La producción de hidrógeno y su uso como material motriz para el transporte en Costa Rica es un tema de discusión en espacios públicos que se ha acrecentado en los últimos meses.
La razón del debate es la aparente novedad paradigmática de la propuesta. Algunos espacios de discusión han incluido el asunto tanto desde el ámbito institucional, como en los sectores profesional y empresarial.
Un aspecto llamativo de los sucesos es la firma de la directriz número 002-Minae que fue firmada el 8 de mayo de 2018, por el Presidente de la República Carlos Alvarado Quesada y por el Ministro de Ambiente y Energía Carlos Manuel Rodríguez Echandi. Esta acción exhorta “… a las instituciones que comprenden el sector de ambiente y energía para que, dentro del marco de sus competencias, desarrollen un plan de acción a fin de propiciar la investigación, la producción y la comercialización del hidrógeno como combustible (sic)”. A la letra muerta de la directriz, la indicación es interesante. Sin embargo, ésta debe ser analizada desde el punto de vista integral para la conveniencia nacional y dentro de las posibilidades tecnológicas y la economía de escala del país.
Los suscritos pedimos que los aspectos científico y tecnológico sean el marco de la consideración presidencial (y eventualmente legislativa), para lograr de esta manera la óptima comprensión de las consecuencias de esta iniciativa, que compromete a instituciones públicas y a los recursos estatales, para una acción que es de dudoso éxito.
A continuación, indicamos una serie de consideraciones fundamentales desde el punto de vista físico, químico y de ingeniería, que deben ser tomadas en cuenta para la formulación de políticas relativas al uso de hidrógeno en vehículos eléctricos de celdas de combustible en este país, así como la eficiencia de producción de hidrógeno por electrólisis del agua.
1. Como primer punto debe entenderse que el hidrógeno no es un combustible, ni fuente de energía. Este material es un vector energético, es decir, una sustancia que acarrea la energía usada en su producción, para luego ser parcialmente reconvertida en una forma útil, como por ejemplo electricidad.
Esta aclaración no es una simple formulación semántica, sino que tiene un profundo significado económico y termodinámico.
2. El hidrógeno no es un componente de la mezcla de sustancias que constituyen el petróleo. No es entonces como se ha dicho que es un hidrocarburo, ni un derivado del petróleo. Esto último fue una aclaración solicitada por el expresidente Luis Guillermo Solís Rivera, en misivas enviadas a la Academia Nacional de Ciencias y al Centro de Electroquímica y Energía Química de la Universidad de Costa Rica, con fecha 2 de mayo de este año.
3. Más del 90 % de la producción industrial de hidrógeno (H2) en el mundo se realiza principalmente por medio de la descomposición del metano contenido en el gas natural y también como subproducto de la elaboración de materias primas para la industria de plásticos. Deseamos analizar esta metodología usando la ecuación química que describe el primer proceso mencionado,
Metano + 2 H2O ® CO2 + 4 H2
Este proceso industrial es muy intenso en consumo energético, ya que ocurre a altas temperaturas (700 °C – 1000 °C) y altas presiones (hasta 25 veces la presión atmosférica normal). Si la selectividad química del proceso, tal como lo indica la ecuación química anterior fuera de 100%, se esperaría que por cada tonelada de H2 se produjera 5,5 toneladas de CO2. En la realidad del proceso industrial, se produce de 9 a 12 toneladas de CO2 por cada tonelada de H2. Este dato compromete la sustentabilidad ambiental de la metodología global más importante para la producción de hidrógeno, lo que hace legítimo considerar otros procesos químicos industriales, no solo por el aspecto de emisiones de carbono asociadas sino por el costo energético que demanda, que resulta ser de un mínimo ideal de 5,7 kWh por cada kilogramo de H2 obtenido.
4. La iniciativa apadrinada por el Gobierno de la República para la producción de H2 es la descomposición del agua por medio de energía eléctrica (electrólisis del agua). El planteamiento es ambientalmente incompleto en las condiciones de economía de escala de Costa Rica; pues solo considera que el producto final del uso del hidrógeno en una celda de combustible es vapor de agua y no los otros gases atmosféricos que contribuyen al efecto invernadero y al calentamiento global (CO2, metano y otros).
5. La producción de H2 por electrólisis de agua es obviamente un proceso que requiere gran inversión de energía, ya que el agua es una sustancia muy estable. De igual manera que para el caso anterior, basta un análisis fundamental de este proceso electroquímico para considerar la factibilidad de la iniciativa en el contexto costarricense,
H2O ® H2 + ½ Oxígeno
Si el proceso de electrólisis del agua ocurriera a 25 °C y 1 atmósfera de presión, el consumo de energía sería equivalente a 39,7 kWh por cada kilogramo de H2 producido. Este costo energético sería equivalente al consumo de energía eléctrica durante casi cinco días de una familia que usa 250 kWh mensuales. Bajo las mismas condiciones ideales se debe vencer el costo de entropía intrínseca del proceso, que es un 17 % adicional.
No debe olvidarse que la tensión eléctrica real necesaria para la electrosíntesis de H2 debe considerar los sobrepotenciales necesarios según el tipo de equipo industrial usado. No se incluyen tampoco los costos económicos de las sustancias necesarias para el acondicionamiento químico previo del agua que se requieren en esta electrólisis industrial, así como otras sustancias empleadas en este proceso electroquímico y el desgaste de electrodos y membranas.
Además, debe tenerse en cuenta que estas cifras no comprenden costos energéticos adicionales como son disipación de energía eléctrica como calor, costo de captura y compresión del H2, almacenamiento, transporte y fugas; así como el alto precio de los vehículos movidos por hidrógeno y la necesidad de instalar un sistema de estaciones de producción y de reparto del H2 in situ, solo para mencionar algunos.
Para compensar los costos indicados, se hace irrebatible que el ámbito industrial del H2 pertenece a escenarios con favorable economía de escala, básicamente basados en su producción a partir de gas natural o como subproducto de la fabricación de materias primas para materiales plásticos, tal como ocurre en los Estados Unidos.
6. Los proponentes de esta iniciativa para incluir la producción y uso de hidrógeno en un plazo corto, en lo relativo al transporte en Costa Rica, han preguntado las razones del por qué se la califica como cara y por lo tanto ineficiente en nuestro escenario tecno-económico. La respuesta es clara a la luz de lo expuesto anteriormente. No parece que exista un claro modelo de negocios para esta iniciativa.
Recientemente se dijo que como los productos de la electrólisis del agua son hidrógeno y oxígeno, este último se puede comercializar también en el nicho de mercado médico. El oxígeno usado en Costa Rica se obtiene por destilación del aire líquido, proceso mucho más barato que por descomposición del agua. El oxígeno ya existe como tal en el aire y no es necesario sintetizarlo a partir de agua.
7. Al igual que en otras partes del mundo, los vehículos de combustión interna seguirán existiendo por varios años. Mientras tanto, biocombustibles por un lado y mejoramiento de todo tipo de vehículos eléctricos irán de la mano con la progresiva renovación de la flotilla mundial. No existe una varita mágica que haga posible la instantánea renovación del parque vehicular en Costa Rica, ni del mundo.
En la realidad de las magnitudes de Costa Rica, los costos energéticos indicados en los párrafos anteriores y su significado económico son irrecuperables.
Conclusión. Como se indicó al principio de este documento, la argumentación expuesta conduce a la necesidad de ser tomada en cuenta, como análisis científico para que constituya la base de las acciones políticas que demande este asunto.
1) Dr. Julio F. Mata Segreda, Catedrático Humboldt 2006
2) M. Sc. Giselle Lutz Cruz, Escuela de Química
3) Dr. Fernando Durán Ayanegui, Rector 1981 – 1988
4) Dr. Edgardo Moreno Robles, Catedrático Humboldt 2012
5) Lic. Leonardo Quesada Román, Unidad de Difracción de Rayos X
6) Dra. Grettel Valle Bourrouet, Escuela de Química
7) Dra. Bárbara Miranda Morales, Escuela de Ingeniería Química
8) M. Sc. Hermes R. Alvarado Montero, Escuela de Química
9) Dra. Ana L. Alvarado Gámez, Directora del Centro de Electroquímica y Energía Química
10) Dr. Diego González Flores, Centro de Electroquímica y Energía Química
11) Dr. Roberto Urcuyo Solórzano, Centro de Electroquímica y Energía Química
12) Dr. Carlos León Rojas, Centro de Electroquímica y Energía Química
13) Dr. Walter Fernández Rojas, Escuela de Física
14) M. Sc. Cindy Torres Quirós, Centro de Electroquímica y Energía Química
15) Dr. Daniel Azofeifa Alvarado, Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales
16) Dr. Orlando Arrieta Orozco, Decano de la Facultad de Ingeniería
17) Dr. Jairo Quirós Tortós, Escuela de Ingeniería Eléctrica
18) Dr. Gustavo Valverde Mora, Escuela de Ingeniería Eléctrica
19) Dr. José David Rojas Fernández, Escuela de Ingeniería Eléctrica
20) M. Sc. Juan Gabriel Monge Gapper, Escuela de Ingeniería Mecánica