Revolución en la Energía Limpia: Líquidos Orgánicos Portadores de Hidrógeno como Solución Sostenible

A medida que la dependencia mundial de la energía aumenta, el desafío energético global se vuelve más urgente, especialmente con el cambio climático y conflictos como la guerra en Ucrania. La Unión Europea ha tomado medidas significativas para acelerar la transición energética, destacando iniciativas como el Pacto Verde Europeo y la estrategia de hidrógeno, que buscan reducir las emisiones y alcanzar la neutralidad climática. España también ha implementado medidas ambiciosas, como el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima y la Hoja de Ruta del Hidrógeno, para desarrollar el mercado del hidrógeno renovable y posicionarse como un actor clave en el panorama energético europeo.

Figura 1. Cronograma medidas para acelerar la transición energética.

Debido a las limitaciones de almacenamiento y transporte del hidrógeno, como su baja densidad volumétrica y energética, así como su naturaleza inflamable, se enfrentan obstáculos para su uso a gran escala y comercial. Se han propuesto diversas soluciones de transporte, que van desde carreteras y ferrocarriles hasta gaseoductos y transporte marítimo. No hay una solución única de almacenamiento, ya que depende del uso final. Por ello, la investigación se centra en el desarrollo de tecnologías eficientes de almacenamiento de hidrógeno, donde los líquidos orgánicos portadores de hidrógeno (LOHC) emergen como una prometedora alternativa, ofreciendo una gestión segura y eficiente del hidrógeno en la transición hacia una economía de energía limpia.

Los líquidos orgánicos portadores de hidrógeno (LOHC) son compuestos orgánicos que existen como líquidos en condiciones habituales de almacenamiento. De hecho, los sistemas LOHC son similares a los combustibles derivados del petróleo, por lo que, la infraestructura para su transporte y almacenamiento es conocida, segura y relativamente barata. Son compuestos orgánicos insaturados que se hidrogenan o deshidrogenan fácilmente en presencia o ausencia de hidrógeno molecular, respectivamente, para formar moléculas ricas en hidrógeno (Hn-LOHC) o con un bajo contenido en hidrógeno (H0-LOHC)[1]. El hidrógeno se almacena convirtiendo el compuesto H0-LOHC en Hn-LOHC en una reacción de hidrogenación catalítica, y se libera de nuevo convirtiendo Hn-LOHC en H0-LOHC en una reacción de deshidrogenación catalítica[2]^,[3]. En particular, el almacenamiento gravimétrico y volumétrico de hidrógeno en moléculas orgánicas ha demostrado ser muy prometedor debido a sus numerosas ventajas, como el almacenamiento de energía fácil y limpio, la compatibilidad con las infraestructuras actuales de transporte y repostaje, así como el funcionamiento en condiciones ambientales (presión o temperatura). Por lo general, la hidrogenación y deshidrogenación reversibles en condiciones de temperatura ambiente es el principal requisito para los compuestos candidatos a ser LOHCs para el almacenamiento de hidrógeno[4]. Para que estos LOHC sean viables deben cumplir una serie de requerimientos[5]^,[6]:

• No tóxico y seguro.
• Puntos de fusión bajos (< -25°C) para ser compatibles con la infraestructura de los combustibles fósiles. Alto punto de ebullición (> 300 °C) que facilite la purificación del hidrógeno.
• Comportamiento newtoniano y baja viscosidad dinámica para facilitar su bombeo
• Capacidades de almacenamiento volumétricas (>56kg/m³) y gravimétricas (>6%p.) razonablemente altas¹.
• Bajas entalpías de deshidrogenación (< 60 kJ/molH₂) para lograr reducir el consumo de energía de esta etapa.

La mayoría de los LOHC se obtienen a partir de materias primas de origen petroquímico, aunque algunos de ellos pueden obtenerse de fuentes renovables como la biomasa, lo cual es ideal desde el punto de vista de la sostenibilidad del proceso[7].

Líquidos portadores de hidrógeno: Alternativas y principales características

Los líquidos portadores de hidrógeno (LOHCs) pueden clasificarse en sistemas homocíclicos y heterocíclicos. El abanico de compuestos orgánicos que pueden utilizarse como LOHCs es variado, sin embargo, a continuación, se recogen aquellos sistemas más empleados.

• LOHCs Homocíclicos

Los LOHC homocíclicos se basan en compuestos con estructuras cíclicas homogéneas, donde todos los átomos del anillo son del mismo tipo, generalmente carbono. Ejemplos notables incluyen el ciclohexano y la decalina, que pueden hidrogenarse para almacenar hidrógeno y deshidrogenarse para liberarlo. En la Figura 2 se puede observar el mecanismo de la tecnología basada en un LOHC homocíclico. Estos compuestos se destacan por su capacidad de almacenar grandes cantidades de hidrógeno de manera estable y segura. La simplicidad estructural de los compuestos homocíclicos facilita las reacciones de hidrogenación y deshidrogenación, haciendo que estos LOHC sean altamente eficientes en términos de capacidad de almacenamiento.

Figura 2. Par portador: naftaleno/decalina.

• LOHCs Heterocíclicos

Por otro lado, los LOHC heterocíclicos están compuestos por estructuras anulares que contienen diferentes tipos de átomos, como nitrógeno, oxígeno o azufre, además de carbono. Ejemplos de LOHC heterocíclicos incluyen el indol y la quinolina. La presencia de heteroátomos en estos compuestos puede influir en las propiedades de almacenamiento y liberación de hidrógeno, a menudo mejorando la selectividad y la eficiencia de las reacciones químicas. Los heterociclos pueden ofrecer ventajas adicionales en términos de estabilidad térmica y capacidad de almacenar hidrógeno bajo diferentes condiciones operativas.

Figura 3. Par portador N-etil-carbazol/perhidro-N-etil-carbazol.

Ambos tipos de LOHC, homocíclicos y heterocíclicos, presentan ventajas únicas que los hacen adecuados para diferentes aplicaciones en la cadena de suministro de hidrógeno. La elección entre ellos depende de factores como la capacidad de almacenamiento deseada, las condiciones operativas, y los costos asociados. Los LOHC homocíclicos, con su alta densidad de hidrógeno y estabilidad, son ideales para aplicaciones donde la simplicidad y la eficiencia son clave. Los LOHC heterocíclicos, con su diversidad estructural y propiedades ajustables, pueden ser más adecuados para aplicaciones específicas que requieren características químicas particulares.

Catalizadores en la tecnología LOHC

• Catalizadores de Metales Nobles: Catalizadores como el platino (Pt), el paladio (Pd) y el rutenio (Ru) son altamente efectivos en las reacciones de hidrogenación y deshidrogenación. Estos metales proporcionan una alta actividad catalítica y selectividad, pero su alto costo limita su uso a aplicaciones específicas o a cantidades pequeñas.
• Catalizadores de Metales No Nobles: Los catalizadores basados en metales no nobles, como el níquel (Ni) y el cobalto (Co), ofrecen una alternativa más económica. Aunque generalmente tienen una actividad catalítica menor que los metales nobles, pueden ser optimizados mediante la modificación de soportes y la adición de promotores que mejoran su rendimiento.
• Catalizadores Soportados: Los catalizadores a menudo se soportan en materiales como el carbón activado, la alúmina (Al₂O₃) o el óxido de cerio (CeO₂). Estos soportes aumentan la superficie activa del catalizador y pueden mejorar la dispersión de los metales activos, aumentando así la eficiencia de las reacciones.

Desafíos y Futuro de los LOHC

A pesar de sus numerosas ventajas, la tecnología LOHC enfrenta desafíos, incluyendo la necesidad de desarrollar catalizadores más eficientes y económicos, así como optimizar los procesos de hidrogenación y deshidrogenación para reducir el consumo energético. La investigación y el desarrollo continuo en este campo son cruciales para superar estos obstáculos y lograr una implementación a gran escala.

En conclusión, los líquidos orgánicos portadores de hidrógeno representan una solución innovadora y prometedora para el almacenamiento y transporte de hidrógeno. Con avances en la tecnología de catalizadores y procesos de reacción, los LOHC tienen el potencial de desempeñar un papel fundamental en la transición hacia una economía de energía limpia y sostenible.

Natalia Pons · AIMPLAS Decarbonization Group

Referencias

[1]  P.M. Modisha, C.N. Ouma, R. Garidzirai, P. Wasserscheid, D. Bessarabov, The prospect of hydrogen storage using liquid organic hydrogen carriers, Energy fuels 33 (2019) 2778-2796, htps://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b00296.

[2] D. Teichmann, W. Arlt, P. Wasserscheid, Liquid Organic Hydrogen Carriers as an efficient vector for the transport and storage of renewable energy, International Journal of Hydrogen Energy 37 (2012) 18118-18132, htps://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.08.066.

[3] D. Teichmann, W. Arlt, P. Wasserscheid, R. Freymann, A future energy supply based on Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC), Energy Environmental Science 4 (2011) 2767-2773, htps://doi.org/10.1039/C1EE01454D.

[4] P.C. Rao, M. Yoon, Potential Liquid-Organic Hydrogen Carrier (LOHC) Systems: A Review on Recent Progress, 13 (2020) 6040, htps://doi.org/10.3390/en13226040.

[5] M. Markiewicz, Y. Zhang, A. Bösmann, N. Brückner, J. Thöming, P. Wasserscheid, S. Stolte, Environmental and health impact assessment of Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) systems–challenges and preliminary results, Energy Environmental Science 8 (2015) 1035-1045, htps://doi.org/10.1039/C4EE03528C.

[6] E. Díaz, P. Rapado-Gallego, S. Ordóñez, Systematic evaluation of physicochemical properties for the selection of alternative liquid organic hydrogen carriers, Journal of Energy Storage 59 (2023) 106511, htps://doi.org/10.1016/j.est.2022.106511.

[7] F. Ferlin, F. Valentini, A. Marrocchi, L. Vaccaro, Catalytic Biomass Upgrading Exploiting Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHCs), ACS Sustainable Chemistry & Engineering 9 (2021) 9604-9624, htps://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c03247.