Hidrogen, vida i energia

Mentre representants polítics de tot el món s’han congregat aquest novembre a Azerbaidjan (un país amb un govern dictatorial i promotor de la producció i ús de combustibles fòssils) per tal d’escenificar una suposada  voluntat de frenar el canvi climàtic, els països que més energia consumeixen i que més contaminen es preparen per fer la transició energètica de la mà de les grans empreses que fins ara més han contribuït a degradar les condicions ambientals del planeta. Segons aquesta visió economicista i poc compromesa amb la salut del planeta, es tracta d’introduir les energies renovables en la mesura que es pugui treure el màxim de profit econòmic dels combustibles fòssils sense canviar els modes de vida ni els sistemes de producció, encara que la crua realitat ens indica que una autèntica transició energètica requereix no només restringir i suprimir els combustibles contaminants, sinó replantejar com i en què hem de consumir energia. 

L’hidrogen és un dels combustibles que es presenten com a alternativa neta als combustibles fòssils i és, precisament, el primer combustible amb què la pròpia vida va començar a caminar. Com es produeixi i transporti i quines relacions d’explotació i dependència crearà entre països determinarà el seu valor com a recurs eficaç per a una autèntica transició energètica. 

«L’hidrogen és un dels combustibles que es presenten com a alternativa neta als combustibles fòssils»

Des dels orígens de la vida

L’àtom d’hidrogen és el més simple i lleuger dels coneguts: un protó i un electró. La matèria de l’univers està constituïda majoritàriament (entorn d’un 75 %) per aquest element i és el combustible que genera l’energia despresa per les estrelles, com el Sol mateix, mitjançant un constant procés de fusió amb el qual es forma heli. La major part de l’energia que rep la superfície de la Terra, prové, per tant, de la fusió dels àtoms d’hidrogen del Sol. Aquesta energia en forma de radiació electromagnètica, des de l’aparició de la fotosíntesi fa uns 3.500 milions d’anys, s’ha anat acumulant a la matèria orgànica fotosintetitzada a partir del CO2 atmosfèric. Els excedents encara no reciclats d’aquesta matèria orgànica formada per la vida a partir de l’energia solar i el carboni del CO2 atmosfèric constitueixen el que avui en dia denominam combustibles fòssils, principalment carbó, metà i petroli. Els combustibles fòssils, per tant, són els grans depòsits  que emmagatzemen l’energia solar des que la vida va ser capaç de captar-la: el problema és que l’aprofitament d’aquesta energia, tal com ho feim els humans, implica contaminar l’atmosfera amb CO2 i altres subproductes tòxics de la combustió. 

Els primers organismes fotosintetitzadors aprofitaven l’energia solar amb substrats reductors diferents de l’aigua i no generadors d’oxigen com, per exemple, l’hidrogen o el sulfur. El poder reductor dels electrons d’aquests substrats, arrabassats amb l’energia dels fotons solars, permeté la síntesi d’hidrocarburs a partir del CO2. Foren els  cianobacteris, fa uns 2.400 milions d’anys, que iniciaren l’exitós experiment evolutiu de la fotosíntesi oxigènica, mitjançant la qual l’energia solar s’utilitza per treure els electrons de l’oxigen de l’aigua amb la consegüent formació d’oxigen molecular (O2). Igualment, com en la primitiva fotosíntesi anoxigènica, els electrons i els protons es transfereixen al CO2 per formar hidrocarburs. L’oxigenació de l’atmosfera que aquest nou sistema d’aprofitament de l’energia desencadenà fou l’origen d’una gran revolució biològica de la qual tots els organismes pluricel·lulars que necessitam oxigen per respirar, en som hereus. 

Però abans de la fotosíntesi la vida existia. Hi va haver d’haver un moment en què es donassin a la Terra unes condicions  per a què les primeres molècules orgàniques amb què es construeix la vida es poguessin formar. I en aquests remots orígens de la vida, fa uns 4.000 milions d’anys, hi trobam, novament l’hidrogen. Fou, segurament, a les denominades fumaroles hidrotermals de les profunditats oceàniques on tingueren lloc les primeres reaccions químiques amb les quals la vida s’inicià. En aquells punts, on es produeixen emanacions d’aigua calenta, hidrogen, diòxid de carboni i diversos minerals, sembla probable que tenguessin lloc les primeres reaccions químiques necessàries per a la vida. Tal com ha quedat demostrat (Preiner M. et al., 2020), en aquelles condicions de pressió i temperatura l’hidrogen i el CO2 poden formar espontàniament, és a dir, amb despreniment d’energia, substàncies orgàniques simples com, per exemple, l’àcid fòrmic, l’acetat o el piruvat. Diversos cations metàl·lics, com el ferro o el níquel, presents en forma de sulfurs, podrien haver fet el paper catalític necessari per facilitar aquestes reaccions. Segurament els metal·loenzims actuals (complexos de cations metàl·lics amb proteïnes) són la continuació evolutiva d’aquells primers catalitzadors minerals.

La producció d’hidrogen en les fumaroles hidrotermals va lligat a processos metamòrfics de diversos minerals com per exemple, l’oxidació del ferro pel vapor d’aigua en condicions anòxiques:

6 Fe₂SiO₄ + 2H₂O → 2Fe₃O₄ + 3SiO₂ + 2H₂

Actualment, als ecosistemes de les fumaroles oceàniques hi viuen bacteris capaços d’aprofitar l’hidrogen com a única font d’energia mitjançant processos de transferència d’electrons a substrats oxidants com els nitrats o els sulfats. La vida, per tant, ha après a aprofitar l’hidrogen tant per sintetitzar matèria hidrocarbonada com a reserva d’energia, com per extreure’n directament l’energia reduint oxidants del medi. Aquesta darrera facultat és la que permet avui en dia aprofitar l’hidrogen com a combustible per a dur a terme l’eliminació de nitrats de les aigües mitjançant el procés microbià de desnitrificació biològica. 

La producció humana de l’hidrogen

L’hidrogen pot obtenir-se a partir d’hidrocarburs per processos químics que impliquen el despreniment de monòxid i diòxid de carboni i actualment més del 99 % de l’hidrogen es produeix encara així. Aquest seria el denominat hidrogen negre (obtingut del petroli o lignit) o gris (obtingut del metà). Seguint el colorista sistema de classificació adoptat internacionalment, l’hidrogen blau seria  el gris produït evitant, per un sistema de captura, que els òxids de carboni arribin a l’atmosfera.  L’obtenció de les quantitats d’hidrogen que necessitam per a convertir-lo en alternativa als combustibles fòssils, el que es qualifica com a “hidrogen verd”, s’ha de produir escindint l’aigua, per un procés electrolític, en els seus dos components segons la següent reacció:

2H₂O → 2H₂ + O₂

Aquesta és, bàsicament, la reacció que es produeix en la fotosíntesi, és a dir: només es produeix amb una aportació d’energia.  A falta del domini tecnològic per emular de forma eficient la fotosíntesi emprant energia solar, ens queda l’opció d’aportar energia elèctrica mitjançant una cèl·lula electrolítica (veure imatge). Quan l’energia emprada és d’origen nuclear, l’hidrogen així produït es denomina hidrogen rosa.  L’energia necessària per a produir 1 kg d’hidrogen, del qual se n’obtenen 40 KWh d’energia, és d’uns 50-55 KWh; per tant, l’eficiència del procés com a molt arriba al 80 %.

Segons l’estequiometria de la reacció d’electròlisi de l’aigua, per cada Kg d’hidrogen  produït es consumeixen 9 Kg d’aigua. La quantitat real, a la pràctica, és molt superior degut a la necessitat de dessalinitzar prèviament l’aigua i d’alimentar amb aigua processos inherents com restablir les pèrdues per evaporació o la refrigeració dels electrolitzadors. Al final, el consum d’aigua per produir 1 Kg  d’hidrogen està entre els 60 i els 90 litres. Aquest elevat consum d’aigua és, sens dubte, un dels grans problemes que planteja la producció d’hidrogen verd i que pot acabar forçant un elevat consum d’energia, no necessàriament d’origen renovable, per a dessalinitzar aigua. I si l’hidrogen es produeix en regions amb dèficit hídric, com és el cas de països del nord d’Àfrica que es preparen per abastir la demanda europea, es pot agreujar la disponibilitat d’aigua per a les poblacions locals. Si a aquesta circumstància li afegim la necessitat d’extreure matèries primeres, que són escasses als països rics del nord, i que fan falta per a sostenir la tecnologia de l’electròlisi de l’aigua, com són el platí o l’iridi, el risc de perpetuar unes relacions neocolonials entre el nord i el sud es fa ben palès. 

«Aquest elevat consum d’aigua és, sens dubte, un dels grans problemes que planteja la producció d’hidrogen verd»

Els jaciments d’hidrogen natural (denominat també hidrogen blanc o daurat) no representen encara una alternativa viable per a la transició energètica però ho podrien ser en un futur no molt llunyà. L’octubre de l’any 2023 es va descobrir a França una reserva subterrània de 250 milions de tones d’hidrogen i altres països com Espanya (Monzón, a Osca), Mali, Namíbia, Brasil o els Estats Units compten amb jaciments explotables. 

D’una forma o d’una altra l’hidrogen, com ho ha fet des dels orígens de la vida, jugarà un paper crucial en l’evolució del planeta Terra. Més enllà de la bioquímica i la termodinàmica, de la intel·ligència humana depèn que la transició energètica basada en l’hidrogen posi les bases d’un futur millor o sigui un factor més de degradació del medi ambient, d’injustícia social i de conflictes.