Almacenamiento del Hidrgeno como combustible

Cuando hablamos de hidrgeno como combustible nos imaginamos vehculos, casas, fbricas y todo tipo de elementos accionados por el uso de hidrgeno. Sin embargo, en este punto nos tenemos que plantear dnde podremos almacenarlo y qu tipo de contenedores son adecuados para su transporte a lo largo de la geografa mundial.

A continuacin, vamos a exponer los principales mtodos y materiales utilizados para el almacenamiento de este combustible.

1. Almacenamiento de hidrgeno desde la fase gaseosa

Si bien, desde el punto de vista energtico, el hidrgeno es el que posee la mxima relacin energa/peso de entre todos los combustibles.

Esto se debe a que la densidad del hidrgeno como gas di-atmico en condiciones normales de presin y temperatura (1 bar y 0 ) es 0.0898 , lo cual significa que 1 Kg de hidrgeno ocupa en las condiciones ambientales normales 11,135 . Resulta entonces que el hidrgeno, con relacin al volumen, almacena menor cantidad de energa comparado con otros combustibles, como por ejemplo, el gas natural o la nafta (esto queda evidenciado en la tabla que se adjunta a continuacin).

El metano, por ejemplo, que es el principal componente del gas natural, tiene una densidad de 0,7167 , por lo cual el volumen ocupado por 1 Kg se reduce a 1,40. Sin embargo, a la ventaja de ocupar ocho veces menos volumen que el hidrgeno se opone el hecho de que la energa contenida es unas tres veces menor, con la desventaja adicional de que su quemado libera gas carbnico.

El volumen que ocupa un combustible es un factor importante para su almacenamiento y transporte. Es preciso que la energa consumida en estos procesos sea mnima, de los cuales el almacenamiento es probablemente el ms significativo. Se requiere entonces emplear un mtodo que densifique al hidrgeno y que permita transportarlo en forma segura y poco onerosa, para poder ser llevado sin dificultades a bordo de los vehculos y evitando agregar peso adicional excesivo.

2. Gas comprimido

El clsico cilindro de acero, que se prueba a 300 bar y se llena a presiones menores que 200 bar, en la mayora de los pases tiene un contenido de hidrgeno del orden del 1,2% de la masa del cilindro. Para que el tanque de combustible de un vehculo tipo automvil posea un tamao razonable, as como una autonoma de 300 a 500 Km, las presiones involucradas debieran ser del orden de 800 atm. Se han fabricado cilindros de compuestos livianos nuevos que soportan presiones de hasta 800 bar, de modo que el hidrgeno puede alcanzar una densidad volumtrica de 36 , casi la mitad que la del hidrgeno en forma lquida en el punto de evaporacin normal.

El hecho que la presin de salida disminuya paulatinamente desde el valor mximo a cero a medida que se vaca el contenedor, hace necesario el uso de un regulador de presin. Conjuntamente con el riesgo de llevar a bordo tan altas presiones, se suma otra desventaja que est asociada a la energa requerida para comprimir el gas, que en la actualidad, gracias al avance en la tecnologa de los compresores, est en el orden del 12% de la energa contenida en el hidrgeno.

No obstante, la densidad relativamente baja del hidrgeno almacenado, sumado a las altas presiones involucradas en el sistema, constituyen importantes desventajas que se asocian en este mtodo de almacenamiento.

3. Hidrgeno lquido

Esta forma de almacenamiento es particularmente atractiva, pues permite incrementar la masa de hidrgeno con relacin al volumen del contenedor. Se almacena en tanques criognicos a -252C a presin atmosfrica.

Debido a la baja temperatura crtica del hidrgeno (-241C), slo puede almacenarse en forma lquida en sistemas abiertos para evitar una fuerte sobrepresin. Por lo tanto, la transferencia de calor a travs de las paredes del contenedor produce una prdida de hidrgeno por evaporacin. Esta prdida es funcin del tamao, la forma y la aislacin trmica del recipiente. Tambin es proporcional a la relacin superficie/volumen, por lo cual la velocidad de evaporacin disminuye al aumentar el tamao del contenedor. Para recipientes trmicos tipo Dewar esfricos de doble pared con aislamiento de vaco, las prdidas por evaporacin por da son: 0,4% para los tanques cuyo volumen es de 50 , 0,2% para los de 100 y 0,06% para los de 20.000 .

La energa terica necesaria (trabajo) parta licuar el hidrgeno desde la temperatura ambiente es 3,23 kWh/kg, pero el trabajo tcnico es 15,2 kWh/kg, casi la mitad del valor calrico ms bajo de combustin. El gran consumo de energa para la licuefaccin y la continua prdida por evaporacin limitan el posible uso de sistemas de almacenamiento de hidrgeno lquido para aplicaciones donde el costo del hidrgeno no es importante y el gas es consumido en un corto tiempo, como por ejemplo en aplicaciones areas o espaciales.

4. Hidruro metlico

Algunos hidruros metlicos absorben y expulsan hidrgeno a temperatura ambiente y a presin constante, cercana a la presin atmosfrica. Estas propiedades son importantes para el almacenamiento de hidrgeno.

El proceso consiste en absorber el gas a baja temperatura y a una presin suficiente para que la aleacin se hidrure completamente. Posteriormente se calienta para liberar el gas a una presin ms elevada. Los recipientes de hidruro metlico para almacenar hidrgeno deben poseer dispositivos que permitan enfriar y calentar el material. Por razones prcticas y econmicas las presiones de carga no debieran ser mayores que 27 bar y las de descarga no menores que 2 bar y las temperaturas no menores que 10C ni mayores que 100C, para la absorcin y la expulsin, respectivamente. Estas limitaciones de presin y de temperatura se imponen para evitar un aumento indeseable de los requerimientos de energa y equipos de soporte. La energa involucrada para operar con un sistema de almacenamiento empleando hidruro metlico es relativamente baja, del orden del 12% del calor de combustin del hidrgeno.

Una de las caractersticas de los hidruros metlicos es su fragilidad y en algunos casos, el aumento de volumen de hasta un 25% respecto del material sin hidrogeno (sin formar hidruro). Esto hace que en unos pocos ciclos de absorcinexpulsin se produzca una decrepitacin del material transformndose en polvo con tamao de partculas del orden del micrmetros, lo cual dificulta el flujo del calor, que es necesario para que el proceso sea cinticamente eficiente. La velocidad a la que la aleacin hidrurada pueda absorber o liberar hidrgeno depende de la transferencia de calor hacia dentro o fuera de la aleacin. Es muy importante tener en cuenta este aspecto en el diseo de losrecipientes contenedores de hidruros.

Varias familias de compuestos intermetlicos y sus caractersticas (capacidad dealmacenamiento, temperatura y correspondiente presin de equilibrio) se muestran en la siguiente tabla.

Se observa que, en general, la capacidad de almacenamiento gravimtrica de los hidruros de compuestos intermetlicos est limitada a no ms de 3% en masa, si bien la densidad volumtrica de hidrgeno es el doble que la del hidrgeno lquido. Una excepcin es el elemento Mg, que por ser un metal liviano, su hidruro (de carcter inico/covalente) tiene una capacidad de almacenamiento de 7,6% en masa. Pero posee dos grandes desventajas dadas por su cintica lenta y su baja presin de equilibrio a temperatura ambiente, por lo cual para tener presiones tiles de expulsin o liberacin, su aplicacin resulta prctica slo a temperaturas del orden de 300C.

Actualmente se est trabajando para mejorar su comportamiento, basndose en la adicin de elementos o compuestos catalizadores mediante aleado mecnico con molino de bolas, que producen un polvo muy fino de compuesto nanoestructurado que mejora en forma considerable la cintica y permite bajar la temperatura de expulsin, sin desmejorar apreciablemente la capacidad (aproximadamente 5 6 % en masa).

Resumiendo, el atractivo de este sistema radica en que la reaccin es reversible: calentando el hidruro y aumentando ligeramente la presin, el hidrgeno se libera y puede ser utilizado como combustible. Es una forma de almacenamiento estable y segura, pero tiene el inconveniente de que los hidruros que operan a baja temperatura que pueden liberar el hidrgeno a slo 40-90 C y tienen mayor capacidad de almacenamiento son muy lentos y pesados, por lo que resulta ms adecuada para otras aplicaciones.

5. Nanotubos y nanohorns de carbono

Los nanotubos de carbono, que almacenan hidrgeno con mejor eficiencia y pueden operar a temperatura ambiente, pueden llegar a ser la solucin. ltimamente se estn desarrollando nuevas estructuras denominadasNanohorns.

Un gran nmero de estudios han explorado la posibilidad del almacenamiento de hidrgeno en materiales porosos, aunque siempre se ha tropezado con el mismo problema a la hora de utilizar los nanotubos de carbono para este fin, y es que este proceso es slo posible a temperaturas por debajo de los -196C debido a la interaccin baja entre el hidrgeno y el carbono.

No obstante, segn se ha descubierto, el uso de losnanohornsde carbono hace el proceso ms viable en el sentido de que la interaccin entre el hidrgeno y losnanohorns de carbono es ms fuerte que la que aparece en el caso de los nanotubos de carbono.

Los resultados muestran que el hidrgeno interacta de una forma ms fuerte con estructuras carbonosas de este tipo que con los nanotubos de carbono tradicionales, sugiriendo que losnanohornsy las estructuras similares pueden ofrecer posibilidades significativamente mejores como un medio ms ligero para las aplicaciones de almacenamiento de hidrgeno.

ANEXO. Los seis mtodos y fenmenos bsicos de almacenamiento dehidrgeno ( = densidad gravimtrica; = densidad volumtrica).

En la tabla se muestran los seis mtodos y fenmenos bsicos de almacenamiento de hidrgeno. Se indica la capacidad de almacenamiento en cada caso, referida de dos formas, densidad gravimtrica (masa de hidrgeno contenida como porcentaje de la masa del elemento contenedor), y como densidad volumtrica (masa de hidrgeno almacenada en relacin al volumen ocupado por el contenedor).