El uso del carbón y las energías no-renovables están por desaparecer más pronto de lo que se cree y, por ende, son muchos los científicos en el mundo que se han dado a la tarea de explorar las fuentes de combustible verde o energías limpias y renovables.

De acuerdo con el periodista Jim Robbins en su artículo publicado para la Yale School of the Environment en 2020, Arabia Saudita está apostando fuerte por algo llamado hidrógeno verde, un combustible libre de carbono obtenido del agua mediante el uso de electricidad en un proceso conocido como la electrólisis del agua: se trata de la separación del oxígeno y el hidrógeno de la molécula del agua. A diferencia del hidrógeno gris el cual es producido a partir de hidrocarburos como el metano, el gas natural y otros gases que por lo general son contaminantes, así como el hidrógeno azul, que genera emisiones de carbono, el hidrógeno verde es una energía inagotable que representa una fuente de combustible totalmente ecológico.

El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, lo cual hace pensar que sería uno de los elementos más fáciles de obtener. Sin embargo, este no se encuentra como tal en la naturaleza en estado libre. Se requiere de un proceso para separarlo de los enlaces a los cuales está unido a otras moléculas. En el caso del agua el oxígeno y en el caso de los hidrocarburos el carbono (LP).

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De acuerdo con Robbins, la empresa estadounidense de gas Air Products & Chemicals, durante los últimos cuatro años, ha estado construyendo la planta más grande del mundo de hidrógeno verde en el desierto Saudí, cerca del Mar Rojo, llamada Neom.

El hidrógeno verde no solo está en la mira de científicos, también en la de muchas empresas como Siemens, gobiernos, inversores, y ambientalistas que la consideran como una opción para combatir el cambio climático, mediante la reducción de la emisión de gases de efecto invernadero (GEI) como el dióxido de carbono producto de la combustión interna en vehículos a gasolina y Diesel.

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En esta búsqueda México, no es la excepción. El profesor investigador del Instituto Tecnológico de Monterrey campus Toluca, Luis Pedrero Ojeda, lleva tres años en la exploración de soluciones de almacenamiento y producción del hidrógeno verde. El científico cuenta con un doctorado en física del estado sólido por el instituto Max Planck CPfS (Chemische Physik und Fester Stoffe) y la Universidad de Dresde, y estuvo viviendo en Alemania durante quince años, donde realizó diferentes investigaciones en temas de física de superconductores y Fermiones pesados a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Entre su búsqueda por soluciones con energías limpias ha encontrado que la electrólisis puede perfeccionarse con la mejora de los electrodos y la investigación de nuevos métodos de electrólisis. La innovación es indispensable y el uso de técnicas no-convencionales para elevar la eficiencia en el proceso de la electrólisis, como con bacterias y algas, para poder bajar el precio del hidrógeno, dijo el Prof. Dr. Pedrero. El científico, quien vivió más de diez años en Alemania, considera que es un país independiente energéticamente ya que en términos de electricidad produce casi la totalidad de la energía eléctrica para satisfacer su demanda, pero depende fuertemente del gas de Rusia y Ucrania para suministrar calor a viviendas y edificios durante el crudo invierno europeo. Esto debido a que el uso del gas es principalmente en calefacción a distancia, un sistema de calefacción a través de un líquido de alto calor específico, el cual se manda desde una central térmica. El gas tiene más poder calorífico que la electricidad en términos de BTU’s para calentar el agua y las habitaciones, de forma que la energía eléctrica queda casi exclusivamente dedicada a la iluminación y uso doméstico.

Actualmente Alemania ya cuenta con una legislación en términos del manejo, uso y producción del hidrógeno, lo cual hace mucho más sencilla la inversión en proyectos de este tipo, refiriéndose al caso del Hidrógeno Verde, agregó el Dr. Pedrero. Muchos otros países también están volteando a ver al hidrógeno como fuente portadora de energía, ya que las legislaciones europeas se han puesto muy estrictas en cuanto a la emisión de GEI. Para el 2030 en Europa no deberá producirse ningún vehículo a gasolina.¹ Son entonces los gobiernos europeos los que han impuesto límites y condiciones a las compañías para que sus procesos sean más efectivos energéticamente hablando y así bajar los niveles de CO2 en la atmósfera. El cambio climático es la principal causa del endurecimiento de las leyes en Europa.

En cuanto al gobierno mexicano, está interesado en empezar a manejar y producir Hidrógeno a través de licitaciones con el INEEL, pero no existe una legislación como tal para la producción y su manejo.² En cambio, en Europa y Asia ya existen proyectos a nivel Giga-Watts en plantas fotovoltaicas y eólicas donde el excedente energético se convierte en Hidrógeno a través de la electrólisis.

El H2 Verde no es un tema nuevo, y esta puede ser convertida en energía eléctrica nuevamente almacenándola en las “Fuel Cells” o celdas de combustible, a través de una membrana protónica. El hidrógeno es inflamable, por lo cual también se puede quemar y producir calor. Las industrias mexicanas requieren mucha energía calorífica para llevar a cabo sus procesos, por lo cual el H2 Verde es una fuente limpia para ello, en lugar del gas natural y el metano. Aún más, el hidrógeno se puede combinar con varios gases para elevar la efectividad de la combustión y así reducir las emisiones de CO2. La quema del hidrógeno por sí sola no produce ningún residuo contaminante (menos del 0.0001 % de óxido nitroso). El 98% del hidrógeno que se produce actualmente es debido al (steam reforming³) de los hidrocarburos. Un proceso en el cual se libera mucho CO2 al ambiente. La electrólisis sería una de las formas de producción más limpia ya que solo se produce H2 y O2 como desecho. El problema es que este proceso sigue siendo muy ineficiente, es decir, por cada watt eléctrico de energía transferida al electrolito, se produce una cantidad de hidrógeno equivalente en energía eléctrica (kWe) que, si se convirtiera eficientemente en energía eléctrica, representaría menos de 0.3 Watts. Es decir, hay una pérdida de más del 70% de energía en el proceso. Este consiste en solo separar los enlaces de las moléculas del agua. Parece sencillo, pero requiere de una gran energía.

Dr. Luis Pedrero Ojeda, Dr. rer. nat. Physik Technische Universität Dresden and Max Planck Institute Chemical Physics of Solids.

 

—¿Cuál es tu objetivo como profesor-investigador?

—Mi objetivo es hacer que los estudiantes desarrollen un pensamiento crítico en la ciencia y se interesen a través de mis clases por los temas desarrollados por mi grupo de investigación. Actualmente estoy adscrito al grupo de energía y cambio climático, así como al grupo de nanotecnología del Tec de Monterrey. En él se tocan diversos temas relacionados con la energía y el medio ambiente. Creo fervientemente que la educación y motivación de los estudiantes con estos temas harán un cambio fundamental en el México del mañana. Afortunadamente las nuevas generaciones tienen más conciencia y de alguna manera han vivido o ya se dan cuenta de que el cambio climático es una realidad. Por ello los temas de eficiencia energética son indispensables para reducir el cambio climático ya que las emisiones, producto de la generación de energía actualmente en México representan más del 60% del total. Las otras son el transporte y la industria.⁴

—¿Cuál fue la importancia de trabajar como científico mexicano en Alemania?

—Una de las cosas más importantes que experimenté en mi trabajo como científico en Alemania fueron las discusiones científicas con colegas y alumnos de todo el mundo. Creo que se aprende más de ellas que de muchos libros. No sólo estar trabajando con tecnología de punta sino ser partícipe de discusiones y expandir la barrera del conocimiento, ya sea a través de artículos o dirección de tesis de doctorado. Los colegas y alumnos dan una visión más amplia acerca de las diferentes estrategias en la ciencia.

—Luis, como parte de todo tu trabajo, ¿qué consideras lo más importante para el futuro de México y el mundo en cuanto a un consumo verde en equilibrio con la naturaleza?

—La independencia energética de nuestro país es pieza clave para el desarrollo de muchos otros rubros. Hemos visto en los últimos años que la demanda energética tiene tendencia de comportamiento exponencial y que con métodos convencionales no podremos llegar a suministrar esa demanda. Además de eso, ya no podemos seguir produciendo GEI en cantidades abismales y desequilibrar más la naturaleza. México no tiene mucho tiempo, y en muchos casos es un claro ejemplo de lo que no se debe hacer con la ecología. La biodiversidad de México es muy grande y única en el mundo. Nuestra única opción como especie es convivir con el resto de las otras especies. Es decir, lo único que nos puede salvar a futuro es la biodiversidad. Para ello se requiere evolución energética, es decir tener energía sin contaminar, energía no a expensas de otra materia no renovable. Energía limpia, libre de contaminantes y no consumista del medio ambiente. Sin lugar a dudas, México tiene un gran potencial y su futuro está precisamente en esta nueva clase de ingenieros y profesionistas conscientes de la belleza de nuestra fauna y flora. No podemos seguir consumiéndola y poniéndola en segundo lugar. Es por ello que la educación es pieza clave de este desarrollo y nueva fase energética.

—¿Cuál es la potencia que suministra el Hidrógeno Verde en comparación con otras energías limpias renovables?

—No podemos hablar del hidrógeno como gas portador de potencia sino de energía. El Hidrógeno tiene mucho más energía en comparación con la gasolina, el gas natural (metano) y el carbón mineral.⁵ En sí, el Hidrógeno tiene una energía de 33.33KWh/Kg en comparación con el gas natural que posee una energía de 13.89 KWh/Kg. Es decir, más del doble. Actualmente, debido a los problemas de distribución del Hidrógeno se tiene pensado combinar el gas natural con pequeñas cantidades de hidrógeno dentro de las líneas de transmisión para así incrementar la cantidad de energía portadora del gas natural. Uno de los problemas que se presentan al trabajar con Hidrógeno es que el coeficiente de difusión es muy alto lo cual hace que sea difícil trabajar con él. ¿Qué quiere decir esto? Significa que los materiales que se tienen que utilizar para el almacenamiento y transporte del Hidrógeno tienen que ser no permeables a este gas, para así evitar posibles fugas.  

—¿Qué consideras más sustentable, el uso de coches eléctricos o coches de hidrógeno verde?

—En cuestión de transporte, creo que el Hidrógeno será más relevante que las baterías. Los coches eléctricos necesitan de baterías que por sí solas ya requieren de una alta tecnología y estas, debido su producción y extracción del litio, ya producen una huella de carbono. El Hidrógeno Verde, si se logra producir en cantidades y precios competitivos, será más relevante que los coches eléctricos ya que la potencia y el rango de acción es mucho más elevado. En comparación con un T2-Model modelo Tesla, el rango de Km es de 150 km-200km antes de volver a recargar las baterías. Un coche de hidrógeno⁶ (Toyota) tiene de 400-600 km con un tanque presurizado. Hay otras soluciones para los coches eléctricos, la cual hace uso de varias tecnologías como celdas de combustible y baterías al mismo tiempo. Es decir, almacenan H2 y estas celdas de combustible continuamente cargan las baterías provocando que el rango de transporte aumente considerablemente.

—¿Por qué crees que muchos países aún no se interesan en el hidrógeno verde?

—Considero que sí hay mucho interés de las economías emergentes, ya que de los países miembros del G8 actualmente ya existe una red de transporte almacenamiento y producción de Hidrógeno. El caso más significativo es el de Holanda, Dinamarca y Alemania.⁷

—¿De qué manera tu trabajo aporta a la investigación del Hidrógeno Verde para México y el mundo?

Actualmente la producción de H2 verde está enfocada en el proceso conocido como electrólisis. Este proceso aún es considerado un proceso ineficiente de conversión de energía. Así como las celdas solares convierten la energía solar en eléctrica, la electrólisis convierte energía eléctrica en H2 y O2 mediante la descomposición de los enlaces del H2O. Si los precios de la energía eléctrica continúan bajando y este proceso se vuelve un proceso más eficiente, al final el hidrógeno será más competitivo como gas portador de energía a comparación con el gas natural. Para ello es necesario investigar cómo mejorar este proceso, ya sea en los electrodos o en los electrolitos.

—¿Crees, como científico, que todavía estamos a tiempo para revertir el cambio climático?

—Sin lugar a dudas, aún es tiempo. Como mencioné, México y el mundo no tienen ya mucho tiempo, es ahora o nunca. Pero el cambio climático está llegando ya a límites que antes creíamos muy lejanos. En nuestra creciente vorágine de energía nos hemos olvidado de nuestro planeta. La energía y el transporte sin lugar a dudas son importantes, pero es más importante el planeta en el que vivimos. Es por ello que no debemos dudar ni un minuto más que las energías limpias son la única solución para frenar la producción de gases de efecto invernadero.

Contacto:

Prof. Dr. Luis Pedrero

Profesor Investigador

Energias Renovables

Técnológico de Monterrey

Escuela de Ingeniería y Ciencias

Departamento de Ciencias

Campus Toluca.

Tel: +52 (722) 2799990 Ext. 2163

Email: luis.pedrero@tec.mx

https://www.linkedin.com/in/luis-pedrero-4a785738/?fbclid=IwAR1aZ6ZjOFKk6bagqKLW4bmTbynaTRUQohvrirLU_H-jnIm-FMfpnvYqD2E

Referencias:

1.         José A., R. Alemania podría alcanzar la neutralidad climática en 2045. https://elperiodicodelaenergia.com/alemania-podria-alcanzar-la-neutralidad-climatica-en-2045/ (2021).

2.         Nieva, R. & Silva, J. L. INSTITUTO NACIONAL DE ELECTRICIDAD Y ENERGÍAS LIMPIAS, México. Marzo 2018 67.

3.         Lehner, M., Tichler, R., Steinmüller, H. & Koppe, M. Business Models. in Power-to-Gas: Technology and Business Models (eds. Lehner, M., Tichler, R., Steinmüller, H. & Koppe, M.) 63–93 (Springer International Publishing, 2014). doi:10.1007/978-3-319-03995-4_5.

4.         León Ramírez. Cuánto contamina la industria eléctrica y por qué hay que vigilar emisiones. Animal Político https://www.animalpolitico.com/elsabueso/industria-electrica-energia-mexico-emisiones/ (2021).

5.         Tichler, R., Lehner, M., Steinmüller, H. & Koppe, M. Power-to-Gas: Technology and Business Models. (2014). doi:10.1007/978-3-319-03995-4.

6.         CORPORATION, T. M. TOYOTA NEWS #143｜How a Hydrogen-Powered Engine Differs from a Gasoline-Powered One: What You Need to Know Before the 24H Endurance Race Challenge (1)｜Toyota Times. TOYOTA TIMES https://toyotatimes.jp/en/insidetoyota/143.html.

7.         Hydrogen Economy Outlook. ‘Hydrogen Economy’ Offers Promising Path to Decarbonization. BloombergNEF https://about.bnef.com/blog/hydrogen-economy-offers-promising-path-to-decarbonization/ (2020).