Las circunstancias en las que se está moviendo la sociedad global desde hace poco más de un año están llamando a la movilización de diversas fuerzas para conseguir superar las numerosas crisis que el modelo de civilización actual debe afrontar si quiere lograr su supervivencia. Crisis sanitaria, crisis climática, crisis energética, etc. Todas ellas han confluido, casi de manera caprichosa, en nuestro tiempo. Y debemos hacer nuestra parte. El papel que juega Hiperbaric en esta gran oportunidad es la conversión del modelo energético, apostando por la economía del hidrógeno como sustituto a la modelo actual basado en la extracción y quema de hidrocarburos.
Civilización y energía
El ser humano es vulnerable. Como ser, un hombre aislado no tiene apenas esperanza de sobrevivir, bien por la falta de alimento o bien por la falta de agua. En su interacción con la naturaleza, roto el primer aislamiento, un hombre tampoco podrá salir adelante fácilmente. Se enfrentará a otros animales, a la meteorología, al terreno, … Si un ser humano se asocia con otros seres humanos, formando una comunidad, las posibilidades de sobrevivir y prosperar ya son aceptables. El grado de sofisticación con el que esta comunidad consiga relacionarse con la naturaleza determinará el grado de prosperidad de la comunidad y también el tiempo en que la comunidad sobreviva.
El tiempo es un elemento clave. La Historia nos da ejemplos de sociedades avanzadas, o civilizaciones, que presentan su ciclo de nucleación, auge y decadencia. La permanencia en el tiempo de estas civilizaciones depende de si son capaces o no de solventar situaciones clave. En su libro La economía del hidrógeno, Jeremy Rifkin [1] utiliza la perspectiva energética para explicar la caída del Imperio Romano de Occidente, entendida no como un hecho puntual, sino como un largo proceso caracterizado por una carencia cada vez mayor de recursos energéticos que llevó a la descohesión final del Imperio de Occidente. La historia de otros imperios, especialmente los imperios coloniales europeos, está caracterizada por las disputas por el acceso y gestión de los diferentes recursos. Esta afirmación es ciertamente arriesgada, ya que se pueden encontrar casos de conflictos no llevados por las disputas energéticas. Y aunque siempre puede haber matizaciones, hay una máxima indiscutible, y es que una civilización debe ser capaz de abastecerse energéticamente para prevalecer. Napoleón así lo entendió en su afirmación: “un ejército marcha sobre su estómago”.
Diferentes combustibles han sido utilizados a lo largo de la historia para mantener las sociedades del momento. La madera fue clave para aportar calor y materiales en las sociedades romana y europea medieval. Este elemento fue sustituido por el carbón, cuando la tecnología disponible en el momento facilitó su extracción, transporte y aprovechamiento. Posteriormente llegó el petróleo, cuya utilización no se limita a ser fuente de combustibles, sino también para general materiales poliméricos y también para producir componentes químicos como los pesticidas. Estos últimos nos permite hoy en día conseguir que nuestros cultivos arrojen un nivel de rendimiento jamás imaginado.
Estos recursos energéticos son limitados. La madera se obtiene de la tala de árboles, y solo puede establecerse un uso cíclico si el ritmo de la tala se igual al ritmo del consumo. El carbón y el petróleo son el producto de millones de años de tratamiento a alta presión y temperatura en el interior de la tierra. Plantear un uso cíclico de estos elementos no es práctico. El hecho de que haya una disponibilidad limitada en los recursos también limita la pervivencia de la sociedad que las utilice. Mantener el funcionamiento de la sociedad requiere del consumo de estos recursos, y por lo tanto cuando estos se acaben, también se parará la sociedad.
Este planteamiento es poco alentador, máxime cuando hay una pregunta que no tiene una respuesta clara: ¿de cuántos recursos disponemos? No sabemos cuánto petróleo y cuánto carbón quedan en la tierra, pero desde luego su disponibilidad en la naturaleza es limitada. Además, nuestra sociedad requiere cada vez más. La población mundial no deja de crecer, y el nivel de vida general de la sociedad también crece continuadamente. En resumen, cada vez requerimos más energía, pero paralelamente nos estamos quedando sin recursos. La confluencia de estos dos hechos define nuestra crisis actual. Es necesario cambiar nuestra sociedad, y la apuesta de Hiperbaric es conseguirlo mediante el cambio del modelo energético.
La transición energética a la economía del hidrógeno
Las noticias tecnológicas que podemos encontrar estos meses presentan con elevada frecuencia temas relacionados con el uso del hidrógeno como alternativa a los combustibles actuales. Los gobiernos de países como Japón, Estados Unidos y los países miembros de la unión europea han mostrado también un gran interés en convertir sus economías energéticas al hidrógeno. Por ejemplo, Europa quiere completar su descarbonización antes de 2050. Sin embargo, sería ingenuo pensar que este interés y la tecnología del hidrógeno ha surgido espontáneamente. En concreto, es la tercera vez que el mundo presenta este interés. La primera vez fue cuando en la década de 1970 los países de la OPEP se unieron para elevar el precio del petróleo. Viendo peligrar su economía y modelo social, países como Alemania y Reino Unido incentivaron a sus universidades y centros tecnológicos para que intensificaran el uso de las energías renovables para aumentar la potencia disponible, y a su vez también desarrollaran la tecnología del hidrógeno para almacenar los excedentes energéticos producidos por las centrales renovables. Cuando el precio del petróleo bajó de nuevo, este interés perdió fuerza.
La segunda vez que la economía del hidrógeno vio resurgir su importancia fue a finales del siglo XX. En esta ocasión, la preocupación generalizada por el incremento de la temperatura media del planeta y la publicación de estudios que relacionaban directamente el incremento de esta temperatura con las emisiones de dióxido de carbono producidas por la actividad humana reactivó los esfuerzos de los países occidentales por realizar la transición energética al hidrógeno [2].
En esta tercera ocasión han confluido una serie de crisis las que han confluido a la vez: la crisis sanitaria provocada por la expansión del virus SARS-COV-2, la perdida generalizada de confianza de las sociedades occidentales en sus gobiernos, la caída económica de los países que no han sabido gestionar la convivencia con el virus, y de nuevo la crisis energética caracterizada por haber alcanzado la temida cima de producción [3].
La economía circular del hidrógeno
La primera característica de la economía del hidrógeno es que se puede establecer como un proceso cíclico. A diferencia del carbón y del petróleo, cuya línea temporal se puede resumir en extraer, procesar y consumir, la economía del hidrógeno usa esta sustancia como vector de transferencia energética. Los medios de producción renovables usan el excedente de energía para separar el agua en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se transporta, o se almacena, para ser utilizado de nuevo en una celda de combustible para devolver esa energía cuando se demande. El producto material final es nulo, y el único efecto es la emisión de calor debida a las ineficiencias de cada proceso.
Si nos trasladamos hacia arriba buscando el origen de esta energía, llegamos al sol. El sol emite radiación que la tierra recibe. Este calor produce las alteraciones atmosféricas que llevan al movimiento de las masas de aire y el calentamiento del agua que provoca la lluvia en las tierras altas. Ambos efectos se pueden aprovechar como energía eólica y energía hidráulica. También se pueden utilizar los paneles fotovoltaicos para transformar la luz solar en electricidad por medio del efecto fotoeléctrico.
Bajo este planteamiento, este modelo energético podría considerarse también como no renovable, ya que en algún momento el sol agotará su combustible y no podremos aprovecharlo más. Sin embargo, este momento se producirá en un instante tan lejano, que en la escala temporal de la humanidad se sitúa en un punto infinito.
Otra ventaja de este modelo energético es que la actividad humana no degradará la Tierra, ya que utilizará una fracción pequeña de la energía que recibe continuamente el planeta del sol, sin utilizar continuamente los recursos energéticos almacenados en el planeta. La ingenuidad no debe cogernos desprevenidos, ya que la construcción de la infraestructura, la fabricación de los molinos, electrolizadores, paneles solares, etc. Sí que requerirá de materiales almacenados en el planeta, y por lo tanto una parte de la degradación del planeta se mantendrá un tiempo, hasta que la tecnología del reciclaje permita minimizar esta degradación. Y por supuesto, al ser un modelo sin emisiones materiales, problemas conocidos como la emisión de gases de efecto invernadero quedarán neutralizados. Sin embargo el hidrógeno presenta una desventaja frente a otros combustibles. A presión atmosférica, el hidrógeno tiene una densidad muy baja y por lo tanto es necesario comprimirlo para conseguir que su transporte sea más eficiente.
Necesidad de comprimir hidrógeno
El hidrógeno, a pesar de disponer la mayor energía por unidad másica de los combustibles conocidos, tiene la desventaja de ser un compuesto muy poco denso. El poder calorífico inferior del hidrógeno es de 120 MJ/kg. En comparación, el poder calorífico inferior de la gasolina es promedio, de 44.3 MJ/kg.
La densidad del hidrógeno, sin embargo, a presión atmosférica, es de aproximadamente 0.081 kg/m3. Esto es, aproximadamente trece veces menos denso que el aire.
Los combustibles que utilizamos normalmente en vehículos, gasolina o diésel, se presentan en forma líquida. Su densidad energética relativa al volumen es aproximadamente de 30 MJ/l. Si comparamos este valor con la densidad energética relativa al volumen del hidrógeno, a presión atmosférica y 25 ºC es de 0.010 MJ/l. ¡Esto es 3000 veces menos!
En esta situación, nuestro primer objetivo sería transportar el hidrógeno en los automóviles es unas condiciones de densidad más favorables. Se nos presentan dos opciones: o transportar hidrógeno licuado, o transportar hidrógeno a presión. Licuar el hidrógeno es un proceso costoso tanto en instalaciones como en energía, ya que actualmente se está rascando la eficiencia del 70% [4]. Aparte, su almacenamiento tiene un coste en sistemas criogénicos que no consiguen suprimir el efecto de evaporación, y gradualmente se pierde una cantidad constante de hidrógeno.
Si el hidrógeno se transporta a 700 bar, la densidad energética que se alcanza es de 4.6 MJ/litro. Esta ya es una cantidad, aunque menor que la de los combustibles fósiles, aceptable. Y con las nuevas tecnologías de materiales, se podría transportar a 900 bar, lo que arrojaría una densidad energética de 5.5 MJ/litro.
Por lo tanto, si queremos que nuestro automóviles sustituyan su actual fuente de energía por el hidrógeno, es imprescindible que este sea comprimido para que las tecnologías puedan competir. Aún hay terreno para acercar ambos combustibles, mejorando por ejemplo la eficiencia de las celdas de combustible, aligerando los vehículos…
Comprimir hidrógeno, como ocurre al comprimir otras sustancias no líquidas, requiere de un equilibrado diseño que sea capaz por un lado de aplicar trabajo (comprimir) sobre la sustancia, y a su vez extraiga calor a un ritmo adecuado que mantenga el hidrógeno a una temperatura adecuada y segura para trabajar con él. Para conseguir esto, en el mercado se encuentran compresores que realizan la subida de presión en varias etapas, aplicando en serie el proceso compresión-refrigeración. Si no se dispone de un diseño y tecnologías adecuadas, este proceso de compresión en varias etapas puede encarecer el proceso, o por lo menos hacerlo desventajoso respecto a quien consiga producir compresores con menos etapas, pero igual de eficientes.
Hiperbaric, gracias a su conocimiento y experiencia adquirida durante su más de 20 años de trabajo en el campo de las altas presiones, reconoce la oportunidad de apostar por el transporte de hidrógeno comprimido. Además de su experiencia en la tecnología HPP, la introducción en la tecnología de fabricación HIP, que combina el manejo de argón a alta presión y alta temperatura, ha sido clave para diseñar un compresor con una capacidad de refrigeración superior a la de otros compresores.
Recientemente Hiperbaric recibió la adjudicación de la venta de su primer compresor de hidrógeno, diseñado para servir hidrógeno hasta 900 bar, para ser almacenado en sistemas de gran volumen que luego servirán ese hidrógeno a automóviles que trabajarán hasta 700 bar. El caudal de este compresor será de 12 kg/hora mínimo, siendo el promedio de 30 kg/hora. Esto permitiría servir a 13 vehículos (con depósito de 60 litros) por hora. La expectativa inmediata está en servir cada vez mayores caudales másicos, siempre que la sociedad abrace esta nueva tecnología para su uso particular en sus automóviles.
Los retos e incertidumbres para el futuro
No deja de resultar irónico que a pesar de los grandes avances tecnológicos que hemos alcanzado en este momento de la historia, aún no nos hayamos desprendido de la dependencia de los combustibles fósiles. Más aún, que nuestra principal manera de extraer la energía de estos combustibles sea quemándolos, al igual que nuestros antepasados hacían en las cuevas o en sus primitivas construcciones.
Los grandes servidores de datos, la tecnología médica, la aviación, … depende en origen de la quema del combustible. Si no superamos esta crisis energética, nuestra civilización se hundirá, nuestra cohesión social colapsará, y finalmente retrocederemos a ese mismo punto donde empezó todo: quemando combustibles.
En la colección de la Fundación, donde Asimov describe la caída y recuperación de un imperio humano galáctico, se describe con cierta condescendencia a las sociedades primitivas que aún se servían de carbón y combustibles fósiles para su mantenimiento. En 1964, el astrofísico Nikolái Kardashov definió tres niveles de civilización, en función de la potencia que podían aprovechar del medio. El nivel I se definía como la civilización que fuera capaz de aprovechar toda la energía dispuesta por su planeta. Es evidente que nuestra civilización, y su modelo energético actual, no entraría ni en este primer nivel, ya que utilizamos las reservas energéticas que han llevado millones de años formándose, y nuestra potencia de energías renovables apenas rasca un primer porcentaje de la energía recibida por el planeta.
Por lo tanto, nuestro primer reto es hacer viable el modelo energético circular, el aprovechamiento activo de la energía recibida por el planeta y minimizar la degradación del planeta y su naturaleza provocada por la actividad humana.
De nosotros depende seguir al sol, aprovechar su energía y compartirla con el resto del planeta, o en nuestro orgullo mantener nuestro vuelo, rebosantes de nuestro ser y sabernos herederos del sol, la luna y la tierra. Sólo para que nuestro carruaje caiga al igual que lo hizo Faetón. Estamos advertidos.
Bibliografía
[1] J. Rifkin, La economía del hidrógeno: la creación de la red energética mundial y la redistribución del poder en la tierra. Paidós, 2002.
[2] S. Davídsdóttir, «Iceland moves naturally to a hydrogen economy», the Guardian, jul. 18, 2001. http://www.theguardian.com/society/2001/jul/18/guardiansocietysupplement15 (accedido abr. 18, 2021).
[3] «Shell Claims It Reached Peak Oil Production in 2019», EcoWatch, feb. 11, 2021. https://www.ecowatch.com/shell-oil-production-peak-2650478989.html (accedido abr. 04, 2021).
[4] Y. E. Yuksel, M. Ozturk, y I. Dincer, «Analysis and assessment of a novel hydrogen liquefaction process», International Journal of Hydrogen Energy, vol. 42, n.o 16, pp. 11429-11438, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.03.064.
