El almacenamiento del hidr´ogeno

Existen varias maneras de afrontar el problema del almacenamiento del hidr´ogeno, dado que puede hacerse de manera l´ıquida (-253 C), como gas comprimido (200- 700 bar) o en materiales dise˜nados especialmente para dicho almacenamiento tales como hidruros met´alicos y nanotubos de carbono, aunque cada una de estas opciones tienen actualmente desventajas asociadas al costo de almacenamiento o a la seguridad. La elecci´on de la tecnolog´ıa apropiada depende de la aplicaci´on y representa un compromiso entre caracter´ısticas f´ısicas, tecnol´ogicas, econ´omicas y de seguridad. Los requerimientos para un sistema de almacenamiento port´atil son obviamente mucho m´as estrictos que aquellos para un sistema estacionario, dado que las dimensiones y el peso del tanque son restricciones en el caso de los veh´ıculos.

Almacenamiento de hidr´ogeno en estado gaseoso: La acumulaci´on en for- ma gaseosa es la manera m´as simple de almacenar hidr´ogeno de manera port´atil; sin embargo, la baja densidad del hidr´ogeno es una desventaja, ya que implica que se almacene menos energ´ıa por unidad de volumen que con otros gases com- primidos. Debido a esto, el almacenamiento requerir´a grandes vol´umenes y altas presiones. Los tanques m´as utilizados para el almacenamiento son de acero y estos operan a presiones por debajo de los 200 bar. Este hecho los hace poco pr´acticos debido a la baja energ´ıa espec´ıfica del hidr´ogeno (0.4-0.5 KWh/Kg), lo cual cons- tituye un inconveniente para su implementaci´on en veh´ıculos. El desarrollo en la actualidad de tanques ultraligeros con recubrimientos met´alicos o termopl´asticos capaces de operar a presiones m´as elevadas (350-700 bar) representa un progreso considerable.

Almacenamiento de hidr´ogeno en estado l´ıquido: El hidr´ogeno puede ser tambi´en almacenado en forma l´ıquida. Debido al bajo punto de ebullici´on del hidr´ogeno (aproximadamente -253 C), se requieren recipientes criog´enicos para mantener tan bajas temperaturas. Este m´etodo posee la ventaja de que puede almacenarse energ´ıa con alta densidad en un contenedor de menor peso para igual cantidad de energ´ıa almacenada mediante otros m´etodos. Sin embargo las bajas temperaturas requeridas acarrean problemas de seguridad, adem´as del hecho de

que en la licuefacci´on se consume una alta fracci´on de energ´ıa almacenada (apro- ximadamente el 30 %), comparado con un el 4-7 % del costo de almacenarlo como gas comprimido. Los tanques se dise˜nan con el fin de minimizar la transmisi´on de calor y consisten en una doble coraza met´alica con una secci´on de vac´ıo en- tre medio a fines de mejorar la aislaci´on. La complejidad del sistema y el alto costo de manufacturaci´on de los mismos, representan en la actualidad una gran desventaja.

Almacenamiento en forma s´olida como hidruros met´alicos: El hidr´ogeno puede ser tambi´en almacenado en forma de hidruros, aprovechando la habilidad de ´este para crear enlaces qu´ımicos con diferentes metales y aleaciones, penetrando dentro del metal y ocupando sitios intersticiales. Desarrollos tecnol´ogicos en este ´area est´an siendo llevados a cabo en la actualidad, tratando de mejorar tanto la cin´etica del proceso de absorci´on y desorci´on, como los costos de manufacturaci´on de estos materiales.

1.5.4.1. Necesidad de innovaci´on en materiales para el almacenamien- to de hidr´ogeno

La falla en los materiales es un problema universal, especialmente en situa- ciones d´onde estos se hallan expuestos a altas temperaturas, altas presiones o entornos corrosivos. Un ejemplo de este comportamiento puede encontrarse en el acero, el cual se degrada frecuentemente debido a la adsorci´on disociativa de gases con contenido de hidr´ogeno, como H2 o el vapor deH2O. Esto produce que

los ´atomos de H adsorbidos en la superficie del acero penetren subsecuentemente en el “bulk”del material. El hecho de incrementar la concentraci´on de hidr´ogeno altera las propiedades mec´anicas del acero, lo cual deriva en un fen´omeno cono- cido como fragilizaci´on por hidr´ogeno. La fragilizaci´on por hidr´ogeno puede ser definida como la p´erdida de ductilidad, o dicho de otra manera, la p´erdida de capacidad de absorber energ´ıa mec´anica debido a la presencia de hidr´ogeno. Aunque originalmente este fen´omeno fue reportado para aceros, es bien conocido en la actualidad que la mayor´ıa de las aleaciones met´alicas sufren, en alg´un grado, degradaci´on de sus propiedades mec´anicas debido a la presencia del hidr´ogeno.

en el futuro. El potencial uso de acero en el almacenamiento y distribuci´on de este combustible convierte a la fragilizaci´on por hidr´ogeno en un problema cr´ıtico. Los aspectos econ´omicos y de seguridad asociados con las fallas mec´anicas de los materiales impulsan el desarrollo de nuevos cubrimientos para proteger al acero de dicha fragilizaci´on, y de esta manera, aumentar tanto la vida ´util como los niveles de seguridad obtenidos con este material.

Se han realizado muchas investigaciones dirigidas espec´ıficamente al entendi- miento de como el hidr´ogeno afecta las propiedades mec´anicas del acero. Debido a la gran movilidad que el H presenta en una gran variedad de materiales hu´esped, ´este tiende a difundirse r´apidamente hacia regiones de alta resistencia a la trac- ci´on, quedando atrapado cerca de microfisuras[24]_{. Como el hidr´ogeno se acumula}

en esas regiones cr´ıticas, las propiedades mec´anicas del ”bulk”se ven alteradas a trav´es de diferentes mecanismos. En el hierro, una combinaci´on del aumento de descohesi´on[25,26] _{y plasticidad localizada de H}[27]_{, operan en conjunto para fragi-}

lizarlo, conduciendo a un segundo fen´omeno como la propagaci´on de grietas[28]_,

fractura intergranular[28] _{o ampollamiento}[28]_.

En estos ´ultimos a˜nos, los intentos para evitar el fen´omeno de fragilizaci´on por hidr´ogeno en el Fe, se han enfocado en considerar distintas aleaciones y se ha analizado la interacci´on de ´estas con el hidr´ogeno[29–39]_{. Si bien se han logrado}

mejoras con respecto al Fe solo, el problema contin´ua a´un lejos de haber sido resuelto.

1.5.4.2. Material analizado para disminuir el efecto de fragilizaci´on por hidr´ogeno

Los aluminuros de metales de transici´on son una clase tecnol´ogicamente im- portante de aleaciones. Mientras que hay una base de conocimientos emp´ıricos de estos materiales no hay a´un un entendimiento microsc´opico de sus diagramas de fases. Responder a las preguntas sobre estabilidad de una aleaci´on y la com- petencia entre las diferentes fases es un desaf´ıo que requiere amplia informaci´on de los sistemas[40]_.

Numerosas aplicaciones tecnol´ogicas requieren el uso de la aleaciones inter- met´alicas. Es posible obtener nuevos materiales cambiando la estequiometr´ıa de

las aleaciones intermet´alicas y sus estructuras cristalinas. Es importante hallar un aleaci´on que permanezca fuerte a altas temperaturas y d´uctil a bajas tem- peraturas. De particular inter´es son los aluminuros de metales de transici´on, por ejemplo FeAl, NiAl y CoAl, que son resistentes a la corrosi´on y oxidaci´on y tienen interesantes propiedades magn´eticas[41]_.

Los aluminuros de hierro son candidatos para materiales estructurales de alta temperatura debido a su excelente resistencia a la oxidaci´on y a la sulfidaci´on[42]_.

Sin embargo, la principal desventaja de estos aluminuros es su pobre ductilidad a temperatura ambiente, lo cual ha limitado su uso como material en ingenier´ıa. El origen de esta pobre ductilidad es atribu´ıdo a la fragilizaci´on por hidr´ogeno. La fragilizaci´on de los aluminuros de hierro se ha asociado a su pobre tensi´on de clivaje y a la debilidad en los bordes de grano. Muchos m´etodos han sido pro- puestos para minimizar la fragilizaci´on tales como recubrimientos con ´oxido[43]_,

tratamientos t´ermicos y aleaciones con elementos pasivos[44]_.

En este trabajo se estudi´o a trav´es del uso de la teor´ıa del Funcional de la Densidad, los cambios que provoca la interacci´on con el hidr´ogeno en la estructura electr´onica y enlaces de la aleaci´on B2 FeAl con defectos.