«Hidrógeno rojo» generado por energía nuclear
El creciente número de vehículos eléctricos en las carreteras está rindiendo dividendos reales a la hora de reducir las emisiones de carbono derivadas de la quema de combustibles fósiles. Sin embargo, generar esa electricidad (y suministrar la cantidad suficiente a las redes eléctricas para abastecer a los coches eléctricos que existen) empezará a convertirse en un problema a medida que más vehículos eléctricos llenen nuestras carreteras. Además, para tener un automóvil realmente ecológico, la electricidad que lo alimenta, al igual que a su hogar, debe provenir de una fuente limpia y neutra en carbono.
En la actualidad, gran parte de la electricidad del mundo se crea mediante la conversión de carbón o gas natural, y estos métodos de generación de electricidad están lejos de ser limpios. Sin embargo, un nuevo e innovador proceso llevado a cabo en Japón podría apuntar a una posible solución a nuestro futuro dilema energético. Utiliza hidrógeno, y no cualquier hidrógeno, sino lo que se conoce como hidrógeno rojo, que se produce mediante el uso de energía nuclear.
Japón es líder mundial tanto en la producción de energía nuclear como en la tecnología del hidrógeno. Hay una verdadera cadena de suministro de hidrógeno en Japón, y los fabricantes de automóviles del país han desarrollado y vendido numerosos vehículos eléctricos de pila de combustible de hidrógeno. Fukushima Hydrogen Energy Research también alberga la planta de hidrógeno verde más grande del mundo, aunque el hidrógeno limpio producido en la planta es muy caro.
Con una meta nacional que alcanzar neutralidad de carbono para 2050, los científicos japoneses sienten que están en lo cierto, con el hidrógeno rojo creado con energía nuclear.
De hecho, después de la energía nuclear, el hidrógeno tiene la densidad de energía específica más alta de todos los combustibles conocidos. Contiene 33,3 kWh/kg, tres veces más energía que la que se encontraría en la misma masa que los mejores combustibles fósiles. El hidrógeno puede quemarse para generar calor o usarse en pilas de combustible para generar electricidad y, en ambos casos, lo único que se libera es vapor de agua, lo que hace que el proceso esté libre de carbono. Sin embargo, debido a que es un gas, el hidrógeno debe comprimirse a presiones muy altas para que sea práctico. Esto dificulta el almacenamiento y el transporte.
Por estas y otras razones, las baterías de iones de litio han tomado la delantera como una alternativa más barata al hidrógeno para alimentar automóviles eléctricos. Sin embargo, muchos consideran que los vehículos con pila de combustible de hidrógeno son lo mejor de ambos mundos, ya que ofrecen una conducción sin emisiones y la ventaja de repostar rápidamente. Los legisladores y fabricantes de automóviles de EE. UU. y Europa han apostado por la tecnología de baterías, mientras que los fabricantes de automóviles japoneses tienen una visión más amplia: piensan que los automóviles con pila de combustible de hidrógeno formarán parte de la combinación definitiva.
En última instancia, tanto los vehículos eléctricos a batería como los de pila de combustible utilizan motores eléctricos, pero en los primeros, la energía proviene de enchufar el automóvil y recargar las baterías, mientras que los segundos utilizan hidrógeno repostado en las estaciones de servicio.
Japón necesita energía
Japón es una isla muy pequeña con enormes necesidades energéticas. Desde la crisis del petróleo de la década de 1970, Japón ha estado a favor de la tecnología del hidrógeno como una solución sostenible y confiable para generar electricidad, además del uso de la energía nuclear.
Muchas industrias, como los sectores del acero, la química y el transporte pesado, no pueden funcionar únicamente con electricidad y requieren quemar algún tipo de combustible. En casos como estos, el hidrógeno es una buena alternativa a los combustibles fósiles. Por ejemplo, la producción de acero representa casi el nueve por ciento del total de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero. Una empresa sueca llamada Acero verde con hidrógeno (H2GS) planea usar hidrógeno en lugar de carbón para producir acero a partir de 2024. Producirá cinco millones de toneladas de acero de alta calidad al año con un 95 por ciento menos de emisiones de carbono que las acerías tradicionales.
En el transporte pesado, como los cargueros marítimos, el uso de hidrógeno podría reducir hasta un 14 por ciento de nuestras emisiones totales de carbono y ofrecer un gran paso hacia la neutralidad de carbono.
Entonces, ¿cuál es el problema? Si bien el hidrógeno se quema limpiamente, es tan limpio como la energía y los procesos que utilizamos para fabricarlo. Y por el momento, el 90 por ciento del hidrógeno del mundo se produce mediante la quema de combustibles fósiles.
Tras el desastre
Japón necesita una cadena de suministro estable para mantener su hidrógeno industria en crecimiento. El hidrógeno rojo, producido a partir de energía nuclear, puede ser la respuesta.
Hay, naturalmente, cierta sensibilidad en Japón con respecto a la energía nuclear. Hace poco más de una década, se produjo un catastrófico desastre nuclear en la central nuclear de Fukushima Daiichi. La central, provocada por el terremoto y el tsunami de Tohoku, sufrió una grave fusión y explosión del reactor. Se liberaron materiales radiactivos a la atmósfera y cientos de miles de residentes japoneses se vieron desplazados. El desastre también llevó a muchos países a reevaluar sus planes nucleares, y muchos países cerraron sus centrales nucleares; por ejemplo, en Estados Unidos, 26 de los 96 reactores nucleares operativos han sido clausurados desde 2011.
En Japón, un país líder en la producción de energía nuclear, se cerraron todos los reactores nucleares y se sustituyeron por la quema de carbón, petróleo y gas natural para cubrir la brecha energética nacional.
A continuación, echemos un vistazo a HTGR
El aumento vertiginoso de los precios del petróleo y la gasolina ha llevado a Japón a reconsiderar el uso de la energía nuclear. Una nueva forma de reactor llamada Reactor refrigerado por gas de alta temperatura (HTGR) ofrece algunas características prometedoras. Las versiones a pequeña escala de estos reactores se han probado desde 1964 y podrían ser la solución para reducir las emisiones de carbono, haciendo que el hidrógeno más limpio cambie las reglas del juego.
Los reactores nucleares utilizan la energía de fisión de la ruptura de átomos pesados como el uranio o el plutonio para generar calor. Ese calor se usa directamente o para hervir agua y accionar turbinas de vapor para generar electricidad. Esta reacción necesita un neutrón para comenzar, pero libera otros tres neutrones, lo que conduce a una reacción en cadena sostenida que produce calor y energía.
Esta forma de reacción nuclear es difícil de controlar; el calor debe drenarse constantemente para evitar una fusión. La mayoría de los 440 reactores en funcionamiento en nuestro planeta son reactores de agua ligera que utilizan agua líquida como refrigerante.
La diferencia de los reactores HTGR es que sustituyen el agua por gas helio como refrigerante. El helio se puede calentar a una temperatura mucho más alta que el agua y, dado que es un gas inerte, tampoco corroe las tuberías del reactor. El reactor puede funcionar a más de 1.800 grados Fahrenheit, en comparación con los reactores de agua ligera, que suelen alcanzar los 600 grados. El calor generado se puede utilizar entonces para alimentar directamente los procesos industriales pesados.
Uno de los usos del calor HTGR es el proceso de reforma con vapor utilizado para producir hidrógeno a partir del metano y otros componentes del gas natural. El uso del calor de un reactor HTGR significa que se puede producir hidrógeno sin utilizar combustibles fósiles, aunque el reformado con gas sigue produciendo monóxido de carbono y dióxido de carbono como subproductos de las reacciones químicas. En general, la producción de hidrógeno con calor de origen HTGR reduce su huella de carbono en aproximadamente un 40 por ciento.
Puedes ver un popular vídeo sobre la innovadora tecnología HTGR de Japón, ¿verdad? aquí en YouTube.
Producción sin emisiones con HTTR
Existen otros métodos que no generan ninguna emisión de carbono y que hacen que el hidrógeno resultante sea completamente limpio.
La electrólisis de vapor a alta temperatura y el proceso termoquímico de separación del agua con yodo y azufre son dos formas en que el hidrógeno puede liberarse de carbono. Los científicos japoneses fueron los primeros del mundo en conectar un reactor nuclear HTGR en funcionamiento a una planta de producción de hidrógeno de ciclo termoquímico. Un reactor de prueba ya estaba en funcionamiento en 2004, y funcionó con éxito durante 50 días a plena potencia en 2010 (la temperatura del refrigerante del helio era de 1.742 grados).
Sin embargo, tras el desastre de Fukushima, el reactor experimental quedó en suspenso. Sin embargo, diez años después, tras aprobar todas las normas de seguridad, el reactor se reinició el 30 de julio de 2021 y ha estado funcionando a plena potencia desde entonces. En febrero de 2022, Mitsubishi Heavy Industries recibió el encargo de construir la mayor planta de producción de hidrógeno de la historia de Japón utilizando el nuevo sistema conocido como Reactor de pruebas de ingeniería de alta temperatura (HTTR).
Esta nueva planta HTTR será la primera vez que se produzcan grandes cantidades de hidrógeno de forma constante, fiable y económicamente viable sin el riesgo de futuras fusiones, gracias a las múltiples características de seguridad. Estas medidas de seguridad incluyen el uso de combustible isotrópico de tres estructuras, que está hecho de pequeños granos de cerámica con un 6 por ciento de óxido de uranio y cubierto con cuatro capas de cerámica altamente resistente. Esta encapsulación atrapa los residuos radiactivos en su interior y hace casi imposible que los residuos se liberen a la atmósfera en caso de accidente.
Pero, ¿qué pasa con los residuos radiactivos?
Si bien hay quienes ven esta tecnología como un punto de inflexión en la búsqueda de la neutralidad de carbono, todavía hay dudas sobre el material radiactivo, que aún debe desecharse una vez utilizado el combustible. Si bien la cerámica contiene combustible de forma mucho más segura, las instalaciones del HTTR seguirán generando residuos nucleares, al igual que lo hacían las tecnologías más antiguas. En la actualidad hay más de 250 000 toneladas de residuos nucleares alojados en túneles subterráneos de todo el mundo, y gran parte de esos residuos seguirán siendo radiactivos durante miles de años.
¿Cómo gestionaremos los residuos radiactivos producidos por esta nueva forma de energía nuclear durante los próximos dos miles de años? Es un tema demasiado complejo para abordarlo en este artículo, pero se puede encontrar más información aquí sobre lo que estamos haciendo con nuestros residuos nucleares radiactivos. Los problemas complejos requieren soluciones complejas. Mantenemos la esperanza de que, con el tiempo, surjan más innovaciones y tecnologías revolucionarias que nos ayuden a avanzar hacia un mundo verdaderamente más ecológico.
