3 métodos para el almacenamiento de hidrógeno

Durante mucho tiempo, la disponibilidad de un sistema adecuado para el almacenamiento de hidrógeno fue uno de los mayores obstáculos para el uso a gran escala del hidrógeno, sobre todo en el sector transportes. Los problemas para confinar el hidrógeno se derivan de sus características físicas y químicas, ya que si bien el hidrógeno es un combustible que tiene una gran densidad energética por unidad de masa, presenta una muy baja densidad de energía volumétrica, tanto en estado líquido como gaseoso. Además, el hidrógeno tiene una gran difusividad y permeabilidad lo que hace que sea capaz de difundirse incluso a través de sólidos lo que conlleva tanto la pérdida del combustible almacenado que se vierte a la atmósfera, como la posible fragilización de los metales empleados para confinar el elemento, el acero por ejemplo.

En comparación a otros combustibles, el hidrógeno requiere depósitos de mayor volumen para almacenar la misma cantidad de energía. Debido a la baja densidad del hidrógeno, su almacenamiento siempre requiere grandes volúmenes y está asociado con altas presiones, con muy bajas temperaturas y/o en combinación con otros materiales (mucho más pesados que el propio hidrógeno).

La manera más habitual para almacenar hidrógeno es en depósitos a alta presión. Las presiones típicas de almacenamiento son 200 bares, 350 bares (estándar hace años para los depósitos que se montaban en vehículos) y 700 bares que actualmente es el estándar empleado en automoción. En los laboratorios, los gases a presión como el nitrógeno o el oxígeno acostumbran a almacenarse en balas o bombonas de acero, sin embargo, este tipo de depósitos no es práctico para la mayor parte de las aplicaciones del hidrógeno debido a que son muy pesadas. Por ello, se han desarrollado tanques ligeros a base de materiales compuestos como por ejemplo los montados en los Toyota Mirai que cuentan con tres capas. Una capa interna hecha de un polímero plástico a base de nylon con una baja permeabilidad al hidrógeno. Una capa intermedia de resina epoxy con fibra de carbono que da la rigidez estructural al depósito. Y por último una coraza externa fabricada con un material compuesto a base de fibra de vidrio para proteger al depósito de posibles abrasiones. De esta forma, mediante el uso de materiales compuestos, se logra reducir notablemente el peso de los depósitos que hay que embarcar.

Depósito de hidrógeno del Toyota Mirai

Depósito de hidrógeno de alta presión del Toyota Mirai

Presión (MPa) 0.101325 200 350 700
Volumen (L) 11934 68.4 42.7 25.7
Tabla 1: Volumen necesario para almacenar 1 kg de hidrógeno a 20ºC en función de la presión.

Otra opción es almacenar el hidrógeno en estado líquido, sin embargo, para que el hidrógeno se encuentre en estado criogénico es necesario mantener una temperatura de -253 ºC. Por tanto, para licuar el hidrógeno se requiere una cierta cantidad de energía para bajar la temperatura hasta 20,3 K sobre el cero absoluto, además se necesitan también unos depósitos fuertemente aislados para conservar tan baja temperatura. Este es un método para almacenar cantidades relativamente grandes de hidrógeno. Si bien, mediante este método el hidrógeno no puede mantenerse almacenado durante largos periodos de tiempo, debido a lo costoso que es mantener el hidrógeno en estado líquido y a las pérdidas que puedan producirse. BMW ha desarrollado y empleado la tecnología del hidrógeno líquido en prototipos en los que ha utilizado pequeños tanques.

La tercera opción, que en la actualidad es una de la menos utilizada, pero sin embargo, una de las que más se está estudiando es el almacenamiento de hidrógeno en forma de hidruros metálicos. Diversos metales y aleaciones como las de magnesio, titanio, hierro, manganeso, níquel o cromo forman hidruros metálicos cuando se encuentran en presencia de hidrógeno. Los átomos de hidrógeno se empaquetan dentro de la estructura metálica, debido a ello se pueden lograr unas mayores densidades de almacenamiento de hidrógeno que con hidrógeno comprimido. De forma similar a como ocurría con las bombonas de acero, el problema de este tipo de almacenamientos es que los metales son muy pesados per se, lo que puede lastrar diferentes aplicaciones en las que el peso sea un factor determinante. Para liberar el hidrógeno de los hidruros metálicos para su uso, se requiere calor, de hecho, el calor residual generado por la propia pila de combustible es suficiente para liberar el hidrógeno de la red de los hidruros metálicos de baja temperatura. Si bien, no se libera de una forma instantánea.

A día de hoy, se ha logrado dar una solución al almacenamiento de hidrógeno que parece ser lo suficientemente buena como para ser comercializable, al menos en automoción. Esto es, depósitos fabricados con diversas capas de materiales compuestos que permiten almacenar hidrógeno a presión de forma segura. Sin embargo, existe un gran número de líneas de investigación abiertas en torno al almacenamiento de hidrógeno, pues si bien se ha conseguido una primera solución al problema quizás no sea la mejor ni la más económica. Además, para aplicaciones distintas a la automoción, es posible que la utilización de hidrógeno criogénico, aplicaciones espaciales por ejemplo, o en forma de hidruros metálicos presenten una mayor utilidad que el hidrógeno comprimido.

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2 respuestas a 3 métodos para el almacenamiento de hidrógeno

  1. Oscar René Pérez Mira dijo:

    Al comercializarse el hidrógeno comprimido, surgirían muchos productos para el mercado de los niños, ya que a los niños les fascina ver y manipular objetos que deambulen por los aires(las piscuchas) o podrá el hidrógeno criogénico o en forma de hidruros metálicos hacerlos mejor que el hidrógeno comprimido. Espero la respuesta.
    Atentamente.

    • Oscar Santiago dijo:

      Lo primero, siento la tardanza en la respuesta.

      Allá vamos. Realmente el uso del hidrógeno comprimido que se está planteando hoy en día es a una escala mucho mayor. Digamos que lo que se pretende no es vender pequeños depósitos con hidrógeno comprimido sino establecer una red de hidrogeneras (estaciones de servicio de hidrógeno) que permitan repostar vehículos que funcionen con pilas de combustible. Es decir, hacer uso del hidrógeno comprimido como hoy en día se hace de la gasolina por ejemplo. Cuando nos vamos al transporte aéreo, los denominados drones, actualmente se está investigando sobre todo el uso de hidrógeno comprimido ya que suelen presentar en conjunto una menor masa que los hidruros o el almacenamiento criogénico. Y la masa en todo cacharro que vuela suele ser un factor limitante. Sin embargo, para según que aplicaciones pueden emplearse hidruros metálicos, por ejemplo el submarino autónomo Urashima empleaba hidruros metálicos. E igual con el hidrógeno criogénico, BMW está obteniendo muy buenos resultados con él en el ámbito de la automoción. Así es que realmente el uso de un tipo u otro de almacenamiento depende de cada caso.

      A nivel educativo o formativo el hidrógeno puede obtenerse fácilmente con pequeños electrolizadores. Evidentemente, este hidrógeno es gaseoso y no está ni comprimido, ni criogenizado, ni convertido en hidruros pero por ejemplo, para ver el funcionamiento de una pila de combustible o para mover pequeños juguetes basta y sobra.

      Si estás interesado en el tema, en el blog hay descritas una gran cantidad de aplicaciones del hidrógeno y las pilas de combustible.
      Espero haberte respondido satisfactoriamente, y muchas gracias por la pregunta.

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