Resolverá los problemas de uso del hidrógeno proporcionando almacenamiento seguro y sencillo
La economía del hidrogeno es una alternativa a la actual situación energética basada, fundamentalmente, en el consumo de combustibles fósiles con los consiguientes y reconocidos problemas de índole económico, geoestratégico y ecológico [1]. Se basa en producir, transportar, acumular y usar el vector energético hidrógeno acorde al ciclo mostrado en la Fig.1. Para ello, idealmente, se generaría hidrógeno localmente mediante fuentes de origen no fósil (solar, eólica, mareomotriz…), para su posterior transporte, acumulación y su uso en una pila de combustible generando como único residuo agua que volvería a ser utilizada en ese ciclo.
Fig.1. Esquema del ciclo del hidrógeno
Sin embargo, uno de los principales problemas de la economía del hidrógeno radica en la dificultad de acumular el hidrógeno producido de una manera económica y segura. Las técnicas convencionales basadas en almacenar el hidrógeno en botellas alta presión han mejorado sustancialmente llegando, en la actualidad, a usarse presiones de 800 bares pero siguen presentando inconvenientes relacionados con la necesidad de utilizar elevados volúmenes para almacenar una cantidad suficiente de hidrógeno y el problema no resuelto de encontrar vías baratas de comprimir el hidrógeno a esas presiones tan elevadas. Algunos de estos aspectos (tamaño del contenedor de hidrógeno) pueden resolverse, parcialmente, con el uso del hidrógeno en estado líquido, pero tanto el elevado coste energético así como económico para mantener el hidrógeno líquido (T = 21 K) lo hace prácticamente inviable.
En este contexto, acumular el hidrógeno en compuestos sólidos a través de reacciones químicas (Ec.1) aparece como una alternativa muy atractiva dada su enorme versatilidad, así como que muchos de ellos son capaces de almacenar más hidrógeno por unidad de volumen que el propio hidrógeno líquido (Tabla.1), presentando una mayor seguridad. La idoneidad de los compuestos sólidos para absorber y desorber hidrógeno depende de parámetros tales como la presión y temperatura de carga/descarga, la rapidez de esos procesos así como su ciclabilidad. Estas propiedades están íntimamente ligadas a las propiedades termodinámicas y cinéticas de formación y descomposición de los hidruros [2]. Para conocerlas es necesario caracterizar la energía de Gibbs de la reacción así como las energías de activación de las diferentes etapas que ocurren durante la absorción/desorción del hidrogeno en el material, respectivamente.
Ecuación 1
Tabla.1. Densidades gravimétricas y volumétricas de diferentes hidruros. Comparación con las densidades del hidrógeno en estado líquido y gaseoso a alta presión. *No se tiene en cuenta la masa del contenedor
En principio, un compuesto es considerado idóneo si es capaz de absorber/desorber hidrógeno a presiones y temperaturas moderadas, esto es, entre 1-10b y a temperaturas entre 0 y 100ºC. Desde un punto de vista termodinámico, esto significa que la entalpía de la reacción (Ec. 1) debe situarse en torno a 30-40 kJ/mol de H2. Los principales compuestos que cumplen esta condición son los llamados compuestos intermetálicos, esto es, compuestos con una fórmula química AB5, AB2 y AB (siendo A y B elementos con alta y baja afinidad al hidrógeno, respectivamente) y que presentan un enlace metálico débil con el hidrógeno. Estos compuestos han sido ampliamente investigados y son capaces de absorber/desorber hidrógeno en pocos minutos presentando una buena reversibilidad y son idóneos para aplicaciones estacionarias (por ejemplo, para acumular hidrógeno proveniente de fuentes renovables como la solar y la eólica) [2]. En la figura 2, se muestra un cartucho acumulador, basado en estos compuestos, diseñado y construido en nuestro grupo con fines, principalmente didácticos. Como contrapartida, debido a que su capacidad de acumulación por unidad de masa no es muy elevada, no suelen usarse en aplicaciones móviles.
Fig.2. Acumulador realizado por el grupo MIRE. Volumen = 50 cm3 y capacidad similar a una botella de 100 cm3 a 250 bares (2.2 g de H2).
En este caso, es necesario encontrar hidruros con mayor capacidad gravimétrica. Para ello, los hidruros deben estar basados en elementos ligeros tales como elementos alcalinos o alcalino-térreos i.e. hidruros iónicos (LiH, NaH, CaH2…). Entre ellos, el más interesante es el hidruro de magnesio (MgH2) debido a la abundancia del magnesio, su baja reactividad y su elevada capacidad de acumulación (7.6 % peso). Como contrapartida, su carácter iónico lleva a que la reacción de absorción/desorción de hidrógeno presente una entalpia de 76 kJ/mol, impidiendo su uso a temperaturas razonables lo que dificulta su implementación. Actualmente, se está realizando un enorme esfuerzo para disminuir esa entalpía y acelerar la cinética de la reacción por métodos tales como la nanoestructuración, formación de compuestos con base Mg (Mg2Ni, Mg2Si…) y síntesis de nanopartículas.
Finalmente, existen otras familias de hidruros basados en elementos ligeros, son los hidruros complejos, entre los que se encuentran los borohidruros, de fórmula química general Mn+[BH4]n- y los alanatos (Mn+[AlH(n+3)]n-), donde M es un metal de valencia n. Sin embargo, a pesar de sus elevadas capacidades gravimétricas de acumulación de hidrógeno, que llegan a valores en torno al 17-18% en peso, estos presentan problemas de reversibilidad y necesitan el uso de altas temperaturas y presiones para su ciclado de modo que actualmente solamente podrían usarse en aplicaciones de solo un uso. Este tipo de comportamiento es similar al mostrado por compuestos constituidos con nitrógeno y boro i.e. aminoboranos (NH3BH3).
En definitiva, el problema de acumular grandes cantidades de hidrógeno de una manera segura y económicamente viable todavía no ha sido resuelto y constituye uno de los cuellos de botella para la implementación de la economía del hidrógeno. En este marco, la acumulación de hidrógeno en estado sólido es un campo que presenta unas grandes perspectivas debido al amplio abanico de familias de hidruros que podrían usarse adhoc en diferentes aplicaciones (estacionarias, móviles, de un solo uso, de alta temperatura..) ofreciendo además ventajas relacionadas con su seguridad, eficiencia y capacidad frente a los métodos convencionales. Como consecuencia, actualmente hay compuestos que son capaces de acumular hasta 150 kg H2/m3 y casi un 20% en peso. En muchos de estos hidruros (principalmente la familia de hidruros metálicos) la tecnología es madura y se han desarrollado, desde hace años, acumuladores comerciales pero en otras familias (hidruros iónicos y complejos) es necesaria todavía tanto investigación fundamental como desarrollo técnico para poder ofrecer soluciones viables al problema de la acumulación y, en consecuencia, poder lograr una mayor implementación de la economía del hidrógeno .
[1] J. Rifkin, “La economía del hidrógeno” Ed. Paidós, 2002.
[2] A. Fernández, C. Sánchez, O. Friedrichs, J.R. Ares, F. Leardini, J. Bodega, J.F. Fernández “Hidruros sólidos como acumuladores de hidrógeno” Revista Española de Física, RSEF, enero-marzo, 2010, pags. 63-68.
