El almacenamiento y transporte de hidrógeno son eslabones importantes en el desarrollo de la energía de hidrógeno. El alto costo del transporte de hidrógeno se ha convertido en un obstáculo para la aplicación a gran escala de la energía de hidrógeno.
La cadena de la industria del hidrógeno incluye tres eslabones clave: producción, almacenamiento/transporte y utilización, como se muestra en el diagrama a continuación:
El mayor desafío para el desarrollo de la energía de hidrógeno a nivel mundial es el almacenamiento y el transporte. Encontrar métodos seguros, económicos, eficientes y factibles para el almacenamiento y transporte es la clave para la aplicación del ciclo de vida completo de la energía de hidrógeno. El almacenamiento y transporte de hidrógeno incluye tanto el almacenamiento de gas de hidrógeno como el transporte de energía de hidrógeno.
Almacenamiento de Hidrógeno
Los requisitos para las tecnologías de almacenamiento de hidrógeno son seguridad, gran capacidad, bajo costo y fácil acceso. Actualmente, existen 4 principales métodos de almacenamiento de hidrógeno: hidrógeno líquido a baja temperatura, hidrógeno gaseoso a alta presión, materiales en estado sólido y hidrógeno líquido orgánico. A continuación, se muestra una comparación de los 4 principales métodos de almacenamiento de hidrógeno:
Entre las 4 tecnologías de almacenamiento de hidrógeno, el hidrógeno a alta presión es la más madura y ampliamente utilizada, pero tiene limitaciones en cuanto a densidad y seguridad. Los materiales en estado sólido tienen un gran potencial, pero aún están en fase de investigación. El hidrógeno líquido a baja temperatura ofrece ventajas en densidad gravimétrica y volumétrica, aunque su alto costo se debe a la energía de licuefacción y los requisitos de aislamiento. El hidrógeno líquido orgánico aún no ha alcanzado una comercialización a gran escala debido a desafíos técnicos y de costo.
Almacenamiento de Hidrógeno Gaseoso a Alta Presión
El almacenamiento de hidrógeno gaseoso a alta presión es una tecnología relativamente madura y actualmente es el método de almacenamiento de hidrógeno más utilizado a nivel mundial. Implica la compresión del gas de hidrógeno en un contenedor resistente a alta presión, donde el hidrógeno se almacena en estado gaseoso y la cantidad almacenada es proporcional a la presión dentro del tanque. Los cilindros de gas son los contenedores de almacenamiento más comunes.
Las ventajas de este método incluyen bajo consumo de energía para el almacenamiento, bajo costo (a presiones más bajas) y un fácil control de la liberación de hidrógeno mediante válvulas de alivio de presión. Por lo tanto, el almacenamiento gaseoso a alta presión se ha convertido en una solución de almacenamiento de hidrógeno relativamente madura.
Actualmente, existen dos tipos principales de cilindros de hidrógeno a alta presión a nivel mundial: cilindros compuestos de fibra de carbono de 35 MPa y cilindros de hidrógeno de 70 MPa. La densidad del hidrógeno es de aproximadamente 23 kg/m³ en cilindros de 35 MPa y de alrededor de 38 kg/m³ en cilindros de 70 MPa. Una patente nueva de Toyota en 2017 propuso un diseño de tanque enrollado en fibra liviana completamente compuesto que puede alcanzar 70 MPa con una densidad gravimétrica del 5.7%. Sin embargo, la presurización de los cilindros es costosa y la seguridad disminuye significativamente con el aumento de la presión, con riesgos de fuga y explosión. Por lo tanto, es necesario mejorar la seguridad.
El desarrollo futuro del almacenamiento de hidrógeno a alta presión se centrará en hacer los cilindros más ligeros, aumentar la presión, reducir los costos y mantener una calidad estable. Se explorarán nuevos materiales para los cilindros que puedan satisfacer las necesidades de almacenamiento a mayor presión, mejorando tanto la seguridad como la economía.
Almacenamiento de Hidrógeno Líquido a Baja Temperatura/Líquido Orgánico
- El almacenamiento de hidrógeno líquido a baja temperatura primero licúa el gas de hidrógeno, luego lo almacena en contenedores con aislamiento al vacío y a baja temperatura. La ventaja es la alta densidad de energía volumétrica del hidrógeno líquido, con una densidad de 70.78 g/L, aproximadamente 850 veces la del hidrógeno gaseoso en condiciones ambientales. Incluso cuando se comprime, la densidad de almacenamiento del hidrógeno gaseoso por unidad de volumen es mucho menor que la del almacenamiento líquido. Sin embargo, el punto de ebullición del hidrógeno líquido es extremadamente bajo (−252.78°C), lo que crea una gran diferencia de temperatura con el entorno y exige altos requisitos de aislamiento para los contenedores de almacenamiento. Actualmente, el tanque de almacenamiento de hidrógeno líquido más grande se encuentra en el Centro Espacial Kennedy en los EE. UU., con una capacidad de 12,000 L.
- El almacenamiento de hidrógeno líquido orgánico implica la unión química del gas de hidrógeno a compuestos orgánicos aromáticos como el tolueno (TOL) a través de la hidrogenación, formando compuestos saturados de anillos como el metilciclohexano (MCH) que contienen hidrógeno dentro de la estructura molecular. Esto permite el almacenamiento y transporte en forma líquida a temperatura y presión ambiente. En el punto de uso, un catalizador puede extraer la cantidad necesaria de gas de hidrógeno mediante deshidrogenación, como se muestra en el diagrama a continuación:
El almacenamiento de hidrógeno en líquido orgánico permite transportar y almacenar hidrógeno en forma líquida a temperatura y presión ambiente, lo cual es seguro y eficiente. Sin embargo, aún existen cuellos de botella técnicos, como la tecnología compleja de deshidrogenación, el alto consumo de energía en la deshidrogenación y la necesidad de mejorar los catalizadores de deshidrogenación. Si se superan estos desafíos, el almacenamiento de hidrógeno en líquido orgánico se convertirá en una de las tecnologías más prometedoras para aplicaciones a gran escala en el almacenamiento y transporte de energía de hidrógeno.
Para el almacenamiento y transporte de energía de hidrógeno a gran escala y larga distancia, el almacenamiento de hidrógeno líquido a baja temperatura tiene mayores ventajas. Cuando se transporta a más de 500 km, el costo de entrega por kg de hidrógeno líquido solo aumenta alrededor de 0,3 USD, mientras que el costo para el transporte gaseoso a alta presión se incrementa más de 5 veces. Actualmente, el hidrógeno líquido a baja temperatura se utiliza principalmente como propulsor criogénico en aplicaciones aeroespaciales. Algunos investigadores han comenzado a explorar el uso de hidrógeno líquido como combustible automotriz, pero hasta ahora no ha habido avances sustanciales. Las únicas aplicaciones demostradas de la tecnología de almacenamiento de hidrógeno líquido son el almacenamiento de hidrógeno licuado de Kawasaki Heavy Industries y el almacenamiento de hidruro químico orgánico de Chiyoda Corporation. En el almacenamiento de hidrógeno líquido orgánico, químicos estadounidenses han desarrollado un material de almacenamiento de hidrógeno basado en B-N que puede funcionar de manera segura a temperatura ambiente, proporcionando una solución al desafío del almacenamiento y transporte de energía de hidrógeno. En un futuro cercano, China debería intensificar los esfuerzos de I+D en tecnologías de almacenamiento de hidrógeno líquido a baja temperatura y en líquido orgánico, desarrollando catalizadores de deshidrogenación de bajo costo y bajo consumo de energía y medios de almacenamiento de bajo punto de fusión. Esto es de gran importancia para la disposición de la industria mundial de energía de hidrógeno y una dirección importante para el desarrollo a gran escala del almacenamiento y transporte de energía de hidrógeno en el futuro.
Almacenamiento de Hidrógeno en Materiales Sólidos
Basándose en los mecanismos de almacenamiento de hidrógeno, los materiales de almacenamiento de hidrógeno en estado sólido se pueden dividir en dos categorías: materiales físicamente adsorbidos y materiales de hidruro metálico. Los hidruros metálicos son actualmente el enfoque más prometedor y de desarrollo más rápido para el almacenamiento sólido de hidrógeno. La clasificación de los materiales de almacenamiento sólido de hidrógeno se muestra en el siguiente diagrama:
El almacenamiento de hidrógeno mediante hidruros metálicos utiliza materiales de hidruro metálico para almacenar y liberar gas de hidrógeno. Bajo ciertas condiciones de temperatura y presión, el hidrógeno reacciona con metales de transición o aleaciones, absorbiendo hidrógeno en forma de hidruros metálicos. Luego, el hidrógeno se puede liberar calentando el hidruro. Ejemplos de estos son LaNi5H6, MgH2 y NaAlH4.
Los tanques de almacenamiento de hidrógeno de hidruros metálicos tienen las siguientes características: alta densidad de almacenamiento de hidrógeno, operación sencilla, transporte conveniente, bajo costo, alta seguridad y buena reversibilidad. Sin embargo, la eficiencia en masa es baja. Si se pudiera mejorar la eficiencia en masa de manera efectiva, este método de almacenamiento sería muy adecuado para su uso en vehículos de celdas de combustible.
A continuación se muestra una comparación de las diferentes tecnologías de almacenamiento de hidrógeno, que resume sus diversas características:
Como se muestra en el diagrama, la tecnología de almacenamiento de hidrógeno líquido a baja temperatura tiene aplicaciones limitadas y altos costos, lo que hace que sus perspectivas comerciales a largo plazo no sean tan favorables como las otras 3 tecnologías de almacenamiento. El almacenamiento de hidrógeno gaseoso a alta presión es la tecnología más madura a nivel mundial. El almacenamiento de hidrógeno líquido a baja temperatura y en líquido orgánico tienen un buen rendimiento general, pero necesitan avances tecnológicos para reducir costos. Actualmente, las estaciones de servicio de hidrógeno utilizan almacenamiento de hidrógeno gaseoso a alta presión. A largo plazo, el hidrógeno gaseoso a alta presión seguirá siendo la tecnología dominante en China. Sin embargo, debido a los riesgos de seguridad y la baja relación volumen-capacidad, esta tecnología no es perfecta para su aplicación en vehículos de celdas de combustible de hidrógeno, por lo que su uso podría disminuir en el futuro. Los materiales de almacenamiento de hidrógeno en estado sólido tienen un excelente rendimiento de almacenamiento de hidrógeno y son el método más ideal de los 4, además de ser un área de investigación de vanguardia para el almacenamiento de hidrógeno. Sin embargo, todavía está en la etapa de avance tecnológico. Por lo tanto, esta tecnología podría ser una solución para superar las barreras del almacenamiento de energía de hidrógeno y acelerar el desarrollo de la industria del hidrógeno.
Transporte de Hidrógeno
Los métodos de transporte de hidrógeno varían según el estado de almacenamiento y la cantidad a transportar, siendo los tres métodos principales la entrega de hidrógeno gaseoso, la entrega de hidrógeno líquido y la entrega de hidrógeno en estado sólido.
Entrega de Hidrógeno Gaseoso
El transporte de hidrógeno gaseoso se divide en remolques de tubos y tuberías. Los remolques de tubos tienen altos costos para el transporte de grandes volúmenes a larga distancia, mientras que las tuberías son un método importante para lograr la entrega de hidrógeno a gran escala y larga distancia. El transporte por tuberías tiene alta capacidad y bajo consumo de energía, pero requiere una gran inversión inicial en la construcción de tuberías. En las primeras etapas del desarrollo de tuberías, se puede explorar activamente la mezcla de hidrógeno con gas natural.
Entrega de Hidrógeno Líquido
El transporte de hidrógeno líquido es adecuado para distancias largas y grandes volúmenes, utilizando camiones cisterna de hidrógeno líquido o barcazas dedicadas. Este tipo de entrega puede mejorar la capacidad de suministro de estaciones de servicio individuales. Japón y EE. UU. han adoptado camiones cisterna de hidrógeno líquido como un medio importante para transportar hidrógeno a las estaciones de servicio. En 2009, Chiyoda Corporation de Japón desarrolló con éxito tecnologías clave para el sistema LOHC (Transportadores Orgánicos Líquidos de Hidrógeno). El primer proyecto mundial de demostración de la cadena de suministro de hidrógeno adoptó la tecnología SPERA de Chiyoda para explorar la demostración comercial de transportadores orgánicos líquidos de hidrógeno, logrando una capacidad de transporte de hidrógeno de 210 t/año en 2020.
Entrega de Hidrógeno en Estado Sólido
El hidrógeno almacenado en hidruros metálicos puede utilizar medios de transporte más diversos. Barcazas, grandes buques cisterna y otras herramientas de transporte pueden llevar hidrógeno en estado sólido.
La comparación muestra que para distancias de transporte superiores a 300 km, la clasificación de costos es: LOHC < LH2 (camión cisterna de hidrógeno líquido) < tubería de hidrógeno < remolque de tubos. Para distancias menores a 50 km, el transporte por tubería de hidrógeno tiene costos más bajos, lo que lo hace adecuado para transporte a pequeña escala, como tuberías de hidrógeno en plantas químicas y dentro de microrredes aisladas. A medida que aumenta la distancia de transporte, los costos de entrega de hidrógeno líquido orgánico y líquido a baja temperatura se vuelven mucho más ventajosos. Por lo tanto, la entrega de hidrógeno líquido es más adecuada para el transporte de hidrógeno a gran escala y larga distancia, como entre provincias, desde la producción hasta los centros de consumo.
En cuanto a los problemas de seguridad en la producción, almacenamiento y transporte de hidrógeno, algunos investigadores han propuesto el concepto de «sol líquido», que utiliza CO2 e hidrógeno para producir metanol, lo que soluciona eficazmente el problema de almacenamiento de hidrógeno. El metanol es un excelente portador de hidrógeno líquido para almacenamiento y transporte, con gran seguridad y conveniencia. Esto también se convertirá en una nueva solución para abordar la intermitencia de los recursos renovables, proporcionando una salida para la limitación de energía renovable en áreas remotas que no pueden conectarse a la red. También se convertirá en otro método de transporte de energía a gran escala, además de la transmisión de ultra alto voltaje.
El concepto de «sol líquido» también amplía las tecnologías de captura y almacenamiento de carbono, permitiendo la captura y reciclaje en lugar de solo el almacenamiento, formando un ciclo ecológico completo de carbono. Esto ayudará al avance de los objetivos de neutralidad de carbono a nivel global, facilitando el desarrollo de energía verde y resolviendo problemas de limitación de energía renovable.
