Por miles de años, el ser humano ha satisfecho sus requisitos energéticos quemando combustibles a base de carbono, como, por ejemplo, la leña, el cascajo, el bagazo de la caña y el carbón mineral que no es más que desechos vegetales petrificados en la corteza de la Tierra cientos de millones de años atrás.
Más adelante, el ser humano descubrió el petróleo y el gas natural que también provienen de vegetación petrificada.
En la era moderna, el petróleo se refina para producir, kerosén (Canfín), gasolina, Diesel, bunker, y algunos otros derivados. Todos son cadenas de moléculas de carbono con hidrógeno y por eso se les llama hidro-carburos.
Igual que la leña, el bagazo y el carbón, los hidro carburos tienen gran afinidad con el oxígeno y juntos, a suficiente temperatura, producen el fuego – es decir, se queman – y producen más calor y energía de la que el fuego necesita para mantenerse. La energía excedente la usamos para cocinar, calentar agua, alimentar los motores de nuestros vehículos, carros, buses, tractores, trenes, aviones, barcos, y para hacer cemento y fundir metales y muchas otras aplicaciones que nos ayudan a vivir mejor.
En el mundo industrial, el ser humano ha perfeccionado la producción y la quema de combustibles a base de carbono, pero hay un problema: el carbono y el oxígeno, al juntarse forman dióxido y monóxido de carbono, ambos gases tóxicos para el organismo. Por eso se inventaron las chimeneas en las casas, en las fábricas y en las refinerías, en los barcos y las muflas en los carros, buses, camiones, trenes. Miles de aviones en el aire cada día, dejan estelas de gases en la estratósfera que contaminan y contribuyen directamente al calentamiento de la atmósfera.
Es posible que nuestros antepasados, al ver el humo que salía de la quema (especialmente cuando no tenía suficiente ventilación y salía el humo más negro) se percataron de que estaban contaminando la atmósfera que respiraban, pero esa era tan inmensa que el humo se disipaba y el aire puro siempre retornaba.
Pero hoy sabemos que el aire puro que retorna después de la quema no es tan puro cómo el de antes de la quema. Hoy, con siete mil millones de habitantes en el planeta quemando hidrocarburos todos los días, el aire puro ya no retorna.
Hay otro problema del que nos percatamos hace unos 30 años con los datos de sensores en satélites orbitando y observando nuestro planeta. El sobre calentamiento de la atmósfera por la alta concentración de dióxido de carbono, CO2 (el principal producto de la combustión de hidro carburos) y de metano, CH4, otro hidro carburo y principal componente del gas natural y el biogás y que, aún en pocas concentraciones, es un potente calentador atmosférico (más de 25 veces la potencia del CO2). Si lo usamos como fuente de energía, tenemos que tener cuidado de que no haya fugas en su distribución y transporte.
El carbono, nuestro amigo en la modernización, se ha convertido en nuestro enemigo. Ahora queremos descarbonizarnos. ¿Pero cómo?
Afortunadamente hay varias opciones – cada una útil en cierto nicho – y todas las debemos considerar.
Empecemos por saber que prácticamente toda la energía que usamos viene del Sol. ¡La cantidad de energía solar que baña la Tierra todos los días es inmensa! Y más que suficiente para abastecer nuestras necesidades. La energía solar produce el viento (energía eólica); también evapora el agua de los mares que luego se precipita como lluvia en las montañas y la capturamos para luego utilizarla como energía hidroeléctrica; también ilumina paneles solares que la convierten directamente en electricidad utilizable. La energía solar también produce las plantas que terminan en biomasa y biocombustibles que quemamos para generar electricidad. Hace cientos de millones de años la energía solar produjo densa vegetación en nuestro planeta. Esta quedó sepultada y se convirtió en petróleo y gas natural. En fin, prácticamente toda la energía que consumimos, de una forma u otra, proviene del Sol. El problema es cómo almacenarla para usarla cuando nos convenga.
Hay varias opciones que no incluyen carbono, como las represas y embalses para almacenar energía hidroeléctrica, el aire comprimido, las baterías, el hidrógeno verde, entre otras. Aquí vamos a explorar el hidrógeno verde.
¿Qué es el hidrógeno? – Es el elemento más simple, común y abundante en el universo conocido. En un gas invisible, inflamable, no tiene olor. Tiene muchos usos industriales y como combustible, kilo por kilo, es el que más energía almacena. 1kg de H2 contiene la misma energía que 4 litros de gasolina (8 litros, en términos de distancia recorrida). Combinado con el oxígeno produce agua.
Dos moléculas de hidrógeno se combinan con una de oxígeno y producen dos moléculas de agua
El hidrógeno presenta una gran oportunidad estratégica para que Costa Rica pueda establecer una economía descarbonizada. Costa Rica consume ~170,000 TJ/año de energía, de los cuales solo ~36,000 TJ/a son electricidad. El resto, ~135,000 TJ/a son hidrocarburos importados (que se usan principalmente en el transporte).
Nuestro reto es reemplazar esos ~135,000 TJ/a de hidrocarburos con hidrógeno verde doméstico. ¿Será posible?
La respuesta es Sí. El potencial renovable de Costa Rica es prácticamente el doble ~274,000 TJ/a (datos del MINAE).
El aparato que transforma el hidrógeno en electricidad se llama una “Celda de Combustible” otros la llaman “Pila Electroquímica” o “Pila de Hidrógeno.” Es un ensamble de múltiples placas de materiales catalizadores, membranas y electrodos que combinan el hidrógeno almacenado en un tanque con el oxígeno del aire y producen electricidad y agua pura. No tienen partes movibles y no producen ninguna contaminación.
Las celdas de combustible se perfeccionaron en el programa espacial y suministraron electricidad y agua potable a las naves Gemini y Apolo en los vuelos a la Luna en la década de los 60 y 70 y a los Transbordadores Espaciales entre 1980 y 2010. Hoy, la tecnología es un elemento importante en la descarbonización.
Aunque el hidrógeno es el elemento más abundante en la naturaleza, en la Tierra no aparece solo, sino combinado con otros elementos, como el oxígeno en el agua, o el carbono en los hidrocarburos y carbohidratos. Por lo tanto, para utilizarlo tenemos que primero liberarlo. Precisamente ese proceso de liberación es el que nos permite almacenar energía.
El proceso que nos permite liberar y almacenar grandes cantidades de hidrógeno sin involucrar carbono es la electrólisis del agua y el aparato que lo logra se llama “electrolizador.” El electrolizador es lo opuesto a la celda de combustible. Un ensamble de placas catalizadoras, membranas y electrodos, sujetos a una fuente eléctrica, rompen (disocian) las moléculas de agua en sus dos componentes, el hidrógeno y el oxígeno.
Si la electricidad que usamos para la electrólisis es limpia y renovable, se dice que el hidrógeno que obtenemos es “hidrógeno verde.” Ese es el hidrógeno que deseamos producir en Costa Rica para lograr la descarbonización de nuestra energía.
El hidrógeno que obtenemos con el electrolizador es un gas que debemos comprimir con un compresor para guardarlo en tanques a alta presión. Eso, por supuesto, requiere energía adicional. Podemos también guardarlo como líquido si lo enfriamos a bajas temperaturas, pero eso requiere aún más energía y solo se utiliza cuando se transporta en grandes cantidades en vehículos cisterna. Hay otras formas de almacenar el hidrógeno para transportarlo que son más prácticas y demandan menos energía. Una de ellas es convertirlo en amoníaco (NH3). Este compuesto químico contiene más hidrógeno – hasta dos veces más – en un dado volumen que aún el hidrógeno líquido.
En el ciclo del hidrógeno verde, electricidad renovable y limpia entran a un electrolizador que retorna hidrógeno y oxígeno gaseosos. El hidrógeno se comprime y se guarda para uso en demanda. Cuando esta ocurre, el hidrógeno se recombina en una celda de combustible con el oxígeno del aire para retornar electricidad y agua pura. El agua que se utilizó en la producción del hidrógeno se retorna limpia al medio ambiente.
Hay dos tipos de vehículos eléctricos: vehículos eléctricos de baterías (BEVs, por sus siglas en inglés) y vehículos eléctricos de celda de combustible (FCEVs, por sus siglas en inglés).
El hidrógeno se puede utilizar en todos los tipos de movilidad eléctrica: Autos, Buses, Camiones, Trenes, Barcos, Aviones, Montacargas, Tractores, etc.
Sin embargo, el nicho más atractivo del hidrógeno es el transporte pesado (buses, camiones, trenes, barcos, aviones), donde las baterías no dan buen rendimiento por el tiempo de recarga y lo pesadas que son. También el hidrógeno es atractivo en el nicho de los montacargas eléctricos por la rápida recarga y la potencia constante de la celda de combustible en comparación a la pérdida de potencia de las baterías cuando llegan a bajo nivel de carga.
La cadena de valor del hidrógeno verde va mucho más allá de la movilidad eléctrica. Varias aristas de negocios son ya evidentes, incluyendo el amoníaco verde con aplicaciones en la industria de fertilizantes, los combustibles de aviación sostenibles, llamados SAF (por sus siglas en inglés) y otros combustibles sintéticos (e-fuels), el agua pura y el oxígeno, ambos subproductos de la electrólisis y la producción de electricidad.
En el 2011, Costa Rica inició su camino al hidrógeno verde y hoy nuestro país es líder latinoamericano en la implementación de la tecnología.
En la Ciudad de Liberia, Costa Rica posee el único ecosistema de transporte integrado de hidrógeno verde en América Latina. Costa Rica fue el segundo país latinoamericano, después de Brasil, en incorporarse a el International Partnership on Hydrogen and Fuel Cells in the Economy (IPHE), una organización dedicada a acelerar la transición global al hidrógeno en todos los sectores de la economía.
El ecosistema de transporte con hidrógeno verde en Costa Rica mantiene operaciones de un autobús eléctrico urbano de celda de combustible que se usa principalmente para demostraciones y actividades especiales. También el ecosistema, en colaboración con Purdy Motor SA., alimenta una pequeña flota de vehículos Toyota Mirai sedans que operan en la provincia de Guanacaste. El ecosistema tiene una capacidad de almacenamiento de 60 kg the hidrógeno verde y dos dispensadores tipo H35 y H70. El primero es primordialmente para buses y camiones y el segundo es capaz de cargas rápidas a automóviles.
La planta de hidrógeno verde de Liberia opera un dispensador H35 para buses y camiones y otro, tipo H70, de carga rápida para automóviles. Una planta solar y eólica suministra energía renovable al ecosistema.