Temario

2.8 Tecnología del hidrógeno

El hidrógeno fue descubierto por el científico británico Henry Cavendish, en 1776, quien informó de un experimento en el que había obtenido agua a partir de la combinación de oxígeno e hidrógeno, con la ayuda de una chispa eléctrica. Estos elementos, no eran conocidos. El químico francés Antoine Lauren Lavoisier consiguió repetir con éxito el experimento en 1785 y dio el nombre de oxígeno al “aire sustentador de la vida” y el de hidrógeno al “aire inflamable”; los segundos son los nombres usados por Cavendish. El hidrógeno es el elemento más ligero, más básico y más ubicuo del universo. Contiene energía y puede ser almacenado en forma líquida o gaseosa. Es 14 veces más ligero que el aire, incoloro, inodoro y no tóxico, ya que el único resultado de su combustión es agua. Cuando se utiliza como fuente de energía, se convierte en el combustible eterno. Nunca se termina y, como no contiene átomos de carbono, no emite dióxido de carbono. El hidrógeno se encuentra repartido por todo el planeta: en el agua, en los combustibles fósiles y en los seres vivos. Sin embargo, raramente aparece en estado libre en la naturaleza, por lo que tiene que ser extraído de fuentes naturales. La fuente más común de hidrógeno es el agua de donde se obtiene, por descomposición química, oxígeno e hidrógeno a partir de la acción de una corriente eléctrica (electrólisis) generada por fuentes de energía renovable (solar fotovoltaica, eólica, etc.). Este proceso divide el agua, produciendo oxígeno puro e hidrógeno. El hidrógeno obtenido puede ser comprimido y almacenado en celdas por varios meses hasta que se necesite. El hidrógeno representa energía almacenada, se puede quemar como cualquier combustible para producir calor, impulsar un motor o producir electricidad en una turbina.

Ventajas de la tecnología del hidrógeno

• No produce contaminación ni consume recursos naturales: El hidrógeno se toma del agua y luego se oxida y devuelve agua. Así, los productos de desecho son calor y agua inofensiva. No hay productos secundarios tóxicos de ningún tipo que puedan producirse en este proceso. Reduciría drásticamente las emisiones de dióxido de carbono mitigando los efectos del calentamiento global. Teóricamente, la pila de combustible disocia la molécula de hidrógeno (H2), dando como resultado dos iones de hidrógeno y dos electrones. El hidrógeno resultante se convierte en agua al asociarse con el oxígeno, y el resultado es un combustible muy común y un motor que no deja residuos contaminantes. (Estudiante: Averigüe la diferencia entre las pilas convencionales y las pilas de combustible).
• Es muy seguro: Los sistemas de hidrógeno tienen una historia de seguridad impresionante. En general, el hidrógeno es más seguro que cualquier combustible que puede reemplazar. Además de disiparse rápidamente en la atmósfera si se fuga, el hidrógeno, en contraste con los otros combustibles, no es tóxico.
• Tiene alta eficiencia: Las celdas de combustible convierten la energía química directamente a electricidad con mayor eficiencia que ningún otro sistema de energía. La eficiencia de las pilas de combustible se sitúa entre el 40% y el 50%, mientras que los motores de combustión cifran su eficiencia en torno al 16% y los eléctricos, en el 70%.
• Tiene un funcionamiento silencioso: En funcionamiento normal, la celda de combustible es casi absolutamente silenciosa.
• Larga vida y poco mantenimiento: Aunque las celdas de combustible todavía no han comprobado la extensión de su vida útil, probablemente tendrán una vida significativamente más larga que las máquinas que reemplacen.
• Permite la modularidad: Se puede elaborar las celdas de combustible en cualquier tamaño, tan pequeñas como para impulsar una carretilla de golf o tan grandes como para generar energía para una comunidad entera. Esta modularidad permite aumentar la energía de los sistemas según los crecimientos de la demanda energética, reduciendo drásticamente los costos iniciales.
• Elimina juego geopolítico. La economía del hidrógeno posibilita una enorme redistribución del poder a nivel mundial ya que tiene el potencial de poner fin a la dependencia que el mundo tiene del petróleo importado y de ayudar a eliminar el peligroso juego geopolítico que se está dando entre los países musulmanes y los países occidentales. Dado que es tan abundante y existe en todas partes del mundo, todos los seres humanos dispondrán de energía.

Los estudiantes pueden averiguar en Internet resultados relacionados con modelos de automóviles cuyos motores funcionan con el ciclo del hidrógeno. El modelo Mirai de Toyota es uno de ellos (https://ssl.toyota.com/mirai).

2.9 Medio ambiente y generación de energía eléctrica

Los estudiantes pueden consultar en Wikipedia al artículo “Preocupaciones medioambientales con la generación de energía eléctrica”.

2.10 Energía, la Tierra, calentamiento global y el efecto invernadero

(El último número de “National Geographic” en castellano -Mayo 2016- está dedicado al tema “El Desafío del Clima. Calentamiento global; cómo vivir con él y cómo arreglarlo”).

El efecto invernadero es un proceso en el que la radiación térmica emitida por la superficie planetaria es absorbida por ciertos gases (GEI) y es re-irradiada en todas las direcciones. Ya que parte de esta re-irradiación es devuelta hacia la superficie y la atmósfera inferior, resulta un incremento de la temperatura superficial media respecto a lo que habría en ausencia de los GEI. Pero, sin CO2 ni vapor de agua, la temperatura media de la Tierra sería unos 33 °C menos, del orden de 18 °C bajo cero, lo que haría inviable la vida. Por otro lado, las actividades humanas, principalmente el uso de combustibles fósiles y la tala de bosques, han intensificado el fenómeno natural, causando un calentamiento global. Los denominados gases, responsables del efecto descrito, son: vapor de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido de nitrógeno (N2O), ozono (O3) y clorofluorocarbonos (CFC). Salvo este último, los demás existían en la atmósfera antes de la aparición del hombre.

Así del CO2 emitido a la atmósfera, sobre el 50 % tardará 30 años en desaparecer, un 30 % permanecerá varios siglos y el 20 % restante durará varios millares de años. La concentración de CO2 atmosférico se ha incrementado desde la época preindustrial (año 1750) desde un valor de 280 ppm a 379 ppm en 2005. Se estima que 2/3 de las emisiones procedían de la quema de combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón) mientras 1/3 procede del cambio en la utilización del suelo, incluida la deforestación. Del total emitido, sólo el 45 % permanece en la atmósfera, sobre el 30 % es absorbido por los océanos y el restante 25 % pasa a la biosfera terrestre. Por tanto no solo la atmósfera está aumentando su concentración de CO2, también está ocurriendo en los océanos y en la biosfera. Desde la Revolución Industrial y debido principalmente al uso intensivo de los combustibles fósiles en las actividades industriales y el transporte, se han producido sensibles incrementos en las cantidades de óxido de nitrógeno y dióxido de carbono emitidas a la atmósfera, con el agravante de que otras actividades humanas, como la deforestación, han limitado la capacidad regenerativa de la atmósfera para eliminar el dióxido de carbono, principal responsable del efecto invernadero.

En diciembre pasado, se reunieron representantes de 195 países en París para tratar de asegurar el buen éxito de una lucha contra el cambio climático y después de 20 reuniones sin ningún cambio significativo en las emisiones de bióxido de carbono. Desde 1992, hemos añadido tanto a la atmósfera como el agregado durante todo el siglo anterior. Por el deshielo de la cubierta de hielo de la Antártida occidental, se pronostica que el nivel del mar aumentará 1,3 m. Los dos mayores emisores de carbono –China y EEUU- han anunciado un acuerdo para reducir las emisiones que resultan de la quema de combustibles fósiles. En 2014, por primera vez, esto ocurrió gracias, en gran parte, a que China quemó, por vez primera en este siglo menos carbón mineral. La reunión en París envió un claro mensaje también al sector empresarial de donde surgen intereses económicos contrapuestos.

Las soluciones en busca de eficiencia y uso de fuentes de energía no contaminantes se trasladan al diseño de casas, ciudades, países y el mundo. El diseño de vehículos más eficientes, el aprovechamiento de basura (para generar energía), la reducción de la pérdida forestal para convertirlo en cultivable (selva de Amazonas, por ejemplo), la disminución de emisión por los sistemas de calefacción, la reducción del costo de la energía solar y eólica así como la eliminación de fugas con el uso de tuberías anticorrosivas juegan también un papel fundamental. Los convenios internacionales son controlados por el CAT (Climate Action Tracker) que evalúa a las principales naciones en cuanto al cumplimiento de metas y de acuerdo a su realidad como emisores de gases de efecto invernadero. En varios países europeos, han surgido movimientos ciudadanos que controlan las metas de emisión y solicitan su reducción (Países Bajos, Bélgica, Noruega) así como los controles de países como EEUU son criticados por considerarse bajos considerando el volumen de contaminantes que emite. La meta es reducir el calentamiento global a 2° para el 2100 desde la actual predicción de 4.5°. Aunque Alemania extrae en una sola mina 20 millones de toneladas de lignito al año, las fuentes de energía renovable son implantadas y se cierran las de fuente nuclear, en gran medida por la acción ciudadana. Actualmente, el 27% de la electricidad proviene de recursos renovables; el objetivo es que llegue por lo menos al 80% para el 2050 aunque ello signifique un alza en el costo correspondiente, el que la ciudadanía está dispuesta a pagar.

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