2.10: Almacenamiento de Hidrógeno para Uso como Combustible
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Nota
Este módulo se basa en el curso de Conexión Métodos de Almacenamiento de Hidrógeno para su Uso como Estudio de Caso de Combustible por Christian Cioce.
Introducción
El dihidrógeno es un gas incoloro e inodoro a temperatura ambiente que es altamente ammable, liberando una gran cantidad de energía cuando se quema. En comparación con la combustión de los combustibles actuales que operan automóviles, por ejemplo gasolina o diesel, la energía liberada cuando se quema hidrógeno es más de tres veces mayor. El calor de combustión para hidrógeno es de 141.9 kJ/mol en comparación con 47.0 kJ/mol y 45.0 kJ/mol para gasolina y diesel, respectivamente.
Además, la combustión de hidrocarburos libera el gas de efecto invernadero dióxido de carbono (CO 2) a la atmósfera, por lo que no es un combustible “limpio”. Cuando se quema hidrógeno en presencia de oxígeno (del aire) el único producto es el agua, (2.52). Tanto su reactividad limpia como la gran energía química hacen que el H 2 sea extremadamente atractivo para su uso como combustible en automóviles.
\[2H_{2(g)} + O_{2(g)} \rightarrow 2 H_2O_{(g)} \]
Si el hidrógeno tiene tal potencial como combustible, ¿por qué no se ha implementado ampliamente? El dihidrógeno es un gas a temperatura ambiente. Los gases, en comparación con los otros estados de la materia (líquido y sólido), ocupan el mayor volumen de espacio, para un número dado de moléculas. El octano y los demás hidrocarburos que se encuentran en la gasolina son líquidos a temperatura ambiente, demandando tanques de combustible relativamente pequeños. Por tanto, los líquidos son más fáciles de almacenar que los gases comprimidos.
El hidrógeno tiene un alto contenido de energía por peso (más de tres veces más que la gasolina), pero la densidad de energía por volumen es bastante baja a temperatura y presión estándar. La densidad de energía volumétrica se puede aumentar almacenando el hidrógeno gaseoso bajo mayor presión o almacenándolo a temperaturas extremadamente bajas como líquido. El hidrógeno también se puede adsorber en hidruros metálicos y materiales altamente porosos (Cuadro\(\PageIndex{2}\) .10). Los métodos disponibles actualmente para almacenar hidrógeno incluyen hidrógeno comprimido e hidrógeno licuado, sin embargo existen muchos métodos prometedores, a saber, materiales orgánicos metálicos (MOM), hidruros metálicos y nanoestructuras de carbono.
| Material | Átomos H por cm 3 (x 10 22) | % de peso que es H 2 |
| Gas H2, 200 bar (2850 psi) | 0.99 | 100 |
| Líquido H2, 20 K (-253 ◦ C) | 4.2 | 100 |
| H2 sólido, 4.2 K (-269 ◦ C) | 5.3 | 100 |
| MgH 2 | 6.5 | 7.6 |
| Mg 2 NiH 4 | 5.9 | 3.6 |
| FetiH | 6.0 | 1.89 |
| LanI 5 H 6 | 5.5 | 1.37 |
Hidrógeno líquido
El hidrógeno líquido es posible enfriándolo criogénicamente por debajo de su punto de ebullición, -253 ◦ C. Como líquido, la misma cantidad de hidrógeno gaseoso requerirá mucho menos volumen, y por lo tanto es factible para el uso individual de automóviles. Se requiere un sistema de refrigeración para mantener el líquido enfriado, ya que si la temperatura del sistema sube por encima del punto crítico del hidrógeno (-241 ◦ C), el líquido se convertirá en un gas. Debe existir un aislamiento al vacío entre las paredes interior y exterior del sistema de tanque de hidrógeno líquido, ya que el calor no puede viajar a través de un vacío. Hay un tradeo, sin embargo, porque el tanque debe ser un sistema abierto para evitar la sobrepresión. Esto conducirá directamente a la pérdida de calor, aunque mínima.
El tamaño relativo del tanque tiene un amplio rango, con tanques pequeños que tienen un volumen de 100 L, y tanques esféricos grandes que dimensionan hasta 2000m 3. Sistemas de refrigeraciónenotalikelyfeatureforeveryautomóvil, y los sistemas abiertos pueden representar un peligro en caso de que ocurra un accidente. Enfriar el hidrógeno a un líquido es un método conveniente de almacenamiento, sin embargo, y su implementación probablemente se limitará a tanques estacionarios grandes, así como a camiones móviles de varios ejes.
Hidrógeno comprimido
Compresión de gas es el proceso de aplicar una fuerza externa que minimiza la distancia entre las partículas de gas, obligando así al sistema a ocupar menos volumen. Esto es atractivo ya que muchas partículas pueden existir en un tanque de tamaño razonable. A temperatura ambiente y presión atmosférica, 4 kg de hidrógeno ocupan un volumen de 45 m 3, lo que corresponde a un globo con un diámetro de 5 m. Claramente se requiere compresión para almacenar y transportar el gas. Sin embargo, cuando se trata de movilidad individual, estos tanques siguen siendo demasiado grandes para el automóvil de tamaño promedio.
Los tanques comprimidos se llenan regularmente a 200 atmósferas en la mayoría de los países. El almacenamiento de 4 kg de hidrógeno aún requiere un volumen interno de 225 L (aproximadamente 60 galones). Esta cantidad se puede dividir en 5 tanques con un volumen interno de 45 L.
Hidruros metálicos para almacenamiento
Los hidruros metálicos son complejos coordinados y/o sistemas cristalinos que se unen reversiblemente al hidrógeno. El hidrógeno se incorpora favorablemente al complejo y puede liberarse aplicando calor al sistema. Un método importante para determinar la efectividad de un complejo en particular es medir la cantidad de hidrógeno que puede liberarse del complejo, en lugar de la cantidad que puede almacenar (Cuadro\(\PageIndex{2}\) .10).
Algunos problemas con los hidruros metálicos son la baja capacidad de hidrógeno, la lenta captación y la cinética de liberación, así como el costo. La velocidad a la que el complejo acepta el hidrógeno es un factor, ya que el tiempo para alimentar un automóvil idealmente debería ser mínimo. Aún más importante aún, en la etapa actual de investigación, la velocidad a la que se libera hidrógeno del complejo es demasiado lenta para los requisitos de los automóviles. Esta tecnología sigue siendo un método muy prometedor, y la investigación adicional permite la posibilidad de tasas de alta unión y rápida inversión del gas hidrógeno.