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EL HIDRÓGENO COMODE LOSTRACTORES

La presentación en la SIMA de

París, el pasado mes de febrero,

de un prototipo de tractor

agrícola New Holland NHZ, ha

despertado el interés en el sector

agrícola por el hidrógeno como

combustible.

LUIS IVIÁRQUEZ

Dr. Ing. Agrónomo

unque desde hace al-gún tiempo se vieneexperimentando conautomóviles propulsa-

dos por hidrógeno, el aprovecha-

miento del hidrógeno en tracto-

res parecía más lejano, ya que

habría que contar con estacionesde suministro de este gas en zo-

nas alejadas de los grandes nú-cleos de población. La propuesta

de New Holland, basada en laobtención de hidrógeno en la

propia explotación agraria, cam-biaría el panorama, y haría posi-

ble que los agricultores produje-ran el combustible para sus trac-

tores.Aunque todavía tardará bas-

tantes años en que el sistema

pueda estar operativo, convieneabordar un análisis de la tecnolo-gía disponible, para detectar lasventajas que ofrece y lo quepueden ser los puntos críticosque limitarían su puesta en el

mercado.

EI elemento químicomás abundante

EI hidrógeno es el compues-to químico más sencillo que seencuentra en la naturaleza, yaque está formado por un protóny un electrón. Se presenta comogas en su forma molecular H2(dos átomos de hidrógeno for-man su molécula), y para que pa-se a forma líquida hay que en-

friarlo hasta 259°C bajo cero. Es

el elemento químico más abun-dante del universo, formandoparte de las estrellas en estadode plasma.

En la Tierra, el hidrógeno seencuentra unido a otros elemen-tos, formando otras moléculas, yestá presente en el agua (H20) yen la mayoría de las sustanciasorgánicas.

La reacción con el oxígenoda lugar a la formación de agua,siendo este un proceso de com-

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COMBUSTIBLEAGRÍCOLAS

bustión en el que el hidrógenoactúa como combustible, des-prendiendo calor. Cuando la re-acción se realiza a presión cons-tante y el agua formada se con-densa se liberan 285 kJ deenergía por mol de hidrógeno (2gramos). Esto indica que el po-der calorífico superior del hidró-geno es de 142.5 MJ/kg, y el in-ferior (que es el más importanteen su aprovechamiento comocombustible) de 120 MJ/kg.

Utilizando los poderes calorí-

ficos como referencia con otroscombustibles, se obtiene que 1kg de hidrógeno equivale a 2.78

kg de gasolina, a 2.8 kg de gasó-leo y a 3 kg de gas natural. Por

otra parte, la combustión del hi-drógeno en su reacción con el

oxígeno del aire no contamina,ya que solo produce agua; nuncaC02 como con los combustiblesfósiles que incorporan carbonoen su molécula.

Pero también hay inconve-nientes para utilizarlo, ya que nose encuentra en estado puro ennuestro planeta, por lo que hayque obtenerlo de manera efi-ciente a partir del agua o decompuestos orgánicos, a la vezque se necesitan habilitar siste-mas de almacenamiento parasuministrarlo, teniendo en cuen-ta que se trata de un gas, pocodenso, que reacciona en contac-to con el oxígeno del aire a la vezque desprende calor.

1 Obtención

La forma tradicional utilizada

para la obtención del hidrógenoha sido mediante la electrolisis,

lo que necesita un aporte ener-gético de 285 kJ/mol, igual al

que se desprende en el procesode de combustión del hidrógeno.

Esta energía se aporta de forma

En 1959, Allis-Chalmers desarrolló un iractor (modelo D12) que utilizaba pilas de combusiible conuna capacidad de generar 15 kW de potencia ^roroaccoco^po^anoo^.

eléctrica utilizando dos electro-dos sumergidos en el agua; unánodo en el que se desprende eloxigeno, que emite electrones alcircuito eléctrico y en el que seproduce al oxidación; y un cáto-do en el que se desprende el hi-drógeno, al que Ilegan los elec-trones del circuito eléctrico y enel que se produce la reacción dereducción. La 'comunicación' en-tre los electrodos la realizan losiones H+ (protones) disueltos enel agua.

La obtención industrial del hi-drógeno se realiza a partir de loscombustibles fósiles, ya quecontiene este elemento en su

molécula. EI proceso se conocecomo 'reformado con vapor deagua', aportando energía, ya que

se trata de un proceso que ab-sorbe calor, utilizando un catali-

zador que acelera la velocidad dereacción, obteniéndose como

productos principales hidrógenoy monóxido de carbono (CO1.

Para reducir el consumo deenergía se puede incorporar oxí-

geno (o aire) a la vez que se ali-menta con agua, con lo que elproceso se convierte en ligera-

mente exotérmico. En este pro-ceso también se produce C02

por la combustión de oxígeno, yel resultado final es una menor

producción de hidrógeno.

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Para obtener hidrógeno puro,en uno y otro caso, hay que reali-zar un conjunto de operacionesposteriores que permitan sepa-rar el hidrógeno de otros gasesque lo acompañan.

Otro sistema para producir hi-

drógeno es a partir de la biomasa

de los seres vivos, tanto vegeta-

les (residuos vegetales, cultivosenergéticos...) como animales(purines, residuos de matade-ros...), ya que en ellos abundanlos productos hidrogenados. Si seutiliza esta biomasa para la pro-ducción de gas Ibiogas) se obtie-ne H2 y C02. Aunque en este pro-

ceso se obtiene C02, esto no su-

pone aumento de emisiones a la

atmósfera, ya que el carbono enla materia orgánica previamenteha sido fijado por las plantas en el

proceso de fotosíntesis.

Almacenamiento,transporte ydistribución

Para el almacenamiento apresión se utilizan tanques o ci-lindros de acero que admitenpresiones de hasta 350 bar. Lacantidad de gas almacenado au-menta cuando lo hace la presión

de almacenamiento, por lo que

se buscan soluciones con mate-riales como la fibra de carbono 0de aluminio con capacidad parasoportar presiones de hasta 700bar, lo cual es especialmente im-portante para el trasporte.

Otra alternativa es el almace-

namiento del hidrógeno en esta-

do líquido, a temperaturas infe-

riores a los 253°C bajo cero, paralo que se recurre a tanques es-

peciales capaces de manteneren su interior bajas temperatu-

ras, aunque solo se utilizan cuan-do se necesita maximizar la ca-

pacidad de almacenamiento en

espacio reducido, como en algu-nas aplicaciones de transporte.

Hay otras formas de almace-nar el hidrógeno que todavía hay

que considerar como experimen-tales, como formando compues-

tos (hidruros metálicos) que sonreversibles, y permiten recuperar

el hidrógeno a medida que senecesita, ofreciendo seguridad

para su almacenamiento y mani-pulación (estado sólido a tempe-

ratura y presión ambiental). EI al-to precio y el elevado peso delos componentes del sistemason sus principales desventajas.

Para la distribución generali-zada se necesitaría contar conuna red de estaciones de servi-cio, similar a las actuales para

combustibles gaseosos, quepermitirían el abastecimiento delhidrógeno, de manera parecida acomo ahora se hace con el gascomprimido, lo cual necesitafuertes inversiones y tiempo pa-ra implantarlo.

EI funcionamiento delas pilas decombustible

Las pilas de combustible per-miten transformar directamentela energía química en energíaeléctrica. Para ello utilizan doselectrodos separados por unelectrolito conductor iónico. Los

productos que Ilegan a la pila decombustible son el hidrógeno y

el oxígeno que reaccionan demanera separada; el hidrógenomolecular (H2) se descompone

en el ánodo en dos iones de hi-

drógeno (H+, protones) con des-

prendimiento de dos electrones;en el cátodo reacciona una molé-

cula de oxígeno, con los cuatro

iones de hidrógeno absorbiendo

cuatro electrones para formar

dos moléculas de agua. Para quela reacción tenga lugar, tanto en

el ánodo como en el cátodo, seutilizan catalizadores. Los elec-trones y los protones siguen re-corridos distintos entre ánodo y

cátodo, ya que mientras que los

protones lo hace a través delelectrolito, los electrones lo ha-

cen por un circuito eléctrico ex-terno que acciona el motor delvehículo. En consecuencia, lacombinación del hidrógeno con

el oxígeno se realiza sin que en-tren en contacto.

Desde el punto de vista desus aplicación práctica, se utili-zan unidades de producción deenergía apiladas (pilas de com-bustible), dando lugar a lo que seconoce como un 'stack', que se

incluye en una estructura que ha-ce posible la recepción de los ga-

ses y la disipación del calor ge-nerado, a la vez que dispone delos terminales para utilizar laenergía producida.

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Como ventajas que ofrecenlas pilas de combustible se pue-den destacar su carácter modu-lar, que permiten adaptarse a lademanda de potencia, la alta efi-ciencia energética en la conver-sión de la energía, muy superiora la de los motores de combus-tión interna, y la flexibilidad deoperación en un amplio rango depotencias suministradas, todoello con un muy bajo nivel decontaminación ambiental por ga-ses o ruido.

Las pilas de combustible tie-

nen diferentes características deoperación (temperatura de traba-

jo, tipo de combustible...), y para

su clasificación se recurre al tipode electrolito que utilizan. Lasque se utilizan en vehículo de

transporte son del tipo PEMFC,

en las que el electrolito es unamembrana de polímero sólido;

pueden trabajar a baja tempera-

tura (60-80°C) utilizando hidróge-

no y ofrecen un arranque rápido

y baja corrosión y mantenimien-

to. Se investiga sobre nuevos di-

seños, materiales y tecnologíade conformado de los compo-

nentes de las pilas de tipo PEM,para desarrollar electrodos más

baratos (menor cantidad de plati-

nol.

La p ropuesta de NewHolland

Lo que ha presentado NewHolland, como bien advierte laempresa, es sólo un prototipo,con su correspondiente depósitode almacenamiento para el hi-drógeno, situado en el lugar queocupa el motor en los tractoresclásicos, bajo el cual se sitúanlas pilas de combustible que ali-mentan dos motores eléctricos,un para la transmisión y otro pa-ra la toma de fuerza y serviciosauxiliares.

La estructura general es lade un tractor New Holland de laserie T6000, y indican que pro-porciona una potencia de 75 kW(106 CV) con sistema de transmi-sión por variación continua des-de los motores eléctricos, tantopara la transmisión como para latoma de fuerza.

Con esta situación, el siste-

ma hidráulico sería sustituido por

un sistema eléctrico, más efi-

ciente. En conjunto sería un trac-tor más ligero, aunque habríaque lastrarlo en función del es-

fuerzo de tracción realizado, si-lencioso y sin emisión de gases

por el escape, ya que de la pilade combustible solo se expulsavapor de agua.

^Cuáles son sus limitacio-

nes?. En primer lugar el coste de

la pila de combustible del tipoPEMFC que contiene platino,

aunque éste tiende a reducirse

con la investigación de nuevosmateriales. Otro aspecto a tener

en cuenta es la capacidad del de-

pósito de hidrógeno. Cuando secircula con un vehículo de gas

natural comprimido, práctica-

mente cada 100 km hay que re-

postar. Aunque el repostaje se

pueda hacer en la propia explota-

ción agrícola en la que trabaja el

tractor, esto hay que tenerlo encuenta, ya que se reduce la ca-

pacidad e trabajo.En mi opinión, el punto más

crítico, no imputable al tractor,

es la producción de hidrógenocomprimido y con el suficiente

grado de pureza en la propia ex-

plotación agrícola. La producciónde biogas a partir de materia or-

gánica es relativamente sencilla,

pero purificar este gas para con-

seguir hidrógeno con el grado depureza que necesitan las pilas decombustible del tipo PEMFC noes tan sencillo. Tampoco es fácil

comprimir este hidrógeno paraque la capacidad del depósito de

tractor permita una autonomíaaceptable.

Habrá que esperar a que la

industria del automóvil, una vezque se recupere de la crisis queahora atraviesa, mejore en suconjunto la tecnología del hidró-geno como propulsor de vehícu-los, y a partir de ella Ilegará a lostractores agrícolas.

Esto no quiere decir que los

agricultores no puedan producirenergía a partir de residuos agrí-colas y de cultivos energéticos,

pero para poder alimentar con hi-drógeno sus tractores tendrán

que esperar algunos años. n

BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA

EI hidrógeno y las pilas de combustible.EI recorrido de la energía. Ed.: Junta deCastilla y León y Fundación CIDAUT,año 2007. Publicación basada en lad«umentación del Instituto Catalán dela Energía.

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