible, brindando
un pobre alcance de viaje, lo que requeriría frecuentes reabastecimientos.
El hidrógeno líquido, aunque contiene más potencia
por peso que el gas comprimido, es mucho más difícil de manipular.
Para prevenir que ocurran fugas rápidas,
el hidrógeno líquido debe ser mantenido a una temperatura
helada de -2252 C (-4232 F). Tanques criogénicos especiales son requeridos,
y los mismos son difíciles de llenar y de mantener. Aunque el hidrógeno
líquido es útil para ciertas aplicaciones especiales, como
lanzar cohetes o servirle de combustible a aviones grandes, donde técnicos
entrenados realizan las complejas tareas de abastecer el combustible, probablemente
nunca se convertirá en un combustible alterno para la transportación
terrestre.
Una solución potencial para
servirle de combustible a los vehículos es el uso de metales híbridos,
aleaciones especialmente formuladas que absorban el hidrógeno de
la misma forma que una esponja absorbe agua. "Tanques de almacenamiento
de hidruro metálico pueden absorber gas de hidrógeno y liberarlo
según se necesite, mediante la aplicación de calor, el que
puede ser suministrado por los escapes calientes del motor", explica
Livesay. "En efecto, algunos de estos materiales, como aleaciones de
hierrotitanio, lantano-níquel y una especial de manganeso, almacenan
más hidrógeno atómico que un tanque criogénico
equivalente, sin necesidad de refrigeración".
Existe un buen número de hidruros
metálicos, pero aún tiene que ser desarrollada una aleación
ideal para su almacenamiento. Entre las características deseables
se incluyen la habilidad de almacenar enormes cantidades de hidrógeno
a bajas presiones de carga, rápida liberación a bajas temperaturas
de operación, peso ligero y un costo razonable. Con las aleaciones
existentes hasta ahora, habría que sacrificar alguno de estos parámetros.
Una mayor investigación sobre
los metales híbridos es necesaria, para explotar el potencial de
una enorme densidad de almacenamiento y un uso conveniente.
"En la década de 1970,
se desarrollaron varios conceptos de diseño usando almacenamientos
de hierro-titanio. Y en Georgia Tech se construyó un automóvil
con propulsión de hidrógeno", explica Livesay. "Esas
pruebas fueron exitosas, pues incluso se puso a circular un ómnibus
para diecinueve pasajeros en la ciudad de Riverside, en California. Fue
el primer vehículo de hidrógeno en prestar un servicio de
transporte regular". El ómnibus logró un impresionante
rendimiento, con tanques de almacenamiento de hierro-titanio que tenían
que ser recargados cada 322 km (200 millas).
En otra prueba, un vehículo
de correo para la entrega de correspondencia fue convertido a combustible
de hidrógeno y prestó servicio durante un año. Su tanque
de almacenamiento de hidruro metálico funcionó sin fallas.
Sobre una misma base de energía, el vehículo fue un 21% más
eficiente en consumo de combustible que otro que consumía gasolina.
El eslabón perdido posiblemente ya ha sido hallado.
Ventaja de la energía
solar
A pesar de sus muchas ventajas, el
hidrógeno ha sido lento en alcanzar captación universal como
combustible alterno. Una razón es que, como la mayoría de
las tecnologías nuevas, los costos actuales de producir hidrógeno
son altos. El hidrógeno líquido es cuatro veces más
caro de producir que la gasolina. Pero a medida que se eleven los costos
de los combustibles no renovables, y los costos de la producción
del hidrógeno desciendan con investigaciones adicionales y desarrollos
para su producción en masa, el hidrógeno se convertirá
en efectivo con respecto a su costo.
Otra razón para la poca aceptación
del hidrógeno se relaciona con la efectividad de la propuesta conversión
del hidrógeno por medio de la energía solar.
"Hace unos años, se requirió
más energía para hacer una celda solar, que la energía
que podría producir durante su vida útil", dice Livesay.
Una gran cantidad de energía fue consumida en los minuciosos procesos
que fueron requeridos". Pero afortunadamente éste no es el caso
actual. Los avances en materiales y la tecnología solar han creado
celdas solares simples de producir y considerablemente más eficientes.
Y el desarrollo de estas celdas solares ha traído la producción
electrolítica, el almacenamiento y la distribución del hidrógeno
aun punto más cercano de su realidad comercial.
Es importante comprender que el hidrógeno
no es, y nunca será, una fuente primaria de energía. No vamos
a perforar un pozo y encontrarlo. Siempre habrá que producirlo de
algo más. Pero puede servir como un combustible maravilloso, un medio
del que se puede depender, a través del cual una fuente primaria
de energía, como la propia energía solar, puede ser convenientemente
almacenada y transmitida.
En los últimos 200 años
hemos pasado de la madera al carbón y entonces al petróleo
como nuestras fuentes primarias de energía. Aunque algunos expertos
consideren que la energía nuclear se convertirá en nuestra
primera fuente de energía, Livesay no la visualiza como una solución
a largo plazo para nuestros problemas de energía. Además de
que produce montañas de desechos radioactivos (otro grave problema
en sí mismo), el uranio, como el petróleo, es un recurso limitado.
Livesay tampoco ve como soluciones
efectivas los procesos de gasificación del carbón, la conversión
de biomasa o la producción de hidrógeno del gas natural (el
hidrógeno puede ser producido más económicamente del
gas natural que del agua). "Tiene poco sentido tomar un recurso no
renovable, como el carbón, el petróleo o el gas natural para
hacer otro medio de energía", dice él. "No solamente
estamos condenados a perder debido a las ineficiencias envueltas, sino que
todavía estaríamos consumiendo un recurso que también
es limitado. A largo plazo, no existe otra solución que emplear la
energía solar".
En último extremo, nuevos procesos
termoquímicos, de fotosíntesis o el proceso fotoelectrolítico
directo pueden demostrar que son más efectivos con respecto al costo
y más eficientes desde el punto de vista energético que las
celdas solares y la electrólisis. Pero la tecnología para
construir plantas de electrólisis operadas por la energía
solar ya existe, y la oportunidad es un importante factor. Se requerirán
muchas décadas para convertir la infraestructura existente de petróleo
y gas natural en una nueva de hidrógeno.
Ninguna tecnología puede hacer
el milagro de que continuemos usando la energía al ritmo actual.
Para resolver nuestros problemas de combustible a largo plazo, todos tendremos
que hacer un compromiso con la sociedad. No podemos poner tantas demandas
en la energía que tenemos disponible. Necesariamente, tendremos que
cambiar nuestros hábitos y ajustar nuestros sistemas de vida a los
niveles mantenidos de los recursos de energía disponibles. Los tiempos
de energía abundante y barata se han ido para siempre. Tendremos
que depender de una fuente de energía alterna, y tendremos que usarla
con gran sabiduría.
De nuevo, como cuando la crisis energética
de 1970, debemos apretarnos el cinturón y mirar al futuro. Pero esta
vez debemos ser austeros para siempre.
El hidrógeno es energía
inofensiva
Para muchos, el pensar en el uso del
hidrógeno como combustible conjura la visión del incendio
del Hinderburg al descender sobre Lakehurst, Nueva Jersey, el 6 de mayo
de 1937. Trágicamente, 36 pasajeros y miembros de la tripulación
perdieron la vida en el accidente.
El helio, gas no combustible, substituyó
al hidrógeno para brindarle flotabilidad a los globos, dirigibles
y zepelines. Para brindarle flotabilidad a las naves el hidrógeno
no es lo mejor. Pero como combustible el hidrógeno es ideal y más
seguro que la gasolina.
Por ser tan volátil, si ocurre
una fuga se dispersa rápidamente en la atmósfera. La gasolina,
al contrario, se evapora despacio y los hidrocarburos más pesados
que el aire hallados en los vapores de la gasolina se acumulan hasta que
se desarrolla una mezcla altamente inflamable.
En el Hinderburg, el terrible fuego
que ardió durante una hora, fue alimentado por el petróleo
y el material combustible de la nave. El hidrógeno quedó consumido
en sólo un minuto, luego del accidente.
En un choque entre vehículos,
el hidrógeno ha demostrado ser menos inflamable que la gasolina.
En varias pruebas realizadas, la Corporación de Investigación
de Energía disparó proyectiles incendiarios a tanques de combustible:
uno contenía hidruro metálico y el otro gasolina. El tanque
de hidruro se quemó lentamente a través de las perforaciones
en su costado, pero el tanque que contenía la gasolina explotó. |
| Fuente: Revista Mecánica Popular - Volumen 45 - Agosto
1992 - Número 8 |
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