lunes, 31 de enero de 2011

¿Un paso importante hacia el uso del hidrógeno como combustible de automoción?

El hidrógeno es un combustible ecológico de futuro, porque su combustión no produce CO2, sino agua pura. Sin embargo uno, si no el mayor, de los obstáculos para su introducción en la logística de su distribución y uso, es el problema de su almacenamiento y de su distribución por las redes de estaciones de servicio, desde los puntos de vista práctico y de seguridad.

Aunque el hidrógeno es un elemento muy abundante en el universo, no existe de forma natural en nuestro planeta. Hay que producirlo, y para producirlo de manera sostenible habría que hacerlo preferiblemente sin usar materias primas fósiles (petróleo, carbón), sino con energías alternativas (solar, biomasa, etc.), ya que si se produce a partir de materias primas fósiles, aparte del hidrógeno se forma también CO2. Entre las materias primas fósiles, el gas natural es el más utilizado actualmente por ser el hidrocarburo con mayor contenido en hidrógeno. El reformado del gas natural con vapor es de momento el método más viable económicamente hasta que se abaraten las fuentes energéticas alternativas que permitan producir el hidrógeno por electrolisis del agua.

El gas natural está constituido esencialmente por metano, y durante su transformación química se obtiene una molécula de CO2 por cada 4 moléculas de Hidrógeno producidas, según las etapas sucesivas siguientes:

1º Reformado catalítico con vapor de agua

CH4 + H2O CO + 3 H2

2º Producción adicional de hidrógeno mediante la reacción “shift” que convierte el monóxido de carbono en CO2

CO + H2OCO2 + H2

Por lo tanto dos moléculas de hidrógeno provienen del metano y dos del agua.

Después de la producción del hidrógeno hay que almacenarlo y distribuirlo, lo cual, en su estado físico normal, no es posible usando los sistemas actuales de combustibles que son líquidos a presión atmosférica, como la gasolina y el gasóleo. Almacenar hidrógeno requiere cilindros de alta presión de hasta 700 bar o ser licuado enfriándolo a -253ºC. Ninguno de los dos métodos es práctico para ser usado a gran escala, porque necesitan importantes cantidades de energía y además presentan riesgos importantes, por tratarse de un producto altamente inflamable.

Parece que la nanotecnología podría dar con la solución, y podría acelerar el uso generalizado del hidrógeno en los vehículos y en las redes de distribución de combustible. Esto es por lo menos lo que afirma Cella Energy Ltd., una nueva empresa “spin-out” del Laboratorio Rutherford Appleton de Oxford, que pertenece al Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología del Reino Unido (Science and Technology Facilities Council – STFC). Dice que “Llenar el depósito al surtidor con hidrógeno en lugar de con gasolina se ha convertido en una posibilidad real”, y afirma haber encontrado la tecnología para que se haga realidad, mediante la cual el hidrógeno se puede almacenar de forma barata y práctica, y que por lo, tanto podría aplicarse a gran escala como alternativa a los carburantes fósiles.

La solución existe en usar materiales nano-estructurados para encapsular de forma segura hidrógeno en forma de hidruras a temperatura y presión ambiental. Se trata de un avance notable sobre los hidruros químicos que existen ahora y que almacenan el hidrógeno hasta cerca del 20% y lo puede liberar a temperaturas inferiores a 150ºC, pero tienen el inconveniente de que esta desorción es lenta y puede liberar productos químicos que contaminan la pila de combustible del vehículo que convierte el hidrógeno en energía eléctrica. Otro inconveniente es su falta de estabilidad en el tiempo.

Presentación esquemática de una pila de combustible de hidrógeno

La nueva técnica nanotecnológica de bajo coste, desarrollada por los investigadores de Cella Energy, se llama “coaxial electrospinning” (electro-rotación) o “electrospraying” (electro-pulverización), que puede entrampar un hidruro químico complejo dentro de un polímero nano-poroso que acelera la cinética de la desorción del hidrógeno, reduce la temperatura a la cual tiene lugar la desorción, y filtra muchos sino todos los compuestos químicos nocivos. También protege los hidruros contra el oxígeno y el agua, por lo que se puede manejar al aire libre. El proceso “coaxial electrospinning” de Cella es, según afirman, simple y aplicable a escala industrial, y se puede usar para crear polímeros nano-porosos en forma de microfibras o micro-perlas con un tamaño de micrones, llenados con el hidruro químico, y que pueden manejarse como un líquido

El hidruro que usan actualmente es el borane de amonio NH3BH3, y el poliestireno como nano-andamiaje polímero. En este preparado el hidrógeno accesible es del 6% en peso que puede ser liberado por debajo de los 80ºC a una velocidad notablemente mayor que en el hidruro solo. Sin embargo no se trata todavía de un material comercial porque su preparación es cara y su reciclaje no es fácil. Por eso, Cella trabaja en otros materiales de hidruros con algo menor contenido de hidrógeno pero que pueden reconstituirse en hidruros cientos de veces y que son encapsulados en polímeros de alta temperatura permeables al hidrógeno basados en poliimida.


En la figura, sacada de la página web deCella, se muestra conceptualmente como podría funcionar el sistema en un vehículo. Las perlas minúsculas son almacenadas en un depósito de combustible que no necesita altas presiones ni debe ser calentado ni refrigerado, y por lo tanto puede ser un depósito simple y ligero con una forma compleja, parecido al que se usa en los vehículos actuales. Luego, las perlas de hidruro se bombean hacía una célula caliente en la que se usa el calor residual del gas de escape del motor para mover el hidrógeno hacía un volumen regulador más pequeño, que se mantiene a una presión adecuada para el motor de combustión interna o la pila de combustible, y que es de un volumen suficiente para rearrancar el vehículo. Las perlas gastadas se almacenan en otro depósito y se descargan del vehículo para ser recicladas a gran escala, regenerando el hidruro por vía química.

El trabajo de investigación se ha realizado desde 2007, dirigido por el Profesor Stephen Bennington y el Doctor Arthur Lovel en el laboratorio Rutherford Appleton y en el London Centre for Microtechnology del University College London UCL, donde lo dirigió el profesor Neal Skipper. Colaboraron también investigadores y académicos de la Universidad de Oxford aportando sus conocimientos de los materiales complejos de hidruros.

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