Compresores no mecánicos

Es interesante ver cómo se están explorando diversas alternativas para superar los desafíos asociados con la compresión del hidrógeno. Los compresores mecánicos, a pesar de su amplio uso, ciertamente presentan limitaciones en términos de eficiencia energética, especialmente en aplicaciones de baja potencia. El almacenamiento criogénico, por ejemplo, podría ser una opción prometedora debido a la mayor densidad energética, pero su viabilidad está restringida por el costo y la complejidad de la gestión térmica.

Los compresores accionados térmicamente y los electroquímicos también ofrecen perspectivas interesantes. Los primeros aprovechan la energía térmica para la compresión, lo que podría mejorar la eficiencia en comparación con los compresores mecánicos. Mientras tanto, los compresores electroquímicos podrían ofrecer una solución más eficiente y potencialmente más sostenible, aprovechando reacciones electroquímicas para la compresión.

¡Hablemos de cada uno de ellos!

Tipos de compresores no mecánicos

Criocompresores

La criocompresión parece ser una estrategia interesante para abordar los desafíos tanto de la licuefacción como de la compresión del hidrógeno. Al combinar la licuefacción y la compresión, aprovecha los beneficios de ambos métodos de almacenamiento. En lugar de comprimir el hidrógeno en estado gaseoso, implica presurizar hidrógeno líquido a temperaturas muy bajas. Esto aumenta la densidad de almacenamiento a la vez que reduce la cantidad de energía necesaria para comprimir el hidrógeno, ya que la densidad energética volumétrica del hidrógeno líquido es considerablemente mayor que la del hidrógeno gaseoso a presión atmosférica.

Los sistemas de criocompresión típicamente incluyen un recipiente a presión integrado en un revestimiento de fibra de carbono para minimizar la transferencia de calor entre el hidrógeno líquido frío y el entorno exterior. Este enfoque puede ofrecer una solución eficiente y segura para el almacenamiento de hidrógeno en aplicaciones diversas. Este tipo de recipientes presenta dos claras ventajas: menores pérdidas por evaporación y espacios de vacío más pequeños, es decir, permite almacenar más combustible.

Funcionan de la siguiente forma: El hidrógeno líquido es transportado a través de tuberías aisladas al vacío mediante una bomba criogénica, luego gracias a la criobomba es llevado a la presión deseada. Posteriormente, los vaporizadores pueden convertir el hidrógeno líquido en hidrógeno gaseoso a alta presión. Este proceso facilita la distribución y el almacenamiento del hidrógeno, aprovechando sus propiedades en estado líquido para aumentar la densidad de almacenamiento y reducir la energía necesaria para la compresión.

Ilustración 1. Diagrama de funcionamiento de un sistema de compresión criogénico (Sdanghi, 2019)

Compresores de hidruros metálicos

Los compresores de hidruros metálicos ofrecen una forma eficiente de comprimir hidrógeno sin depender de partes móviles como pistones sólidos, líquidos o diafragmas. Estos compresores aprovechan las propiedades de ciertos metales, aleaciones o compuestos intermetálicos que tienen la capacidad de absorber y desorber el hidrógeno mediante la transferencia de calor y masa dentro del sistema de reacción.

El diseño del compresor de hidruros metálicos incluye una estrecha arteria central para distribuir el hidrógeno dentro del reactor, así como un espacio anular entre esta arteria y la pared del tanque donde se aloja el hidruro metálico. Cuando se introduce hidrógeno a baja presión en el tanque de hidruro metálico a través de la arteria central, se difunde en la cama de hidruro metálico, lo que provoca una absorción exotérmica de hidrógeno. Este proceso de absorción comienza a bajas temperaturas y continúa hasta que la presión de equilibrio alcanza el valor de la presión de suministro.

Ilustración 2. Diagrama de funcionamiento de la compresión por hidruros metálicos(Sdanghi, 2019)

Compresores electroquímicos

Se basa en los mismos principios básicos que una célula de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC). En esta configuración, el hidrógeno a baja presión se introduce en el ánodo de la célula electroquímica. Allí, el hidrógeno se divide en protones y electrones de acuerdo con la siguiente reacción (Ströbel R, 2022):

Los protones viajan electroquímicamente a través de un electrolito de polímero sólido, conocido como la membrana, mientras que los electrones siguen un camino externo a través del circuito eléctrico, controlado por la diferencia de potencial suministrada al sistema. Cuando los protones y los electrones llegan al cátodo, se recombinan para formar moléculas de hidrógeno nuevamente, lo que resulta en un aumento de la presión. Estos compresores se caracterizan por requerir un consumo de energía más bajo y por garantizar una operación sin vibraciones ni partes móviles.

Compresores por adsorción

Funciona mediante cambios en la temperatura del sistema, sin necesidad de unidades mecánicas móviles. Este tipo de compresor puede describirse como un motor termodinámico, donde la compresión se controla mediante transferencias de calor entre el depósito de compresión y el entorno del sistema.

En este proceso, el hidrógeno a baja presión se introduce en un tanque cerrado que contiene un lecho sólido compuesto por un material poroso con una alta superficie y, por ende, un alto potencial de adsorción. En condiciones específicas de temperatura y presión, la adsorción ocurre exclusivamente en la superficie del material poroso. Luego, se suministra calor al sistema, lo que resulta en un aumento de la temperatura y provoca la desorción del hidrógeno. Como resultado, la densidad de la fase a granel de hidrógeno aumenta y se obtiene hidrógeno a alta presión.

Este método está todavía sin desarrollar comercialmente.

Conclusión

Como habrás podido evidenciar, las tecnologías de compresión de hidrógeno se pueden clasificar en dos categorías: mecánicas y no mecánicas. Las alternativas mecánicas son las más empleadas y son tecnologías muy maduras, conocidas; mientras que las no mecánicas son novedosas y están aún por abrirse paso. Así como es indudable que la compresión es necesaria para alcanzar altos niveles de almacenamiento y usar el hidrógeno en el ámbito industrial.

Te recomendamos escuchar el Episodio 58 de nuestro podcast: Compresores de hidrógeno con Javier Cuevas (Burckhardt Compression) para complementar esta información.

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Referencias

Sdanghi, G. (2019). Review of the current technologies and performances of hydrogen compression for stationary and automotive applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews.

Ströbel R, O. M. (2022). The compression of hydrogen in an electrochemical cell based on a PE fuel cell design. Power Sources.