Densidad energetica del hidrogeno

Densidad energética del hidrógeno frente a la gasolina

En física, la densidad de energía es la cantidad de energía almacenada en un determinado sistema o región del espacio por unidad de volumen. A veces se confunde con la energía por unidad de masa, que se denomina propiamente energía específica o densidad de energía gravimétrica.

A menudo sólo se mide la energía útil o extraíble, es decir, se ignora la energía inaccesible (como la energía de la masa en reposo)[1] Sin embargo, en contextos cosmológicos y otros contextos relativistas generales, las densidades de energía consideradas son las que corresponden a los elementos del tensor tensión-energía y, por tanto, sí incluyen la energía de la masa, así como las densidades de energía asociadas a la presión.

La energía por unidad de volumen tiene las mismas unidades físicas que la presión y en muchas situaciones son sinónimos. Por ejemplo, la densidad de energía de un campo magnético puede expresarse y comportarse como una presión física. Del mismo modo, la energía necesaria para comprimir un gas hasta un cierto volumen puede determinarse multiplicando la diferencia entre la presión del gas y la presión externa por el cambio de volumen. Un gradiente de presión describe el potencial de realizar trabajo sobre el entorno convirtiendo la energía interna en trabajo hasta alcanzar el equilibrio.

Hidrógeno verde

El hidrógeno es un gas ultraligero que ocupa un volumen considerable en condiciones normales de presión, es decir, a presión atmosférica. Para almacenar y transportar el hidrógeno de forma eficiente, este volumen debe reducirse considerablemente.

Se necesita un volumen de unos 11 m3 (que es el volumen del maletero de un vehículo utilitario o comercial grande) para almacenar tan sólo 1 kg de hidrógeno, que es la cantidad necesaria para recorrer 100 km. Por ello, es necesario aumentar su densidad mediante una de las siguientes técnicas:

Para un transporte más fácil y eficaz, el hidrógeno se almacena en depósitos o botellas de material compuesto. Los investigadores de Air Liquide trabajan en la resistencia mecánica de los materiales que componen estas botellas a lo largo del tiempo. Realizan pruebas de fatiga acelerada mediante ciclos de llenado y permeabilidad a muy alta presión para garantizar su perfecta estanqueidad. Todas estas investigaciones sentarán las bases científicas del comportamiento de los materiales y permitirán determinar los criterios de dimensionamiento de los depósitos. Gracias a estas investigaciones, Air Liquide es un actor decisivo en la definición de las normas de seguridad que deben establecerse para garantizar la máxima seguridad al usuario.

Densidad energética del hidrógeno frente al gasóleo

El hidrógeno se produce actualmente con fines comerciales: se utiliza como materia prima en la industria química y en las refinerías, como parte de una mezcla de gases en la producción de acero y en la generación de calor y electricidad. La producción mundial se sitúa en torno a las 75 MtH2/año como hidrógeno puro y otras 45 MtH2/año como parte de una mezcla de gases. Esto equivale al 3% de la demanda mundial de energía final y es similar al consumo anual de energía de Alemania.

El hidrógeno es un vector energético versátil (no una fuente de energía). Puede producirse a partir de múltiples materias primas y utilizarse en prácticamente cualquier aplicación (véase la Figura 1). La electricidad renovable puede convertirse en hidrógeno mediante electrólisis, lo que permite acoplar una energía renovable en continuo aumento con todos los usos finales más difíciles de electrificar. Este acoplamiento también permite a los electrolizadores aportar flexibilidad a la red, complementando alternativas como las baterías, la respuesta a la demanda y el vehículo a la red en la electrificación inteligente.

A finales de 2021, casi el 47% de la producción mundial de hidrógeno procede del gas natural, el 27% del carbón, el 22% del petróleo (como subproducto) y solo alrededor del 4% proviene de la electrólisis. La electricidad tenía una cuota renovable media mundial de alrededor del 33% en 2021, lo que significa que sólo alrededor del 1% de la producción mundial de hidrógeno se produce con energías renovables. El hidrógeno electrolítico procedente de la producción dedicada se limitó a proyectos de demostración que sumaban una capacidad total de 0,7 GW en 2021. En cambio, el escenario de 1,5 °C necesitaría 4-5 TW para 2050, lo que exigiría un ritmo de crecimiento más rápido que el experimentado por la energía solar fotovoltaica (FV) y la eólica hasta la fecha.

Sistemas de alimentación Ballard

El HIDRÓGENO se considera desde hace tiempo una tecnología transformadora para el sector energético, ya que cumple los principales requisitos de un vector energético limpio y sostenible. Es abundante en el Universo y en la Tierra, tiene la mayor densidad energética en masa de todos los combustibles químicos y puede convertirse fácilmente entre distintas formas de energía. Por todas estas razones, el hidrógeno se considera una de las mejores opciones para descarbonizar el sector del transporte, que sigue dependiendo casi por completo de los combustibles fósiles.

Hay una serie de cuestiones técnicas que siguen impidiendo el uso generalizado del hidrógeno como vector energético, entre las que destaca cómo almacenar el hidrógeno de forma asequible, sostenible y segura. Esta dificultad se debe a las propiedades físicas del hidrógeno: es el primer elemento de la tabla periódica y el más ligero. El hidrógeno libre existe en forma de molécula diatómica (H2) y tiene una densidad a temperatura y presión estándar (0 °C y 0,1 MPa) de unos 0,09 kg/m3 [1], bastante inferior a la del aire (1,3 kg/m3). Sus puntos normales de ebullición y fusión se sitúan en torno a -253 °C y -259 °C, respectivamente, e incluso como líquido o sólido tiene densidades extremadamente bajas. El hidrógeno líquido a -253 °C y 0,1 MPa tiene una densidad de 71 kg/m3 [2] y el hidrógeno sólido a -259 °C y 0,1 MPa tiene una densidad de 88 kg/m3 [3]. El hidrógeno tiene algunas propiedades peculiares, como el hecho de que puede comprimirse como líquido y como sólido. La figura 1 muestra la densidad del hidrógeno en estado gaseoso, líquido y sólido a presiones crecientes.