cmoves?10

Poco a poco se acerca el da en que este elemento qumico sea el combustible de los automviles, como ya sucede con los transbordadores espaciales.

hidrgeno Laura Gasque

energtico del futuroEl

Ilust

raci

n: R

al C

ruz

Figu

eroa

11cmoves?

El fin dE la Era del petrleo ya se vislumbra y un candidato cada vez

ms firme para obtener energa es el hidrgeno. Los tomos de este

elemento qumico se compo-nen de tan slo un protn y

un electrn, y son los ms abundantes: cerca del 90% de todos los tomos que existen en el Universo son de hidrgeno.

En nuestro planeta este elemento no es tan

abundante: aproxima-damente el 15% de todos los tomos son de hidrgeno

y juntos constitu-yen apenas el 0.9% de

la masa total del planeta. La mayora de los tomos de

hidrgeno que existen en la Tierra estn en las molculas de agua. Pese a

su relativa escasez en este planeta, el hi-drgeno forma parte de un mayor nmero de compuestos qumicos que ningn otro elemento.

En estado elemental, el hidrgeno es un gas formado por molculas diatmicas,

hidrgeno que slo alcanzan a ser una millonsima parte de la atmsfera; por ser tan ligeras, la gravedad de la Tierra no alcanza a retenerlas.

La reaccin entre el hidrgeno (H2) y el oxgeno elementales (O2) produce mol-culas de agua y desprende una importante cantidad de energa. Esto sucede porque los enlaces de la molcula de agua son ms

fuertes que los enlaces en las molculas de H2 y O2.

2H2 + O2 2H2O

sta es la reaccin que se us, por ejemplo, en los cohetes Saturno V (uno de los cuales puso en el espacio al Apolo 11, la primera misin tripulada a la Luna) y los transbor-

Lanzamiento de New Horizons camino a Plutn el 19 de enero de 2006.

Todo el hidrgeno del mundo podra transformarse de una sola vez y el xito del experimento propagarse en el Universo como una nueva estrella.

Francis William Aston, Premio Nobel de Qumica en 1922

Foto

: cor

tes

a N

ASA

/KSC

cmoves?12

dadores espaciales, que utilizan hidrgeno elemental como combustible.

La sombra del HindenburgLa reaccin del hidrgeno con el oxgeno es peligrosa por explosiva, pero el peligro se ha exagerado desde la explosin del di-rigible Hindenburg, en 1937. El esqueleto del Hindenburg estaba armado con varas de madera, cuerdas de seda y laca. Para la cubierta se us tela de algodn, recubierta primero con una capa de acetato de celulosa uno de los componentes de la plvora y despus con aluminio metlico en polvo. La violenta reaccin del aluminio metlico pulverizado con el oxgeno se utiliza tam-bin en los combustibles de los cohetes espaciales y es el principal responsable de la gran luminosidad de la llama de stos. El incendio del Hindenburg fue provocado por una chispa de electricidad esttica del aire, que caus que el aluminio de la cu-bierta se incendiara y con l el resto de los materiales, todos inflamables, con los que estaba hecho el globo; y desde luego, tam-bin el hidrgeno. El hidrgeno arde con una flama casi invisible y por su extrema ligereza, tiende a dispersarse hacia arriba. En el caso del Hindenburg, se tiene registro de que todo el hidrgeno que contena se consumi en tan solo 37 segundos. El fuego que se ve en las fotos no puede atribuirse a la combustin del hidrgeno, sino a la de los materiales del globo y al combustible diesel que alimentaba sus motores.

De los 97 pasajeros y tripulantes del dirigible, 36 perdieron la vida, 33 de ellos por haber cado o saltado intencional-mente al vaco. Slo tres de las vcti-

mas murieron por quemaduras, segura-mente causadas no por la combustin del hidrgeno, sino por la del diesel usado como combustible del dirigible, ya que la cabina de los pasajeros se ubicaba bajo el globo. El diesel y el resto de los materiales inflamables tardaron 10 horas en consu-mirse.

Adis a la gasolina?Hoy en da existen varios prototipos de au-tomviles impulsados por la energa mec-nica generada por la reaccin del hidrgeno con el oxgeno. Los fabrican compaas como BMW de Alemania y Mazda de Ja-pn, asociada con la estadounidense Ford. Para hacer automviles de combustin interna impulsados por hidrgeno elemental se requiere una tecnologa parecida a la que se usa para producir motores movidos por gas natural, que ya abundan en nuestros das. La combustin del hidrgeno en estos motores an no es perfecta. Su fuente de oxgeno es el aire, por lo que inevitable-mente una pequea fraccin de nitrgeno interviene en la combustin y forma xidos de nitrgeno, NOx, que producen el esmog fotoqumico y el ozono malo.

Comparado con la gasolina, el hidr-geno como combustible extiende la vida del motor y reduce el mantenimiento, ya que no se acumula carbn en la cmara de combustin ni en las bujas, y los gases resultantes son tan limpios que casi no se necesita cambiar el aceite del motor, slo

Incendio del Hindenburg

13cmoves?

hay que restituirlo peridicamente. Sin embargo, los inconvenientes siguen siendo mayores que las ventajas. Como las mol-culas de hidrgeno son tan pequeas, se requiere mucha energa para comprimirlo o licuarlo. Por la misma razn, el gas se fuga con mucha facilidad de los recipientes que lo contienen; incluso en el mejor tanque, el H2 se evapora a una tasa de 3% diario.

Del hidrgeno a la electricidadOtra posibilidad es aprovechar la energa qumica liberada cuando el hidrgeno re-acciona con el oxgeno, no como energa mecnica o trmica, sino almacenndola como energa elctrica. Esta alternativa se va haciendo cada vez ms viable. Los dis-positivos que producen electricidad a partir de esta reaccin se conocen como celdas de combustible (vase recuadro).

En las celdas de combustible la ener-ga qumica se convierte en electricidad sin necesidad de combustin. Se hace reaccionar el hidrgeno con el oxgeno en dos electrodos (los polos, o bornes, de una pila) separados por una membrana de plstico delgada. En uno de los electrodos las molculas de hidrgeno se despojan de sus electrones. stos se suministran al circuito externo al que la celda alimenta para realizar trabajo. Los protones de las molculas de hidrgeno atraviesan la membrana y van al otro electrodo, donde se mezclan con el oxgeno y los electrones en circulacin para dar agua. Es decir, las celdas de combustible permiten obtener energa elctrica totalmente limpia a partir de la reaccin qumica entre el hidrgeno y el oxgeno.

Uno de los reactivos necesarios, el oxgeno, se obtiene directamente del aire y es virtualmente inagotable. Cmo obtener el hidrgeno es otra historia.

Las fuentesEl hidrgeno se encuentra combinado en forma de agua o de compuestos or-gnicos. Por lo tanto, se puede obtener de esas fuentes, pero para separarlo de sus compuestos es preciso suministrar energa. Hoy en da el hidrgeno se obtiene principalmente de sustancias extradas del petrleo: hidrocarburos gaseosos como el metano y el propa-no, o alcoholes como el metanol o el etanol, que son lquidos.

Obtener hidrgeno del metano, por ejemplo, tiene dos inconvenientes. El pri-mero es que el metano del que se parte se obtiene principalmente del petrleo, que se est agotando. Este inconveniente podra evitarse porque se puede extraer metano de biomasa (mediante fermentaciones llevadas a cabo por microorganismos sobre materia orgnica de desecho) y este proceso podra volverse la principal fuente de metano. El segundo inconveniente es que el proceso genera dixido de carbono, igual que cuando se quema el gas natural, lo que contribuye al calentamiento global.

La obtencin de hidrgeno a partir de metanol, CH3OH, tiene las mismas des-ventajas que a partir de metano. La ventaja que ofrece el metanol sobre el metano es que mientras que ste es un gas, aqul es un lquido, que podra transportarse y almacenarse de manera semejante a la

gasolina. El inconveniente es que la materia prima para obtener metanol, es justamente el metano. El etanol tambin puede utilizarse para obtener hidrgeno, con la ventaja de que es un alcohol ms fcil de obtener biotecnolgicamente, mediante la fermentacin de azcares.

Desde luego, tambin es posible obtener el hidrgeno elemental a partir del agua, que en tanta abundancia tenemos. Sin embargo, la manera ms simple y directa de separar el agua en sus componentes, la electrlisis, no representa ninguna ganancia en cuanto al balance total de energa: para efectuarla hay que proporcionar la misma cantidad de energa elctrica que la que se obtiene al realizar la reaccin inversa. Si esa energa elctrica se obtuvo a partir de la principal fuente actual en nuestro planeta, una planta termoelctrica, estaremos slo dando la vuelta al problema y seguiremos quemando combustibles fsiles.

Pero existen otras posibilidades. Si para hidrolizar el agua usamos electricidad proveniente de una planta nuclear, hidroelctrica o elica, las pilas de combustible se convierten en una bue-na manera de almacenar y transportar esa energa. La energa del Sol tambin puede ser la solucin, ya sea porque la electricidad requerida para hidrolizar el agua puede provenir de celdas solares, o porque la luz solar por s misma es capaz de separar el agua en sus compo-nentes mediante el uso de catalizadores adecuados.

Los coches elctricos hoyLos primeros automviles elctricos se desarrollaron en la primera mitad del siglo XIX y llegaron a tener cierto auge durante la primera dcada del siglo

corriente elctrica

exceso decombustible

entrada delcombustible

nodo ctodoelectrolito

salida del agua

entrada delagua

e-

e- e-

e- H+

H+

H+

H2O

O2

O2

O2

H+

2H2

Celda de combustible

cmoves?14

Laura Gasque Silva es doctora en qumica inorgnica. Tra-baja en la Facultad de Qumica de la UNAM, donde imparte cursos en la licenciatura y el posgrado, y realiza investiga-cin en qumica de coordinacin y bioinorgnica.

XX. Sin embargo, la poca durabilidad de las bateras disponibles en aquel entonces y el advenimiento del automvil con motor de combustin, as como el incremento en las exploraciones petroleras, hicieron que los autos elctricos se convirtieran en una curiosidad. En 1912 un automvil elctrico costaba 1 750 dlares, mientras que uno con motor de gasolina se adquira por 650. El inters en los coches elctricos resurgi a partir de los aos 70 con las crisis energti-cas provocadas por los embargos petroleros de los pases rabes.

En la actualidad, los vehculos elc-tricos ms populares no son solamente elctricos, sino hbridos. Se llama hbrido a cualquier vehculo que utilice dos fuentes de energa, pero actualmente el trmino se ha vuelto casi exclusivo para designar autos impulsados por energa elctrica y energa proveniente de la combustin de gasolina. Esta combinacin logra rendimientos de gasolina del orden de 20 kilmetros por

litro, con una potencia comparable a la de los autos con motores tradicionales a base de gasolina. En realidad esta tecnologa es solamente un paso en la transicin de los vehculos altamente contaminantes con motor de combustin interna hacia vehculos impul-sados por fuentes de energa limpia, como

podran ser las celdas de combustible.

La mayora de las compaas fabrican-tes de automviles llevan a cabo hoy en da intensos programas de investigacin y desarrollo encaminados a producir autos movidos por celdas de combustible. Por ejemplo, Ford tiene ya un modelo de auto-mvil de este tipo, del cual ha distribuido, a manera de prueba, varias decenas en los Estados Unidos, Canad y Alemania. La produccin de estos vehculos a nivel comercial est a la espera de un sistema de distribucin de hidrgeno que permita a los consumidores reabastecer sus autos. Ford, en colaboracin con su socio Mazda, ha promovido la instalacin de estaciones de hidrgeno en Hiroshima, Detroit y Berln. Honda no slo tiene planes de producir comercialmente su vehculo de celdas de combustible para el ao 2010, sino que tambin participa en el desarrollo de una estacin casera de energa, capaz de pro-ducir hidrgeno a partir de gas natural en una escala domstica.

El petrleo empieza a escasear y el hi-drgeno abunda; la transicin no ser fcil, pero es inexorable. Nos dirigimos hacia una nueva tecnologa energtica, que traer profundos cambios en el mbito econmico y social.

En junio de 2005 la compaa DaimlerChrysler invit a varios periodistas especializados en la industria automovilstica a su simposio de innovacin, en Washington, D.C. Por una confusin muy afortunada, me invitaron a m tambin.

Una de las innovaciones que present la compaa fue el prototipo F-Cell, un coche con la carrocera de un Mercedes-Benz Clase A, pero con motor elctrico alimentado por celdas de combustible.

Al tercer da del simposio nos trasladaron al estacionamiento del Estadio FedEx. Ah haba un circuito de pruebas de manejo y unos 20 modelos de DaimlerChrysler para probar. Me registr para conducir el F-Cell. Don, un amable asistente, se subi conmigo al coche y me explic brevemente que el vehculo usaba hidrgeno como combustible y emita vapor de agua como desecho. Luego Don hizo girar la llave de encendido.

No pas nada.Ya est en marcha me dijo Don. Manjalo

como si fuera un coche normal de transmisin automtica.

Pis el acelerador con cautela porque no saba cmo iba a reaccionar el motor elctrico. El coche arranc sin hacer ruido y con una aceleracin que no le peda nada a la de un vehculo de gasolina. En la recta inicial Don me anim a ir ms rpido. Hund el acelerador y el coche sali disparado.

Un automvil elctrico no necesita caja de transmisin (o velocidades): el motor suministra directamente una potencia tan baja o tan alta como sea necesario sin tener que pasar por un complicado sistema de engranes que aumentan la potencia a expensas de la velocidad y viceversa. El conductor slo tiene que variar la alimentacin elctrica por medio del acelerador y la velocidad del vehculo

aumenta continuamente, sin las sacudidas que da un automvil convencional de transmisin automtica a cada cambio de velocidad.

Como no tiene pistones que suban y bajen a alta velocidad al producirse explosiones controladas, el F-Cell no vibra. Al principio uno echa de menos el ruido del motor y las vibraciones que en un coche normal le dan al conductor informacin acerca de la potencia y las condiciones en que est operando el motor. Pero no cuesta trabajo acostumbrarse al silencio y la suavidad de marcha de un vehculo elctrico.

Pese a todo, los autos alimentados por celdas de combustible an no tienen la potencia que los automovilistas esperan de sus vehculos. Otra des-ventaja es que todava no se encuentra la manera de almacenar a bordo suficiente hidrgeno para darle al coche la autonoma a la que estamos acostum-brados (ms de 400 kilmetros por tanque).

Le pregunto a Don cunto cuesta un F-Cell. Luego de recordarme que estamos a bordo de un prototipo del que hay unos 60 ejemplares, me suelta la cifra: alrededor de un milln de dlares; desde luego, tomando en cuenta todo lo que la compaa ha invertido en investigacin y desarro-llo. Cuando el F-Cell se produzca en serie tendr que ser mucho ms barato. Pero antes habr que construir una red de estaciones de reabastecimiento de hidrgeno. Y antes de eso, habr que encontrar la manera de obtener hidrgeno sin producir los mismos contaminantes que se pretende evitar con esta tecnologa.

Pese al entusiasmo de Don, lo cierto es que, por el momento, DaimlerChrysler le est apostando ms a los vehculos hbridos.

Sergio de Rgules

Al volante de un F-Cell

Para nuestros suscriptoresLa presente edicin va acompaada por una gua didctica, en forma de separata, para abordar en el saln de clases el tema de este artculo.