Almacenamiento de hidrógeno comprimido: tipos de tanques

El aumento vertiginoso de la población mundial y de los estándares de vida en el denominado mundo desarrollado provoca que la demanda energética no pare de crecer. Gran parte de esa demanda creciente de energía es cubierta mediante el consumo de combustibles fósiles como el petróleo, el gas natural o el carbón. Ocurre que estos combustibles fósiles son fuentes no renovables de energía, es decir, son recursos que no se reponen y que por tanto terminarán acabándose. Pero es que además su uso intensivo en sectores como la industria o el transporte emite a la atmósfera ingentes cantidades de gases de efecto invernadero, por ejemplo dióxido de carbono u óxidos de nitrógeno. Así, la concentración de CO2 en la atmósfera desde 1750 hasta nuestros días ha aumentado aproximadamente un 30% como puede verse en la Figura 1. Teniendo en cuenta los tiempos característicos en los cuales tienen lugar cambios significativos en la atmósfera terrestre, este cambio en la concentración de CO2 es un cambio muy brusco en un periodo muy corto de tiempo que puede tener consecuencias catastróficas.

Concentración de CO2 en la atmósfera

Figura 1. Evolución de la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera entre 1880 y 2009.

Antes de que estos combustibles fósiles se acaben, y preferentemente antes de que el cambio climático sea irreversible, deberemos encontrar un combustible alternativo que nos permita hacer frente a los nuevos retos energéticos. Un combustible limpio que se pueda integrar con las energías renovables y que se pueda emplear en el transporte o en aplicaciones estacionarias. El hidrogeno surge como un potencial candidato avalado por ser el combustible con la mayor energía específica (120 MJ/kg, Figura 2), por ser respetuoso con el medio ambiente y por ser de gran abundancia.

Energía específica y densidad de energía de diferentes combustibles

Figura 2. Comparación de la energía por unidad de masa y la energía por unidad de volumen de varios combustibles en base a su poder calorífico inferior.

El hidrógeno puede emplearse por ejemplo para almacenar energía eléctrica, de modo que cuando se produzca más electricidad que la demandada esta puede emplearse para producir hidrógeno y almacenarlo. Posteriormente, el hidrógeno podrá volverse a convertir en electricidad en una pila de combustible. Igualmente, este hidrógeno producido puede emplearse en vehículos por medio de una pila de combustible. Sin embargo, en este camino hay que resolver un problema crucial, el almacenamiento del hidrógeno. El hidrógeno tiene una gran energía específica pero al tratarse de un gas, la cantidad de energía almacenada por unidad de volumen es muy pequeña. Así pues, para la aplicación del hidrógeno en el transporte hay que lograr almacenar la mayor cantidad de hidrógeno posible en el menor volumen y con el menor peso posible, he ahí el reto.

En la actualidad se están investigando un gran número de métodos diferentes para lograr almacenar la mayor cantidad de hidrógeno en el menor volumen y con el menor peso posibles, teniendo en cuenta todos los dispositivos y equipos que sean necesarios. Los diferentes métodos de almacenamiento pueden dividirse en dos grandes grupos: almacenamiento físico y almacenamiento sólido o almacenamiento mediante materiales. En el esquema de la Figura 3 pueden identificarse claramente esta clasificación. Dentro del almacenamiento físico se encuentran fundamentalmente el hidrógeno comprimido, el hidrógeno criocomprimido y el hidrógeno líquido. Dentro de las técnicas de almacenamiento mediante materiales se encuentra el uso de hidruros metálicos u orgánicos, el uso de materiales absorbentes o el uso de compuestos químicos que contengan hidrógeno. Este tipo de técnicas de almacenamiento mediante materiales está siendo objeto de una gran investigación y presenta un futuro prometedor. Sin embargo, a día de hoy los métodos de almacenamiento físicos son los más extendidos y los que mejor se conocen ya que en cierta forma son similares a los empleados con otros gases. Lo que no quita que se siga investigando en ellos, a fin de resolver problemas que aún hoy siguen planteados.

Métodos de almacenamiento físico y almacenameinto mediante materiales

Figura 3. Distintos métodos de almacenamiento físico y almacenamiento mediante materiales.

Los métodos físicos almacenan las moléculas de hidrógeno en su forma libre, sin que se unan o sean absorbidas por otros materiales. Por lo tanto, se juega fundamentalmente con la presión y temperatura, con ellas se tratar de maximizar la capacidad volumétrica y gravimétrica del hidrógeno almacenado sobre todo para aplicaciones en el sector transporte. Siendo la capacidad gravimétrica la relación entre la masa de hidrógeno almacenada y la masa total del dispositivo de almacenamiento con el hidrógeno incluido, suele darse en tanto por ciento. Por su parte, la capacidad volumétrica es la masa de hidrógeno almacenada por unidad de volumen. En la Figura 4 pueden verse las regiones correspondientes a las tres formas de almacenamiento físico del hidrógeno, esto es comprimido, criocomprimido y líquido, así como la variación de su densidad para distintas presiones y temperaturas.

Diagrama densidad-temperatura del hidrógeno

Figura 4. Diagrama densidad-temperatura del hidrógeno en el que puede verse como la densidad del hidrógeno criocomprimido es mucho mayor que la del comprimido y algo mayor que en estado líquido.

En la Figura 4 se ve claramente como el hidrógeno líquido y el criocomprimido presentan una densidad mucho mayor que la del hidrógeno comprimido. A pesar de las grandes ventajas que plantea el almacenamiento líquido y sobre todo el criocomprimido, a día de hoy se encuentran en una fase experimental resolviendo ciertos problemas que plantean. El método más empleado actualmente para el almacenamiento de hidrógeno es el de hidrógeno comprimido.

En los actuales vehículos de pila de combustible de hidrógeno, el hidrógeno se presuriza a 700 bar en tanques especiales. Pero es que en las hidrogeneras el hidrógeno puede encontrarse incluso a 1000 bar. Por lo tanto, los tanques que almacenen el hidrógeno en estas condiciones deberán estar especialmente preparados. Tienen que soportar grandes tensiones así como un gran número de ciclos a fatiga por la carga y descarga del depósito. Los materiales empleados tienen que ser lo menos susceptible posible a la fragilización por hidrógeno. Debido al pequeño tamaño de las moléculas de hidrógeno, estas son capaces de permear a través de distintos materiales lo cual debe ser tenido en cuenta a la hora del diseño de los tanques. Igualmente deben tenerse en cuenta los problemas de seguridad que puedan surgir ya sea por posibles fugas o en caso de accidente. Así, como puede verse esquemáticamente en la Figura 5,  hasta el momento se han desarrollado cuatro tipos funcionales de tanques para el almacenamiento y transporte del hidrógeno, denominados Tipo I, II, III y IV.

Esquema de los tanques para el almacenamiento de hidrógeno comprimido

Figura 5. Esquema de los distintos tipos de depósitos para el almacenamiento de hidrógeno comprimido.

  • Tipo I. Los tanques tipo I son depósitos sin costuras fabricados con acero o aluminio. Estos depósitos pueden operar a presiones no superiores a 175 bar en el caso de estar fabricados de aluminio y 200 bar si son de acero. Este tipo de depósitos es muy pesado y tiene paredes muy gruesas lo que provoca que su capacidad gravimétrica sea muy pequeña, en torno al 1%. Esto quiere decir que del peso total del tanque lleno, tan solo un 1% es hidrógeno. Los tanques tipo I pueden ser una opción económica para el almacenamiento de hidrógeno en determinadas aplicaciones estacionarias. Son los tanques para el almacenamiento de hidrógeno comprimido utilizados en los laboratorios.
Tanques tipo I de hidrógeno comprimido

Figura 6. Depósitos tipo I de hidrógeno comprimido.

  • Tipo II. Son tanques metálicos, de acero o aluminio, sin costuras y reforzados con materiales compuestos de fibra de carbono o vidrio en la dirección del aro en la sección cilíndrica del depósito. Se han fabricado tanques tipo II que han soportado presiones de 700 bar y hasta 1000 bar. En este caso el recipiente metálico y el material compuesto soportan aproximadamente la misma carga estructural. Siguen siendo depósitos muy pesados, lo que no les hace viables para su uso en automoción, pero son utilizables en aplicaciones estacionarias. En particular, dada las elevadas presiones que son capaces de soportar suelen emplearse como depósitos de alta presión en las hidrogeneras.
Tanque de hidrógeno comprimido tipo II

Figura 7. Depósito tipo II de hidrógeno comprimido.

  • Tipo III. Constan de un forro metálico interno con o sin costuras a fin de evitar las fugas de hidrógeno por difusión, recubierto todo ello por un material compuesto dispuesto en distintas direcciones. La parte metálica es normalmente de aluminio aunque también puede ser de acero. Los más resistentes son aquellos que emplean fibra de carbono como material compuesto, siendo capaces de soportar hasta 700 bar. En este caso la mayor parte de la carga estructural es soportada por el material compuesto. La eliminación de paredes gruesas de materiales metálicos y el mayor uso de materiales compuestos hace que el peso de estos depósitos disminuya en comparación a los de tipo I y II.
Tanque tipo III de hidrógeno comprimido

Figura 8. Depósitos tipo III de hidrógeno comprimido.

  • Tipo IV. Consta de un forro interno de material plástico, generalmente polietileno de alta densidad, para evitar la difusión del hidrógeno, reforzado mediante fibras de carbono en distintas direcciones que recubren todo el forro de plástico. Es este material compuesto el que soporta en este caso todas las cargas estructurales. En la parte más externa puede contar con un recubrimiento de fibra de vidrio a fin de proteger la superficie externa. Estos tanques tipo IV mantienen las válvulas metálicas para poder llevar a cabo la recarga del depósito y el suministro de hidrógeno. En cuanto a la presión máxima que son capaces de soportar esta se encuentra en torno a unos 700 bar. Al eliminar prácticamente todo el material metálico del depósito, los tipo IV son mucho más ligueros que los tipo I y II. Sin embargo, el forro interno de plástico es peor barrera a la difusión del hidrógeno que los metales. Por otra parte, aunque los depósitos tipo IV son mucho más ligueros que los tipo I y II, también son mucho más caros debido al uso de una gran cantidad de fibra de carbono. Con ellos es posible llegar a alcanzar una densidad gravimétrica de hidrógeno de hasta el 11.3 %, en comparación al 1% de los tipo I.
Depósito tipo IV de hidrógeno del Toyota Mirai

Figura 9. Depósito tipo IV para el almacenamiento de hidrógeno (Toyota Mirai).

No existe una solución universal al almacenamiento de hidrógeno como ha podido verse en esta clasificación, depende en gran medida de la aplicación y de los requerimientos. Generalmente los tanques para el almacenamiento de hidrógeno comprimido tipo I y II son empleados en aplicaciones estacionarias como por ejemplo laboratorios o hidrogeneras respectivamente. Los depósitos tipo III y IV, a pesar de ser más caros que los tipo I y II, son empleados en vehículos debido a su mayor capacidad gravimétrica. Por ejemplo, cada Toyota Mirai cuenta con dos depósitos tipo IV con capacidad total de 122.4 L.

Actualmente el almacenamiento de hidrógeno de forma segura, eficiente y maximizando las capacidades volumétricas y gravimétricas es un gran reto y es el foco de un gran número de investigaciones. De forma segura porque deben tomarse las medidas necesarias para que en caso de fuga o accidente no exista riesgo para las personas. Por ello a los tanques empleados en automoción se les somete a duras pruebas de impacto para que sean homologados, y es común el uso de válvulas de alivio en los tanques activadas térmicamente. En cuanto a la eficiencia, el almacenamiento físico del hidrógeno requiere un cierto gasto energético, ya sea para comprimir el hidrógeno, para disminuir su temperatura o para licuarlo. A la hora de elegir un método u otro también habrá que tener en cuenta estos gastos y compararlos con los de los nuevos métodos que se están desarrollando. Por último, la maximización de las capacidades volumétrica y gravimétrica conduciría a una mayor facilidad en la embarcabilidad de este tipo de combustible, no solo para el transporte por carretera sino en trenes, vehículos aéreos no tripulados y vehículos submarinos. Por lo tanto, aunque hoy en día está mayoritariamente extendido el almacenamiento del hidrogeno en forma comprimida, no cesa la investigación con la intención de mejorar los métodos existentes y desarrollar otros nuevos que permitan cumplir los retos planteados.

Referencias

HyResponse. Basics of hydrogen safety for first responders. Lecture. Introduction to FCH applications and hydrogen safety

HyResponse. LECTURE – Safety of hydrogen storage.

Cryo-compressed Hydrogen Storage. Cryogenic Cluster day, Oxford, September 28, 2012

Durbin, D. J., and Cecile Malardier-Jugroot. “Review of hydrogen storage techniques for on board vehicle applications.” International journal of hydrogen energy 38.34 (2013): 14595-14617.

Ren, Jianwei, et al. “Current research trends and perspectives on materials-based hydrogen storage solutions: A critical review.” international journal of hydrogen energy 42.1 (2017): 289-311.

Hydrogen Storage. Office of Energy Efficiency and Renewable Energy.

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