Además del almacenamiento como gas comprimido o líquido existen otros métodos para el almacenamiento de hidrógeno como los sistemas por absorción basados en hidruros metálicos y en nanotubos de carbono. Los sistemas porosos en comparación con el medio gaseoso y liquido ofrecen la ventaja de una presión de almacenamiento de hidrógeno menor, mayor seguridad, flexibilidad de diseño y eficiencia de almacenamiento volumétrica razonable. No obstante, la tecnología no está madura todavía. Además no hay soluciones inminentes para evitar las penalizaciones en peso/coste y abordar los temas de gestión térmica con esta opción.
I.8.3.1. Combinación química. Hidruros Metálicos.
Los hidruros metálicos se basan en metales de transición y aleaciones metálicas que actúan como una esponja absorbiendo hidrógeno gaseoso. Estos hidruros se forman por reacción química bajo presión de hidrógeno liberándose calor; el H2 es absorbido
en la estructura cristalina. De modo inverso, el hidrógeno se libera cuando se aplica calor a los materiales, a través, por ejemplo del calentamiento del tanque y mediante la reducción de la presión. La molécula de hidrógeno se adsorbe primero en la superficie y después se disocia como átomos de hidrógeno. Almacenar hidrógeno en materiales sólidos es, en principio, un método alternativo de almacenamiento de gran volumen, seguro y eficaz. Cuando el hidrógeno necesita ser empleado, se libera del hidruro bajo
ciertas condiciones de temperatura y presión (Figura I.21). Este proceso puede repetirse sin pérdida de la capacidad de almacenamiento[136]. El elemento clave es la facilidad de
recuperación del hidrógeno que se refleja en la presión de disociación del material, una propiedad dependiente de la temperatura. Los hidruros metálicos se pueden clasificar en:
Hidruros metálicos intersticiales: estos hidruros ofrecen una capacidad de almacenamiento del 1.8% en peso (porcentaje de hidrógeno por peso) a 60-70ºC, o hasta 3% en peso para aleaciones cuasi-cristalinas Zr-Ti-Ni, aunque con una absorción de hidrógeno reversible bastante más pobre.
Material pulverizado rico en magnesio activado: este tipo de hidruros alcanzan en laboratorio hasta un 5-6% en peso de hidrógeno a 260-280ºC (1bar) pero sus cinéticas necesitan ser mejoradas.
Hidruros metálicos ligeros complejos (alanatos y sus homólogos en isoestructura): absorben 5 a 8% en peso, pero liberan hidrógeno a un ritmo muy lento.
Este tipo de almacenamiento tiene una alta capacidad por unidad de volumen. Sin embargo es bastante pesado y por tanto no se puede emplear en aplicaciones móviles. Además es muy caro debido al alto coste de los materiales. En aspectos tales como el manejo y la seguridad, el empleo de tanques de hidruros metálicos cuenta con mayores ventajas.
Los recipientes de hidruro metálico para almacenar hidrógeno deben poseer dispositivos que permitan enfriar y calentar el material. Por razones prácticas y económicas las presiones de carga no deberán ser mayores que 27 bares y las de descarga no menores que 2 bares y las temperaturas no menores que 10 ºC ni mayores que 100 ºC, para la absorción y la desorción, respectivamente. Una de las características de los hidruros metálicos es su fragilidad y en algunos casos, el aumento de volumen de hasta un 25% respecto del material no hidrurado. Esto hace que en unos pocos ciclos de absorción-desorción se produzca una decrepitación del material transformándose en polvo con tamaño de partículas del orden de la micra, lo cual dificulta el flujo del calor, que es necesario para que el proceso sea cinéticamente eficiente. La Tabla I.8 resume algunos de los compuestos intermetálicos que forman hidruros para el almacenamiento de hidrógeno.
Tabla I.8. Algunos importantes compuestos intermetálicos formadores de hidruros.
Familia Metal Hidruro H% masa Kgr H2 m-3 Peq, T Elemental Mg MgH2 7.6 110 1 bar, 573 K
AB5 LaNi5 LaNi5H6.5 1.37 115 2 bar, 298 K AB2 ZrV2 ZrV2H5.5 3.01 10-8 bar, 323 K
AB FeTi FeTiH1.9 1.89 112 5 bar, 303 K A2B Mg2Ni Mg2NiH4 3.59 97 1 bar, 555 K AB2 (b.c.c.) TiV2 TiV2H4 2.6 10 bar, 313 K
I.7.3.2. Adsorción en sólidos porosos (nanoestructuras de carbono)
Dependiendo de la presión y temperatura aplicada, el hidrógeno puede ser adsorbido y almacenado de modo reversible sobre superficies solidas como resultado de la fisisorción (fuerzas de Van der Waals). Materiales con una gran área específica como los carbonos nanoestructurados y los nanotubos de carbono son substratos adecuados para la fisisorción. Hace unos años se descubrió que se podía almacenar grandes cantidades de hidrógeno en estructuras de grafito microscópicamente pequeñas con forma de tubo, alcanzando almacenamientos de hasta el 60% en peso (Figura I.22). Analizando los resultados de la investigación de los últimos años, se observan datos contradictorios con respecto al almacenamiento reversible de hidrógeno en nanotubos
de carbono. Se necesitan avances científicos y técnicos que rectifiquen el alto potencial de esta tecnología. La cantidad de hidrógeno fisisorbido a temperatura ambiente y presiones de hasta 35 MPa es inferior al 0,1% en peso para cualquiera de las nanoestructuras estudiadas, lo que cuestiona su utilidad potencial [137-139].
Las propiedades de almacenamiento de hidrógeno de los nanotubos no están todavía completamente exploradas ni entendidas. Sin embargo hay interés científico particularmente en los nanotubos de pared única o “single walled nanotubes” que podrían ser un medio prometedor para el almacenamiento seguro de hidrógeno. La mayoría de los investigadores coinciden en que se deben emprender investigaciones en el desarrollo de métodos para mejorar el comportamiento de desorción y la adecuada caracterización de estos materiales. Procedimientos como el “ball milling” parecen incrementar el número de defectos y pueden dar lugar a estructuras altamente defectuosas donde el hidrógeno es débilmente adsorbido de forma química y fácilmente liberado.
Figura I.22. Almacenamiento de hidrógeno en nanotubos de carbono.