Hidrógeno y su almacenamiento: El futuro de la energía eléctrica

El hidrógeno es un combustible con una elevada energía específica o energía por unidad
de masa, pero presenta una baja densidad de energía o energía por unidad de volumen con
respecto a otros combustibles. Como consecuencia, para proporcionar energía a procesos de alta demanda se precisan enormes volúmenes de hidrógeno en condiciones estándar. Este problema es especialmente relevante para su aplicación en el sector del transporte. Por ello, se han propuesto tres alternativas para almacenar la mayor cantidad de hidrógeno en el menor volumen posible:

Hidrógeno comprimido.
Hidrógeno en estado líquido.
Hidrógeno formando parte un compuesto sólido.

En cualquier caso, se debe tener presente que el hidrógeno es el gas menos denso y la sustancia conocida con el segundo punto de ebullición más bajo tras el helio, lo que dificulta enormemente su almacenamiento.

El hidrógeno es un combustible que proporciona una gran cantidad de energía térmica
cuando se quema en al aire, puesto que su reacción con el oxígeno es muy exotérmica. El
hidrógeno también puede combinarse con el oxígeno del aire en una pila de combustible para proporcionar electricidad además de calor. Tanto la combustión del hidrógeno como su oxidación en las pilas de combustible son procesos limpios que no generan apenas emisiones de gases contaminantes ni partículas en suspensión dañinas para la salud.

Aunque el hidrógeno puede utilizarse también como combustible en motores de combustión interna o turbinas de gas obteniéndose una importante reducción de las emisiones asociadas, las pilas de combustible constituyen la principal tecnología para su aprovechamiento energético.

El hidrógeno es un portador de energía excelente, pero el desarrollo de materiales ligeros de estado sólido para un almacenamiento compacto de baja presión es un desafío enorme.

Hidruros metálicos complejos son una clase prometedora de materiales de almacenamiento de hidrógeno, pero su viabilidad normalmente está limitada por la absorción de hidrógeno y la liberación lenta. El nanoconfinamiento  (infiltrarse en el hidruro de metal dentro de una matriz de otro material tal como carbono) puede, en ciertos casos, ayudar a que este proceso sea más rápido al acortar caminos de difusión de hidrógeno o cambiando la estabilidad termodinámica del material.

Sin embargo, el nanoconfinamiento puede tener otra consecuencia potencialmente más importante ya que la presencia de «nanointerfaces» internas dentro de hidruros nanoconfinados puede alterar las fases que aparecen cuando el material es sometido a ciclos.

Si analizamos el nitruro de litio de alta capacidad (Li ₃ N) bajo nanoconfinamiento, usando una combinación de técnicas teóricas y experimentales, demostramos que las vías para la absorción y liberación de hidrógeno se cambiaron fundamentalmente por la presencia de nanointerfaces, lo que lleva drásticamente al rendimiento más rápido y la reversibilidad. 

La hidrogenación forma una mezcla de amida de litio e hidruro (azul claro) como una envoltura exterior alrededor de una partícula de nitruro de litio (azul oscuro) nanoconfinada en carbono. El nanoconfinamiento suprime todas las otras fases intermedias para evitar la formación de interfaz, que tiene el efecto de mejorar considerablemente el rendimiento de almacenamiento de hidrógeno.

Por otro lado, el hidrógeno se utiliza desde hace muchos años como materia prima en las industrias química, petroquímica, farmacéutica, electrónica, metalúrgica y aeroespacial. Dos de los procesos químicos más importantes en los que el hidrógeno se utiliza como reactivo son la producción de amoniaco y la producción de metanol. Tanto el amoniaco como el metanol son dos productos muy apreciados en la industria química para la obtención de fertilizantes y muchos otros compuestos. En la síntesis del amoniaco, el hidrógeno reacciona con nitrógeno y en la síntesis del metanol, el hidrógeno reacciona con monóxido de carbono:

3 H2 + N2 -! 2 NH3 2 H2 + CO -! CH3OH

En ambos casos, se requiere un catalizador para llevar a cabo la reacción, puesto que el enlace H–H de la molécula de hidrógeno es fuerte (436 kJ/mol). Además, se precisa operar a altas presiones, ya que en ambos procesos hay más moléculas de reactivos que de productos. En la industria petroquímica, el hidrógeno se utiliza en bastantes operaciones, como por ejemplo en la eliminación del azufre que contiene el petróleo e inutiliza los catalizadores que se emplean en su craqueo y transformación en fracciones más ligeras. En la industria metalúrgica, se utiliza el hidrógeno debido a su capacidad para reducir óxidos metálicos y prevenir la oxidación de los metales y aleaciones en ciertos tratamientos a temperaturas elevadas. En el sector aeroespacial, el hidrógeno se utiliza como combustible para cohetes, donde utiliza la energía liberada durante su oxidación con oxígeno o flúor. En la industria electrónica, el hidrógeno se utiliza como portador de compuestos traza (arsina, fosfina, etc.) en la fabricación de capas semiconductoras.

Cuando se comparan las distintas tecnologías de almacenamiento disponibles, no es suficiente con cuantificar la cantidad de almacenamiento de hidrógeno a partir de la capacidad gravimétrica o porcentaje en masa que es capaz de almacenar. En el caso de la capacidad de almacenamiento de hidrógeno de un material, este porcentaje suele referirse a la masa de hidrógeno almacenado dividido por la masa del hidrógeno almacenado más la masa del material
que lo almacena. Sin embargo, la capacidad de almacenamiento de hidrógeno de un sistema representa la masa de hidrógeno almacenado dividido por la cantidad resultante de sumar la masa del hidrógeno del material que lo almacena, la masa del material que lo almacena y la masa del recipiente de almacenamiento. Evidentemente, en este último caso los valores de capacidad de almacenamiento son mucho menores. Otro parámetro de utilidad, especialmente en aplicaciones móviles y portátiles es la capacidad volumétrica, definida como la masa de hidrógeno almacenado por unidad de volumen del material o sistema de almacenamiento considerado.

El método de almacenamiento ideal debe tener valores de densidad elevadas y ser completamente reversible, además de económico y seguro.

El almacenamiento de hidrógeno sólido en forma de hidruros metálicos o no metálicos representa una situación intermedia entre almacenar el hidrógeno licuado o comprimido. Si el hidrógeno se almacenara a mayor presión, el volumen del depósito sería menor, pero mucho más pesado. El factor determinante para el almacenamiento del hidrógeno en depósitos es el grosor de la pared. En el caso de depósitos para almacenamiento de hidrógeno líquido, la pared debe proporcionar consistencia y resistencia estructural, además de aislamiento térmico, lo que complica bastante su fabricación y mantenimiento.

Aunque por valores de capacidad gravimétrica y volumétrica el hidrógeno licuado y algunos hidruros pueden resultar los más ventajosos actualmente, existen distintas limitaciones que reducen notablemente el rendimiento de estas tecnologías. Además de la capacidad gravimétrica y volumétrica de los sistemas de almacenamiento, se debe tener en cuenta el tiempo de llenado y vaciado del recipiente de almacenamiento, así como otros requisitos adicionales durante el proceso de llenado y vaciado, entre los que se pueden citar el control de temperatura y/o presión, la eficiencia energética tanto en la carga como en la descarga, las pérdidas por fugas, la capacidad de adaptarse a distintas formas y espacios, aspectos económicos y de seguridad, etc.