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Los gases de efecto invernadero tienen la característica de absorber y emitir radiación dentro del espectro infrarrojo, manteniendo el clima de la tierra habitable para los seres humanos y millones de especies. Entre los principales gases se encuentran el vapor de agua, el dióxido de carbono (CO2), el gas metano, los óxidos de nitrógeno, los clorofluorocarbonos y el ozono. Sin embargo, el CO2 es el que más ha aumentado en los dos últimos siglos, principalmente al quemarse combustibles fósiles tales como el carbón, petróleo, o gas natural, en diversas actividades del ser humano, lo cual provoca un desequilibrio que produce el calentamiento en las capas cercanas a la superficie de la tierra. Como consecuencia de este “efecto de invernadero”, se afectan drásticamente los sistemas meteorológicos y climáticos de nuestro planeta.
En el Acuerdo de París celebrado el 12 de Diciembre de 2015, 96 países firmaron un tratado internacional vinculante sobre el cambio climático, el cual entró en vigor el 4 de noviembre de 2016. Para el año 2021, dicho acuerdo estaba firmado por 193 países y la Unión Europea. En este acuerdo, los integrantes se unen a una causa común para combatir el cambio climático y sus efectos.
Los principales objetivos del acuerdo fueron:
• Limitar el aumento medio de la temperatura global a 2 grados centígrados respecto a la que se tenía antes de iniciar la etapa industrial, sin superar el límite de aumento a 1.5 grados al final de este siglo.
• Alcanzar la neutralidad climática, es decir que las emisiones netas de gases de efecto invernadero se equilibren y sean iguales o menores a las que se eliminen a través de la absorción natural del planeta para el año 2050.
Dentro de las principales acciones para alcanzar los objetivos antes mencionados, está el uso de energía eléctrica proveniente de fuentes de energías renovables, tales como celdas fotovoltaicas o generadores eólicos. Sin embargo, existen equipos o procesos industriales en donde se requieren grandes cantidades de energía en los cuales esta alternativa no es la más adecuada de utilizar, tal como es el caso de equipos de transporte pesado y procesos tanto para el tratamiento térmico de metales a altas temperatura como el de tipo químico para la obtención de fertilizantes.
Como una opción viable surge el uso del hidrógeno como combustible, el cual tiene un poder calorífico muy similar al del gas natural, por lo que puede fácilmente reemplazarlo, pero sin sus efectos contaminantes.
Producción de hidrógeno.
El hidrógeno es el elemento más abundante en nuestro planeta; sin embargo, no se encuentra normalmente en forma libre. Aquí se encuentra en moléculas, entre las que destacan el agua (H2O) y metano (CH4), por lo que se requiere dividirlas mediante el aporte de otros tipos de energía tales como luz, calor, energía eléctrica y sus combinaciones.
Si bien el hidrógeno es un elemento incoloro, hoy en día se habla de hidrógeno de diversos colores, el cual está relacionado con el método utilizado para producirlo. Entre los colores que más comúnmente se mencionan están:
Hidrógeno negro o café: Este se obtiene de la gasificación del carbón mineral de bajo rango al someterlo a una corriente de vapor de agua sobrecalentada a más de 800°C. Este proceso es el más contaminante de todos ya que el CO2 se libera directamente a la atmósfera. Según datos de la Agencia Internacional de Energía, una quinta parte del hidrógeno producido a nivel mundial se obtiene por este método.
Hidrógeno gris: Se obtiene a partir del reformado de vapor de agua y gas natural que se calientan juntos a aproximadamente 900°C sobre un catalizador de Niquel. El resultado es una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno, denominada Syngas, el cual posteriormente se somete a una reacción de cambio de gas a agua, que produce más cantidad de hidrógeno y como subproducto CO2 el cual es liberado a la atmósfera. Aproximadamente en el 60% de la producción mundial de hidrógeno actual usa este proceso.
Hidrógeno azul: Es el hidrógeno resultante del proceso antes mencionado, en el cual todas las emisiones de CO2 se capturan en un sistema denominado CCUS, por las siglas en ingles de Carbon Capture Utilization and Storage. Este sistema al tener bajas emisiones se considera como un sistema de transición capaz de reducir las emisiones.
Hidrógeno rosa: El hidrógeno se produce por electrólisis del agua al aplicarle a esta energía eléctrica procedente de un proceso de generación mediante un reactor nuclear. En la actualidad existen en uso comercial en Suecia.
Hidrógeno verde: Su producción se basa en la electrólisis del agua, por medio del cual se separa el hidrógeno y el oxígeno, al aplicarle electricidad proveniente de fuentes de energía alternativa tales como celdas fotovoltaicas o generadores eólicos. Este proceso se lleva a cabo con un electrolizador.
Adicionalmente a los tipos de hidrógeno producidos por el hombre, en la actualidad se habla también del Hidrógeno blanco, el cual se produce en forma natural en las capas del subsuelo en algunas regiones del planeta, almacenándose en yacimientos subterráneos. Su explotación está aún en etapas iniciales, teniendo como un inconveniente esencial la necesidad de transportarlo a los lugares de consumo, lo cual es peligroso y caro.
¿Cómo funciona un electrolizador?
Un electrolizador es una unidad en la cual se utiliza electricidad para separar el agua en hidrogeno y oxígeno. Es muy similar a una celda de combustible, y está formado por un ánodo y un cátodo separados por un electrólito. Entre los más utilizados están los electrolizadores cuyo electrólito es una membrana polimérica. En el electrolizador, el agua reacciona en el ánodo formando oxígeno y iones de hidrógeno positivamente cargados (protones). Los electrones fluyen a través de un circuito externo y los iones de hidrógeno se mueven a través de la membrana polimérica hacia el cátodo. Al llegar, el hidrógeno se combina con electrones del circuito externo y forma hidrógeno en forma de gas.
Para que el hidrógeno producido por medio de electrólisis realmente produzca cero emisiones de gases de efecto invernadero, su fuente de electricidad debe provenir de una fuente de energía renovable. Además, para que se adopte de manera general, sus costos deben ser competitivos con respecto a aquellos de tecnologías más maduras tales como las basadas en el reformado de gas natural. Para la obtención del hidrógeno por este método, diferentes tipos de fuentes renovables tal como el viento, el sol, el agua o la geotérmica deben combinarse en una microrred.
El objetivo principal de la microrred es obtener una energía eléctrica sin intermitencias, considerada la principal característica desfavorable de este tipo de tecnologías, y la cual determina también la vida útil de un electrolizador. Por esta razón es necesario el desarrollo de esquemas de convertidores CD-CD que pueden proporcionar un voltaje de bajo valor y alta corriente, los que posteriormente se incorporan a estructuras reconfigurables, que se adaptan a la fuente de alimentación que se utilice en un determinado instante y además sean tolerantes a fallas
En el Laboratorio de Procesamiento Eficiente de la Energía del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICYT) desde hace más de diez años se ha estado trabajando con celdas de combustible para la generación de energía eléctrica de CD, las cuales tienen como alimentación el hidrógeno.
En la actualidad se están realizado estudios tanto de esquemas de convertidores CD-CD como de controladores capaces de proporcionar un voltaje regulado a un electrolizador que alimente de hidrógeno a la celda de combustible con la que ya se cuenta. Por lo tanto, será posible conectar en una microrred diversas fuentes de generación eléctrica de energía renovable, tales como celdas fotovoltaicas, aerogeneradores o baterías de litio, con las cuales se alimentará de manera constante el voltaje con las características adecuadas a un electrolizador.
* Investigadora UASLP,
** Investigador IPICYT
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