Hidrógeno: fin de la contaminación
POR Omar E. Vega
HIDROGENO: FIN DE LA CONTAMINACION
resumen
Las celdas de combustible, que usan hidrógeno para generar electricidad, prometen ser la fuente de energía que usarán los autos en los próximos años. Con ellas se acabará el problema del smog.
Contaminación
Santiago vive cubierto de nubes de smog. Todos los años antes de la temporada de lluvias los niveles de contaminación sobrepasan los definidos como críticos bajo estándares internacionales. Como consecuencia vivimos en un ambiente en extremo hostil que produce enfermedades recurrentes y crónicas en la población. Las estadísticas exactas del impacto del aire enrarecido sobre la población no son del todo claras pero es evidente que muchas personas enferman en consecuencia y miles mueren cada año por esta causa. Es mas, el impacto en la ciudad no solo se limita a la salud humana. Basta ver el estado de los edificios céntricos ennegrecidos por todo tipo de contaminantes para empezar a cuantificar cuan grande es el impacto de la contaminación del aire. Pero no solo la salud física y el aspecto de las ciudades se ve afectada por la contaminación. Mas difícil es cuantificar el impacto psicológico sobre una población que siente los efectos de vivir en un lugar no apto para la salud humana.
Con todo lo anterior es evidente la necesidad de disminuir la contaminación atmosférica de la ciudad sin embargo, a pesar de las buenas intenciones, los avances han sido relativamente escasos. Se han planteado variadas soluciones que van desde aumentar el terreno forestado, de forma que los árboles reciclen los contaminantes, hasta soluciones más descabelladas quizás como son la voladura de cerros para permitir la generación de corrientes de aire que limpien las capas de contaminantes. Sin embargo en nuestro país, como en casi todo el mundo, se han preferido soluciones educativas que parten de conceptos tales como "la contaminación es problema de todos" que en la práctica se reducen a que nadie asume responsabilidad sobre el tema. A este tipo de estrategias se suman las actitudes legalistas tales como la definición de restricciones vehiculares y la definición de calles donde no se pueda conducir un auto sin acompañante. Desgraciadamente todas esas campañas de tipo voluntarioso no han sido coronadas con el éxito y es dudoso que algún día lo sean.
El auto nació contaminando. Carro a vapor de Trevithick, 1812.
Quizás la más inútil de estas campañas es el desarrollo de movimientos ecologistas cuyo objetivo es evitar la construcción de carreteras urbanas. Se razona que impidiendo su construcción se evitará que pasen vehículos que contaminen. Sin embargo, con carretera o sin ella los vehículos pasarán por esos sectores de todas maneras y se sabe que un vehículo contamina más cuando el tránsito es lento que cuando es expedito como en una carretera.
Mas éxito ha tenido la política de forzar los cambios tecnológicos. Es el caso de la introducción de los convertidores catalíticos los que han permitido disminuir un grado de contaminación que ya era crítica en los años ochenta hasta límites medianamente aceptables. Sin esa medida es posible que Santiago hubiera colapsado a mediados de los noventa con el aumento del parque automotor. Otra medida importante ha sido la importación del gas natural desde Argentina, lo que ha permitido el uso de un combustible relativamente más limpio. En estos momentos se está experimentando con vehículos a gas natural que ayudarían a reducir las tasas de contaminación aún más.
Sin embargo no debemos creer que el problema de la contaminación se resuelve con el uso del convertidor catalítico o la introducción del gas natural, pues a pesar que estos elementos disminuyen las tasas de contaminación, el hecho es que no dejan de contaminar. En cierta forma con ellos solo estamos ganando tiempo a la espera de que el crecimiento del parque automotor nos obligue a buscar nuevas soluciones. De allí se ha concluido que la forma de evitar la contaminación es manteniendo fija la cantidad de vehículos mediante el pago de un derecho de circulación. Esta propuesta tremendamente antidemocrática pretende permitir el uso de vehículos solo a aquellos que pueden pagar tales permisos. Es más, en un país que todavía tiene tasas muy bajas de motorización tal medida solo impedirá el sueño del automóvil a quienes recientemente pueden adquirirlos. En cierta forma tales proyectos legales son como tapar el sol con el dedo pues no atacan al enemigo real que es la causa de la contaminación. Simplemente no podemos mejorar el medio ambiente con leyes ni voluntad. Lo que se necesita es algo tan mundano y radical como lo es una revolución tecnológica.
Identificando al Enemigo
El sueño de la solución definitiva al problema de la contaminación del aire pasa por la identificación de sus causas. Ahora bien, la principal causa de la contaminación atmosférica deriva del tipo de motor que usamos corrientemente. Es el motor de explosión, ya sea en su variedad Diesel o de combustión interna, el que contamina. Ese es el enemigo del aire de la ciudad.
El motor a explosión se basa en una tecnología centenaria siendo un verdadero vestigio ancestral de un estadio de desarrollo industrial ya largamente superado. En sí es una maravilla mecánica compuesta de una gran cantidad de piezas que funcionan coordinadamente. Si usted no cree que los motores de explosión son anticuados basta decir que el tipo de ingeniería que le creo es contemporánea de aquella que creo los relojes mecánicos de pulsera. Desde finales del siglo pasado el motor a explosión no ha cambiado. Se han introducidos numerosas mejoras que apuntan a mejorar la eficiencia pero no cambian radicalmente el diseño original. Es literalmente una reliquia del tiempo de los autómatas mecánicos de la era victoriana. Sin dudas sería hasta agradable conocer más sobre los motores a explosión si no fuera por el hecho de que contaminan, enfermando e incluso matando a los habitantes de las grandes ciudades.
La tecnología del motor a explosión es antigua y arcaica.
El motor a explosión usa combustibles derivados del petróleo, tales como el Diesel y la gasolina, para producir explosiones en el interior de cilindros con pistones móviles. Al explotar una mezcla de gasolina y aire en el interior del cilindro produce un movimiento vertical del pistón. Este movimiento de vertical, convertido en movimiento rotativo en el motor, es transmitido finalmente a las ruedas para mover los vehículos. La combustión producida en las explosiones no es completa por lo que se generan contaminantes que se liberan a la atmósfera. Los principales de estos contaminantes son el CO (monoóxido de carbono), un gas letal; el CO2 un gas inofensivo que sin embargo causa el efecto invernadero; los compuestos denominados NOX (óxidos nítricos y nitrosos tales como N2O NO y NO2 ) que deterioran el pulmón y producen lluvia ácida; y el dióxido de azufre SO2 uno de los causantes de la lluvia ácida y del deterioro de edificios.
La contaminación deriva de la presencia de carbono, nitrógeno, azufre y otras impurezas en los combustibles fósiles tales como el carbón, el petróleo y el gas natural. No hay forma de prevenir que este tipo de combustibles contamine y no basta con cambiar los derivados del petróleo por otros combustibles pues cualquiera que queme un motor a explosión, incluso etano, metano y otros, generará inevitablemente contaminantes. Inclusive cuando se usan los convertidores catalíticos solo se reduce la tasa de contaminación. Pero el motor de explosión no solo contamina sino que es extraordinariamente ineficiente lo que produce una cantidad mayor de residuos que los estrictamente necesario para mover los vehículos. En un trayecto normal en la ciudad el motor solo trabaja relativamente bien cuando funciona a la velocidad correcta en el cambio correcto. Al detenerse en una esquina, por ejemplo, sigue funcionando y contaminando simplemente porque este motor necesita mantenerse en movimiento para funcionar.
Si queremos eliminar la contaminación lo que requerimos es de un motor que no contamine en absoluto. Afortunadamente tales motores existen, se llaman de contaminación cero. Se trata de vehículos eléctricos o propulsados por hidrógeno que no emiten gases contaminantes a la atmósfera. ¿Cuándo comenzaremos a pensar sobre ellos en Chile?.
Los motores de Contaminación Cero
Existen motores de contaminación cero que se conocen desde el siglo pasado. Son los motores eléctricos. Estos han sido de gran ayuda en frenar el aumento de la contaminación de ciudades afectadas como Santiago. El motor eléctrico se hace presentes de preferencia en medios de transporte público de recorrido fijo, tales como los ferrocarriles, los troles y los metros. Si bien el impacto de los ferrocarriles urbanos ha sido hasta ahora relativamente menor y los troles no han podido competir con las agresivas líneas de buses, el ferrocarril metropolitano o metro si ha sido un éxito. Cada día son millones quienes viajan en ese medio de transporte que no produce contaminación atmosférica, al menos directa. Sin el uso del metro, la ciudad ya habría sucumbido tanto por falta de vías como por el empobrecimiento del aire producto de la cantidad de buses y autos que deberían transportarlos.
Los sistemas de metro son, entonces, una medio de transporte que evita una gran cantidad de viajes de vehículos contaminantes. Son tan rápidos que incluso la gente que viaja en autos usa con frecuencia el metro para viajes cortos en la ciudad. Sin embargo, por su característica de transporte masivo y el alto costo de sus instalaciones el metro nunca llegará a reemplazar ni a los buses ni menos a los vehículos particulares. Se necesita entonces algo más flexible incluso que el trole. Se requiere de vehículos autónomos de contaminación cero.
El proyecto más antiguo de este tipo de vehículos es el auto eléctrico el que tiene en un motor eléctrico alimentado por baterías las cuales se cargan cada un período determinado. Estos vehículos se desarrollaron en forma paralela con los de motor a explosión compitiendo con este último hasta principios del presente siglo por la supremacía tecnológica. Sin embargo el motor a explosión ganó esta lucha.
La mayor limitación del motor eléctrico esta en su autonomía debido a que hasta tiempos muy recientes solo se disponía de un medio para alimentarlos: las baterías eléctricas. Sin embargo, con el desarrollo de las celdas de combustible prácticas durante los años noventa se dispone hoy de un medio práctico para crear vehículos de contaminación cero.
La celda de Combustible
En los años sesenta, en plena carrera espacial, los ingenieros resolvieron el problema de generar electricidad para las cápsulas espaciales mediante unos exóticos dispositivos denominados celdas de combustible. Las celdas de combustible son equipos sin partes móviles que usan hidrógeno para producir electricidad. De estructura similar a la de una batería corriente, usan hidrógeno en una reacción electroquímica con el oxigeno la que genera electricidad y agua, esta última a modo de subproducto.
En la época de la carrera espacial las celdas de combustible eran muy caras, solo apropiadas para ser usadas en proyectos militares o espaciales, donde los costos son solo uno de los factores a considerar. Su costo estaba inducido principalmente por la utilización de metales caros en su construcción y por la limitada escala de su producción. Hoy en día las celdas de combustible cuestan una fracción del precio de treinta años atrás y ya se presentan como alternativas prácticas para los motores de combustión interna y diesel.
A diferencia del motor tradicional construido con una infinidad de componentes mecánicos, las celdas de combustible no tienen partes móviles. Simplemente se les inyecta hidrógeno y aire obteniéndose como resultado electricidad. Si bien es cierto que los motores de combustible pueden ser adaptados para usar hidrógeno directamente sin la necesidad de usar celdas de combustible, esta última tiene tantas ventajas sobre el motor convencional que será sin dudas la preferida.
Otra ventaja, que será más obvia cuando este tipo de vehículo se masifique, es que las celdas de combustible permitirán el incremento modular de la potencia del vehículo. De fabrica los vehículos vendrán con una, dos o tres celdas de combustible. Para incrementar la potencia bastará con comprar otra de estas conectándola al sistema eléctrico del vehículo.
La celda de combustible es una tecnología probada en la práctica en las misiones de la NASA. Desde 1984 una instalación grande de celda de combustible alimenta en parte con energía eléctrica la ciudad de Tokio.
Almacenando Hidrógeno
Uno de los más graves problemas para usar el hidrógeno es la forma de almacenarlo. En principio se puede mantener en contenedores a presión. También puede ser almacenado como hidrógeno líquido. Ambas formas de almacenaje requieren de equipo voluminoso y que producen muy poca confianza al verlos.
Sin embargo una de las propiedades mas notables de este gas es que puede ser almacenado en ciertos compuestos metálicos. En terminología técnica se habla de aleaciones de almacenaje de hidrógeno. Estos tiene la capacidad única de almacenar y liberar hidrógeno. Vale decir, el hidrógeno puede ser almacenado en estado sólido en envases especiales de estas aleaciones.
Después de que la aleación metálica es cargada con hidrógeno recibe el nombre de hidrido de aleación metálica. Estas permiten absorber grandes cantidades de hidrógeno por lo que un tanque de almacenamiento que use un hidrido de aleación metálica puede contener mas de cien veces mas hidrógeno que un cilindro de gas comprimido convencional.
Con esta tecnología lo que viajará en los vehículos serán barras metálicas inertes, mucho mas seguras que los tanques de explosiva gasolina que nos acompañan en nuestros autos.
El Auto a Hidrógeno
Ya existen prototipos de autos a hidrógeno que usan celdas de combustible y en Chicago se pueden observar buses que funcionan con esta tecnología.
NECAR 4, auto compácto a celda de combustible de la Daimler Chrysler.
Una de esas ventajas de la celda de combustible es que no tiene partes móviles, por lo que se reduce considerablemente las partes mecánicas de un vehículo que la use. Al ser productoras de electricidad esta se envía directamente hasta los ejes de las ruedas donde un motor eléctrico dedicado la hace girar. Quedan entonces obsoletos los cardanes, cajas de cambio, diferenciales y un sinnúmero de otros componentes mecánicos. Al reducirse la cantidad de componentes mecánicos del automóvil se disminuye también la cantidad de mantenimiento que requiere el vehículo. Gran parte de las costosas fallas y reparaciones de los autos de hoy se deben precisamente a los componentes mecánicos que tienen, los que fallan debido a los esfuerzos a los que son sometidos. Un vehículo de celda de combustible tendrá entonces una proporción mucho menor de partes y piezas mecánicas.
El vehículo a hidrógeno será silencioso y seguro. Por ser vehículos eléctricos dispondrán de incrementos continuos de energía por lo cual las cajas de cambio estarán obsoletas o, por decirlo así, será como si todos los vehículos de esta clase fueran de cambio automático. Por ser vehículos cuyos motores eléctricos estarán directamente en el eje de las ruedas, será equivalente a disponer de vehículos de tracción en las cuatro ruedas.
Finalmente, todo el control del vehículo estará dirigido por redes de microcomputadoras que controlarán desde el comportamiento de los amortiguadores y el torque aplicado a la rueda hasta la distancia con otros vehículos y la ubicación del auto en la ciudad. En un futuro no muy lejano los conductores se preguntarán como pudimos vivir con armatostes tan primitivos como los autos de combustión interna de hoy.
Generando Hidrógeno
Para disponer de hidrógeno hay que generarlo y este pareciera ser el obstáculo industrial más grande del presente. Existen varias formas de generar hidrógeno pero la más favorecida por los ecologistas es obtenerlo directamente del agua. Para ello se aplica electricidad al agua lo que produce la separación de sus moléculas en oxigeno e hidrógeno. El primero se libera a la atmósfera y el segundo se almacena para su utilización.
La cantidad de hidrógeno necesaria para mover los vehículos en una ciudad grande como Santiago será realmente enorme. Para producir toda la electricidad para el proceso se requerirá de medios para generarla en grandes cantidades. Al presente se estima que el hidrógeno se producirá en forma masiva en instalaciones de energía solar. Estas serán establecidas en zonas desérticas donde podrán disponer de abundante luz solar durante todo el año. Se requerirán cientos de kilómetros cuadrados de celdas fotovoltáicas para producir las cantidades de hidrógeno suficiente para el consumo interno del país.
La producción diaria de hidrógeno será almacenada en tanques de manera similar a como se maneja el gas natural. Luego, se bombera hidrógeno a través de gasoductos hacia las ciudades para su distribución y consumo. Una extensa red de estaciones de servicio de hidrógeno suplirá de energía a los autos y otros vehículos mientras que otras cantidades importantes de este combustible seran usadas para producir electricidad.
Contaminación cero
La economía mundial está basada en la producción de combustibles fósiles los cuales producen toda la energía necesaria para los vehículos de transporte autónomo terrestre, marino y aeronáutico. Diariamente enormes cantidades de petróleo, carbón y gas natural son extraídos de la tierra y procesados con el exclusivo propósito de quemarlo en motores de combustión interna. Con ello contaminan nuestra atmósfera enfermando a quienes viven en las ciudades. La lluvia ácida destruye los bosques y corroe edificios, monumentos y pulmones. Y, como si esto fuera poco, los derrames de petróleo destruyen nuestras costas y exterminan su fauna. Sin embargo, en el proceso, muchos inversionistas y países completos se hacen ricos con las utilidades de la producción del combustible fósil.
Sin embargo en todo el mundo la gente y los gobiernos están cansados de respirar smog. Famosa es la decisión de California de aumentar las restricciones de contaminación hasta llegar a la meta de tener vehículos de contaminación cero. De hecho, esta última decisión ha hecho que muchos fabricantes de automóviles estén desarrollando vehículos de estas características, el favorito de ellos es sin duda el auto con celda de combustible.
Quienes Están Haciendo Algo
Existen muchas empresas que están participando en la carrera por desarrollar el auto a celda de combustible. Entre ellas está la Ballard, empresa basada en Vancouver Canadá, la cual ha fabricado, entre otras, las celdas de combustible de los buses de contaminación cero de Chicago, E.E.U.U.
La empresa JMC está desarrollando contenedores de hidrógeno basados en hidridos metálicos. Estos varían desde aquellos para usar en autos compactos hasta otros para uso en plantas generadoras de energía eléctrica.
Entre los fabricantes de autos Daimler Chrysler es la que lleva la delantera con sus vehículos compactos a celda de combustible, uno de los cuales aparece en este artículo. Este vehículo, llamado NECAR 4, es el primer auto a celda de combustible práctico y que circula en las ciudades como cualquier otro vehículo. Todos los otros fabricantes, desde Toyota hasta Ford, están de una u otra manera avanzando en el tema y la competencia es dura por desarrollar mejores prototipos y autos de serie. Desde el punto de vista industrial ya no es un problema el fabricar este tipo de vehículos. Solo falta desarrollar la forma de producirlos en forma masiva y económica.
La industria automotriz ha cumplido con su parte al desarrollar vehículos de celda de combustible prácticos. Hoy falta el esfuerzo de otras áreas industriales, gubernamentales y financieras para convertir este sueño en realidad.
La Infraestructura y la Visión
No sabemos cuando tendremos en Chile la visión de usar vehículos de contaminación cero. Quizás tendremos que esperar hasta que comiencen las importaciones de este tipo de autos desde el asía para que reaccionemos.
El hecho es que el hidrógeno es altamente conveniente para Chile y no solo por el tema de la contaminación del aire. Por ser un país consumidor neto de combustible fósiles, que importa más del 80% de los mismos, Chile paga un alto precio por los mismos y el desarrollo económico se encuentra en cierta forma limitado por la disponibilidad de divisas.
Sin embargo el norte grande es un basto desierto bañado por energía solar donde el hidrógeno podría producirse en cantidades prácticamente ilimitadas. En ese lugar no solo podríamos generar todo el hidrógeno que necesitemos sino que incluso podríamos exportar un excedente hacia los países vecinos e incluso lejanos. Desde esa perspectiva la industria del hidrógeno en Chile tiene el potencial no solo de disminuir ostensiblemente las importaciones de combustibles sino que incluso convertir este rubro en una industria exportadora. Con una minería deprimida y un cobre que está constantemente amenazado por el aluminio, los compuestos sintéticos, las fibras ópticas y los polímeros conductores eléctricos, la producción de hidrógeno puede convertirse en una fuente alternativa de riqueza para el norte.
Ello solo será posible con inversiones de una magnitud nunca vista en Chile y con la mentalidad de construir esta industria en nuestro país. De partida se requiere de la fabricación de celdas fotovoltaícas en cantidades suficientes para llenar extensiones enormes. Se requiere también de la organización y capacidad técnica para construir estos complejos. Sin duda Chile podrá hacer frente al desafío de construir una economía basada en combustibles limpios. Especialmente si esto se convierte en una nueva fuente de riqueza para el país.
Sin embargo, todo depende de saber y difundir que la tecnología para producir y usar ya existe.
Omar E. Vega
posted by Omar E. Vega @ 7:48 AM
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