Un átomo revolucionará el transporte en Costa Rica

Costa Rica aprovecha el hidrógeno para revertir un problema persistente: su dependencia del petróleo.

Foto auto verde: © malp – Fotolia.com

En Costa Rica se quiere renovar el sistema de transporte en el país y ya se dieron los primeros pasos: en Liberia, ciudad ubicada a 220 kilómetros de su capital, corre el primer bus eléctrico de hidrógeno del país.

Como explica el director científico de la empresa a cargo del proyecto ―el físico José Castro Nieto―, el bus es solo uno de los componentes de un ecosistema de transporte basado en energías renovables, con el hidrógeno como protagonista.

“Este ecosistema tiene tres partes: la generación de la energía, la generación del hidrógeno y el uso del hidrógeno. La idea es redirigir la producción de energía a base de hidrógeno —por medio de métodos renovables, como paneles solares y turbinas eólicas— hacia el transporte”, comenta Castro.

La electricidad en Costa Rica es producida “en un 98 % a partir de fuentes renovables, pero el transporte es 100 % dependiente de hidrocarburos y (es) contaminante. La idea es electrificar el transporte aprovechando nuestras energías renovables. Aquí nos hemos enfocado en implementar e integrar la planta que produce, almacena y dispensa el hidrógeno que utiliza el bus, y gestionamos el ecosistema para que el bus pueda operar”, aclaró el experto.

Para el país, pequeño y en desarrollo, este es un logro importantísimo. Es estar un poco más cerca de no depender de la gasolina para mover su economía.

Un uso seguro 

Algunas maneras de obtener hidrógeno contaminan, pues se puede extraer de combustibles fósiles. Pero en Costa Rica el hidrógeno se obtendrá de forma limpia, utilizando la energía solar y la eólica para impulsar el proceso de hidrólisis, que separa los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua. “Las plantas que se instalen en el país para producir, almacenar y dispensar el hidrógeno, conocidas localmente como hidrogeneras, necesitarán condiciones especiales para garantizar su seguridad”, según detalla el científico.

“Uno no tiene instalaciones de hidrógeno en espacios confinados. No puede ser que la producción de hidrógeno esté dentro de un edificio. Los techos de las instalaciones no van a ser de dos vertientes, sino de una sola para que, si hay una fuga del gas, este no se acumule en el vértice del techo”. También es necesario contar con un sistema de captura o de ventilación del gas para evitar su acumulación y un posible accidente.

El hidrógeno es inoloro y no es fácil detectarlo; pero es muy necesario hacerlo ya que es altamente inflamable y volátil. Los gases y vapores inflamables pueden explotar si su concentración está por encima de lo que se denomina límite inferior de explosión. (La concentración es la proporción entre una sustancia disuelta y su disolvente, expresada como porcentaje en volumen).

El límite inferior de explosión de la concentración de hidrógeno en aire es de 4 %. Una concentración mayor ―por ejemplo, producto de una fuga―, sería la antesala a una explosión no controlada.

Para evitarlo existen sensores especializados que usan helio, o una mezcla de gases hidrógeno y nitrógeno como gas de traza. Un sensor electrónico responderá al más mínimo cambio en la concentración de hidrógeno en el aire: si esta se aproxima a un 4 % emite una señal de alerta indicando peligro.

Si el hidrógeno tiene un potencial explosivo tan grande, ¿por qué sería seguro utilizarlo en un vehículo? De acuerdo con el científico entrevistado, todo tiene que ver con la manera en que funciona el motor eléctrico de hidrógeno.

“No es un bus con un motor de combustión, sino uno con motor eléctrico. Los vehículos tradicionales tienen un motor de combustión interna donde la gasolina crea explosiones para mover los pistones, los que a su vez mueven el carro. Los vehículos eléctricos de baterías tienen un motor eléctrico, y la electricidad viene de las baterías donde se almacena. Los vehículos eléctricos de hidrógeno combinan elementos de ambos: también tienen un motor eléctrico pero la electricidad que alimenta al motor viene de celdas de combustible de hidrógeno, también llamadas fuel cells”.

Cuando se va a la hidrogenera, se carga un tanque de hidrógeno en estado líquido.

La celda de combustible en el vehículo toma el hidrógeno que llega en estado gaseoso y entra por un electrodo donde el átomo de hidrógeno se ioniza, perdiendo el electrón que genera la electricidad. Luego, al mezclarse el hidrógeno con el oxígeno del aire, se producen moléculas de agua que salen en forma de vapor por el tubo de escape. Es precisamente la reacción de oxidación del hidrógeno en la celda la que provee la energía para mover al motor. La reacción entre el hidrógeno y el oxígeno es exotérmica, o sea que genera calor.

“En la celda de combustible, el hidrógeno y el oxígeno vienen por tuberías diferentes y se mezclan exclusivamente por un proceso químico dentro de la celda. Por eso no hay un problema de explosión tan grande en los carros de este tipo”, explica Castro.

Con un tanque cargado de hidrógeno, ¿sigue siendo seguro? Afortunadamente, los tanques modernos son altamente resistentes. El hidrógeno es envasado a alta presión a aproximadamente 7 megapascales (MPa). Para garantizar la calidad y durabilidad de los tanques, se obtiene una muestra de tanques y son llenados y vaciados a presión más veces de lo que se usarían normalmente en un vehículo.

Cuando se dispensa o utiliza un fluido como el hidrógeno en un sistema, se usa un manómetro para determinar el nivel de llenado y para verificar si existen fugas en el tanque o en la instalación. El manómetro mide la presión del envase o sistema en megapascales, atmósferas, bares o psi (libras por pulgada cuadrada). En Costa Rica, el Laboratorio Costarricense de Metrología (Lacomet) es la institución encargada de calibrar estos instrumentos, protegiendo así los intereses de los consumidores que adquieren y utilizan el hidrógeno y otros fluidos, como el gas licuado de petróleo.

Lo mejor de dos mundos

Con el bus eléctrico de hidrógeno se obtiene lo mejor de dos mundos: la constancia y fiabilidad de los motores de gasolina, y la limpieza del uso del hidrógeno.

Según explica el experto, “los buses tradicionales tienen una autonomía de 400 km a 500 km, y se recargan de combustible en 5 minutos. Sin importar qué tan lleno esté el tanque, el funcionamiento del bus es el mismo. Luego, tenemos los buses eléctricos. No contaminan, porque son eléctricos, pero su autonomía es menor (aunque la de algunos modelos modernos sí es comparable con la de buses a gasolina o diésel). Sus tiempos de recarga además van de 2 horas a 8 horas, dependiendo de su instalación eléctrica. Y conforme la batería se descarga, su desempeño y su capacidad para suministrar corriente eléctrica disminuye. Los buses eléctricos de hidrógeno tampoco contaminan. Tienen una autonomía de 320 km a 400 km, comparable con los buses tradicionales. Se recargan en hasta 15 minutos y su desempeño no depende del nivel de combustible en el tanque, salvo cuando el tanque está vacío”.

Aparte de tener el único bus de Centroamérica con un motor eléctrico a hidrógeno, la empresa ―que se llama Ad Astra Rocket― también tiene la única hidrogenera. Por esto, el bus solo puede circular a 150 kilómetros a la redonda de la empresa.

Conforme la tecnología sea más común y se logre instalar más hidrogeneras en el país, será más frecuente ver más de estos silenciosos buses, y otros vehículos particulares de motor a hidrógeno, circular sin emitir más que vapor de agua.

Hidrógeno a bajo costo

Este no es el único esfuerzo que se ha hecho en Costa Rica para producir energía aprovechando el potencial del hidrógeno y dejar de depender del petróleo.

En el 2013, una estudiante universitaria de Química ganó un premio por su proyecto para producir hidrógeno a partir de fuentes renovables. Irene Sánchez Villalobos, de la Universidad de Costa Rica, logró sintetizar un catalizador basado en fosfato de cobalto que optimiza la reacción de electrólisis del agua, proceso con el que se obtiene el hidrógeno.

La electrólisis del agua requiere mucha energía para llevarse a cabo, pero el catalizador disminuye la cantidad necesaria para la reacción. El compuesto catalizador es de bajo costo y obtener las materias primas es sencillo, facilitando la obtención de hidrógeno y haciéndolo más accesible para las personas.

El transporte con energías limpias es uno de los grandes retos de Costa Rica. ¡Es emocionante el camino que recorreremos impulsados por el hidrógeno!

Jasson Clarke (Costa Rica)

Más información

Las fuel cells o celdas de combustible suministran un voltaje externo mediante una reacción química, solo que el sistema se alimenta de hidrógeno y oxígeno en lugar de gasolina.

Un mol de gas hidrógeno y medio mol de gas oxígeno se combinan para producir un mol de agua en un proceso que se lleva a cabo a una temperatura de 298 K y a una atmósfera de presión.

Las celdas de combustible se componen de dos electrodos, separados por un electrolito. El oxígeno pasa por uno de los electrodos ―el cátodo, de carga positiva― y el hidrógeno por el otro ―el ánodo, de carga negativa―. En el ánodo, un catalizador hace que el átomo de hidrógeno se separe en iones positivos (protones) y iones negativos (electrones).

Una membrana en el centro de la celda solo permite el paso de protones hacia el cátodo. Los electrones que quedan viajan por medio de un circuito externo al cátodo, creando una corriente eléctrica que es usada para impulsar el vehículo.

Los iones positivos de hidrógeno, por su parte, se combinan con el oxígeno para formar agua, que sale de la celda de combustible en estado de vapor.

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