Como la densidad de energía específica de masa del hidrógeno (33,3 kWh/kg) es una de las más altas de todos los combustibles, el uso del hidrógeno para la movilidad y como medio de almacenamiento de energía ha sido y sigue siendo de gran interés.
Sin embargo, una de las cuestiones clave que hay que resolver es el hecho de que el almacenamiento de hidrógeno es un reto y presenta un par de inconvenientes que hay que considerar cuidadosamente.
El almacenamiento convencional de hidrógeno suele hacerse utilizando hidrógeno en estado líquido a 20 K y a una densidad de 71 kg/m^3.
Sin embargo, la licuación necesita el 30% de la energía que el hidrógeno puede almacenar.
Además, el hidrógeno también se almacena en estado gaseoso a niveles de presión de hasta 700 bares en botellas, lo que supone una pérdida de energía de aproximadamente el 12 % de su energía almacenada debido a la compresión.
Ambas variantes conllevan el riesgo de una liberación no deseada de gas hidrógeno debido a su elevada velocidad de difusión a través de la mayoría de los materiales.
Como el hidrógeno no está ligado químicamente, puede difundirse con facilidad y siempre existe riesgo de incendio y explosión en las instalaciones de almacenamiento de hidrógeno.
Para superar esto, en el pasado más reciente se han realizado estudios para utilizar marcos metalorgánicos, combinaciones de hidruros metálicos y también estructuras de zeolita para ligar mecánicamente el almacenamiento de hidrógeno por sorción.
La ventaja es un menor riesgo de difusión; sin embargo, la mayoría de los hidruros metálicos tienen una relación metal/hidrógeno bastante pobre y una tasa de absorción y liberación de hidrógeno lenta.
En consecuencia, sólo el sistema níquel-metal-hidruro ha encontrado una amplia aceptación debido a su uso como pila para el almacenamiento de hidrógeno.
El análisis térmico es la herramienta perfecta para investigar los procesos de sorción y desorción del hidrógeno.
La investigación se realiza utilizando analizadores de sorción gravimétricos y volumétricos y termobalanzas presurizadas.
Con la configuración adecuada de la trayectoria del gas, los caudales y los niveles de presión y vacío, las zeolitas y los marcos metalorgánicos pueden caracterizarse mediante TGA (Termogravimetría) así como por DSC (Calorímetro Diferencial de Barrido)que permiten determinar el calor de sorción y desorción.
En la actualidad, existe un novedoso concepto de tecnología de almacenamiento de hidrógeno líquido que utiliza portadores orgánicos líquidos (LOHC) como el dibencil tolueno (DBT).
Se trata de un líquido no tóxico y difícilmente inflamable que puede absorber hidrógeno a 5 bares a 200°C utilizando un catalizador Rh.
El llamado peroxi-DBT resultante puede captar 600 litros de hidrógeno gaseoso por litro de líquido, lo que supone una capacidad de almacenamiento de 2 kWh/kg.
La liberación puede conseguirse a 300°C a presión reducida.
Con esta tecnología se puede conseguir una tasa de captación y liberación mucho mayor que con los sistemas de almacenamiento de hidrógeno sólido, manteniendo la ventaja de las bajas tasas de difusión y, por tanto, un menor riesgo de liberación incontrolada de hidrógeno.
Además de la nueva tecnología de los medios de almacenamiento de hidrógeno líquido, también existe el planteamiento de almacenar uniendo químicamente el hidrógeno a otra molécula.
Un ejemplo clásico de este tipo de reacción es la famosa síntesis de Haber-Bosch de amoníaco a partir de los elementos hidrógeno y nitrógeno.
La producción anual de amoníaco es de más de 200.000 millones de toneladas, de las que ¾ se utilizan para la producción de fertilizantes.
La reacción Haber-Bosch tiene lugar normalmente a 200 bares y 450°C utilizando catalizadores de hierro.
El amoníaco resultante es más fácil de manipular y almacenar que el hidrógeno gaseoso, pero es tóxico y corrosivo, cosa que no ocurre con el hidrógeno puro.
El contenido energético del amoníaco es de 5,2 kWh/kg, lo que significa un índice de eficiencia del 63% durante la producción a partir de los elementos.
El contenido energético es 2,6 veces superior al del peroxi-DBT, pero sigue siendo sólo 1/6 del del hidrógeno puro.
Junto al amoníaco, también hay otros gases que pueden sintetizarse a partir del hidrógeno, como el gas metano u otros hidrocarburos, que proporcionan un menor riesgo de liberación de hidrógeno.
El metano, por ejemplo, es el resultado de la llamada gasificación del carbón en la que el carbón o la biomasa se tratan con vapor de agua a temperaturas y presiones elevadas para crear primero monóxido de carbono e hidrógeno y, en un segundo paso, metano y agua.
Este proceso es una de las reacciones más investigadas utilizando termobalanzas de alta temperatura y alta presión (TGA de alta presión y TG-DSC de alta presión).
Como estos sistemas pueden equiparse fácilmente con humedad y vapor pueden medir el grado de gasificación, el contenido de carbono y el calor de reacción simultáneamente en un mismo experimento.
El tema del almacenamiento de hidrógeno nos acompañará durante muchos años.
