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Energía

Reforma energética

Las alternativas para abastecer con hidrógeno a los futuros vehículos y a los generadores de energía eléctrica

Un gran cambio energético está programado para iniciarse en la próxima década, cuando el hidrógeno deberá convertirse en un importante combustible para generar energía eléctrica y mover vehículos, sustituyendo así al gasoil y la gasolina, por ejemplo. La preparación de este nuevo escenario ocupa a varios institutos de investigación, a todas las ensambladoras de la industria automovilística, a las empresas petroleras y de energía de todo el planeta. Motivos para el uso del hidrógeno no faltan: los precios del barril de petróleo alcanzaron la marca de 78 dólares en julio, mientras que no superaban los 40 dólares en el año 2000, y la necesidad de disminución de la contaminación atmosférica. El uso de ese gas, formado por dos átomos (H2) ayuda a disminuir la presencia de otro gas, el carbónico (CO2), producido por la quema de los combustibles derivados del petróleo, también llamado dióxido de carbono, el principal causante del efecto invernadero, fenómeno que puede elevar la temperatura planetaria y promover diversos problemas ambientales y de salud pública.

Con el avance de las células de combustible, que de manera similar a una batería producen energía eléctrica a partir del hidrógeno y pueden ser instaladas en un automóvil o en un generador fijo, esta nueva opción energética gana terreno en centenas de proyectos tecnológicos. En Brasil, una de las líneas de investigación busca desarrollar un equipamiento, llamado transformador, para aprovechar la producción de etanol (CH3CH2OH) de caña de azúcar, el alcohol encontrado en las gasolineras. Del etanol es posible extraer el hidrógeno, que no se encuentra en la naturaleza de forma aislada, en grandes cantidades, aunque sea el elemento más presente en el Universo, desde las estrellas al agua (H2O). Este mecanismo sortea la dificultad de obtención del hidrógeno. El primer grupo de investigación en finalizar un transformador está en el Laboratorio de Hidrógeno (LH2) del Instituto de Física de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), ligado al Centro Nacional de Referencia en Energía del Hidrógeno (Ceneh).

Los transformadores desarrollados por el LH2, también existentes en versiones que extraen hidrógeno del gas natural (CH4), comienzan a ser instalados en comunidades aisladas de la Amazonia, Mato Grosso, en el Hospital de Clínicas de la Unicamp y en experimentos con empresas productoras de energía eléctrica como la Compañía Paulista de Luz y Fuerza (CPFL). Los objetivos son diferentes, pero la intención final es evaluar el costo-beneficio del nuevo sistema. Con la CPFL-Piratininga nosotros trabajaremos en la integración de un transformador con una célula a combustible producida por un fabricante brasileño, la UniTech, empresa de la ciudad paulista de Cajobi (lea en Pesquisa FAPESP n° 70  y 103), con 2 kilovatios (Kw.) de potencia, a ser instalada en una residencia aún no definida, comenta el profesor Ennio Peres da Silva, coordinador de LH2 y secretario ejecutivo de Ceneh. En este caso, el transformador será de gas natural, igual a otro que será instalado en la comunidad de Arixi, en la ciudad de Anamã, estado de Amazonas.

La comunidad, de 600 habitantes posee energía eléctrica producida por un generador de diesel, combustible que llega al municipio vía barco por el río Amazonas. El gas natural, que va a producir hidrógeno para una célula de combustible importada, dispondrá de una conexión con el gasoducto de Petrobras que pasa cercano. El proyecto forma parte del Programa de Producción de Energía Alternativa a partir de Células de Combustible y Gas Natural del Estado de Amazonas (Celcomb) y es financiado por el Ministerio de Minería y Energía y por el Fondo Sectorial de Energía (CT-Energ), por valor de 500 mil reales, y cuenta con la coordinación del profesor Carlos Alberto Figueiredo, de la Facultad de Tecnología de la Universidad Federal de Amazonas.

En Mato Grosso, en un proyecto con la empresa Centrales Eléctricas del Norte de Brasil (Electronorte) y la Universidad Federal de Mato Grosso, el LH2 va a instalar, a comienzos de 2007, un transformador de etanol y una célula de combustible en una comunidad cercana a Cuiabá. La empresa dispondrá de alcohol provisto por la Asociación Industrial de Azúcar y Alcohol del Estado de Mato Grosso (Sindialcool). En otro proyecto con la CPFL, el LH2 va a instalar una célula de combustible en el hospital de Unicamp para ensayos comparativos con otros sistemas de generación de energía eléctrica basados en el gas natural (micro turbinas y paneles fotovoltaicos abastecidos por energía solar). Para esos tres proyectos estamos importando las células porque las empresas que producen esos equipamientos en Brasil aún están en fase de prototipo y con precios más altos que los importados. Además de Unitech, en el país existen Electrocell (lea en Pesquisa FAPESP n° 92 y 104), de São Paulo, y lNovoCell, en la ciudad de Americana. Peres ya había comprado una célula importada para equipar la van Vega II finalizada en 2004, montada sobre el chasis de una Kombi, y alimentar 20 baterías, suficientes como para accionar el motor eléctrico de dicho vehículo.

Si los investigadores están importando células, por lo menos por ahora, mientras las empresas nacionales se preparan para proveer, en un futuro próximo, generadores de energía eléctrica de hidrógeno para las residencias e industrias, el camino inverso también está haciéndose en el caso de los transformadores. Un transformador de etanol se le vendió al Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (Inta) del Ministerio de Defensa de España, que también investiga este mismo tema, cuenta Peres. Para hacer viable comercialmente el prototipo del transformador, que contó con financiamiento de un proyecto temático de la FAPESP, y proveer el equipamiento para los proyectos del LH2, se creó la empresa Hytron, con alumnos vinculados al laboratorio. La empresa tiene el objetivo de dar una característica de producto al transformador, además de dar garantías y ofrecer asistencia técnica, dice Peres. El producto, que viaja para España al fin de año, costó 150 mil reales a los españoles. En Hytron son 12 personas, siendo tres doctores, seis másteres y cuatro que cursan maestrías, que también brindan consultoría en el área energética, dice Paulo Fabrício Palhavan Ferreira, uno de los socios de Hytron, empresa instalada en la incubadora de empresas de la Compañía de Desarrollo del Polo de Alta Tecnología de Campinas (Ciatec).

El costo de la electricidad – La Hytron, que recibe financiamiento del Programa Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (Pipe), también está desarrollando proyectos de electrolizadores, equipamientos para la producción de hidrógeno a partir del agua. Dicho proceso, denominado electrólisis, es la manera más fácil de producir hidrógeno, rompiendo las moléculas de agua por medio de una corriente eléctrica. El problema radica en el alto costo de ese procedimiento, que utiliza energía eléctrica para producir la electrólisis, resultando en la misma energía eléctrica en la otra punta del sistema.

Los transformadores, en cambio, no gastan energía eléctrica para funcionar. Se comonen de reactores donde la reacción química del combustible (etanol, gas natural, gasolina etc.) con el aire libera calor y activa la reforma. También en el reactor el mismo combustible reacciona con el agua para producir hidrógeno. Resulta una mezcla de gases que deben ser purificados y separados. Estos artefactos tendrán una función importante en la futura economía del hidrógeno. La idea es instalarlos en las estaciones de servicio, transformando cualquier tipo de combustible fósil (gasolina, diesel, gas natural) o de biocombustibles (etanol, biodiesel) en hidrógeno para abastecer los vehículos, explica el profesor Peres. Esto se basa en el hecho de que las células de combustible ciertamente deberán equipar a los automóviles en lugar de los motores de combustión actuales.

La japonesa Honda, por ejemplo, lanzó el FCX (FC de Fuel Cell, el nombre de la célula de combustible en inglés) en Japón y en Estados Unidos y lo hizo disponible por medio de alquiler para ayuntamientos e incluso para ser el coche de una familia (marido, esposa y dos hijos), en 2005, en la ciudad de Los Ángeles, en el estado de California, donde existe un puesto para reabastecimiento de hidrógeno de la automotriz, además de otros ya instalados o en instalación. Mientras tanto es un auto de demostración, como el Classe A, de Mercedes-Benz, producido en Alemania, que ya posee 60 unidades propulsadas con hidrógeno y en período de prueba hasta 2007, en Europa, América del Norte y Asia. General Motors, con vehículos como el Zafira, y Ford, con el Focus, además de Hyundai, Fiat, Renault y Toyota, también experimentan con vehículos propulsados con hidrógeno.

Otra ventaja de las células automotrices es que esos equipamientos silenciosos poseen el doble de eficiencia energética comparado con la energía insumida por los actuales motores. Si el mismo litro de gasolina usado por un motor actual fuera suficiente para recorrer 10 kilómetros (km), con la célula el trecho recorrido sería de 20 km. Con los transformadores y los automóviles gastando menos es más fácil para la industria del petróleo contribuir a la disminución de los gases invernadero, mejorando así la situación del aire, dice Peres. El hidrógeno es de este modo una buena alternativa al Protocolo de Kyoto, el acuerdo mundial que estipula reglas para la reducción de los gases de efecto invernadero, principalmente el CO2, en todo el planeta.

Son importantes para ese escenario los estudios de la Agencia Internacional de Energía (IEA en la sigla en inglés) que indican la disminución a partir del 2010 de las reservas de petróleo de los países productores, pero que no pertenecen a la Organización de Países Exportadores de Petróleo (Opep), como Estados Unidos, Rusia y Noruega.

En las décadas siguientes las reservas de la Opep también comenzarían a caer. Si no se descubrieran nuevos yacimientos, la tendencia de la producción es disminuir y comenzar a escasear, resultando en más aumento de precios. Todo esto sumado a las previsiones de aumento del consumo debido al crecimiento económico de los países en desarrollo, principalmente China.

Estudios de análisis y previsión sobre vehículos propulsados con hidrógeno, incluso de AIE, indican que éstos deberán ingresar definitivamente en el mercado en 2025 y en 2050 ocuparían el 30% del mercado mundial, estimado en 700 millones de vehículos. Así, en ese contexto global, el producir hidrógeno es fundamental. Actualmente, sólo se utiliza industrialmente para la producción de amoníaco, materia prima empleada en la fabricación de fertilizantes, en la producción del gasoil y en la industria alimenticia en la preparación de grasa vegetal hidrogenada, utilizada en la fabricación, sobre todo, de margarinas, galletas y chocolates.

El uso energético del hidrógeno incluye la disminución de los gases de efecto invernadero, incluso con el uso de un transformador que, por medio de una reacción química dentro de su reactor, rompe las moléculas del gas natural o aun del metanol (derivado del petróleo o de la madera), liberando CO2. Con un transformador fijo, en una estación de combustible y al lado de un generador de una industria, por ejemplo, este gas puede ser recuperado al pasar por transformaciones químicas como la acidificación, o procesos de adsorción (retención de moléculas de una sustancia en la superficie de un sólido), siendo después colocado en tuberías para ser transportado, comprimido, a un pozo en el suelo, en lugar de liberárselo en la atmósfera.

La investigación de transformadores de combustibles en Brasil es importante porque ellos, tanto podrían instalarse en estaciones de servicio como en generadores estacionarios. Con un punto de gas natural es posible tener energía eléctrica para una casa, por ejemplo, con un generador de célula de combustible del tamaño, hoy, de un lavarropas. De este modo los transformadores están en la fase de desarrollo de otros grupos de investigación en Brasil, como dos de Coordinación de los Programas de Posgrado de Ingeniería (Coppe), de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ). Nosotros desarrollamos un proceso capaz de mejorar y hacer más eficiente la reforma del gas natural y del etanol, dice Paulo Emílio de Miranda, coordinador del Laboratorio de Hidrógeno de Coppe.

El grupo desarrolló y patentó un reactor usado en transformadores que funcionan en base a pirólisis de plasma, un sistema que no usa vapor de agua ni catalizadores (sustancias que aceleran la reacción química), como en los métodos tradicionales, y si un gas ionizado, donde coexisten iones positivos y electrones. La temperatura elevada disocia las moléculas del combustible utilizado. En ese sistema no se producen los gases CO2 ni monóxido de carbono (CO). El carbono existente en esos combustibles se transforma en un residuo sólido llamado negro de humo, que es una de las materias primas del neumático, dice Miranda.

También en la Coppe, el profesor Martin Schmal y su grupo desarrollaron catalizadores y reactores para transformadores de gas natural y de etanol. Nuestra intención es producir el máximo de hidrógeno con el mínimo posible de CO2y de CO, dice Schmal. Ya patentamos catalizadores que son muy eficientes y hoy son objeto de deseo de países como China. Para Schmal, los transformadores para células de combustible aún no tienen una solución lista a nivel mundial. Varias investigaciones están siendo realizadas para encontrar un camino más eficiente y menos costoso.

Red local
Río de Janeiro posee otro centro de desarrollo de tecnología para la energía del hidrógeno que está en el Instituto Nacional de Tecnología (INT), ligado al Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT). El grupo coordinado por el investigador Fábio Bellot Noronha trabaja en varios proyectos de desarrollo de transformadores de etanol con la Coppe y en colaboración con el Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen), del MCT, y el Centro de Investigaciones de Energía Eléctrica (Cepel), que le compró recientemente una célula a la empresa paulista Electrocell. Desarrollamos tecnología para la producción de hidrógeno a partir del gas natural, en un trabajo financiado por Petrobras, que adquirió una patente, dice Noronha.

La llamada economía del hidrógeno, que está siendo programada en todo el planeta, va a traer aparejados algunos aspectos inusitados hasta el momento, como la posibilidad de descentralización energética. Una de las alternativas es mantener, dentro de una residencia, una célula de combustible generando energía eléctrica a partir de gas natural. En horarios de poco consumo en la casa, la noche o durante viajes del propietario, será posible proveer electricidad para la red local. De esta manera, cada casa podría además de ser un consumidor generar electricidad y venderla a la compañía de electricidad local que, a su vez, dependería menos de la energía eléctrica traída de lejos, de las centrales hidroeléctricas o de las termoeléctricas.

En otros casos, las industrias y las propias compañías hidroeléctricas tendrían otras ventajas. Una industria láctea que estamos estudiando produce entre sus efluentes 67% de metano (CH4), gas que también compone el gas natural, y de 3 a 8% de ácido sulfhídrico (H2S). Al retirar ese ácido con un filtro de carbón activado o un filtro de hidróxido de hierro, que estamos desarrollado, el gas resultante podría usarse en un sistema de conversión para producir hidrógeno y energía eléctrica para la propia industria, comenta el profesor José Luz Silveira, coordinador del Grupo de Optimización de Sistemas Energéticos (Gose) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Estadual Paulista (Unesp) de Guaratinguetá. Silveira también desarrolla investigaciones con transformadores. A principios de julio entregó un prototipo para la Compañía Energética de Minas Gerais (Cemig), en un proyecto financiado por la propia compañía y supervisado por la Agencia Nacional de Energía Eléctrica (Aneel).

Otras dos grandes compañías brasileñas también estudian el uso energético del hidrógeno. Una es Petrobras, que está invirtiendo un millón de dólares anualmente desde el 2000 en investigación y desarrollo, tanto en su Centro de Investigaciones de Petrobras (Cenpes), como en colaboración con institutos de investigación. El hidrógeno despunta como energía alternativa viable para el país, y para que nosotros, como una compañía de petróleo que se transformó en una compañía energética, desarrollemos estudios para evaluar todas las oportunidades de futuros negocios para la empresa, dice Maria Helena Troise Frank, consultora de gerencia de gas y energía de Petrobras.

La compañía estudia alternativas para producción, almacenamiento, puestos de abastecimiento, logística de distribución, usos y aplicaciones del hidrógeno, incluso porque la empresa ya posee conocimiento en el área al producir 500 toneladas de hidrógeno por día, a partir del gas efluente de las refinerías, usadas para la producción de gasoil y de amoníaco. Estamos investigando y analizando todas las posibilidades de las células de combustible tanto desde el punto de vista automotriz como de la producción de sistemas para la generación de energía eléctrica, dice Paulo Fernando Isabel dos Reis, coordinador del área de células de combustible de Petrobras. La empresa también apuesta a la producción de hidrógeno por medio de biomasa, que es la gasificación, por procesos termoquímicos, del bagazo de caña, briquetas de madera y otros compuestos orgánicos de desechos industriales, por ejemplo. El Brasil tiene vocación para eso, somos la Arabia Saudita de la biomasa, dice Reis.

Otra gran empresa que estudia el uso energético del hidrógeno es Itaipú Binacional. Según la época del año, en el período de inundación de sus reservorios, la empresa produce 3 mil megavatios, energía suficiente para decenas de pequeñas ciudades, que no es aprovechada por falta de líneas de transmisión o por no haber demanda. Una de las ideas es producir hidrógeno por medio de electrólisis y a un costo bajo al lado de la Central de Itaipú, en el Paraná. Ese hidrógeno, inicialmente podría ser para uso industrial y más luego, por medio de tuberías específicas, llegar a las estaciones de servicio de combustible para abastecer los futuros vehículos a hidrógeno.

El corazón de la célula
La electrólisis también es una opción para la producción de hidrógeno en que se basa el equipo de los profesores Roberto Fernando de Souza y Jaírton Dupont, del Instituto de Química de la Universidad Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS). Ellos desarrollaron contando con el apoyo económico de la Compañía Estadual de Energía Eléctrica (CEEE) de Río Grande do Sul un nuevo sistema de electrólisis que separa el hidrógeno del agua utilizando un líquido iónico, una sustancia orgánica conductora de electricidad llamada de sales de imidazol. Además de la electrólisis común, este líquido puede utilizarse en el corazón de la célula de combustible, dice Souza. Se refiere a los electrolitos de la célula que ponen en contacto los electrodos, donde el hidrógeno y el oxígeno reaccionan generando electricidad. Actualmente existen dos tipos de célula más investigados para el uso comercial: una que usa una membrana de polímero, las llamadas células PEM, sigla en inglés de Membrana de Intercambio de Protones, y las células de óxido sólido, o Sofc (de la sigla en inglés, Solid Oxide Fuel Cell), de electrolito formado por varios tipos de material cerámico. Depositamos una patente cubriendo el uso de líquidos iónicos para electrólisis del agua y otra para uso del mismo material fluido en células a combustible. Tenemos la convicción de que la electrólisis es el mejor camino para no seguir contaminando el planeta, dice Souza. La electrólisis del agua es la manera más fácil de obtener hidrógeno de alta pureza, tanto a partir de energías renovables como de las hidroeléctricas durante la noche, cuando el consumo disminuye, y también por medio de energía eólica o solar.

Ómnibus brasileño con H

Al final de 2007 un ómnibus propulsado con hidrógeno deberá circular en la línea que une los barrios paulistas de São Mateus y Jabaquara, un trayecto de 33 kilómetros, que también pasa por los municipios de Diadema, São Bernardo do Campo, Mauá y Santo André. El ómnibus será montado en Brasil por un consorcio de empresas nacionales y extranjeras y su anuncio se concretará el próximo mes de agosto. Bajo la coordinación de la Empresa Metropolitana de Transportes Urbanos (EMTU), de la Secretaría Estadual de Transportes, el proyecto contará con financiamiento de Global Environment Facility (GEF), del Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (Pnud), por valor de 12,5 millones de dólares. La contraprestación brasileña y la organización del consorcio son del Ministerio de Minería y Energía (MME), que, por medio de la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep), invertirá otros 3,5 millones de dólares.

La primera versión de ese proyecto debería implementarse en 2002 con ómnibus que llegarían de Europa. Ahora nosotros vamos a ensamblar el ómnibus y toda la infraestructura para producir hidrógeno vía electrólisis de agua, además de adquirir conocimiento en el montaje, costo, operación, mantenimiento y seguridad de ese tipo de vehículo, dice Márcio Schettino, gerente de desarrollo de EMTU. La idea es montar el primero, y, en 2008, montar cuatro ómnibus más.

En Río de Janeiro, otro autobús impulsado a hidrógeno está en construcción. El proyecto es una iniciativa de la Coordinación de los Programas de Posgrado de Ingeniería (Coppe), de la Universidad Federal de Rio de Janeiro (UFRJ), Petrobras y Finep. Será un ómnibus híbrido que funcionará solamente con la célula de combustible o con un motor eléctrico por medio de un conjunto de baterías recargadas por la célula, explica el profesor Paulo Emílio de Miranda, coordinador del proyecto. El hidrógeno será obtenido a partir del gas natural de Petrobras. El proyecto cuenta también con la empresa de carrocerías Buscar, de la ciudad de Joinville, Santa Catarina, y de Eletra, empresa de São Bernardo do Campo, que produce ómnibus con tracción eléctrica (Lea en Pesquisa FAPESP nº 92). Experimentos similares ya se han hecho en Europa y en Estados Unidos. El europeo duró dos años y terminó este año con 30 ómnibus en diez ciudades europeas. Y los resultados fueron muy alentadores, sin ningún problema en términos operacionales y de seguridad, dice Schettino.

Itinerario hasta 2030

En 2010 Brasil deberá iniciar la producción comercial de hidrógeno a partir de la reforma de gas natural y en 2020 será el turno del etanol. Estas dos previsiones están presentes en la versión beta (aún no definitiva) del Itinerario para la estructuración de la economía del hidrógeno en Brasil, que recibió la colaboración de 115 profesionales, entre investigadores de instituciones científicas y tecnológicas y de empresas. La coordinación general del itinerario es del Ministerio de Minería y Energía (MME) y la integración técnica del Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT). Este itinerario llevará probablemente en 2007 a un programa nacional de producción y utilización del hidrógeno. Estamos definiendo las rutas que interesan a Brasil y que pueden generar beneficios sociales y económicos, además de estudiar las tecnologías relacionadas, dice Mauricio Pereira Cantão, investigador del Instituto de Tecnología para el Desarrollo (Lactec), de Curitiba, Paraná, y consultor de planificación.

Es probable que en 2030 el hidrógeno tenga una buena participación en la matriz energética del país, dice Adriano Duarte Filho, coordinador general de tecnologías sectoriales de MCT. Nuestra intención ahora es generar fuentes de conocimiento, crear patentes y no solamente importar modelos hechos, dice Duarte Filho. El MCT, desde 2002, mantiene el Programa Brasileño de Sistemas Células de Combustible. Recientemente sufrió modificaciones, fue ampliado y ahora recibe el nombre de Programa de Ciencia, Tecnología e Innovación para la Economía del Hidrógeno. En este año el programa ya implementó tres redes de investigación agrupando, en un plazo de tres años, 34 laboratorios y 20 universidades por un valor de 29 millones de reales.

Los Proyectos
1. Análisis técnico, económico y ambiental del uso de la caña de azúcar para la generación sostenible de energía eléctrica (nº 01/14302-1); Modalidad Proyecto Temático; Coordinador José Goldemberg – USP; Inversión R$ 1.092.212,30 (Total FAPESP) y R$ 125.700,00
2. Desarrollo y optimización de unidad integrada de reforma de etanol para producción de hidrógeno (nº 05/50908-2); Modalidad Programa de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (Pipe); Coordinador João Carlos Camargo – Hytron; Inversión R$ 42.980,00 y U$S 7.100,00 (FAPESP)

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