Gas Natural vs Hidrógeno, ¿qué es mejor?

El mundo se mueve hacia lo verde y renovable, por lo menos ese es el objetivo que se están marcando las instituciones europeas. A pesar de ello, las inversiones que se realizan en todo el mundo relacionadas con los combustibles fósiles no siguen esa tendencia. Aun así, hay muchos intentos de hacer posible la transición de los combustibles fósiles hacia el hidrógeno. Pero ¿qué es mejor, el gas natural o el hidrógeno?

Aunque el gas natural sea el que menos daña el medio ambiente de entre los combustibles fósiles, hay una gran preocupación en Europa por sustituirlo por otros combustibles de origen natural. Entre estos nuevos combustibles se encuentran el biogás, el bioetanol y por supuesto el hidrógeno. Sin embargo, tenemos que entender que la búsqueda de un sustituto no es únicamente por motivos ecológicos.

Un móvil importante es económico, puesto que los países miembros de la Unión Europea no disponen de reservas de combustibles fósiles. En cambio, otras grandes economías del mundo, como los Estados Unidos, China, Rusia y la India, disponen de reservas de algún tipo de aquellos; gas natural, petróleo o carbón.

Esto hace que Europa y su industria sea muy dependiente de los precios de la energía, mientras que las empresas de esos otros países disponen de energía mucho más barata. Esto favorece y reduce sus costes productivos, haciendo que sean duros competidores de las empresas europeas. Es por ello que una alternativa es generar hidrogeno aprovechando el excedente eléctrico que en determinadas horas se genera con la fotovoltaica.

Sin embargo, para hacer esa transición al hidrógeno debemos tener en cuenta varios aspectos para dar los pasos correctos y con seguridad. 

① Fórmula química

La primera diferencia que encontramos es su composición química, puesto que el hidrógeno es un elemento químico cuya fórmula es H₂ y el gas natural está formado por varios gases. Entre todos ellos, el que tiene mayor proporción es el metano, cuya fórmula química es CH₄.

La ausencia de carbono es un aspecto muy importante, puesto que, al combustionar el hidrógeno con el aire, se forma vapor de agua y calor. Al no desprenderse humos con base de carbono, convierte al hidrógeno en un combustible “verde”, que no provoca el efecto invernadero.

② Peso molecular

La tabla periódica ordena los diferentes elementos químicos en función de su peso molecular. Al observarla, comprobamos que el hidrógeno se sitúa en el primer lugar, lo que nos indica que es un elemento muy ligero. En cambio, el metano tiene un peso molecular de 16. Comparando ambos combustibles, la diferencia de peso lleva aparejado un aumento de la posibilidad de fugas en los depósitos de almacenamiento y tuberías de tránsito.

Es por ello que se debe prestar especial atención a los materiales que se utilizan para reducir las fugas a través de juntas, válvulas o cualquier lugar de sellado dentro de un sistema que contenga hidrógeno comprimido.

③ Velocidad de llama

La velocidad de la llama es un concepto sencillo que nos indica como de rápido se mueve una llama en un espacio, a través de una mezcla de aire y el combustible que aún no se ha quemado.

Imagínate verter una línea de gasolina sobre el suelo y luego encenderla por un extremo. La velocidad de la llama sería la rapidez con la que la llama avanza por esa línea de gasolina en el suelo, hasta llegar al otro extremo.

Teniendo en cuenta que los gases combustionan a una velocidad muy superior a los líquidos, y estos sobre los sólidos, al comprobar la velocidad del hidrógeno, observamos que es casi 10 veces mayor que la del metano. Esto nos indica su peligrosidad, aunque también es una propiedad que puede ser aprovechada en procesos industriales y en máquinas que usen hidrógeno, proporcionando rapidez.

④ Límites de inflamabilidad

Especialmente importantes para su uso como combustible son los límites de inflamabilidad de cualquier carburante, y en especialmente es importante el hidrógeno en este aspecto. Los límites de inflamabilidad, superior e inferior, nos indican en que porcentaje son inflamables al mezclarse con el aire.

Cuando este se mezcla en aire seco a una presión de 101,3 kPa y a una temperatura de 25 ºC, los límites del hidrógeno son de 4,1 % y 74,8 %, para los límites inferior y superior respectivamente. En el caso de la mezcla hidrógeno-oxígeno son de 4,1 % y 94 %. Lo que nos indica que tiene un gran rango de mezcla para explosionar. Siendo mucho mayor que los combustibles fósiles.

Sin embargo, una reducción en la presión por debajo de 101,3 kPa tiende a estrechar el rango de inflamabilidad, aumentando el límite inferior y disminuyendo el superior. Y, aunque esto provoque una reducción del rango de inflamabilidad y, por tanto, de su peligrosidad, aún incluso con pequeñas fugas de hidrógeno, existe un gran peligro de incendiarse o explotar.

 ⑤ Poder calorífico

Una última consideración es el poder calorífico. El poder calorífico más bajo representa cuánta energía se puede obtener de un kilo o de un metro cúbico de combustible. En términos de kJ/kg, el hidrógeno tiene aproximadamente 2,5 veces la densidad energética del metano. Entonces, si quemamos un kilogramo de hidrógeno frente a un kilogramo de gas natural, se obtiene 2,5 veces más energía.

Pero debido a que el hidrógeno es mucho menos denso, se necesita aproximadamente 3 veces el volumen de hidrógeno en comparación con el gas natural para obtener la misma cantidad de energía. Por lo tanto, para obtener el mismo rendimiento del hidrógeno en comparación con el gas natural, sería necesario aumentar la presión del suministro de combustible o aumentar el flujo volumétrico de hidrógeno.

⑥ Temperatura de llama adiabática

La temperatura de llama adiabática es la que emite una llama en el proceso de combustión, suponiendo que no se pierda calor en el proceso. La temperatura de la llama adiabática del hidrógeno es aproximadamente 260 °C más alta que la del gas natural.

Como es lógico, no todos los equipos o componentes sometidos a las temperaturas de la combustión pueden ser capaces de soportar ese aumento de temperatura. Por lo tanto, es muy importante la elección de los materiales, los requisitos de disipación de calor-enfriamiento y la ubicación de los componentes sensibles a la temperatura.

Otra consecuencia de una temperatura de llama más alta es la posibilidad de que se produzca una mayor cantidad de emisiones de NOx. Durante la combustión, la temperatura de la llama y la cantidad de nitrógeno en el aire son factores que contribuyen a la formación de NOx. Por lo tanto, el aumento de la temperatura de la llama del hidrógeno puede aumentar las emisiones de NOx en comparación con la quema de gas natural.

Sin embargo, la producción de NOx procedente de la combustión de hidrógeno puede mitigarse en la mayoría de los casos. Algunas opciones son modificar la combustión, ajustando las proporciones de aire y combustible y controlando los puntos calientes de las llamas, además de aumentar el tratamiento de emisiones en la chimenea, como los sistemas de reducción catalítica selectiva.

Otro aspecto importante para la seguridad de las personas es la invisibilidad de la llama de hidrógeno. Como vemos en la imagen anterior, en la combustión de hidrógeno, se desprenden muy altas temperaturas, que puede llegar a los 4.000 °C. Sin embargo, la llama no es visible y únicamente con una cámara termográfica podemos observar dicha llama.