El almacenamiento de hidrógeno de forma eficiente y segura es un factor clave para establecer con éxito una economía basada en el hidrógeno.
Los sistemas de almacenamiento disponibles en la actualidad no están lo suficientemente desarrollados tecnológicamente como para cumplir los criterios de bajo coste, pequeño tamaño, alta densidad energética, durabilidad y seguridad, por lo que el mayor reto hoy en día consiste en desarrollar tecnologías que cumplan estas características, especialmente para aplicaciones en transporte.
El hidrógeno tiene mayor potencial energético por unidad de masa que cualquier otro tipo de combustible. Sin embargo, al ser un gas con una densidad muy baja, la cantidad de energía que se puede almacenar por unidad de volumen es muy pequeña.
Tipos de almacenamiento
Se podría hablar de dos tipos de almacenamiento de hidrógeno según su portabilidad: estacionario y no estacionario.
La mayor parte de la investigación actual está enfocada a su uso como vector energético no estacionario en transporte y producción de electricidad, un campo donde es necesaria la ligereza y la compacidad.
El hidrógeno puede ser almacenado de varias formas, según sus propiedades físicas y el tipo de tecnología de almacenado.
Como gas comprimido (CGH2)
Es la forma de almacenamiento más común y con mayor nivel de madurez tecnológica. A pequeña escala, el gas se recluye a alta presión en botellas construidas de distintos materiales.
Según el material del que esté construido el recipiente, la presión de almacenamiento del gas varía. En la actualidad se emplean materiales compuestos para la construcción de los tanques (polímeros, fibras, resinas), con el objetivo de incrementar la presión y reducir el tamaño del contenedor para la misma cantidad de gas.
Los tanques de hidrógeno tienen que estar especialmente preparados para resistir altas presiones y fatigas, debido a ciclos continuados de carga y descarga. También tienen que hacer frente a un fenómeno conocido como fragilización por hidrógeno (hydrogen embrittlement), una permeabilización del hidrógeno en el metal que resta ductilidad al tanque. Una de las desventajas de este tipo de confinamiento reside en el elevado coste de energía necesario para comprimir el gas dentro del recipiente.
Rotura inducida por hidrógeno. / Wikipedia.
Hasta el momento se han desarrollado cuatro tipos de tanques según su arquitectura de fabricación.
- Tipo I: Está conformado de metal (principalmente acero) y por ello es el más barato y pesado. Suele utilizarse en aplicaciones estacionarias, como la industrial, y puede almacenar el hidrógeno a una presión de entre 150 y 200 bar.
- Tipo II: Su interior está formado de acero, envuelto en una capa de fibras de video o carbono que permite soportar mayores presiones, y reduciendo notablemente su peso con respecto a los de tipo I, pero también resultan más caros. La presión máxima de almacenamiento varía entre 250 y 300 bar.
- Tipo III: Construido con una fina capa de metal envuelta en un material compuesto de fibra y resina, que permite reducir el peso del contenedor con respecto a los anteriores. Su coste es también más elevado. Para las botellas de aluminio y fibra de vidrio, la presión máxima de almacenamiento ronda los 300 bar, mientras que los de aluminio y fibra de carbono soportan presiones de hasta 700 bar.
- Tipo IV: El más caro, pero también el que mejor relación peso-almacenaje tiene. Suelen tener un plástico de polietileno de alta densidad para el revestimiento y un material de fibra de carbono/vidrio de carbono para la estructura. Es el más ligero de los cuatro tipos, pero también el más caro. La presión de almacenamiento máxima ronda los 700 bar.
- Tipo V: Este tipo de tanque todavía está en un proceso muy incipiente de desarrollo. Está construido completamente de materiales compuestos sin revestimiento metálico y pesa hasta un 20 % menos que los tanques de Tipo IV. En la actualidad este tanque solo es capaz de manejar hidrógeno a bajas presiones y es necesaria más investigación.
En cuanto a los sistemas de almacenamiento a gran escala, el hidrógeno se puede almacenar como gas comprimido en sistemas estacionarios, como cavernas de sal, antiguos acuíferos y yacimientos de gas natural. Estos sistemas tienen una gran ventaja, ya que se reaprovechan estructuras geológicas que pueden confinar grandes cantidades de hidrógeno a presiones moderadas con un bajo coste.
Se está investigando el almacenamiento de hidrógeno en grandes cavidades naturales subterráneas. / TNO Netherlands
Como hidrógeno líquido (LH2)
El hidrogeno puede enfriarse a temperaturas criogénicas (-253ºC) mediante métodos como el sistema de Linde-Hampson, con la principal ventaja de que su densidad energética por unidad de volumen es mucho mayor que las soluciones basadas en gas, incluso a bajas presiones.
Al usar hidrógeno en forma líquida, es posible introducir más cantidad en el recipiente, ya que un metro cúbico de hidrógeno líquido puede alcanzar los 71 kg, frente a los 42 kg/m3 que se obtienen de recluir hidrogeno gas a una presión de 700 bar.
La desventaja más evidente es el coste energético asociado al proceso de licuefacción y mantenimiento de una temperatura criogénica, que puede llegar a 30-40 % de la energía total contenida en el hidrógeno almacenado, así como la tendencia a la evaporación del líquido si es confinado durante largos períodos de tiempo.
En la actualidad, las aplicaciones más comunes de este tipo de hidrógeno son como combustible para la industria del espacio y la aviación y el transporte intercontinental de hidrogeno por mar, entre otros, ya que es la forma de almacenamiento que ofrece una mayor relación peso/volumen.
En borohidruros, amoniaco (NH3) y metanol (CH3OH)
En la búsqueda de nuevas formas de almacenamiento líquido, en los últimos años se ha investigado el uso de disoluciones de borohidruros con alto contenido en hidrógeno, especialmente borano de amoniaco (H3NBH3), donde el hidrógeno se liberaría a través de una reacción de hidrólisis catalítica.
También se ha explorado la posibilidad de almacenar el hidrógeno utilizando amoniaco (NH3) líquido.
La ventaja de este sistema reside en que, al ser este compuesto químico ampliamente utilizado en la industria, las infraestructuras de almacenamiento y transporte están muy desarrolladas.
Esto sería de utilidad en las primeras etapas de transición hacia una economía del hidrógeno, porque el gran coste de construir de cero la infraestructura necesaria para transportar hidrógeno gas (hidroductos) podría limitar su implementación a gran escala.
Otra forma de almacenamiento en investigación es usar líquidos orgánicos con alto contenido en hidrógeno como el tolueno (C7H8) o el metilciclohexano (C7H14).
En hidruros metálicos
Los hidruros metálicos son compuestos químicos con gran potencial para almacenar y disponer de hidrógeno, más segura y práctica que las formas anteriores (gas comprimido y licuado), y con mayor capacidad de almacenamiento por volumen.
El método de almacenado consiste en inyectar hidrógeno a un compuesto químico que lo absorba. Posteriormente, se puede revertir el proceso, liberando el hidrógeno inyectado de forma controlada, en un procedimiento denominado absorción/desorción.
Varios estudios han confirmado que las propiedades de absorción y desorción de hidrógeno pueden incrementarse mediante la adicción de catalizadores a los hidruros, la aleación de estos o el desarrollo de nanoestructuras.
Es preciso que un hidruro metálico cumpla ciertos requisitos técnicos para que pueda ser considerado como un posible sistema de almacenamiento de hidrógeno. Estos requisitos son:
- El hidruro debe ser fácilmente formado y descompuesto.
- La cinética de las reacciones de absorción y desorción ha de ser lo suficientemente rápida para satisfacer los requerimientos de carga y descarga del sistema.
- La presión de equilibrio correspondiente a la temperatura de descomposición del hidruro debe ser en todo momento compatible con los requerimientos de seguridad del sistema.
- Debe mantener óptimas condiciones de operación durante el mayor número posible de ciclos carga/descarga.
- Debe poseer la máxima tolerancia posible a las impurezas gaseosas que aporte el hidrógeno, ya que éstas actúan dificultando las reacciones y disminuyendo la vida útil del sistema.
Existe una gran cantidad de hidruros comerciales, con ciclos de carga/descarga a diferentes presiones y temperaturas. El campo de aplicación de los hidruros metálicos no se centra únicamente en el almacenamiento de hidrógeno, sino que puede ampliarse a nuevos desarrollos en bombas de calor, compresores de hidrógeno y equipos de purificación.
