La humanidad se ve abocada a afrontar grandes retos medioambientales en las próximas décadas, derivados del uso masivo de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas) desde la Revolución Industrial a mediados del siglo XVIII. Todavía cubren en torno al 85 % de la demanda energética mundial.

La sustitución de estos vectores energéticos contaminantes por otros respetuosos con el medioambiente –los llamados combustibles verdes– es la única vía para evitar los graves efectos medioambientales asociados al cambio climático que ya se empiezan a manifestar en forma de sequías, inundaciones e incendios, entre otros.

Hidrógeno marrón e hidrógeno verde

La inmensa mayoría del hidrógeno (H₂) producido se obtiene por la ruptura de la molécula de agua en oxígeno e hidrógeno.

Si bien la combustión de hidrógeno solo genera agua, en torno al 95 % del que se produce actualmente es de tipo hidrógeno marrón, ya que en su obtención se utilizan combustibles fósiles y, por tanto, se emite CO₂.

Así, alcanzar los objetivos de descarbonización supone incrementar radicalmente la producción del llamado hidrógeno verde. Este se produce utilizando energía de fuentes sostenibles (como la eólica, fotovoltaica, geotérmica, termosolar, mareomotriz) para conseguir la ruptura de la molécula de agua.

Adicionalmente, la integración de estas fuentes de energía sostenible con sistemas de producción de hidrógeno contribuye a paliar algunas de las limitaciones fundamentales de las primeras, como son la intermitencia y el eventual desfasaje entre producción y demanda. El hidrógeno producido almacena la energía sobrante, que será liberada más adelante.

Tecnologías de producción de hidrógeno

La ruptura del agua se puede llevar a cabo utilizando diferentes aproximaciones: por ciclos termoquímicos (usando vapor a temperaturas intermedias y altas), electrolisis de agua líquida (baja temperatura), electrolisis de vapor de agua (alta temperatura), fotoquímicamente, etc.

Los ciclos termoquímicos constan de al menos dos etapas:

Si el calentamiento del sistema se consigue con energía termosolar de concentración, esto es, concentrando la radiación solar con dispositivos ópticos adecuados, se produce hidrógeno totalmente verde.

En las diferentes tecnologías de electrolisis, las moléculas de agua se rompen aplicando energía eléctrica. Existen dos grandes tipos de electrolizadores de agua, muy diferentes y con grados de madurez dispares:

A su vez, existen dos tipos de electrolizadores de baja temperatura: los que funcionan en medio ácido y los que lo hacen en medio básico. Estos últimos son los más abundantes ya que no necesitan metales preciosos como el platino o el iridio, lo que es imprescindible para los primeros.

Se están explorando otras aproximaciones para producir la ruptura del agua, pero no pasan aún del nivel del laboratorio.

Almacenamiento y transporte

El uso masivo de hidrógeno como combustible requiere que se pueda almacenar, transportar y utilizar de una manera segura allí donde se necesita y para las aplicaciones que lo demandan. El almacenamiento y distribución presentan problemas asociados a la baja densidad y temperatura de ebullición del hidrógeno.

Para el almacenamiento existen dos tipos de métodos: los basados en propiedades físicas (gas a presión, gas a presión enfriado y liquido) y los basados en la formación de compuestos con gran cantidad de hidrógenos.

Ambos tipos de métodos tienen inconvenientes. Los primeros asociados al riesgo de manejar sistemas a alta presión y bajas temperaturas. Los segundos, a la necesidad de obtener un compuesto que posteriormente se descomponga liberando hidrógeno.

Una aproximación similar a este segundo método es el uso como combustible del compuesto obtenido. El caso más exitoso es el amoniaco, que se puede emplear en motores de combustión.

Para el transporte de hidrógeno, se proponen soluciones de tipo físico similares a las comentadas en relación con el almacenamiento. Además, se contempla la construcción de redes de transporte por tuberías especiales, o mezclar hidrógeno con gas natural y utilizar gasoductos para el transporte y separar la mezcla en destino. Todas estas aproximaciones tienen limitaciones aún por resolver.

¿Cómo se obtiene energía del hidrógeno?

La combustión del hidrógeno puede hacerse a través de dos métodos:

Nos encontramos en un momento crucial para abordar los retos energético y medioambiental. El hidrógeno verde está llamado a contribuir de una manera decisiva a la resolución de ambos. Conseguirlo supone resolver los problemas que aún persisten en su producción, almacenamiento, transporte y uso. El reto es notable, pero el éxito supondrá disponer de energía abundante, barata y limpia en el futuro.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Podés leer aquí la versión original.

La transición energética no podrá ser definitiva si no somos capaces de compensar el suministro intermitente de energía que aportan las renovables. La producción de energía solar y eólica depende de factores que pueden sufrir grandes variaciones a lo largo de un mismo día. Para poder integrarlas en el sistema de generación de energía es necesario combinarlas con un sistema de almacenamiento energético.

El almacenamiento de energía se asocia directamente con las baterías eléctricas. Esto es aún más frecuente si tenemos en cuenta el creciente aumento del uso de vehículos eléctricos. La tecnología de baterías eléctricas ha experimentado un gran desarrollo y los costos se están reduciendo de forma significativa. Sin embargo, aún es necesario aumentar su vida útil y favorecer la reutilización y reciclaje de sus componentes.

Afortunadamente, las baterías eléctricas no son la única forma de almacenamiento energético. Las fuentes de energía renovable actuales pueden combinarse con sistemas de almacenamiento mecánico, térmico y químico.

Almacenamiento mecánico: centrales hidráulicas de bombeo

Las centrales hidráulicas de bombeo son un tipo especial de central hidroeléctrica. Utilizan un sistema de turbinas hidráulicas para producir electricidad a partir de la energía potencial almacenada en el agua de un embalse. Adicionalmente, incorporan un sistema de bombeo que permite volver a impulsar el agua al embalse.

A menudo, estas instalaciones funcionan con dos embalses, uno superior y otro inferior. Bombear agua al embalse superior tiene un costo en electricidad, pero este costo varía a lo largo del día. Así, en los periodos de alta demanda de electricidad, la central funcionará de la forma habitual para producir electricidad. En los periodos de baja demanda de electricidad, el agua se bombea hacia el embalse superior y se almacena. El proceso de bombeo aumenta la energía potencial del agua para que pueda ser utilizada en las turbinas en periodos de alta demanda de electricidad.

Se trata de una tecnología muy eficiente y flexible. Por esta razón más de un 90 % de la potencia de almacenamiento energético de Europa es de este tipo.

Almacenamiento térmico: centrales de concentración solar

No todas las fuentes de energía se emplean para producir electricidad. La energía en forma de calor se puede producir con una eficiencia mayor que la electricidad. En el caso de las energías renovables, la energía solar térmica es una de las más utilizadas.

La energía solar de baja temperatura se emplea ampliamente en viviendas para la producción de agua caliente. Para que estas instalaciones sean eficientes, deben contar con un sistema de almacenamiento térmico. Consiste en un depósito que almacena el agua caliente producida por la instalación solar que no se consume. Gracias a este sistema podemos tener agua caliente durante la noche.

Sin embargo, donde la energía solar térmica tiene un potencial más elevado es en las aplicaciones de alta temperatura. La tecnología de concentración solar permite alcanzar grandes temperaturas, siendo capaz de generar vapor de agua. Este vapor puede aprovecharse de la misma forma que se hace en una central térmica convencional, por lo que es posible generar electricidad. El problema del ciclo de vapor de una central de concentración es la intermitencia de la radiación solar. Para poder producir electricidad de forma continua es necesario emplear un sistema de almacenamiento de energía.

En este caso, se utilizan materiales de elevada capacidad calorífica como las sales fundidas (nitrato sódico, nitrato potásico…). Estos materiales son capaces de almacenar la energía térmica que no se está empleando para la producción eléctrica durante horas. De esta forma, puede utilizarse en momentos en los que no hay luz solar o la demanda de electricidad aumenta.

Almacenamiento químico: hidrógeno

Los sistemas de almacenamiento químico se basan en la transformación de energía eléctrica en energía de enlaces químicos. Esta energía puede ser extraída cuando se requiera o pueden usarse estas moléculas en procesos industriales. Si se utiliza electricidad de fuentes renovables se logran combustibles renovables, como el llamado hidrógeno verde.

El hidrógeno es una molécula con un poder calorífico muy elevado. Para obtener la misma cantidad de energía que contiene 1 kg de hidrógeno, necesitamos quemar 2,78 kg de nafta.

Aunque el manejo de hidrógeno tiene algunos problemas de seguridad por su elevada inflamabilidad, cada vez estamos más cerca de un futuro basado en este combustible. Se espera que este sistema de almacenamiento químico sea capaz de eliminar las emisiones provocadas por el sector del transporte.

No hay un sistema de almacenamiento mejor que otro. La clave está en combinarlos todos de forma adecuada. El amplio abanico de tecnologías de almacenamiento de energía existente puede contribuir de manera combinada a la neutralidad climática.

El almacenamiento energético es fundamental para reducir la dependencia de combustibles fósiles. A la larga, será esencial para garantizar un sistema basado en energías renovables y libre de emisiones.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Podés leer aquí la versión original.

Dirigir el consumo eléctrico hacia un futuro 100% renovable choca contra un gran muro: cómo hacer que la energía esté disponible cuando se la necesita. El calor del sol o las rachas de viento no aparecen a voluntad humana, y a menudo los picos de demanda energética no coinciden con los de producción de renovables, lo que provoca que haya que compensar con fuentes contaminantes. Es decir, hay que encender las centrales de fuentes no renovables para ir compensando la demanda.

¿Baterías gigantes? Se han propuesto modelos basados en el litio pero, además de no ser sostenibles, son demasiado caras. Mientras el gas sea más barato, seguirá siendo una opción predominante en la producción eléctrica. Conseguir que las renovables ganen la batalla económica tanto cuando vuelcan directamente su producción a la red eléctrica como cuando su energía se almacena para utilizarse en otro momento se ha convertido en un reto científico de primer nivel. Equipos de todo el mundo buscan soluciones innovadoras que a menudo se salen de lo preconcebido. Es lo que han hecho los ingenieros del Massachusets Institute of Technology (MIT) al proponer meter “el sol en una caja”.

Su diseño conceptual, publicado en la revista Energy and Environmental Science, usa la energía del sol o el viento excedente en momentos del alta producción y baja demanda para calentar un tanque gigante de silicio hasta los 2.000 grados. Este sería el tanque “frío” del sistema de almacenamiento: cuando el sol baje o el viento repliegue y sea necesaria más energía de la que las centrales limpias pueden volcar al sistema en ese momento, la estrategia es pasar el silicio a otro tanque y calentarlo 400 grados más. A esa temperatura, este material emite una luz tan intensa que puede ser utilizada por placas fotovoltaicas especiales para producir energía como si del sol se tratara.

“Supongamos que todo el mundo está volviendo a casa después del trabajo y encienden el aire acondicionado, porque hace calor”, explica Asegun Henry, líder del equipo de investigadores. “En ese momento, la energía fotovoltaica no va a ofrecer demasiado, por lo que tendrías que haber almacenado parte de la energía producida antes, como cuando el sol estaba al mediodía. Ese exceso de electricidad podría enviarse al sistema de almacenamiento que hemos inventado aquí”. Según sus cálculos, una planta del tamaño de la imagen podría abastecer a 100.000 viviendas.

El silicio es el material más abundante de la corteza terrestre, por lo que por ese lado la idea tiene vía libre para convertirse en una opción de bajo coste. El problema de los ingenieros es desarrollar un sistema capaz de trabajar con silicio fundido a 2.000 grados. Entre otras cosas, necesitan una bomba para mover el material entre los tanques con la tolerancia al calor más alta jamás registrada, y es lo que consiguieron. Su desarrollo entró en el Libro Guinness de los Récords.

Con la bomba a punto, el reto ahora es conseguir una caja para el sol. Ahora mismo no existen tanques que puedan albergar silicio a semejante temperatura durante un tiempo indefinido. “El material que brilla en el interior está muy caliente, ardiente, pero la parte del tanque que se puede tocar desde el exterior debe estar a temperatura ambiente”, recuerda Henry. De momento, han experimentado con un recipiente a pequeña escala de grafito que aguantó el silicio a 2.000 grados durante una hora.

Baterías como montañas y grúas gigantes: en busca de la tecnología para almacenar renovables

En este momento la mejor opción para guardar para más tarde la energía renovable excedente son las centrales hidroeléctricas reversibles. Se trata de represas que además de poder convertir la caída de agua en electricidad como las hidroeléctricas convencionales, constan de un sistema de bombeo que la sube a un tanque o embalse situado a mucha más altura cuando hay energía sobrante.

Este sistema adolece de un problema evidente: está muy limitado por la orografía. Además del caudal de agua suficiente como para generar electricidad de forma constante, es necesario que tenga en su curso un punto muy elevado para construir el embalse superior. La construcción del sistema por el interior de una montaña también encarece el costo de ponerlo en marcha.

La solución que propone el equipo del MIT salvaría esas barreras. Su sistema “es geográficamente ilimitado, y es más barato que la energía hidroeléctrica bombeada, lo que es muy emocionante”, afirma Henry. “En teoría, esta es la pieza clave para permitir que la energía renovable alimente toda la red”.

El de los ingenieros del instituto tecnológico estadounidense no es el único plan innovador para almacenar energía renovable que se ha propuesto. La empresa suiza Energy Vault tiene una idea más simple pero, aseguran, casi igual de efectiva: una grúa gigante que apila bloques de hormigón.

Su sistema es sencillo pero ingenioso: una grúa apila bloques de hormigón cuando las centrales de energías renovables producen más electricidad de la que necesita el sistema. Cuando falta, simplemente los toma y los deja caer, generando electricidad con la energía cinética que producen los bloques en la bajada. La empresa ya tiene un modelo a pequeña escala funcionando y varios pedidos. Asegura que la efectividad de su invento es del 85% (una batería de litio ronda el 90%).

C.C.