Jordi Llorca
Departament d’Enginyeria Química
Universitat Politècnica de Catalunya
L’hidrogen és l’element químic més simple i, en estat gasós, forma una molècula diatòmica composta per dos àtoms d’hidrogen (H₂). La seva combustió genera aigua, fet pel qual Antoine Lavoisier li va donar el nom d’hidrogen l’any 1783, derivat del grec i amb el significat de generador d’aigua. Malgrat la senzillesa aparent de la reacció (H2 + O2 → H2O), aquesta és una de les reaccions químiques amb més densitat energètica coneguda (120 MJ/kg, LHV). Ja l’any 1823, Johann Döbereiner va construir una làmpada basada en la combustió d’hidrogen en presència d’un catalitzador de platí, coneguda com a làmpada hidroplatínica. A Catalunya, durant la industrialització, es va utilitzar àmpliament el gas ciutat, una mescla d’hidrogen i hidrocarburs obtinguda per destil·lació seca del carbó, tant per a l’enllumenat urbà com per a usos industrials, fins a la generalització del gas natural a la segona meitat del segle XX.
A diferència dels combustibles fòssils, la combustió de l’hidrogen és un procés completament descarbonitzat, ja que no genera emissions de CO2. La seva combustió directa en màquines tèrmiques o forns industrials és especialment interessant en sectors amb una elevada demanda de calor, com la indústria ceràmica, del vidre, del ciment o la metal·lúrgia. En aquests casos, l’hidrogen es pot utilitzar tant en estat pur com barrejat amb gas natural per facilitar-ne la implementació progressiva. En aquest sentit, l’hidrogen esdevé una eina clau per a la descarbonització industrial.
L’hidrogen també es pot oxidar en dispositius electroquímics per produir electricitat i calor. Aquests dispositius, coneguts com a piles de combustible, tenen aplicacions en vehicles elèctrics i en l’electrònica de consum, on poden complementar o substituir les bateries convencionals. Un altre ús fonamental de l’hidrogen és a la indústria química. Des de fa dècades s’utilitza massivament en la síntesi d’amoníac mitjançant el procés Haber-Bosch (H2 + N2 ⇄ NH3), base de la producció de fertilitzants, així com en la producció de metanol i en processos de refinació petroquímica. Especialment rellevant en el nou escenari energètic és la reacció entre hidrogen i diòxid de carboni per obtenir combustibles sintètics. Entre aquests processos destaca la metanació o reacció de Sabatier (4H2 + CO2 CH4 + 2H2O), que permet produir metà sintètic. Igualment, mitjançant la reacció de Fischer-Tropsch es poden obtenir combustibles líquids sintètics a partir de l’hidrogen i el CO2, com gasolina, dièsel o combustibles d’aviació sostenibles.
Tot plegat obre unes perspectives extraordinàries, però cal recordar un aspecte essencial: l’hidrogen no és una font d’energia primària, sinó un vector energètic. Per tant, cal aportar energia per produir-lo. Si aquesta energia prové de fonts renovables, l’hidrogen resultant també serà renovable, per exemple mitjançant electròlisi de l’aigua alimentada amb electricitat produïda en parcs solars o eòlics.
En aquest context, l’hidrogen pot actuar com un sistema d’emmagatzematge d’energia per absorbir excedents de producció elèctrica renovable. De fet, constitueix un complement ideal de l’electricitat: mentre que l’emmagatzematge elèctric a gran escala continua essent complex, l’energia química continguda en l’enllaç H–H es pot conservar durant llargs períodes de temps sense pèrdues significatives. A més, l’emmagatzematge i transport de l’hidrogen poden simplificar-se utilitzant derivats químics com l’amoníac, que és líquid a només 10 bar de pressió a temperatura ambient. Això permet disposar de sistemes més segurs i eficients per al transport i la logística associada a l’hidrogen. Tanmateix, perquè tot això tingui sentit des d’un punt de vista energètic i ambiental, és imprescindible que l’hidrogen es produeixi de manera sostenible. Actualment, aproximadament el 94% de tot l’hidrogen que es produeix al món es genera a partir de la gasificació de carbó i la reformació de gas natural, uns processos amb emissions importants de CO2 (uns 8 kg CO2/kg H2 en el cas de la reformació del gas natural).
Vivim un període de transformació profunda en què la transició energètica requereix no només substituir les fonts fòssils per energies renovables i locals, sinó també replantejar la manera com produïm, distribuïm, gestionem i consumim l’energia. I en aquest procés, l’hidrogen pot tenir un paper rellevant. En aquesta línia, la Universitat Politècnica de Catalunya disposa des del 2023 d’una instal·lació singular: un living lab situat a l’Escola d’Enginyeria de Barcelona Est (EEBE), al Campus Diagonal-Besòs, que forma part del Centre Específic de Recerca de l’Hidrogen. En aquest entorn es produeix hidrogen a partir de biocombustibles, residus industrials i electròlisi de l’aigua alimentada amb energia fotovoltaica. Posteriorment, l’hidrogen es comprimeix, s’emmagatzema i s’utilitza al mateix campus per estudiar, per exemple, reaccions catalítiques, com la metanació o la producció de combustibles sintètics, o per generar electricitat mitjançant piles de combustible.
