L’hidrogen, la promesa energètica que no arriba

Al tombant del mil·lenni, l’hidrogen era moda. Era un gas que havia de causar una revolució energètica. Una font d’energia neta –la seva combustió produeix vapor d’aigua i prou– que es generaria a partir d’energies renovables i que podia substituir completament als combustibles fòssils. Servia per a lluitar contra el canvi climàtic i eliminar la contaminació atmosfèrica de les ciutats. Ja hi havia hagut algun prototip d’automòbil i d’avió propulsat per hidrogen, i s’esperava aplicar-lo a més sectors com el transport marítim o el ferroviari. Països com ara el Japó van decidir fer-ne una fita estratègica i alguns altres territoris com els EUA i la UE miraven aquesta tecnologia amb interès mentre donaven suport a projectes de recerca i proves pilots. Tanmateix, dues dècades més tard, l’economia d’hidrogen no s’ha desenvolupat. Se n’ha endarrerit l’arribada més que no es preveia o és una tecnologia que té problemes estructurals irresolubles?

L’interès de la indústria petroliera en l’hidrogen

L’any 1992 es va signar el protocol de Kyoto, la primera mesura concertada internacionalment per a combatre l’escalfament planetari originat pels gasos d’efecte hivernacle. La indústria dels combustibles fòssils començava a rebre pressió per les externalitats que causava. Paral·lelament, aquesta indústria s’anava transformant. Després de cent cinquanta anys d’extracció de petroli, el peak oil, és a dir, el pic màxim de producció de petroli, ja no era un concepte allunyat en el temps. Es preveia que s’hi arribaria ben aviat i a partir d’aleshores cada vegada n’hi hauria menys. Al mateix temps, la indústria havia començat el lent desplaçament cap al gas. Si temps enrere s’havia passat d’un combustible fòssil sòlid –el carbó– a un hidrocarbur líquid –el petroli–, l’evolució era de passar a un de gasós –el gas natural– encara no explotat en tot el potencial. En les dècades anteriors s’havien anat desenvolupant xarxes de distribució de gas arreu del món, com també la infrastructura necessària per a fer-ne el transport internacional, sigui mitjançant gasoductes o vaixells. El gas natural guanyava quota de mercat en la generació de calor (com ara la calefacció) en substitució del gasoli, i fins i tot apareixien turismes propulsats amb gas.

Hi havia un tercer element a considerar, del qual es parlava molt al sector: els hidrats de metà, també anomenats hidrats de gas. Aquest compost es forma, principalment, als fons oceànics quan s’escauen unes condicions de temperatura baixa i pressions altes. Té l’aspecte de gel, perquè molècules d’aigua atrapen, bàsicament, metà, que és també el component principal del gas natural. Els hidrats de metà es formen arreu dels oceans. Es calcula que són la principal font d’hidrocarburs del planeta, i que superen la suma de tots els dipòsits de carbó, petroli i gas natural junts. La tecnologia havia anat evolucionant, i tot i que l’explotació comercial dels immensos dipòsits d’hidrats de metà mostrava reptes tècnics per resoldre, la indústria del petroli n’havia posat l’explotació en el punt de mira. Països com el Japó tenien un interès especial a utilitzar-lo, perquè deixarien de dependre de les importacions de petroli i gas.

I aleshores es va començar a parlar de l’hidrogen com una font d’energia neta. A més, no significava cap canvi de paradigma en el món dels fuels –com sí que ho significava l’electrificació–, perquè parlem d’un combustible que es pot liquar per a ser transportat i utilitzar-se com el gas natural. La infrastructura que necessita és molt similar a la que ja utilitza la indústria de combustibles fòssils tradicional: gasoductes, estacions de liqüefacció, vaixells de transports, etc. Però sobretot, hi havia un aspecte cabdal. L’hidrogen es pot generar a partir de l’aigua gràcies a l’electròlisi. Amb electricitat separem l’aigua en hidrogen i oxigen –el qual també té aplicacions industrials. Però la veritat és que el 95% de l’hidrogen es genera a partir de gas fòssil, en un procés anomenat reformat de metà amb vapor. La indústria del petroli, i països com el Japó, van veure-hi una oportunitat. L’hidrogen significava la confluència de tots els factors que es produïen paral·lelament. Per una banda, podien argumentar que es feia servir una energia neta i contrarestar l’oposició pública creixent a l’ús de combustibles fòssils. Per una altra, era un nou combustible que permetia de mantenir els processos industrials tradicionals de la indústria –convenientment adaptats. I a més, o especialment, servia per a explotar els dipòsits d’hidrocarburs més grans del planeta, els hidrats de metà.

Els problemes de l’hidrogen

Però l’hidrogen presenta entrebancs greus, ara per ara irresolts. El principal és que, en sentit estricte, no és una font energètica, perquè no el trobem en estat natural. Igual que l’electricitat, és un vector energètic, és a dir, serveix per a transportar energia. Però per a obtenir aquest vector energètic necessitem una font energètica, sigui renovable o fòssil. I com que tota transformació és imperfecta, pel camí es perd energia. La cosa es complica més, perquè generalment l’hidrogen s’utilitza per generar electricitat. És a dir, habitualment utilitzem un combustible fòssil per generar hidrogen, el qual més tard serà utilitzat per produir electricitat. Òbviament, és molt més eficient produir electricitat directament a partir del combustible fòssil prescindint del pas intermedi de l’hidrogen.

Però què passa si, en comptes d’utilitzar combustibles fòssils, que produeixen CO2, fem servir energia renovable? Un exemple pràctic es pot veure en la figura superior, on es fa una comparació en un dels altres àmbits d’ús de l’hidrogen, l’automoció. S’hi observa què passa quan s’utilitzen 100 kWh d’electricitat per generar hidrogen (banda esquerra) o s’utilitzen directament en un vehicle elèctric (dreta). A cada pas hi ha una pèrdua d’energia, perquè la transformació no és al 100%. Quan fem l’electròlisi per obtenir hidrogen, perdem un 25% de l’energia (té un 75% de rendiment). A partir d’aquí el podem comprimir (perdem un 10% de l’energia) o bé el podem liquar (en perdem el 35%). Així que tenim l’hidrogen al vehicle, la pila de combustible s’encarrega de transformar-lo en electricitat, procés que només pot aprofitar el 50% de l’energia. Tinguem en compte que un vehicle d’hidrogen és un vehicle amb motor elèctric que utilitza l’hidrogen per produir electricitat. És a dir, és un vehicle elèctric que en compte de tenir un bateria té una pila de combustible que funciona a partir d’hidrogen. Al final de totes les transformacions, dels 100 kWh només ens en queden uns 20 per a produir moviment. Un rendiment energètic del 20%, pràcticament idèntic al d’un vehicle de combustió actual. En el paradigma d’una indústria del motor basada en combustibles fòssils seria perfectament acceptable, perquè ofereix el mateix rendiment amb el guany de no generar pol·lució.

Tanmateix, actualment els vehicles elèctrics, gràcies a la baixada de preus de les bateries, comencen a ser competitius econòmicament. I en aquesta classe de vehicles, dels 100 kWh produïts per la central elèctrica renovable se’n poden aprofitar uns 70 per a moure’ls, en contrast amb els 20 dels d’hidrogen. És a dir, amb un vehicle d’hidrogen perdem el 80% de l’energia i amb un d’elèctric només el 30%. Aquesta gran diferència de rendiment energètic es reflecteix en el preu final que ha de pagar el consumidor. En un vehicle elèctric podem gastar 2,5 euros cada 100 quilòmetres i en un d’hidrogen la factura surt a uns 18 euros, set vegades més car. Considerant que la tecnologia dels vehicles d’hidrogen no és barata i que té uns preus similars a la dels elèctrics, és evident que el consumidor, amb aquesta diferència de preu en el combustible, sempre triarà un vehicle elèctric. Es pot argumentar que amb la generalització del seu consum, i amb novetats tecnològiques, el preu de l’hidrogen pot baixar. Tanmateix, els rendiments energètics són una barrera de les lleis de la física i, per tant, no podrà assolir mai els rendiments d’una cadena energètica 100% elèctrica. Toyota, per exemple, ha pagat molt cara l’aposta estratègica del Japó per l’hidrogen. Tot i ser la líder mundial en vendes d’automòbils, es troba molt endarrerida en la producció de vehicles elèctrics, cosa que pot portar-li greus problemes a mitjà termini.

No són pas els únics entrebancs de l’hidrogen. Encara que sigui un combustible com el gas natural, a la pràctica la seva infraestructura s’ha de bastir de nou. Les actuals xarxes de distribució de gas només admeten un màxim de 30% d’hidrogen barrejat amb el gas natural. Si es vol fer servir un gas format al 100% per hidrogen, caldria revisar i substituir bona part de les canonades. Els cremadors de les nostres llars (a la cuina i als escalfadors d’aigua) també s’haurien de canviar si el gas és exclusivament hidrogen. Això mateix passaria amb les benzineries: les actuals no es poden aprofitar. És a dir, caldria reproduir tota la xarxa de distribució. A banda les dècades que caldrien per a desplegar una xarxa d’aquesta mena, tindria un cost altíssim: els experts calculen que, a l’engròs, costaria uns quants bilions d’euros. A més, el principal estímul per a la seva promoció, amb països com el Japó al capdavant, és explotar les reserves d’hidrats de metà –a més del gas natural–, que també produeix CO2 i contaminants, cosa que contribueix al canvi climàtic i les morts per pol·lució. Si no és a partir d’energies renovables, l’hidrogen no sembla que sigui cap opció.

Les aplicacions encara possibles de l’hidrogen

Com hem vist, al tombant del mil·lenni l’hidrogen semblava una opció viable per a substituir els combustibles fòssils. El mateix rendiment energètic, sense contaminació i, tot i que amb uns preus cars –com és habitual en qualsevol tecnologia emergent–, amb una previsió de ser més barata quan es difongués. Tanmateix, hi va haver una altra novetat tecnològica que ha acabat ferint de mort l’hidrogen: les bateries de liti. De primer, tenien un preu tan car que les feia inimaginables fora de l’àmbit dels petits dispositius electrònics. Tanmateix, a mesura que n’ha abaixat el preu, les bateries de liti han permès d’electrificar molts sectors energètics, i avui dia ja es veu que permeten d’electrificar gairebé tot el consum energètic. Malgrat això, l’hidrogen encara podria tenir alguna aplicació.

Una possibilitat d’ús pot provenir, precisament, de les limitacions de les bateries. Encara són massa cares quan se’n necessiten de grans. En aquests casos, l’hidrogen pot resultar econòmicament avantatjós. Per exemple, en vaixells, un dels grans causants de contaminació, i en què les bateries no semblen la millor alternativa per a trajectes llargs. Un altre sector d’ús és el ferroviari. Diversos operadors europeus han pactat d’eliminar els seus trens dièsel abans del 2035, i ara per ara la millor opció és substituir-los per versions d’hidrogen. Alemanya ha estat el primer país a utilitzar-ne. Sense abandonar el transport, també s’ha proposat de fer-lo servir en aviació. Els russos van ser-ne pioners l’any 1989 amb el Tupolev Tu-155, el primer prototip d’avió d’hidrogen. Per una banda, l’hidrogen té més densitat energètica per unitat de massa que el fuel d’aviació, però menys densitat energètica per unitat de volum. Això fa que les ales –on hi ha els dipòsits– hagin de ser més grans (cosa que augmenta el fregament amb l’aire), però per una altra que el combustible pesi menys, i això fa baixar significativament el pes de l’avió. L’hidrogen pot ser una alternativa a l’aviació mentre les bateries no tinguin prou densitat energètica.

Però un dels sectors on es pot fer la transició més ràpida a l’hidrogen és en els processos industrials, que necessiten calor en forma de flama i en els quals, per tant, l’electrificació no és viable. També pot ser la font de calor principal als països freds, perquè l’aerotèrmia –la generació de calor amb un compressor d’aire condicionat– no és adequada a temperatures sota zero, i cal recórrer a resistències elèctriques molt poc eficients. Finalment, una altra aplicació és la gestió dels excedents de les energies renovables. Escòcia, a les illes Òrcades ja ho fa. Els en sobra tanta, d’energia, que abans de llençar-la miren d’aprofitar-la com sigui. Una de les opcions que han adoptat és de transformar aquests excedents en hidrogen, que més tard fan servir com a combustible per als ferris que connecten les illes. Així s’estalvien una gran quantitat de dièsel, i eliminen també emissions de CO2 i contaminants atmosfèrics. En alguns altres indrets s’investiga com aprofitar antics dipòsits de gas per injectar-hi hidrogen produït amb aquests excedents –tot i que al nostre país, amb el Castor, en coneixem els potencials perills. L’opció més prometedora és aprofitar dipòsits de sals per acumular grans quantitats d’hidrogen, perquè no el contaminen, com sí que passa amb algunes altres menes de roques. D’aquesta manera, també ajuda a compensar la intermitència de les renovables.

Ara per ara, l’hidrogen no sembla una tecnologia que pugui competir amb l’electrificació directa del consum energètic, però pot acabant esdevenint un complement de les energies renovables.