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Por qué el hidrógeno es revolucionario como medio de almacenamiento de energía
Con 33,3 kWh/kg, el hidrógeno tiene la mayor densidad energética específica de masa de todos los combustibles. Esta extraordinaria propiedad lo convierte en el candidato ideal para la movilidad sostenible y el almacenamiento de energía en la transición energética. Sin embargo, su aplicación práctica requiere soluciones de almacenamiento innovadoras que sean seguras y eficientes.
El almacenamiento convencional de hidrógeno y sus límites
El almacenamiento convencional de hidrógeno se basa en dos procesos establecidos, y ambos plantean retos técnicos y económicos considerables.
Almacenamiento criogénico (hidrógeno líquido):
- Temperatura: -253°C (20 K)
- Densidad: 71 kg/m³
- Pérdida de energía por licuefacción: 30% de la energía almacenada
- Se requiere refrigeración continua
- Se requieren sistemas de aislamiento altamente especializados
- Costes de funcionamiento elevados debido al consumo constante de energía
Almacenamiento de gas a presión:
- Presión del acumulador: hasta 700 bar
- Pérdida de energía por compresión: aprox. 12%.
- Se necesitan recipientes pesados y resistentes a la presión
- Reducción de la densidad energética práctica debido al peso del depósito
- Elevados costes de inversión en sistemas de compresión
Problemas de seguridad comunes a ambos procesos:
Debido a su pequeño tamaño molecular, el hidrógeno tiene una velocidad de difusión excepcionalmente alta y puede penetrar en casi todos los materiales. Como el hidrógeno no está unido químicamente, surgen los siguientes riesgos:
- Pérdidas continuas de gas por difusión del material
- Posibles escapes incontrolados de gas
- Peligro de explosión con una concentración de hidrógeno en el aire del 4 al 75%.
- Fugas difíciles de detectar (incoloras e inodoras)
- La alta velocidad de combustión dificulta las medidas de seguridad
Almacenamiento basado en la sorción con MOFs e hidruros metálicos
Los marcos metalorgánicos (MOF), los hidruros metálicos y las estructuras de zeolita ofrecen un enfoque alternativo a la unión mecánica del hidrógeno mediante sorción. Estos materiales reducen significativamente el riesgo de difusión y aumentan la seguridad. Sin embargo, la mayoría de los hidruros metálicos tienen relaciones metal/hidrógeno desfavorables y velocidades de absorción y liberación lentas. Una excepción notable es el sistema de hidruro metálico de níquel, que ya ha obtenido una amplia aceptación para el almacenamiento de hidrógeno debido a su exitosa aplicación en la tecnología de las pilas.
Tecnología LOHC: El gran avance en el almacenamiento de líquidos
Los portadores orgánicos líquidos de hidrógeno (LOHC), como el dibenziltolueno (DBT), están revolucionando el almacenamiento de hidrógeno. Este líquido no tóxico e ignífugo puede absorber hidrógeno con un catalizador de rodio en condiciones moderadas de 200°C y 5 bares. El peroxi-DBT resultante almacena 600 litros de hidrógeno gaseoso por litro de líquido, lo que corresponde a una impresionante capacidad de almacenamiento de 2 kWh/kg. La liberación tiene lugar a 300°C y presión reducida. Los sistemas LOHC consiguen tasas de captación y liberación significativamente más altas que el almacenamiento sólido, al tiempo que conservan las ventajas de las bajas tasas de difusión.
Almacenamiento químico de hidrógeno mediante enlace molecular
La unión química del hidrógeno a otras moléculas ofrece otro enfoque de almacenamiento prometedor. El ejemplo más conocido es la síntesis de Haber-Bosch, que produce más de 200.000 millones de toneladas de amoníaco al año. Esta reacción tiene lugar a 450°C y 200 bares utilizando catalizadores de hierro y alcanza un contenido energético de 5,2 kWh/kg, lo que corresponde a una eficiencia del 63%. Aunque el amoníaco es más fácil de manipular que el hidrógeno gaseoso, tiene los inconvenientes de su toxicidad y corrosividad. Como alternativa, se pueden sintetizar otros gases, como el metano, mediante la gasificación del carbón, en la que la biomasa o el carbón vegetal se tratan con vapor a altas temperaturas.
Métodos analíticos para la caracterización de los materiales de almacenamiento
El análisis térmico es la herramienta más importante para analizar los materiales de almacenamiento de hidrógeno. Los analizadores gravimétricos y volumétricos de sorción, las termobalanzas de alta presión (TGA) y la calorimetría diferencial de barrido (DSC) pueden utilizarse para caracterizar con precisión los procesos de sorción y desorción. Estos sistemas permiten determinar el calor de sorción y desorción en condiciones controladas de flujo de gas, presión y vacío. Especialmente en la gasificación del carbón, los sistemas TG-DSC de alta presión permiten medir simultáneamente la eficacia de la gasificación, el contenido de carbono y el calor de reacción en una sola prueba.
Perspectivas futuras de la tecnología de almacenamiento de hidrógeno
El desarrollo de tecnologías eficientes de almacenamiento de hidrógeno sigue siendo un reto clave para el éxito de la transición energética. Los sistemas LOHC muestran propiedades especialmente prometedoras para aplicaciones móviles, mientras que se están optimizando materiales de sorción mejorados para el almacenamiento estacionario. El perfeccionamiento continuo de estas tecnologías será decisivo para establecer el hidrógeno como vector energético limpio y practicable del futuro y contribuir así de forma importante a un suministro energético sostenible.
