¿Por qué el H2 es el combustible del futuro?

Abstract

El hidrógeno resulta ser una excelente alternativa a los combustibles fósiles, reduciendo las emisiones de CO₂ a la atmósfera,  las cuales son responsable del efecto invernadero y por consiguiente el calentamiento global [1]. El hidrógeno como elemento es abundante en nuestro planeta y su combustión en presencia de O₂ produce agua y calor. Se puede obtener en forma limpia a través de la electrólisis del agua, para lo cual se emplean dos electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica de corriente continua, sumergidos en una disolución electrolítica. Allí ocurre la siguiente reacción de redox:

Esta reacción es termodinámicamente desfavorable con un , por lo cual es necesario aplicar una fuerza impulsora para que la reacción tenga lugar. La cinética de la reacción es también una limitación importante, para lo cual los electrodos deben catalizar adecuadamente todas las etapas involucradas. Como fuerza impulsora se emplea la corriente eléctrica, la cual idealmente debería provenir de una fuente limpia de producción como solar, eólica, hidroeléctrica, para ser consistentes con el propósito ambiental que se persigue.

El consumo de combustible de los autos que se venden en Argentina es variado, pero podemos tomar como ejemplo el Fiat Punto 1.4 naftero con motor de combustión interna (MCI). Este auto recorre 100 Km en ruta con 9,60 litros y en ciudad con 10,80 litros,  dispone de un tanque con capacidad para 48 litros lo que le da una autonomía de 500 Km en ruta y 444 Km en ciudad [3]. Los motores de combustión interna (MCI) son ineficientes, ya que en la transformación de la energía química a mecánica se quema el combustible en el cilindro (cámara de combustión) y sólo el 25% se emplea para mover el motor mientras que el resto se disipa como calor.

Actualmente, hay marcas que desarrollaron autos con celda de combustible (FC, de Fuel Cells en inglés), esta nueva tecnología poseen una mayor eficacia, del 60-75% en el uso de combustibles, ya que esta tecnología no están limitada por el ciclo de Carnot. Esto resulta sumamente importante a la hora de pensar en autos propulsados por H₂ ya que reduce los requerimientos de almacenamiento de combustible. Es así que para una autonomía de 500 Km, un auto de tamaño medio, requiere 8 Kg de H₂ si posee un motor MCI, o 4 kg si tiene un motor FC, para la misma autonomía. Actualmente, Hyundai presentó el Tucson FC  que tiene una autonomía de 426 Km, el cual almacena H₂ a alta presión dentro de un cilindro (300 – 700 bar), con un llenado de 10 min [4].

Después de la catástrofe del dirigible alemán Hindenburg en 1937 (aun cuando los orígenes del accidente no estén del todo aclarados) resulta inquietante pensar en transportar en el auto un cilindro cargado con hidrógeno a alta presión. Una opción más segura, consiste en almacenar el gas en estado sólido, para lo cual el tanque sería un recipiente cerrado, relleno con un material absorbente, que permita numerosos ciclos de adsorción/desorción de H₂. El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) sugiere que estos materiales deben cumplir ciertos requisitos para ser adecuados para el almacenamiento. Deben almacenar una densidad gravimétrica de 6 % de H₂, permitiendo numerosos procesos de adsorción/desorción dentro de un rango de temperatura de 40 a 60 ºC y un cargado a presiones moderadas de 5 - 12 bar, en tiempos que van de 3 a 5 minutos [2]. Esto significaría que para almacenar 4 Kg de hidrógeno en el tanque, este pesaría unos 67 Kg. Esto parece una capacidad de almacenamiento impresionante.

Los compuestos carbonosos se presentan como buenos candidatos para el almacenamiento de gases, ya que son livianos y poseen gran área superficial, pero es indispensable mejorar la performance de almacenamiento de estos materiales para que sean tecnológicamente aplicables. En el año 2005, T. Yildirim [5] propuso el empleo de materiales carbonosos híbridos decorados con metales. En su trabajo Yildirim sugiere decorar nanotubos de carbono con titanio. En su artículo explicaba que el almacenamiento en estos materiales sería del 8% de H₂. Este trabajo parecía haber resuelto el problema del almacenamiento de H₂, estos materiales impulsaron más de una década de investigaciones teóricas/experimentales pero existía una discrepancia entre las predicciones teóricas y las mediciones experimentales. Los experimentos no lograban almacenamientos significativamente mejores, no lograban reproducir  lo predicho por los cálculos teóricos.