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El paso de la combustión convencional a la economía del hidrógeno.

Optimización de la explotación de los combustibles fósiles hacia emisiones cero en CO₂

J.M.Martínez-Val Piera
Ingeniero de Minas
M.Sc. Colorado School of Mines
Fundación para el Fomento de la Innovación Industria

Este artículo va a ser publicado por la revista DYNA, 2005.

Primera parte. (1 / 6)

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Introducción y planteamiento.

La vía actual de aprovechar los hidrocarburos para la automoción se basa en su combustión en motores de explosión de diverso tipo, con el factor común de emitir por el tubo de escape 44 gramos de CO₂ por cada 12 gramos de carbono contenidos en el carburante. Esto comporta que la mayor fuente de gas de efecto invernadero sea una actividad muy atomizada, contra la que no parece posible ninguna actuación tecnológica para evitar di emisión, o al menos capturarla y confinarla.

En este artículo se presenta una vía alternativa futura para el aprovechamiento de los hidrocarburos en la automoción, basada en los avances tecnológicos efectuados en diversos campos, y que podrían confluir en un sector energético-industrial totalmente nuevo, con no menos impacto económico que el hoy día represento por esos dos excepcionales macrosectores que son la industria del automóvil y los mercados de petróleo y gas. Esta nueva vía está inserta en la llamada economía del hidrógeno y en las técnicas emergentes de captura y secuestro de CO₂.

Para presentar esta alternativa se parte de un análisis somero de la situación actual en lo referente a la problemática de la acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera; se continúa con un análisis básico de la descarbonización de combustibles fósiles y la obtención de H₂ a partir de ellos; y se plantea como nudo de la cuestión el balance energético de esta alternativa. Por último se señalan sus implicaciones medioambientales, y se esbozan sus posibles repercusiones socio-económicas.

1.
La problemática del efecto invernadero

La tasa actual de emisiones antropogénicas de CO₂ es aproximadamente un 25% de la tasa natural de reciclado del CO₂ atmosférico a través de la fotosíntesis terrestre (1). Aunque en el ciclo completo carbono-CO₂ se han de contabilizar además los intercambios físicos y químicos con los océanos, la cifra anterior revela la existencia de una fuerte perturbación artificial en un ciclo natural cuyo componente atmosférico juega un papel importante en el efecto invernadero, y por ende en el calentamiento del planeta. Las cifras de concentración molar de CO₂ en el aire han crecido con tendencia cada vez más acentuada desde principios del siglo XX, superando ya las 380 ppm molares (2-7).

Ello ha movido a definir limitaciones para las emisiones de CO₂ y por otra parte ha promovido la I+D en varias líneas, con objeto de satisfacer la demanda socioeconómica de energía, sin perturbar un mecanismo como el efecto invernadero, de gran repercusión potencial en el cambio climático.

Por otro lado, el 80% de la energía total generada y consumida por la humanidad procede de combustibles fósiles, en cuya combustión se genera CO₂ (8). Descontada la biomasa tradicional (leña, etc) los combustibles fósiles representan el 90% de la energía que podría denominarse artificial o tecnológica. Más aún, los combustibles fósiles, en particular los derivados del petróleo, satisfacen casi el 100% de muchos de los usos de transporte, donde la emisión de CO₂ resulta muy atomizada. De hecho, el sector Transporte no es de los regulados por las legislaciones vigentes europea y española sobre Derechos de Emisión de CO₂, y sin embargo contabiliza el 30% de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) (9).

La gran ventaja del gas natural y de los derivados del petróleo es precisamente su facilidad de combustión en los motores y máquinas apropiados, además de su facilidad de transporte, almacenamiento y distribución. Al ser materias primas (o derivadas) idóneas par dichas máquinas (p.e., los motores de combustión interna) resultan muy difíciles de sustituir, salvo cambios drásticos en la maquinaria, tendencia que ya ha comenzado, y que tiene como elemento emblemático el automóvil de hidrógeno, movido por un motor eléctrico accionado por la electricidad generada en una pila de combustible, activada por hidrógeno (10-15).

Un nuevo paradigma: la economía del H₂

El cuello de botella de la economía del hidrógeno es su producción. Todo el hidrógeno de la Tierra se encuentra combinado con otros elementos químicos para formar diversos compuestos, en particular H₂O, hidrocarburos, hidratos de carbono, carbonatos, sulfatos, etc. La producción de hidrógeno elemental, H₂, requiere métodos de reducción química que son energéticamente caros. (De hecho, en todos ellos se consume más energía que la obtenida posteriormente, al ocurrir la oxidación del H₂ generado).

En un futuro más o menos remoto, el H₂ se obtendrá de la fusión nuclear y de energías renovables, por medio de electrolisis y de procedimientos termoquímicos (16). En la actualidad, el método más barato y tecnológicamente desplegado es el reformado de gas natural con vapor de agua a muy alta temperatura. También es digna de mencionar la gasificación de carbón por métodos análogos. Ello permite obtener H₂, que posteriormente podría usarse para la propulsión de vehículos eléctricos con pila de combustible, de los cuales hay ya varios prototipos en el mundo (15).

Por la disponibilidad de combustibles fósiles (en comparación con las potencias desplegables por las renovables en la primera mitad del siglo XXI) los citados combustibles deberían jugar un papel fundamental en el paso desde la situación actual, dominada por la combustión clásica, a la economía del hidrógeno (17-20) (cuya tecnología, muy posiblemente, requerirá menos tiempo para llegar a la plena madurez comercial, que la fusión nuclear o las energías solares masivamente desplegadas).

Sin embargo, de obtenerse el H₂ por reformado de hidrocarburos o por gasificación de carbón (21-30), en la etapa de producción del H₂ se produce paralelamente CO₂ (en dos pasos, siendo el primero la producción de CO). Ello significa que no se reduce para nada el nivel de emisiones, sino al contrario, podría incluso aumentar, por las ineficiencias de los procesos adicionalmente intercalados en la cadena de explotación de la energía química contenida en los combustibles fósiles.

Por otro lado, y en un escenario más propio de las grandes centrales de combustión para producción de electricidad, se ha pensado en la posibilidad de captura el CO₂ existente en los humos de escape, y confinarlo en algún lugar no conectado a la atmósfera (31-38). Se han propuesto soluciones submarinas (ecológicamente controvertidas) y soluciones subterráneas (en almacenamientos similares a los de gas natural y otros). A esta técnica se le denomina, por analogía a la terminología anglosajona, captura y secuestro de CO₂. De hecho, y a instancias de Estados Unidos, se ha constituido recientemente el "Carbon Sequestration Leadership Forum" (31), para poner en común los avances científicos realizados en este campo, pensado para aquellas grandes instalaciones donde sería técnicamente factible (al menos, no imposible) recuperar el CO₂ emitido en los humos de escape (que mayoritariamente son N₂, salvo en muy contadas ocasiones en que la combustión no es con aire, sino con O₂). Por descontado, la recuperación del CO₂ de los tubos de escape de los vehículos de automoción no es técnicamente planteable, por lo que a priori esta técnica quedaría para sectores como el de generación de energía eléctrica (que si están regulados por la Directiva del Comercio de Emisiones).

Tras esta exposición introductoria acerca de estas dos grandes líneas de la I+D del futuro, Hidrógeno por una parte, secuestro de CO₂ por otra, cabe exponer sinópticamente el objetivo de este trabajo: Analizar las repercusiones energéticas, ecológicas y económicas de un cambio drástico en el sector de combustibles fósiles, y fundamentalmente hidrocarburos, para generar H₂ a partir de ellos por los métodos apropiados, incluyendo en estos métodos (reformado, gasificación) la captura in situ del CO₂ y su posterior confinamiento en un almacenamiento ad hoc.

En el sector Transporte se usaría el H₂ producido, distribuible tanto por gasoducto como embotellado a presión. Otras opciones (almacenamiento criogénico, en matrices metálicas, etc.) son posibles, pero no parecen tan adecuadas para un despliegue masivo de la economía del Hidrógeno (recuérdese que el punto crítico del H₂ está a 33 K, lo que quiere decir que no puede existir licuado por encima de 240 ⁰C bajo cero).

Por otro lado, el carbono de los combustibles fósiles habría dado CO₂, y su energía de oxidación se habría aprovechado en la propia planta reformadora o gasificadora, para después ser capturado y confinado. 

Ello supondría el mantenimiento de una sociedad de la combustión, pero sin el gran inconveniente de la liberación masiva de CO₂. Por descontado, en las evaluaciones a realizar existen muchas incertidumbres, siendo quizá la mayor de ellas el cubicaje total mundial del que podría disponerse para el confinamiento del CO₂. Es evidente que existen numerosos yacimientos de gas natural que se irán agotando y podrían proporcionar un importante volumen a tal efecto. Como primera opción, cabría pensar en minas de carbón fuera de explotación.

En todo caso, se trataría de una evolución tecnológica a largo plazo, pues debería acompasar el desarrollo de las pilas de combustible para automoción, los reformadores que incluyeran captura de CO₂, y las técnicas de transporte de éste y su almacenamiento indefinido.

Una solución de este tipo, que podría juzgarse utópica, tiene sin embargo bases científicas y técnicas incuestionables. A priori, el mayor problema serían sus implicaciones económicas. Estas posiblemente parecerán no asumibles en un principio. Con la evolución social por un lado, y tecnológica por otro, la perspectiva económica irá también evolucionando, y se podrá contribuir así a la lucha contra el incremento del efecto invernadero. Para posibilitar la evolución tecnológica, crucial además para avanzar en la curva de aprendizaje y arrancar las ventajas de la economía de escala, serán necesarios programas y proyectos de I+D que aborden los aspectos más novedosos y críticos de esta iniciativa. Muchos proyectos de este tipo están ya en marcha, e internacionalmente se auspician a través del citado "Carbon Sequestration Leadership Forum" (31) y la "Internacional Partnership on the Hydrogen Economy" (17). En la Unión Europea se puso en marcha en enero del 2004 la "Plataforma Europea para el Hidrógeno y las Pilas de Combustible", participando a su vez en la Partnership mencionada (14,15).

Otros proyectos son esencialmente comerciales, como los llevados a cabo por grandes fabricantes de vehículos y corporaciones del sector petrolero, habiendo adquirido compañías de pilas de combustible para una mejor integración de estos esfuerzos.

Todo ello significa un gran interés por la Economía del Hidrógeno, cuya fase crítica es la producción del H₂ elemental, como ya se ha comentado.

A priori y hasta la fecha, la transición hacia esa economía no parece contar sino marginalmente con el gas natural para generar H₂, por entenderse que los combustibles fósiles, y sobre todo los derivados del petróleo, tienen sus formas clásicas de explotación, y que difícilmente pueden éstas ser optimizadas. En este artículo se pretende demostrar que hay campo para una explotación más eficiente energéticamente, mucho más limpia ambientalmente, y quizá no tan cara como cabría pensar a primera vista.

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