Hidróxeno e o seu almacenamento: O futuro da enerxía eléctrica

O hidróxeno é un combustible cunha elevada enerxía específica ou enerxía por unidade de masa, pero presenta unha baixa densidade de enerxía ou enerxía por unidade de volume con respecto a outros combustibles. Como consecuencia, para proporcionar enerxía a procesos de alta demanda precísanse enormes volumes de hidróxeno en condicións estándar. Este problema é especialmente relevante para a súa aplicación no sector do transporte. Por iso, propuxéronse tres alternativas para almacenar a maior cantidade de hidróxeno no menor volume posible:

Hidróxeno comprimido.
Hidróxeno en estado líquido.
Hidróxeno formando parte un composto sólido.

En calquera caso, débese ter presente que o hidróxeno é o gas menos denso e a sustancia coñecida co segundo punto de ebulición máis baixo tras o helio, o que dificulta enormemente a súa almacenaxe.

O hidróxeno é un combustible que proporciona unha gran cantidade de enerxía térmica cando se queima no aire, posto que a súa reacción co osíxeno é moi exotérmica. O hidróxeno tamén pode combinarse co osíxeno do aire nunha pila de combustible para proporcionar electricidade ademais de calor. Tanto a combustión do hidróxeno como a súa oxidación nas pilas de combustible son procesos limpos que non xeran apenas emisión de gases contaminantes nin partículas en suspensión nocivas para a saúde.

Aínda que o hidróxeno pode utilizarse tamén como combustible en motores de combustión interna ou turbinas de gas obténdose unha importante redución das emisións asociadas, as pilas de combustible constitúen a principal tecnoloxía para o seu aproveitamento enerxético.

O hidróxeno é un portador de enerxía excelente, pero o desarroio de materiais lixeiros de estado sólido para un almacenamento compacto de baixa presión é un desafío enorme.

Hidruros metálicos complexos son unha clase prometedora de materiais de almacenamento de hidróxeno, pero a súa viabilidade normalmente está limitada pola absorción de hidróxeno e a liberación lenta. O nanoconfinamento (infiltrarse no hidruro de metal dentro dunha matiz doutro material tal como carbono) pode, en certos casos, axudar a que este proceso sexa máis rápido ao acortar camiños de difusión de hidróxeno ou cambiando a estabilidade termodinámica do material.

Sen embargo, o nanoconfinamento pode ter outra consecuencia potencialmente máis importante xa que a presenza de “nanointerfaces” internas dentro de hidruros nanoconfinados pode alterar as fases que aparecen cando o material é sometido a ciclos.

Se analizamos o nitruro de litio de alta capacidade (Li ₃ N) baixo nanoconfinamento, usando unha combinación de técnicas teóricas e experimentais, demostramos que as vías para a absorción e liberación de hidróxeno cambiáronse fundamentalmente pola presenza de nanointerfaces, o que leva drásticamente ao rendemento máis rápido e á reversibilidade.

A hidroxenación forma unha mezcla de amida de litio e hidruro (azul claro) como unha envoltura exterior ao redor dunha partícula de nitruro de litio (azul escuro) nanoconfinada en carbono. O nanoconfinamento suprime todas as outras fases intermedias para evitar a formación de interfaz, que ten o efecto de mellorar considerablemente o rendemento de almacenaxe de hidróxeno.

Por outro lado, o hidróxeno utilízase dende fai moitos anos como materia prima nas industrias química, petroquímica, farmacéutica, electrónica, metalúrxica e aeroespacial. Dous dos procesos químicos máis importantes nos que o hidróxeno se utiliza como reactivo son a produción de amoniaco e a produción de metanol. Tanto o amoniaco como o metanol son dous produtos moi apreciados na industria química para a obtención de fertilizantes e moitos outros compostos. Na síntese do amoniaco, o hidróxeno reacciona co nitróxeno e na síntese do metanol, o hidróxeno reacciona co monóxido de carbono:

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

En ambos casos, requírese un catalizador para levar a cabo a reacción, posto que o enlace H–H da molécula de hidróxeno é forte (436 kJ/mol). Ademais, precísase operar a altas presións, xa que en ambos procesos hai máis moléculas de reactivos que de produtos. Na industria petroquímica, o hidróxeno utilízase en bastantes operacións, como por exemplo na eliminación do azufre que contén o petróleo e inutiliza os catalizadores que se empregan no seu craqueo e transformación en fraccións máis lixeiras. Na industria metalúrxica, utilízase o hidróxeno debido á súa capacidade para reducir óxidos metálicos e previr a oxidación dos metais e aliaxes en certos tratamentos a temperaturas elevadas. No sector aeroespacial, o hidróxeno utilízase como combustible para foguetes, onde utiliza a enerxía liberada durante a súa oxidación con osíxeno ou flúor. Na industria electrónica, o hidróxeno utilízase como portador de compostos traza (arsina, fosfina, etc.) na fabricación de capas semiconductoras.

Cando se comparan as distintas tecnoloxías de almacenamento dispoñibles, non é suficiente con cuantificar a cantidade de almacenaxe de hidróxeno a partir da capacidade gravimétrica ou porcentaxe en masa que é capaz de almacenar. No caso da capacidade de almacenamento de hidróxeno dun material, este porcentaxe adoita referirse á masa de hidróxeno almacenado dividido pola masa do hidróxeno almacenado mais a masa do material que o almacena. Sen embargo, a capacidade de almacenaxe de hidróxeno dun sistema representa a masa de hidróxeno almacenado dividido pola cantidade resultante de sumar a masa do hidróxeno do material que o almacena, a masa do material que o almacena e a masa do recipiente de almacenamento. Evidentemente, neste último caso os valores de capacidade de almacenaxe son moito menores. Outro parámetro de utilidade, especialmente en aplicacións móbiles e portátiles é a capacidade volumétrica, definida como a masa de hidróxeno almacenado por unidade de volumen do material ou sistema de almacenamento considerado.

O método de almacenaxe ideal debe ter valores de densidade elevadas e ser completamente reversible, ademais de económico e seguro.

O almacenamento de hidróxeno sólido en forma de hidruros metálicos ou non metálicos representa unha situación intermedia entre almacenar o hidróxeno licuado ou comprimido. Si o hidróxeno se almacenara a maior presión, o volume do depósito sería menor, pero moito máis pesado. O factor determinante para o almacenamento do hidróxeno en depósitos é o grosor da parede. No caso de depósitos para almacenaxe de hidróxeno líquido, a parede debe proporcionar consistencia e resistencia estructural, ademais de aislamento térmico, o que complica bastante a súa fabricación e mantemento.

Aínda que por valores de capacidade gravimétrica e volumétrica o hidróxeno licuado e algúns hidruros poden resultar os máis ventaxosos actualmente, existen distinas limitacións que reducen notablemente o rendemento destas tecnoloxías. Ademais da capacidade gravimétrica e volumétrica dos sistemas de almacenamento, débese ter en conta o tempo de enchido e vaciado do recipiente de almacenaxe, así como outros requisitos adicionais durante o proceso de enchido e vaciado, entre os que se poden citar o control de temperatura e/ou presión, a eficiencia enerxética tanto na carga como na descarga, as pérdidas por fugas, a capacidade de adaptarse a distintas formas e espazos, aspectos económicos e de seguridade, etc.