Formas generales de almacenamiento del hidrógeno.
Las formas generales del almacenamiento de hidrógeno son: el almacenamiento como gas comprimido, el almacenamiento como liquido criogénico, el almacenamiento químico en líquidos y el almacenamiento en compuestos químicos sólidos. En el siguiente esquema se muestran las principales formas de almacenamiento de hidrógeno y sus principales ventajas y desventajas.
Modos principales de almacenamiento de hidrógeno
Almacenamiento de hidrógeno como gas a alta presión
La forma mas común de almacenamiento de hidrógeno es como gas a alta presión. Esta forma es la más sencilla y tecnológicamente madura pues solo involucra la presurización de este gas. La industria petroquímica y química a nivel mundial hace amplio uso de este tipo de almacenamiento. Se requiere en todo momento cumplir con las normas locales de recipientes a presión y gases presurizados. La presión de compresión obedece a los requerimientos de la aplicación en particular así como un balance de costos y seguridad. En el caso de las aplicaciones en automóviles, el nivel de compresión (700-850 atm) está dado para almacenar una cantidad suficiente de hidrógeno equivalente a un automóvil a gasolina. Según la DOE (Departamento de Energía de los Estados Unidos de Norteamérica), se requiere almacenar 4-5 kg de hidrógeno para una operación equivalente en kilometraje (400 km) a un automóvil compacto a gasolina (tanque de 50 litros). Sin embargo, comprimir al hidrógeno hasta 700-850 atm puede acarrear problemas de seguridad por explosión/ detonación de hidrógeno en caso de colisiones o fugas. Aun así, los automóviles a celdas de combustible a hidrógeno comercialmente disponibles hoy en día utilizan esta tecnología. En este caso, los tanques de almacenamiento tienen un núcleo metálico o de polímero; y muy importante, tienen un reforzamiento de polímeros de ingeniería, formado un especie de entretejido alrededor del núcleo a manera de embobinado.
Almacenamiento de hidrógeno como líquido
En el almacenamiento líquido se pueden distinguir dos casos. En el primero de ellos se trata del hidrógeno como liquido criogénico, es el más importante de los dos por sus actuales aplicaciones. En esta forma de almacenamiento, el hidrógeno gaseoso es enfriado y comprimido hasta volverlo líquido. Por lo que el gasto energético de todo este proceso es alto; se estima que alcanza hasta el 30% de la energía almacenada en el hidrógeno líquido. Por tanto este medio de almacenamiento está restringido a usuarios muy específicos que tienen grandes instalaciones donde es energéticamente favorable almacenar grandes cantidades de hidrógeno líquido (NASA). Este tipo de almacenamiento requiere tanques que además de estar fuertemente aislados para que no se calienten, deben de tener sistemas de seguridad para manejar una posible evaporación espontánea. En una evaporación espontánea hay un súbito incremento del volumen y presión de hidrógeno en el contenedor, por pasar de fase liquida a fase gaseosa. Esto puede llevar a falla mecánica del contenedor y posteriormente (fracciones de segundo después) una posible detonación o explosión del gas.
El segundo modo de almacenamiento líquido tiene que ver con hacer uso de líquidos orgánicos que al calentarse en presencia de catalizadores adecuados puedan liberar hidrógeno y formar dobles enlaces en su estructura. Después se podría regenerar el material por medio de la hidrogenación, i. e. ruptura de esos dobles enlaces e inserción de átomos de hidrógeno. La idea general seria como se marca en las siguientes reacciones, aunque en términos de sustancias químicas, estas podrían ser muchas, con tal que puedan formar dobles enlaces:
Este método tendría la ventaja de usar la infraestructura disponible para combustibles fósiles líquidos como la gasolina o el diésel. Sin embargo, este tipo de almacenamiento está en fase de estudios básicos. Además se pronostican problemas económicos con los catalizadores, pues se trata de metales nobles, por supuesto de alto costo. Otro problema es que este tipo de sistemas solo se ha demostrado a altas temperaturas ~300-350°C, es decir muy alta temperatura para aplicaciones móviles.
Otra opción es el uso de soluciones acuosas o alcohólicas de NaBH4. En estas soluciones, al modificar intencionalmente el pH y mediante el uso de catalizadores, se obtiene la liberación de H2:
NaBH4 + H2O → NaBO2+ 4H2
NaBH4 + 4CH3OH → NaB(OCH3)4+ 4H2
Otras opciones liquidas incluyen al ácido fórmico y N2H4BH3.
Almacenamiento de hidrógeno en materiales sólidos
El almacenamiento de hidrógeno en estado sólido se refiere a la incorporación del hidrógeno atómico o molecular en un material sólido, por medio de interacciones superficiales débiles o bien por medio de la formación de enlaces.
En la adsorción, el hidrógeno se almacena en la superficie del material por medio de fuerzas de corto alcance (tipo Van der Walls). Para mejorar la cantidad de hidrógeno almacenado en estos materiales, usualmente se aumenta el área superficial de los materiales por medio de la formación de poros o estructuras tridimensionales. La energía de este proceso es del orden de 3-10 kJ/mol. Lo que hace que estos fenómenos de adsorción estén ligados a bajas temperaturas (nitrógeno líquido, -196°C) y presiones de moderadas a altas (100 atmósferas). El proceso es reversible, pero a la fecha no se ha encontrado un material que adsorba una cantidad significativa (mayor a 1.5 % peso) de hidrógeno a temperatura ambiente. Estudios teóricos indican que estos materiales deberían tener una entalpia de adsorción de 10-15 kJ/mol para trabajar a condiciones ambiente.
En la absorción, el hidrógeno primero se disocia en la superficie del material (es recomendado el uso de catalizadores) y después difunde hacia el seno del material donde nuclea y crece una fase hidruro (hidrurada o hidrogenada, términos usados más o menos indistintamente). Este último paso involucra la formación de enlaces. La entalpia de formación de los hidruros es normalmente mucho mayor a los 100 kJ/mol, por lo que estos procesos están relacionados con altas temperaturas y presiones de moderadas a altas. Las investigaciones recientes se basan en la búsqueda de materiales o mezclas de materiales en los que la entalpia de hidruración sea de 25-50 kJ/mol (de H2). Existen dos problemas generales en este tipo de forma de almacenamiento de hidrógeno. El primero de ellos es que la mayoría de los materiales presentan una entalpia de hidruración mayor a 50 kJ/mol H2. El segundo problema es la falta de reversibilidad de las reacciones de hidrogenación/ deshidrogenación. Solo en contados casos, los procesos de hidruración/ deshidruración son reversibles en su totalidad: MgH2, NaAlH4 y KAlH4.