abril 1, 2022

Dado que la densidad de energía específica de masa del hidrógeno (33,3 kWh/kg) es una de las más altas de todos los combustibles, el uso del hidrógeno para la movilidad y como medio de almacenamiento de energía ha sido y sigue siendo de gran interés. Sin embargo, uno de los problemas clave que deben resolverse es el hecho de que el almacenamiento de hidrógeno es un desafío y presenta un par de inconvenientes que deben considerarse cuidadosamente.

El almacenamiento convencional de hidrógeno se suele realizar utilizando hidrógeno en estado líquido a 20 K y con una densidad de 71 kg/m^3. Sin embargo, la licuefacción necesita el 30 % de la energía que el hidrógeno puede almacenar. Además de eso, el hidrógeno también se almacena en estado gaseoso a niveles de presión de hasta 700 bar en botellas, lo que resulta en una pérdida de energía de aproximadamente el 12 % de su energía almacenada debido a la compresión.

Ambas variantes conllevan el riesgo de una liberación no deseada de gas hidrógeno debido a su alta tasa de difusión a través de la mayoría de los materiales. Como el hidrógeno no está ligado químicamente, puede difundirse fácilmente y siempre existe el riesgo de incendio y explosión en las instalaciones de almacenamiento de hidrógeno.

Self service hydrogen filling station on a background of trucks

Para superar esto, en el pasado más reciente, se han realizado estudios para utilizar marcos organometálicos, combinaciones de hidruros metálicos y también estructuras de zeolita para unir mecánicamente el almacenamiento de hidrógeno por sorción. La ventaja es un menor riesgo de difusión, sin embargo, la mayoría de los hidruros metálicos tienen una proporción bastante pobre de metal: hidrógeno y una tasa de absorción y liberación de hidrógeno lenta. Como consecuencia, solo el sistema de hidruro metálico de níquel ha encontrado una amplia aceptación debido a su uso como batería para el almacenamiento de hidrógeno.

El análisis térmico es la herramienta perfecta para investigar los procesos de sorción y desorción del hidrógeno. La investigación se lleva a cabo utilizando analizadores de sorción gravimétricos y volumétricos y termobalanzas presurizadas. Con la configuración correcta de la ruta del gas, los caudales, la presión y los niveles de vacío, las zeolitas y las estructuras metalorgánicas se pueden caracterizar mediante TGA (termogravimetría) y DSC (calorímetro de barrido diferencial), lo que brinda la posibilidad de determinar el calor de sorción y desorción

En la actualidad, existe un concepto novedoso de tecnología de almacenamiento de hidrógeno líquido que utiliza portadores orgánicos líquidos (LOHC) como el dibenciltolueno (DBT). Siendo un líquido no tóxico, difícilmente inflamable que puede absorber hidrógeno a 5 bars a 200°C usando un catalizador Rh. El llamado peroxi-DBT resultante puede absorber 600 litros de hidrógeno gaseoso por litro líquido, lo que significa una capacidad de almacenamiento de 2 kWh/kg. La liberación se puede lograr a 300°C a presión reducida. Con esta tecnología, se puede lograr una tasa de absorción y liberación mucho más alta que con los sistemas de almacenamiento de hidrógeno sólido, manteniendo la ventaja de bajas tasas de difusión y, por lo tanto, un menor riesgo de liberación descontrolada de hidrógeno.

A hydrogenstorage fuel cell buses stands at the station

Además de la nueva tecnología de medios de almacenamiento de hidrógeno líquido, también existe el enfoque de almacenamiento mediante la unión química de hidrógeno en otra molécula. Un ejemplo clásico de ese tipo de reacción es la famosa síntesis de Haber-Bosch de amoníaco a partir de los elementos hidrógeno y nitrógeno. La producción anual de amoníaco es de más de 200 mil millones de toneladas, donde ¾ se utilizan para la producción de fertilizantes. La reacción de Haber-Bosch se lleva a cabo normalmente a 200 bares y 450 °C utilizando catalizadores de hierro. El amoníaco resultante es más fácil de manejar y almacenar que el gas hidrógeno, sin embargo, es tóxico y corrosivo, cosa que no ocurre con el hidrógeno puro. El contenido energético del amoníaco es de 5,2 kWh/kg, lo que significa una tasa de eficiencia del 63 % durante la producción a partir de los elementos. El contenido de energía es 2,6 veces mayor que el de peroxi-DBT, pero sigue siendo solo 1/6 de hidrógeno puro.

Además del amoníaco, también hay otros gases que se pueden sintetizar a partir del hidrógeno, como el gas metano u otros hidrocarburos, lo que reduce el riesgo de liberación de hidrógeno. El metano, por ejemplo, es el resultado de la llamada gasificación del carbón donde el carbón vegetal o la biomasa se tratan con vapor de agua a temperaturas y presiones elevadas para crear primero monóxido de carbono e hidrógeno y, en un segundo paso, metano y agua. Este proceso es una de las reacciones más investigadas que utilizan termobalanzas de alta temperatura y alta presión (High Pressure TGA y High-Pressure TG-DSC). Como estos sistemas pueden equiparse fácilmente con generadores de humedad y vapor, pueden medir el grado de gasificación, el contenido de carbono y el calor de reacción simultáneamente en un solo experimento. El tema del almacenamiento de hidrógeno nos acompañará durante muchos años.

Articulo por: Sebastian Seibt <s.seibt@linseis.de>

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