Avances en la aplicación del hidrógeno como combustible

INFOUNIVERSIDADES/DICYT El agotamiento de los combustibles fósiles y la gran contaminación ambiental que éstos causan hace necesaria la utilización de alternativas no contaminantes. En este sentido, el hidrógeno como vector de energía está situado en un lugar preferencial: es el elemento más abundante en la naturaleza y su combustión con oxígeno produce agua y gran cantidad de calor, aún más que el resto de los combustibles comunes (hidrocarburos, carbón, leña). Utilizado en celdas de combustible permite obtener energía eléctrica con mayor eficiencia que como se hace por combustión en una usina térmica convencional.

Con esta premisa, un equipo de investigadores trabaja en un programa de almacenamiento de hidrógeno en forma sólida para su posterior utilización como fuente de energía. “El punto clave para la utilización del hidrógeno radica en encontrar una manera práctica, segura y económica para su almacenamiento”, explica a InfoUniversidades el físico Hernán Américo Peretti, director del proyecto. “Una de las alternativas es aprovechar su capacidad de formar hidruros con otros elementos por medio de una transformación que permite almacenarlo y que ocupe menos volumen que en estado líquido”.

Los hidruros metálicos consisten en un metal puro o en un compuesto de varios metales, tipo aleación, en los que el hidrógeno se halla ligado químicamente a los átomos de la red cristalina. “Los hidruros metálicos ofrecen esta posibilidad de almacenamiento de hidrógeno a partir de la fase gaseosa, al tiempo que, en un medio líquido alcalino, presentan buenas propiedades electroquímicas para acumular energía y conforman el electrodo negativo de baterías eléctricas recargables”, indica Peretti.

Hay dos aplicaciones importantes de los hidruros metálicos asociadas a la energía: una es el almacenamiento del hidrógeno para su posterior recuperación y empleo en forma de gas; la otra es que forme parte del electrodo negativo de una batería eléctrica recargable, donde el hidruro tiene que ver con la carga eléctrica acumulada en la batería.

A pesar de que el hidrógeno es un elemento que está naturalmente presente en el ambiente y forma parte de muchos elementos, no se lo encuentra libre (no hay yacimientos), de modo que hay que obtenerlo a partir de sustancias que lo contienen, como por ejemplo, los hidrocarburos. Pero también puede ser producido en forma no contaminante por electrólisis del agua, usando la energía eléctrica de una fuente solar, eólica, etcétera, y puede ser reconvertido en electricidad mediante celdas de combustible cuando la fuente primaria no está disponible (días nublados o sin viento).

“Sin embargo, dada la bajísima densidad del hidrógeno (pues es el elemento más liviano de todos), si se lo envasara a temperatura ambiente y a presión atmosférica debería disponerse de depósitos enormes para contener masas razonables -detalla el investigador-. Esto plantea un problema aún mayor si se desea usarlo como combustible vehicular. Resulta entonces fundamental poder ‘compactar’ el hidrógeno, es decir, aumentar su densidad volumétrica, sin descuidar la seguridad y los costos”.

En su proyecto, el grupo eligió hacerlo con aleaciones metálicas formadoras de hidruros, que funcionan como almacenadoras de hidrógeno. En ellas, bajo determinadas condiciones, el hidrógeno es absorbido al formarse el hidruro, o bien al descomponerse, es liberado el gas, de esta manera se regenera el metal, ya que se trata de una transformación de fase reversible. “Una de las ventajas del hidrógeno almacenado como hidruro metálico es que, al estar ligado químicamente al metal y formar parte de un sólido, ocupa mucho menos volumen que el hidrógeno puro en fases líquida o sólida”, dice Peretti.

Avances y desafíos

Pese a que constantemente suma nuevos interrogantes y nuevas líneas de investigación, el grupo ha obtenido avances importantes. Por una parte, se ha elaborado y caracterizado una aleación del tipo Lantano - Níquel adecuada para almacenar hidrógeno, y se ha optimizado el diseño del contenedor del hidruro, lo que permite disminuir los tiempos de carga y descarga del almacenador; y por otra parte, en relación con los electrodos de baterías recargables, se ha profundizado y avanzado en el papel que juegan ciertas fases secundarias en mejorar el comportamiento de una aleación de circonio, níquel y cromo utilizada como electrodo.

En ambos casos, tanto la construcción de dispositivos almacenadores como el electrodo de las baterías recargables, los investigadores lograron capturar hidrógeno, porque queda “atrapado” y forma un hidruro metálico. Y eso les permite no sólo almacenar, sino también recuperar al momento deseado la energía transportada por el hidrógeno, mediante una reacción inversa al proceso de formación del hidruro: “En el caso de la batería, se reconvierte parte de la energía eléctrica acumulada durante la carga, mientras que en los almacenadores se recupera el hidrógeno gaseoso previamente absorbido, que a su vez se puede transformar en energía calórica (combustión directa) o en electricidad, aplicándolo a una celda combustible”, completa Peretti.

Cómo se forma un hidruro metálico

Un hidruro metálico es un compuesto químico formado por hidrógeno y un metal o aleación. El proceso por el cual el átomo de hidrógeno se incorpora al metal para formar la fase hidruro presenta varias etapas: primero, la molécula di-atómica del gas hidrógeno tiene que disociarse en la superficie del metal en dos átomos separados para poder penetrar en la red cristalina. Dado el pequeño tamaño del átomo de hidrógeno, éste difunde libremente entre los átomos del metal y permanece disuelto en la red cristalina. Se dice entonces que se forma una “solución sólida” llamada fase alfa, caracterizada por la concentración de hidrógeno incorporado.

A medida que se van incorporando más átomos de hidrógeno, el lugar disponible para el hidrógeno en solución disminuye y se llega a lo que se llama “límite de solubilidad”, que normalmente es pequeño, dado que la cantidad de hidrógeno incorporado hasta allí en general es baja. Comienza entonces a haber átomos de hidrógeno ligados químicamente a átomos de la red metálica (por enlace de tipo metálico), lo que da lugar a la aparición del hidruro, que se llama fase beta.

Ambas fases, alfa y beta, coexisten y a medida que se incorpora más hidrógeno, la fase alfa disminuye y la beta aumenta, llegándose finalmente a tener todo en fase beta, es decir el material completamente hidrurado, con lo que se tiene la absorción máxima de hidrógeno en forma de hidruro. La cantidad de hidrógeno incorporada en fase beta es en general mucho mayor que la incorporada en solución sólida en fase alfa.

Si se siguiesen incorporando átomos de hidrógeno al material, éstos entrarían en solución sólida dentro de la fase beta, o sea en el hidruro, donde la solubilidad vuelve a ser baja. Por lo tanto, a los efectos prácticos, es la fase beta la que sirve para almacenar el hidrógeno.