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Ni diésel ni gasolina, mi coche va con hidrógeno

Todas las gasolineras tienen dos tipos de surtidores: uno para gasolina y otro para diésel. En los últimos años se está empezando a ver un tercer surtidor, los puntos de carga para los vehículos eléctricos. Sin embargo, quizá en unos años empecemos a ver un cuarto surtidor para otro combustible: el hidrógeno. Pero, ¿sabes por qué el hidrógeno se postula como combustible del futuro? ¿Y sabías que se puede producir usando cianobacterias?

Importancia de los combustibles

Aunque con el debido entrenamiento nuestro cuerpo es capaz de levantar cientos de kilos de peso o correr por varios kilómetros, desde el principio de los tiempos nos las hemos ingeniado para desarrollar y emplear sistemas que nos ayudasen con el transporte de mercancías o personas. Los animales fueron nuestro principal medio de transporte hasta el desarrollo de la máquina de vapor y de, unos años más tarde, el motor de combustión. Esto propició el uso masivo de combustibles fósiles, los cuales presentan numerosas desventajas. Por ello se ha planteado reemplazarlos por otras alternativas como biocombustibles, vehículos eléctricos o, la más prometedora y con mayor potencial, el hidrógeno.

Figura 1. Aunque es posible desplazarnos y transportar objetos con nuestro propio cuerpo, son los vehículos a motor, propulsados por combustibles fósiles, los que nos permiten recorrer largas distancias y transportar grandes cantidades de mercancía.
Fuente: 1, 2, 3, 4

El surgimiento de los combustibles

Los animales, nuestros primeros medios de transporte

Los primeros sistemas de transporte se basaron en el empleo de animales con más fuerza y resistencia que los seres humanos, y preferentemente con un carácter dócil para no morir en el intento de aprovecharnos de su potencia. En las regiones árticas, perros, alces y renos se empleaban para tirar de trineos por las blancas estepas mientras que eran los camellos quienes permitían a los beduinos desplazarse por las zonas desérticas del Sahara. Por su parte, los habitantes del Tíbet se valían de yaks para recorrer las tortuosas mesetas y las tribus incas empleaban llamas y alpacas para moverse por el altiplano andino.

Parece que hablamos de civilizaciones antiguas pero, hasta el siglo pasado, en las zonas rurales bueyes, mulas y vacas seguían siendo cruciales para transportar cargas o tirar de aparejos de labranza. También hasta hace bien poco el caballo seguía siendo el medio de transporte por excelencia, ya fuese con una silla de montar o tirando de carruajes o diligencias. De hecho, todavía hoy algunos cuerpos de policía patrullan las calles a lomos de corceles e incluso se sigue usando la palabra ‘caballo’ para medir la potencia de los motores. No obstante, aunque montar a caballo tiene su encanto, resultaba ineficiente cuando se quería recorrer largas distancias o transportar grandes cantidades de mercancía, lo que propició que algunas mentes brillantes ideasen sistemas de transporte más eficientes.

Figura 2. A lo largo de la historia, animales como lobos, camellos, yaks, alpacas, mulas o caballos se han usado para el transporte de personas y mercancías. Fuente: 1, 2, 3, 4, 5, 6

La máquina de vapor y los motores de combustión

Todo cambio a finales del siglo XVIII, cuando James Watt patentó la máquina de vapor, dando pie al comienzo de la Revolución Industrial. Su invención se basaba en generar vapor de agua en una caldera y aprovechar la expansión del vapor para mover unos pistones, lo que generaba energía mecánica que podía usarse para mover máquinas y aparatos como bombas o motores.

Aunque egipcios, griegos y romanos ya introdujeron el uso de velas y mástiles para propulsar galeras, carabelas y fragatas con la fuerza del viento, evitando así la extenuación de los remeros en los viajes marítimos, fue la máquina de vapor lo que revolucionó por completo el transporte. Así, se desarrollaron una gran cantidad de medios de transporte que se basaban en el uso de la máquina de vapor. Locomotoras, barcos o automóviles de vapor fueron los primeros medios de transporte que no requerían valerse de la fuerza de animales o personas para atravesar largas distancias. De esta manera comenzó a utilizarse el carbón como primer combustible, pues era el calor generado por la combustión del carbón lo que se empleaba para calentar agua y generar el vapor necesario para propulsar estos vehículos.

Figura 3. Locomotoras y barcos de vapor fueron los primeros vehículos que permitían transportar mercancías y personas sin necesidad de recurrir al uso de animales. Fuente: 1, 2

Aunque la máquina de vapor mejoró notablemente el transporte, la mejoría fue mucho más notoria con el desarrollo de los motores de combustión interna durante el siglo XIX. Como su nombre indica, estos motores se basan en la combustión, una reacción química por la cual moléculas compuestas por carbono o hidrógeno, que reciben el nombre de hidrocarburos, reaccionan con el oxígeno generando dióxido de carbono y agua, y liberando una gran cantidad de energía en forma de calor. El funcionamiento del motor de combustión es similar al de las máquinas de vapor, solo que en este caso, en lugar de vapor, era la energía generada en combustión de líquidos o gases inflamables como diésel, gasolina, gasóleo o gas natural lo que permitía mover un conjunto de pistones, generando así energía mecánica que permite la propulsión de los vehículos. Comenzaba así el empleo de combustibles fósiles para propulsar vehículos a motor.

Figura 4. Motor Porsche 3512, empleado en la Fórmula 1 en la década de los 90, el cual permite la propulsión de vehículos gracias a la energía generada en la reacción de combustión.
Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Porsche_3512_engine_rear-left_2019_Prototyp_Museum.jpg

Los combustibles fósiles y sus alternativas

Los combustibles fósiles: diésel y gasolina

En los vehículos terrestres, se popularizó principalmente el uso de motores propulsados por diésel y gasolina. Ambos se obtienen del petróleo, el cual se originó por la transformación de restos de plantas y algas acumulados bajo pesadas capas de sedimentos hace millones de años, motivo por el cual reciben el nombre de combustibles fósiles. Ambos son muy similares, pero la principal diferencia reside en que el diésel es más denso y aceitoso que la gasolina, lo que hace que su combustión sea más lenta. Esto hace que sea necesario calentarlo más para que se produzca su combustión y ocasiona que, aunque la combustión sea más lenta que la de la gasolina, la compresión del motor sea mayor y su rendimiento también sea superior, lo que se traduce en un menor consumo de combustible.

Figura 5. El diésel y la gasolina, los principales combustibles fósiles, se obtienen del petróleo. Fuente: 1, 2

No obstante, tanto la gasolina como el diésel presentan desventajas. Por una parte, se trata de recursos limitados, pues ambos se obtienen del petróleo y, aunque todavía hoy las reservas de petróleo en la naturaleza son cuantiosas, tarde o temprano llegará el día en el que se agoten. Por otra parte, la combustión de estos compuestos libera sustancias tóxicas a la atmósfera como óxidos de azufre y nitrógeno y genera grandes cantidades de dióxido de carbono. El dióxido de carbono, aunque no es tóxico, se acumula en la atmósfera y absorbe la energía solar reflejada por el suelo, impidiendo su liberación al espacio y haciendo que se acumule en nuestro planeta. Esto da lugar al conocido como calentamiento global, que tiene graves consecuencias en el clima o la biodiversidad.

Figura 6. El uso de combustibles fósiles tiene efectos perjudiciales sobre el medio ambiente como el calentamiento global.
Fuente: https://www.flickr.com/photos/mpcaphotos/22954066962

Los biocombustibles: biodiésel y bioetanol

Siendo conscientes de las desventajas de los combustibles fósiles, se trabajó en el desarrollo de otras alternativas como el biodiésel o el bioetanol, de los que ya se ha hablado antes en esta plataforma.

El biodiésel se obtiene a partir de aceites y grasas vegetales como colza, girasol, palma o soja mediante una serie de reacciones químicas que reducen su viscosidad mientras que el bioetanol se obtiene a partir de la fermentación de cultivos ricos en azúcares como la caña de azúcar o la remolacha mediante un proceso de fermentación y posterior destilación.

Figura 7. El biodiésel y el bioetanol son los dos principales biocombustibles que existen en la actualidad.
Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Biofuel_Propel_Gas_Tank.jpg

Los biocombustibles siguen generando gases de efecto invernadero, pero su filosofía radica en que el dióxido de carbono que se genera en su combustión es el mismo que se ha retirado de la atmósfera durante su producción, y por ello se denominan combustibles neutros en carbono o de cero emisiones.

No obstante, su empleo implica destinar recursos vegetales que podrían servir para la alimentación, motivo por el cual se está trabajando en optimizar la producción de los mismos a partir de residuos lignocelulósicos o cultivos de algas o cianobacterias. En el caso de residuos lignocelulósicos, la fermentación de los azúcares presentes en la celulosa permite obtener bioetanol, aunque su principal limitación es que tanto la celulosa como la lignina son difíciles de degradar y existen pocos organismos capaces de llevar a cabo estos procesos de fermentación. Por su parte, los cultivos de algas o cianobacterias son una fuente importante de ácidos grasos que permiten obtener biodiésel.

Actualmente, aunque los biocombustibles todavía no se emplean como único combustible para los vehículos, sí que se añaden como aditivos a los combustibles tradicionales para tratar de mitigar los efectos nocivos de los combustibles fósiles en el medio ambiente.

Los vehículos eléctricos

Además de los biocombustibles, la otra alternativa a los combustibles fósiles que ya se ha puesto en marcha son los vehículos eléctricos. Su funcionamiento es sencillo, pues consiste en emplear la energía eléctrica almacenada en una batería para impulsar el motor del vehículo y posteriormente recargar la batería conectándola a un suministro eléctrico, igual que se hace con dispositivos electrónicos como móviles u ordenadores.

La principal ventaja de los vehículos eléctricos es que al no usar combustible, no producen contaminación atmosférica. No obstante su mayor inconveniente es que la tecnología actual tiene una baja autonomía, lo que, unido a la escasez de puntos de carga, complica su uso para recorrer largas distancias. Aquí la solución que se ha implementado es el desarrollo de vehículos híbridos, que combinan un motor de combustión interna con un motor eléctrico, lo que permite tener autonomía suficiente a la par que reducir el uso de combustibles fósiles.

Figura 8. Híbrido enchufable de Toyota, el cual combina un motor de combustión con un sistema eléctrico, de modo que permite solventar el problema de la baja autonomía de los vehículos eléctricos al tiempo que reducir el uso de combustibles fósiles.
Fuente: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:EV.jpg

El otro problema de los vehículos eléctricos es que para que realmente sean no contaminantes, es necesario que la electricidad que utilizan proceda de fuentes renovables, como la energía solar o la energía eólica. Por desgracia, a día de hoy la mayor parte de la energía eléctrica que se genera en nuestro planeta se obtiene mediante energías no renovables, de modo que, mientras no se incremente la generación de electricidad mediante energías renovables, los vehículos eléctricos no servirán para evitar los problemas ambientales que generan los combustibles tradicionales.

Hidrógeno, ¿el combustible del futuro?

Parece que a estas alturas de la historia existen ya pocas alternativas más para los combustibles fósiles. Esto nos deja con pocas opciones para realizar nuestros viajes en un futuro no muy lejano, pues el Parlamento Europeo ya ha puesto fecha de caducidad a los combustibles fósiles y a partir de 2035 se prohibirá la venta de vehículos con motores de combustión. Quizá estemos pensando ya en contactar con algún establo para hacernos con un caballo que nos permita desplazarnos por nuestra ciudad, pero no es necesario porque todavía nos queda una bala en la recámara: el hidrógeno.

El hidrógeno es un gas incoloro y está compuesto por dos átomos de hidrógeno unidos por un enlace. La principal ventaja del hidrógeno es que, a diferencia de los hidrocarburos, su combustión no genera dióxido de carbono, pues no contiene ningún átomo de carbono, y por tanto el único producto de su combustión es el agua. Además, el hidrógeno puede almacenarse y transportarse en forma líquida a baja temperatura o como un gas a presión, de forma similar a lo que se hace con el gas natural, de modo que ya se dispone de la estructura necesaria para su empleo como combustible. De hecho, algunas marcas como Toyota o Hyundai ya están trabajando en el desarrollo de vehículos propulsados por hidrógeno.

Figura 9. Toyota FCV, un vehículo desarrollado por la marca japonesa que emplea hidrógeno como combustible.
Fuente: https://www.flickr.com/photos/smoothgroover22/15655804241

No obstante, si tiene tantas ventajas, ¿cómo es que no se está utilizando? El principal motivo que explica que no se esté empleando el hidrógeno como combustible es que su producción resulta difícil y costosa. Actualmente el hidrógeno se puede obtener a partir del gas natural mediante una reacción química llamada reformado de vapor y a partir de la electrolisis del agua. La primera vía implica el uso de combustibles fósiles para su obtención de modo que, si el objetivo de usar el hidrógeno como combustibles es disminuir el uso de combustibles fósiles, no sirve de mucho. Por su parte, la segunda vía, con la tecnología disponible en la actualidad, no es rentable económicamente.

Sin embargo existe una tercera vía para obtener el hidrógeno, que no implica el uso de combustibles fósiles y que además tiene un bajo coste económico. Las protagonistas de tan maravillosa hazaña son las mismas que servían como primeros colonizadores de otros planetas o como alternativa a los fertilizantes, y no son otras que las cianobacterias.

Las cianobacterias: una pequeña fábrica de hidrógeno

Como ya se ha explicado en artículos anteriores de la plataforma, las cianobacterias son microorganismos capaces de llevar a cabo la fotosíntesis, es decir, de producir materia orgánica a partir de dióxido de carbono y agua, utilizando la energía proporcionada por la luz y liberando oxígeno en el proceso. Además de muchas otras aplicaciones biotecnológicas, una de las cualidades más interesantes de estos organismos es que son capaces de producir hidrógeno gracias a una especie de fábricas moleculares que reciben el nombre de enzimas.

Las enzimas son proteínas que permiten que determinadas reacciones químicas tengan lugar en los seres vivos. Algunas enzimas como las proteasas permiten degradar proteínas, otras como la catalasa permiten descomponer el peróxido de hidrógeno y algunas como la ADN polimerasa son capaces de copiar moléculas de ADN durante la división celular. Para la producción de hidrógeno mediante cianobacterias hay que prestar atención a dos enzimas: la nitrogenasa y la hidrogenasa.

La nitrogenasa ya apareció al hablar del potencial de las cianobacterias para ser utilizadas como biofertilizantes y permite transformar el nitrógeno presente en la atmósfera, que no puede ser utilizado por los seres vivos, en amonio, que si puede ser asimilado por los sistemas biológicos. Esta reacción parece no tener nada que ver con la producción del hidrógeno, pero no es así, pues por cada dos moléculas de amonio que producen, se genera una molécula de hidrógeno.

Figura 10. Reacción llevada a cabo por la enzima nitrogenasa, en la cual por cada molécula de nitrógeno que se fija se genera una molécula de hidrógeno.

No obstante esta enzima presenta varias peculiaridades. La primera es que solo se expresa cuando las cianobacterias se encuentran en una situación de deficiencia de nitrógeno y no disponen de ninguna fuente de nitrógeno en el medio que les rodea a excepción de nitrógeno atmosférico. Por tanto, para poder producir hidrógeno en cianobacterias empleando la nitrogenasa es necesario cultivarlas en un medio que no contenga ninguna fuente de nitrógeno.

La segunda característica de la nitrogenasa es que es extremadamente sensible al oxígeno. Dado que las cianobacterias generan oxígeno durante la fotosíntesis, para poder llevar a cabo la fijación de nitrógeno algunas especies son capaces de diferenciar algunas células de su filamentos a heterocistos, como se explicó en artículos anteriores. Los heterocistos son células especializadas en la fijación de nitrógeno en las que se desmantela la maquinaria fotosintética y se sintetizan dos envueltas celulares que impiden el paso de oxígeno al interior celular, para así crear un ambiente anaeróbico en el que pueda funcionar la nitrogenasa y llevar a cabo la fijación de nitrógeno (y también la producción de hidrógeno).

Figura 11. Detalle de un heterocisto en la cianobacteria Anabaena sp. PCC 7120. Los heterocistos son células especializadas en las que se expresa la enzima nitrogenasa para llevar a cabo la fijación de nitrógeno y, en consecuencia, la producción de hidrógeno.
Fuente: elaboración propia

Las hidrogenasas, por su parte, son enzimas que permiten romper el enlace entre los dos átomos de hidrógeno que forman la molécula de hidrógeno gas, dando lugar a dos átomos de hidrógeno individuales que reciben el nombre de protones. También son capaces de llevar a cabo la reacción a la inversa, es decir, son capaces de transformar dos protones en una molécula de hidrógeno gas. Algunas hidrogenasas son capaces de llevar a cabo la reacción en los dos sentidos y reciben el nombre de bidireccionales. Otras, llamadas unidireccionales, solo pueden llevar a cabo la degradación de hidrógeno a dos átomos de hidrógeno.

Figura 12. Las hidrógenasas son capaces de transformar el hidrógeno molecular en protones y viceversa y pueden ser unidireccionales o bidireccionales.

Para el uso de las cianobacterias en la producción de hidrógeno hay que prestar atención a los dos tipos de hidrogenasas. Por una parte, es necesario inactivar las hidrogenasas unidireccionales, para así evitar la degradación del hidrógeno que se produce. Por otra parte, es necesario maximizar la actividad de las hidrogenasas bidireccionales en el sentido de producción de hidrógeno, para lo cual es necesario retirar el hidrógeno del cultivo de cianobacterias a medida que se va produciendo.

Varios trabajos ya han puesto de manifiesto que cianobacterias del género Anabaena son buenas candidatas para la producción industrial de hidrógeno y que el proceso es rentable económicamente. No obstante, el principal problema es que su rendimiento de producción de hidrógeno es bajo, y se necesitarían enormes instalaciones con innumerables biorreactores de cianobacterias para producir todo el hidrógeno necesario para satisfacer la demanda mundial de este combustible. Sin embargo, varios grupos de investigación están llevando a cabo estrategias de ingeniería genética encaminadas a potenciar la producción de hidrógeno en cianobacterias, inactivando hidrogenasas unidireccionales y maximizando la actividad de la nitrogenasa y de hidrogenasas bidireccionales en el sentido de producción de hidrógeno. De esta manera, se conseguiría obtener estirpes de cianobacterias capaces de producir hidrógeno en gran cantidad, lo que permitiría emplear estos organismos para la síntesis de este combustible a nivel industrial y, por tanto, el uso del hidrógeno como sustituto de los combustibles fósiles.

Figura 13. El uso de cianobacterias para la producción industrial de hidrógeno requiere cultivarlas en instalaciones denominadas biorreactores.
Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Photobioreactor_PBR_4000_G_IGV_Biotech.jpg

Conclusión

Dado que el uso de animales para recorrer largas distancias o transportar grandes cantidades de mercancía resultaba ineficiente, los seres humanos desarrollaron sistemas para propulsar vehículos como la máquina de vapor y, más notablemente, el motor de combustión. En la actualidad, los motores de diésel y gasolina son la base para el desplazamiento de cientos de miles de personas y el transporte de toneladas de mercancías por todo el planeta. No obstante, el empleo de estos combustibles fósiles tiene graves consecuencias sobre el medio ambiente y ya se han puesto sobre la mesa normativas para limitar su uso.

Aunque existen otras alternativas como los biocombustibles o los vehículos eléctricos, el hidrógeno se postula como uno de los mejores sustitutos para los combustibles fósiles. Existen varias formas de obtener este combustible limpio, pero su producción empleando cianobacterias se postula como una de las fuentes más eficaces ya que, gracias a su capacidad fotosintética, el proceso de obtención de hidrógeno es rentable económicamente. Actualmente el rendimiento de producción de hidrógeno por cianobacterias es bajo, pero se ha propuesto que la realización de modificaciones genéticas que potencien las vías producción de hidrógeno podría convertir a las cianobacterias en el surtidor para los vehículos del futuro.

Bibliografía

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Sadvakasova, A.K., Kossalbayev, B.D., Zayadan, B.K., Bolatkhan, K., Alwasel, S., Najafpour, M.M. et al. (2020) Bioprocesses of hydrogen production by cyanobacteria cells and possible ways to increase their productivity. Renewable and Sustainable Energy Reviews 133:110054.

Sakurai, H., Masukawa, H., Kitashima, M., and Inoue, K. (2015) How Close We Are to Achieving Commercially Viable Large-Scale Photobiological Hydrogen Production by Cyanobacteria: A Review of the Biological Aspects. Life 5:997-1018.

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Jorge Guío Martínez

Biotecnólogo y biólogo molecular investigando mecanismos de regulación génica en cianobacterias || "Sic parvis magna (La grandeza nace de pequeños comienzos)" - Sir Francis Drake

1 comentario en «Ni diésel ni gasolina, mi coche va con hidrógeno»

  1. Óscar Castro Castillo Ph.D Química

    Sus artículos , además de ser muy interesantes sobre el potencial humano para generar alternativas que mejoren la calidad de vida de los humanos y disminuyan la contaminación atmosférica, son de lectura muy agradable y entendible para los legos en estos asuntos. Felicitaciones Jorge.

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