Hidrógeno: la alternativa

Últimamente se le está dando al hidrógeno mucho bombo, especialmente en Europa a raíz de la crisis energética provocada por las sanciones a Rusia, como cuadratura del círculo para prescindir completamente de hidrocarburos, sirviendo de almacén de energía para las puntas de generación de renovables y de vector energético en automoción.

No tan rápido.

Esquemáticamente, la idea consiste en convertir electricidad en hidrógeno por medio de la electrólisis (porque si obtenemos el hidrógeno del metano por steam reforming, estamos haciendo un pan como unas hostias, para eso usamos el metano directamente como combustible y nos ahorramos las ineficiencias de los pasos intermedios ). Y ese hidrógeno se almacena o se embarca en el vehículo para, de nuevo, recombinarlo con O2 y generar de nuevo electricidad.

¿Tiene sentido energético?

El rendimiento del almacenamiento de energía usando una central hidroeléctrica reversible viene a ser del 75%. Para los que no sepan en qué consiste, se trata de bombear el agua en altura cuando el precio de la electricidad es bajo para luego turbinarla aprovechando las puntas de precio para obtener beneficio.

Vamos a analizar entonces esta forma propuesta de almacenamiento. Tenemos electricidad sobrante derivada de una instalación masiva de instalaciones eólicas y fotovoltaicas (¿y nucleares?), en los picos de producción en que la generación es superior a la demanda de la red. Así pues, usamos esta energía eléctrica en hidrolizadores para producir hidrógeno con el que, por ejemplo, hagamos mover el parque móvil (economía de hidrógeno). La eficiencia de ese primer paso, a día de hoy y siendo optimistas, es del 0,7. Puede ser mayor, pero acortando la vida útil y disparando el coste de adquisición del hidrolizador.

Seguimos. Ya hemos convertido la electricidad en hidrógeno gaseoso, a una presión de salida de unos 20 bar. Ahora hay que comprimirlo hasta los 880 bar que es la presión de recarga de un vehículo (tomamos como referencia el Toyota Mirai, que lo almacena a 700 bar).

La compresión isoterma teórica de un gas ideal de 20 a 880 bar es de 1,47 kWh/kg.

Podéis calcularlo vosotros mismos. Por definición dW=p*dV

Sustituyendo por la ley de gases ideales (pV=nRT) e integrando para T=cte : W=∫p*dV = ∫nrT/V*dV = nRT*ln(V2/V1).

Vale, me descubro ante la elegancia de las ecuaciones básicas de la termodinámica, pero ni el hidrógeno a 880 bar se comporta como un gas ideal (existe repulsión entre las moléculas que obligan a adoptar un factor de compresibilidad), ni la compresión puede ser isoterma (sí hay variación de energía interna del sistema, que obliga a enfriar ese aire para poder seguir comprimiéndolo) , y los compresores tienen partes móviles que generan pérdidas de rendimiento.

En la vida real, podemos dar por bueno un valor de 2,67 kWh/kg para ese proceso de compresión. ¿Mucho? ¿Poco? El poder calorífico inferior del H2 es de 33,33 kWh/kg, así que estaríamos consumiendo un 8% de la energía contenida en él para comprimirlo.

El hidrógeno molecular es un gas muy porculero para almacenarlo porque es el compuesto más tenue, la molécula más pequeña que existe, así que tiende a escapar por la más mínima microfisura que se abra en el tanque. Además, su densidad energética es muy baja (no así la másica, el triple que la gasolina), por eso lo almacenamos a presiones tan descomunales que precisan de bombonas que pesan un mundo (allá se va la ventaja de peso del hidrógeno, y acaban pesando tanto como un coche a baterías). Todo esto se solucionaría almacenando el hidrógeno en estado líquido. Los depósitos no tendrían que tener una resistencia mecánica enorme, borramos el problema de las fugas por la tensión superficial de un líquido, y almacenaríamos una energía considerable en un espacio reducido. Pero ¡ay! El hidrógeno tiene más de gas que yo de heterosexual, y para convencerlo para licuarse hay que bajarlo a temperaturas próximas al cero absoluto (20K). Además, un tren de licuefacción es una máquina considerablemente menos eficiente (y cara y compleja) que un compresor. Así que, si quieres obtener hidrógeno licuado, tienes que meter no menos de 10 kWh/kg. Es decir, casi un tercio de la energía disponible ya se ha perdido y aún ni siquiera está en el coche. Lo de mantener el hidrógeno licuado en tanques criogenizados, con la fragilidad que los materiales presentan a esas temperaturas, ya tal. Así que mejor dejamos de lado esa opción.

Ahora tenemos que transportar ese hidrógeno comprimido hasta la hidrogenera, que también supone un peaje energético. Pero como los electrolizadores son máquinas fáciles de escalar, podemos aprovechar la facilidad y eficiencia del transporte de la energía eléctrica para suponer que cada hidrogenera tiene la capacidad para disociar el agua en oxígeno e hidrógeno, y comprimir éste hasta la presión requerida. Obviamos pues las pérdidas en transporte.

[N.d.M: sobre la inteligencia de crear un gasoducto para hidrógeno, como se ha propuesto para la interconexión España-Francia, si ya es jodido asegurar la estanqueidad para el metano en cientos de kilómetros de tubería… mejor no me pronuncio.]

Ahora hay que cargar ese hidrógeno comprimido y almacenado en el vehículo. No, no es tan obvio como introducir el boquerel en la boca del depósito y llenarlo de combustible líquido, estamos hablando de un gas. De un gas jodidamente escurridizo, comprimido a 868 veces la presión atmosférica (1 bar = 0,9869 atm). Se puede hacer y, de hecho, se hace, pero fácilmente aquí también habrá algunas pérdidas. Como carezco de referencia para cuantificarlas, sólo lo dejo anotado.

Ya tenemos los tanques del vehículo llenos de hidrógeno. Podríamos usar ese hidrógeno directamente en un motor de combustión interna convencional, adaptado para su uso como carburante, pero es más eficiente usarlo en una pila de combustible para, recombinándolo con el O2 atmosférico, obtener electricidad. ¿Cuánto de eficiente? Es difícil decirlo, a baja carga el rendimiento es bueno pero los consumos de los órganos auxiliares son relativamente altos (bombas, calefactores, ventiladores, electrónica de control…). Según aumenta la demanda éstos pasan a un segundo plano pero la eficiencia de la propia celda baja. Siendo de nuevo espléndidos, vamos a suponer un 0,6 para todo el conjunto, que ya es mucho más que lo que obtendríamos si lo inyectáramos en un motor de pistones. Aquí reza lo mismo que para el electrolizador: podríamos subir la eficiencia, pero acortando su longevidad y disparando su precio.

Y ya tenemos electricidad para mover el motor, usando una batería de litio como buffer energético (los supercaps son la eterna promesa) y aprovechar la frenada regenerativa. Algo del calor generado en la pila de combustible podría ser aprovechado, como en un térmico, para la climatización del vehículo (en un BEV, más eficiente, no llegaría a nada).

Recopilando eficiencias: Hidrólisis x Compresión x Recombinación = 0,7 * 0,92 * 0,6 = 0,39. Es decir, de 100 unidades de electricidad, acabamos obteniendo 39 para mover el vehículo. No parece un buen negocio, pero también hay que tener en cuenta que es electricidad «sobrante». Pero para que sobre, hemos de crear unas inversiones en producir esa sobrecapacidad en eólica y solar.

Estoy de acuerdo que todo esto es el estado actual, y según se desarrolle esta tecnología los guarismos pueden ser más favorables. Por ejemplo, el precio de los vehículos de hidrógeno (FCEV), que ahora se mueve por los 65.000€ del Toyota Mirai y 10.000€ más para el Hyundai Nexo (Honda ya ha tirado la toalla con el Clarity), y probablemente las marcas estén perdiendo dinero con cada unidad, se reduciría si fueran producidos en mayores números. También que es previsible que progresivamente se incremente la eficiencia de electrolizadores y celdas de combustible. Pero milagritos, a Lourdes.

Por comparar, supongamos que esa energía eléctrica sobrante, en vez de servir para disociar agua, sirve para cargar las baterías de un cochepilas. Las pérdidas en transporte de la electricidad son básicamente las mismas, sea a una hidrogenera que produzca in situ el hidrógeno (la opción más favorable), a una electrolinera o el enchufe de casa (quizá en este caso deberíamos tomar en cuenta las pérdidas en transformación, pero tampoco nos pongamos tan estiraos). Entonces, supongamos un 0,9 de eficiencia en el proceso de carga (entre cargador y resistencia interna de la batería) y otro 0,9 de descarga (de nuevo la energía química de la batería también se degrada en calor, la eficiencia del inversor…), también optimista suponiendo cargas y desgargas lentas. Rendimiento global del proceso, 0,81. Centésima arriba o abajo, podemos discutirlo, pero es evidente que queda muy lejos del 0,39 del hidrógeno.

Sí, se puede abaratar el hidrógeno de hidrólisis, pero eso implicará abaratar el coste de la electricidad, con lo que el cochepilas seguirá disfrutando de la misma ventaja.

Y para aplicaciones estacionarias, retornemos al principio del artículo: el rendimiento de una central hidroeléctrica reversible es de 0,75.

Pero bueno, cada uno es libre de engañarse como quiera, así como de dejarse engañar por el complejo político-mediático.

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NOTA: Añado un vídeo donde también echan las cuentas:

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