Como todos muy bien sabemos, la producción de energía es fundamental para mantener el dinamismo y crecimiento de nuestro mundo moderno, el problema es que actualmente la mayoría de las necesidades energéticas es suplida mediante el uso de combustibles fósiles, lo que ha tenido serias consecuencias sobre el ambiente, sin mencionar que nuestro modelo energético actual se tendrá que enfrentar en el futuro al agotamiento de los recursos fósiles. Y aunque las fuentes de energía renovable, como la solar y eólica se muestran como grandes candidatos para suplir nuestras necesidades de energía, aún enfrentan el problema de que fluctúan según las condiciones climáticas, es por ello que el hidrógeno también ha acaparado la atención como un portador de energía limpio y eficiente.
El uso de portadores líquidos facilitará el manejo del hidrógeno como vector energético. Fuente: imagen editada en powrpoint, original de pxhere.com.
Utilizar hidrógeno como combustible no es una idea nueva, las pilas de combustibles de hidrógeno se han empleado para alimentar los sistemas eléctricos de vehículos espaciales como los utilizados en las misiones Gemini y Apolo en la década de los 60, y la fabricante de automóviles Honda Motor empezó en los años 80 el desarrollo de vehículos cero emisiones, impulsados por pilas de combustible de hidrógeno, apostando por este elemento como un vector energético limpio y eficiente. El problema es que tanto la producción como el almacenamiento de hidrógeno suponen un gran reto.
Pero, aunque los recursos no renovables como el gas y el petróleo siguen siendo las fuentes primarias de obtención, las fuentes de energía renovables han sido objeto de intenso estudio para la producción de hidrógeno limpio a largo plazo, empleando agua como materia prima para la producción de hidrógeno mediante el proceso de electrolisis. Y si bien, esto solucionaría el problema de obtener hidrógeno de forma sustentable, aun quedaría por resolver el problema de almacenamiento.
Y es que el almacenamiento y transporte seguro de hidrógeno es un paso fundamental para desarrollar un modelo energético basado en hidrógeno, y hasta la fecha, las principales técnicas de almacenamiento utilizadas son la compresión a alta presión en cilindros y la licuefacción, y en ambos casos se requieren cilindros de materiales compuestos o tanques criogénicos costosos.
Los sistemas LOHC permitirían el uso de hidrógeno producido de forma inestable a partir de energías renovables y su aprovechamiento mediante procesos de hidrogenación. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint.
Y, ¿Qué son los portadores de hidrógeno líquido-orgánico?
Los sistemas portadores de hidrógeno líquido-orgánico, mejor conocidos por sus siglas LOHC (liquid organic hydrogen carriers), son sistemas compuestos por sustancias orgánicas que existen como líquidos o sólidos en condiciones de almacenamiento ambiental, que pueden absorber y liberar hidrogeno mediante reacciones químicas.
Básicamente el sistema está compuesto por pares de sustancias de naturaleza orgánica, una pobre en hidrógeno y otra rica en hidrógeno, en los que se puede almacenar y liberar hidrógeno mediante ciclos repetidos de hidrogenación catalítica (exotérmica) y deshidrogenación catalítica (endotérmica).
Ilustración del sistema LOHC de decalina/naftaleno. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint.
Como líquido portador se puede emplear cualquier compuesto orgánico insaturado, el cual puede hidrogenarse, es decir, unir químicamente el hidrógeno a esta sustancia. Luego, el compuesto resultante, se pueden manejar utilizando la infraestructura existente para manipular los combustibles como la gasolina y el diésel; y cuando el hidrógeno se necesita, por ejemplo para su uso en pilas de combustible, se vuelve a deshidrogenar el líquido portador en un reactor de deshidrogenación que contiene un catalizador especialmente diseñado para este proceso.
Catalizadores de reacción para LOHC
Este es el punto crucial para el desarrollo de los sistemas LOHC, elegir adecuadamente el catalizador para las reacciones de hidrogenación y deshidrogenacion, por lo general, los sistemas catalíticos activos con una carga de catalizadores con metales como platino, paladio, rutenio y rodio han logrado una cinética aceptable a temperaturas inferiores a 150 °C, sin embargo, la estabilidad alcanzada, el reciclaje y las ventajas practicas han impulsado el uso de sistemas heterogéneos de catalizadores, algunos de los más comerciales son los sistemas de platino-paladio sobre alúmina, pero siendo el criterio más relevante la eficiencia del catalizador, se siguen investigando alternativas utilizando diferentes enfoques.
Uso potencial para impulsar trenes
En este contexto, el Instituto Fraunhofer Heinrich Hertz (HHI) y el Instituto Helmholtz Erlangen-Nuremberg (HI ERN) han desarrollado un catalizador de superficie eficiente y estable para la liberación de hidrógeno a partir líquidos portadores, y han utilizado el transporte ferroviario como caso de aplicación.
El equipo de investigación logró desarrollar un sistema que eleva el proceso de liberación de hidrógeno a un nivel reproducible y escalable, y que además les ha permitido elevar la densidad de potencia en comparación con los sistemas convencionales; y el eje central de este sistema es lo que denominaron el catalizador de superficie. El problema de los catalizadores convencionales que utilizan soportes porosos es que en aplicaciones móviles la resistencia mecánica de los soportes no es suficiente alta, y se desgastan muy rápido, perdiendo efectividad.
Y para solucionar el problema, este equipo estructuró placas de aluminio utilizando un láser de femtosegundo, las cuales fueron recubiertas con finos puntos de platino, esta placa ofrece una gran superficie interna que incluso puede ampliarse entre 7000 y 10000 veces con este proceso.
Actualmente el Fraunhofer HHI está fabricando otros catalizadores de superficie que también serán aplicables para la construcción de un primer tren impulsado por hidrógeno, que forma parte de un proyecto mayor que busca el transporte ferroviario sin emisiones, ya que el 40% de la red ferroviaria alemana no está electrificada.
Tal vez pronto el transporte ferroviario funcione con hidrógeno. Fuente: imagen editada, original de pixabay.com.
Y sin duda la tecnología LOHC es una gran alternativa en este contexto, ya que sustituir toda la infraestructura ferroviaria de un país es algo muy costoso, de este modo se podría emplear la infraestructura existente empleando locomotoras impulsadas por hidrogeno.
En resumen, el almacenamiento volumétrico de hidrógeno en moléculas orgánicas es una tecnología que se muestra prometedora debido a fundamentales ventajas, como el almacenamiento seguro de hidrogeno sin recurrir a cilindros de alta presión o engorrosos sistemas criogénicos, ofreciendo una forma de suministrar un vector energético limpio y eficiente a, además de que se puede utilizar toda la infraestructura de transporte y recarga, funcionando en condiciones ambientales (temperatura y presión).
Bueno amigos, espero les haya gustado la información con respecto a este proyecto para impulsar trenes con la tecnología LOHC. ¡Hasta la próxima!
Referencias
Rao PC, Yoon M. Potential Liquid-Organic Hydrogen Carrier (LOHC) Systems: A Review on Recent Progress. Energies. 2020; 13(22):6040.
Fraunhofer Heinrich Hertz Institute (2022). Fraunhofer HHI and Helmholtz Institute ERN develop catalyst technology for mobile use of liquid hydrogen storage systems.
Wikipedia.org. Liquid organic hydrogen carriers.
Wikipedia.org. Pila de combustible.
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