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Cómo se fabrica el hidrógeno: del átomo al vector energético
El hidrógeno es el elemento más abundante del universo, también el más simple que existe: un solo protón y un solo electrón. En la Tierra, sin embargo, no lo encontramos libre, flotando en la atmósfera esperando a que lo recojamos. Está atrapado dentro de moléculas, sobre todo en el agua (H2O) y en los hidrocarburos, siendo el metano (CH4) el compañero más frecuente. Para liberarlo de esos enlaces hay que aportar energía, separar el hidrógeno del carbono o del oxígeno a los que está unido, y luego ese mismo hidrógeno se recombinará con oxígeno para devolvernos agua. Esa ida y vuelta de energía es la razón por la que se le llama vector energético: no es una fuente primaria, es un transportador que lleva energía desde donde se genera hasta donde se necesita.
La magnitud de la producción global es enorme. La Agencia Internacional de la Energía cifró en 74 millones de toneladas la producción mundial en 2018, y en 2020 la cifra subió a unos 87 millones de toneladas. Lo interesante es que la mayor parte de ese hidrógeno no se quema como combustible. Se usa como materia prima química: en refinerías de petróleo, en la fabricación de amoníaco para fertilizantes mediante el proceso Haber, en la producción de metanol por reducción del monóxido de carbono, y en la obtención de acero. El problema es que el 95% de la producción actual se hace con gas natural, y eso genera unos 830 millones de toneladas de CO2 como subproducto. Descarbonizar esa producción es hoy una urgencia climática real.
El método dominante se llama reformado con vapor de metano, conocido por sus siglas en inglés, SMR. Funciona así: el vapor de agua y el gas natural, previamente purificados para eliminar contaminantes e impurezas, se calientan juntos a alta presión, entre 20 y 30 atmósferas, y a temperaturas que van de 700 a 1100 °C, aproximadamente 900 °C en la práctica habitual. Todo ocurre sobre un catalizador de base níquel. La reacción principal es:
CH4 + H2O → CO + 3H2
Esa reacción es endotérmica, consume unos 191,7 kJ/mol. El calor se obtiene quemando una parte del propio metano, lo que añade emisiones de CO2 adicionales. El resultado es una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno llamada syngas o gas de síntesis.
Para exprimir más hidrógeno de ese syngas se aplica una segunda reacción, la de cambio gas-agua (water gas shift), a temperatura más baja, unos 130 °C. Aquí el CO reacciona con más vapor: CO + H2O → CO2 + H2, con un balance de -40,4 kJ/mol. El átomo de oxígeno del vapor extra oxida el CO a CO2, y esa oxidación aporta la energía que mantiene el proceso vivo. La reacción global de todo el ciclo es:
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2
El metano y el agua aportan cada uno dos moléculas de hidrógeno. Al final, el H2 se separa del resto de gases mediante adsorción por oscilación de presión, un proceso que incrementa la energía necesaria y, con ella, la emisión de CO2 asociada. La eficiencia global del SMR ronda el 80%, con un rango entre 70% y 85% según las tablas tecnológicas.
Existen variantes del reformado que mejoran el cuadro. La oxidación parcial del metano (POX) mezcla CH4 con una cantidad limitada de oxígeno o aire (2CH4 + O2 → 2CO + 4H2) y libera calor durante la propia reacción, lo que la hace energéticamente eficiente, aunque exige un control muy preciso para evitar la formación de hollín. Si se acopla la POX con el SMR dentro de un único reactor se obtiene el reformado autotérmico (ATR), que no necesita aporte de calor externo, resulta más compacto, más barato y emite menos carbono; el proceso LCH de Johnson Matthey es un ejemplo. También existe el reformado con dióxido de carbono, que sustituye el vapor por CO2 para reaccionar con el metano, con potencial para capturar y reutilizar carbono, aunque su eficiencia suele ser menor y demanda temperaturas y presiones más altas.
| Parámetro del SMR | Valor |
|---|---|
| Presión | 20 – 30 atmósferas |
| Temperatura | 700 – 1100 °C (≈ 900 °C) |
| Catalizador | Base de níquel |
| Energía reacción principal | +191,7 kJ/mol (endotérmica) |
| Reacción global | CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 |
| Eficiencia | 70% – 85% |
El CO2 liberado puede separarse porque la producción se concentra en una sola planta. Se inyecta en reservas de petróleo o gas agotadas mediante proyectos de captura, uso y almacenamiento de carbono (CCUS). StatoilHydro lo hizo en el Mar del Norte, en el campo de gas Sleipner, y en el noroeste del Reino Unido se desarrolla la red de hidrógeno HyNet. En la mayoría de casos, sin embargo, el CO2 acaba en la atmósfera, aunque también puede aprovecharse como subproducto en el procesamiento y envasado de alimentos.
Una vía distinta dentro del mundo de los hidrocarburos es el Proceso de Kværner, desarrollado en los años 80 por la compañía noruega del mismo nombre. Produce negro de carbón e hidrógeno a partir de metano, gas natural o biogás mediante pirólisis. La reacción es CH4 → C + 2H2 + 74,8 kJ/mol. De la energía disponible, el 48% queda en el hidrógeno, el 40% en carbón activado y el 10% en vapor sobrecalentado. Ese perfeccionamiento permitió aplicarlo a gran volumen y bajo coste, dando lugar al llamado hidrógeno turquesa. El carbón, por su parte, puede convertirse en syngas mediante la gasificación del carbón, un proceso muy contaminante si el CO2 se libera libre a la atmósfera, clasificado como hidrógeno negro o marrón.
“La electrólisis renovable solo representa hoy el 2% de la producción global, pero es la vía clave para el hidrógeno verde”
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