La economía del hidrógeno se enfrenta a desafíos materiales debido a la fragilidad

Imagina un futuro sin emisiones de escape, donde los cielos azules ya no estén oscurecidos por el humo de las fábricas, sino reemplazados por energía de hidrógeno limpia y eficiente. Esta visión es cautivadora, aparentemente al alcance. Sin embargo, la energía de hidrógeno no es tan dócil como se imagina: impone requisitos extremadamente estrictos a los materiales. El más mínimo descuido puede acarrear graves consecuencias. Hoy, profundizamos en el "asesino de materiales" oculto que acecha en las aplicaciones de energía de hidrógeno: la fragilización por hidrógeno, y exploramos cómo evitar esta trampa oculta en el camino de la transición energética.

En la ola global de la transición energética, la energía de hidrógeno es considerada la "estrella del futuro", que conlleva infinitas aspiraciones para la energía limpia. Tiene diversas fuentes y puede producirse a través de varios métodos, como la electrólisis del agua, el reformado de combustibles fósiles y la gasificación de biomasa. Más importante aún, la combustión de hidrógeno produce solo agua, logrando verdaderas "cero emisiones", lo que lo convierte en un combustible ideal.

Las perspectivas de aplicación de la energía de hidrógeno son vastas, abarcando el transporte, la producción industrial, la calefacción de edificios, el almacenamiento de energía y más. En el transporte, los vehículos de pila de combustible de hidrógeno se consideran una alternativa ideal a los automóviles tradicionales impulsados por combustible, ofreciendo ventajas como largo alcance, corto tiempo de repostaje y cero emisiones. En la industria, el hidrógeno puede servir como agente reductor o materia prima sintética para la fundición de acero y la producción química, reduciendo las emisiones de carbono. En los edificios, las pilas de combustible de hidrógeno pueden proporcionar electricidad y calor, logrando la autosuficiencia energética. En el almacenamiento de energía, el hidrógeno puede convertir el exceso de electricidad en energía química para su almacenamiento y luego volver a convertirla en electricidad cuando sea necesario, abordando la intermitencia de la energía renovable.

Sin embargo, para aprovechar verdaderamente la energía de hidrógeno y convertir la "estrella del futuro" en realidad, debemos superar una serie de desafíos técnicos. Entre ellos, el almacenamiento y el transporte de hidrógeno son eslabones críticos y se encuentran entre los obstáculos más importantes en las aplicaciones de energía de hidrógeno. El hidrógeno tiene una baja densidad energética volumétrica, es altamente inflamable y explosivo, y propenso a la permeación, lo que dificulta excepcionalmente su almacenamiento y transporte.

Actualmente, los métodos de almacenamiento de hidrógeno incluyen principalmente el almacenamiento gaseoso a alta presión, el almacenamiento líquido criogénico y el almacenamiento en estado sólido. El almacenamiento gaseoso a alta presión es relativamente maduro, pero tiene una baja densidad energética volumétrica, requiere recipientes de alta presión y plantea riesgos de seguridad. El almacenamiento líquido criogénico mejora significativamente la densidad energética volumétrica, pero requiere enfriar el hidrógeno a temperaturas extremadamente bajas (-253°C), consumiendo una cantidad considerable de energía. El almacenamiento en estado sólido ofrece una alta densidad energética volumétrica y buena seguridad, pero sigue siendo costoso y tecnológicamente inmaduro.

Los métodos de transporte de hidrógeno incluyen principalmente el transporte por tuberías, camiones cisterna y transporte marítimo. El transporte por tuberías es ideal para el transporte de hidrógeno a larga distancia y a gran escala, pero requiere tuberías de hidrógeno dedicadas con una inversión sustancial. Los camiones cisterna son adecuados para el transporte a corta distancia y a pequeña escala, pero son ineficientes. El transporte marítimo es adecuado para el transporte a larga distancia y a gran escala, pero requiere la licuefacción o conversión de hidrógeno en otras formas antes del transporte.

Ya sea para el almacenamiento o el transporte, el hidrógeno impone requisitos extremadamente estrictos a los materiales. Los materiales metálicos tradicionales son propensos a la fragilización por hidrógeno en entornos de hidrógeno, lo que provoca fallas en los equipos e incluso accidentes de seguridad. Por lo tanto, el desarrollo de materiales de alto rendimiento adecuados para entornos de hidrógeno es un aspecto crítico de las aplicaciones de energía de hidrógeno.

El hidrógeno, como el "elemento número uno" de la tabla periódica, tiene el volumen atómico más pequeño y la masa más ligera. Estas propiedades físicas únicas lo hacen muy propenso a penetrar en el interior de los materiales metálicos, causando una serie de problemas. Particularmente en las aplicaciones prácticas de energía de hidrógeno, el hidrógeno suele existir en formas líquidas o gaseosas, lo que presenta desafíos adicionales.

• Fragilización criogénica: El hidrógeno líquido alcanza temperaturas extremadamente bajas de -252,9°C (-423°F). A estas temperaturas, la ductilidad de los materiales metálicos disminuye significativamente, volviéndose más frágiles y propensos a la fractura. Este fenómeno se conoce como fragilización criogénica.
• Fragilización por hidrógeno: A temperatura ambiente, el hidrógeno gaseoso se descompone en átomos de hidrógeno, que se difunden en el interior del metal, alterando su microestructura y reduciendo su resistencia y tenacidad, haciéndolo más susceptible a la fractura. Esto es a lo que comúnmente nos referimos como "fragilización por hidrógeno".

La fragilización por hidrógeno es una forma de corrosión por hidrógeno que reduce la resistencia a la fatiga y a la fractura de un metal. Este proceso se puede entender simplemente de la siguiente manera: las moléculas de hidrógeno se descomponen en átomos de hidrógeno, que penetran en el interior del metal y se acumulan en los puntos de concentración de tensión, como las puntas de las grietas, los límites de grano, las inclusiones o los precipitados. En algunos casos, los átomos de hidrógeno pueden incluso recombinarse en moléculas de hidrógeno, lo que exacerba aún más la fragilización por hidrógeno.

La aparición de la fragilización por hidrógeno es un proceso fisicoquímico complejo que involucra múltiples pasos: adsorción, absorción, difusión y acumulación de hidrógeno. Los átomos de hidrógeno primero se adsorben en la superficie del metal, luego se descomponen en iones de hidrógeno, que entran en el interior del metal, se difunden a los puntos de concentración de tensión, interactúan con los átomos del metal, alteran la microestructura del metal y, en última instancia, degradan las propiedades mecánicas del material.

Los peligros de la fragilización por hidrógeno no pueden subestimarse. Puede provocar fallas prematuras en los equipos, aumentar los costos de mantenimiento e incluso accidentes de seguridad, lo que dificulta la adopción generalizada de la energía de hidrógeno. Por ejemplo, las fracturas de las tuberías de hidrógeno debido a la fragilización pueden causar fugas, lo que provoca incendios o explosiones. Los tanques de almacenamiento de los vehículos de pila de combustible de hidrógeno que fallan debido a la fragilización pueden hacer que los vehículos no funcionen o incluso causar accidentes.

Por lo tanto, la selección de materiales es crucial en el diseño y la construcción de sistemas de energía de hidrógeno. Solo los materiales con una excelente resistencia a la fragilización por hidrógeno pueden garantizar el funcionamiento seguro y fiable de los sistemas de energía de hidrógeno.

Entonces, ¿cómo podemos construir equipos de energía de hidrógeno robustos y confiables? ¡La respuesta está en seleccionar los materiales correctos! En particular, los aceros inoxidables de alta calidad especialmente formulados pueden resistir mejor los desafíos que plantea el hidrógeno.

El acero inoxidable es un acero aleado compuesto principalmente de hierro, con elementos de aleación como cromo, níquel y molibdeno. El cromo forma una película de óxido densa en la superficie del acero inoxidable, evitando la corrosión. El níquel mejora la resistencia y la tenacidad, mientras que el molibdeno mejora la resistencia a la corrosión.

Los diferentes tipos de acero inoxidable exhiben una resistencia variable a la fragilización por hidrógeno. Generalmente, los aceros inoxidables austeníticos funcionan bien contra la fragilización por hidrógeno, mientras que los aceros inoxidables ferríticos y martensíticos son más susceptibles.

Los aceros inoxidables austeníticos, compuestos principalmente de austenita, ofrecen buena plasticidad, tenacidad y soldabilidad, lo que los hace ampliamente utilizados en las industrias química, petrolera y alimentaria. Los grados comunes incluyen 304, 316 y 321. Los aceros inoxidables ferríticos, compuestos principalmente de ferrita, tienen mayor resistencia y resistencia a la corrosión, pero menor plasticidad y tenacidad, lo que los hace propensos a la fragilización criogénica y a la fragilización por hidrógeno. Los grados comunes incluyen 430 y 446. Los aceros inoxidables martensíticos se pueden fortalecer mediante tratamiento térmico, ofreciendo alta resistencia y dureza, pero menor plasticidad y tenacidad, lo que los hace susceptibles a la fragilización por hidrógeno. Los grados comunes incluyen 410 y 420.

Por lo tanto, los aceros inoxidables austeníticos deben ser priorizados en el diseño y la construcción de sistemas de energía de hidrógeno. Si se deben utilizar aceros inoxidables ferríticos o martensíticos, se deben implementar medidas de protección adecuadas, como recubrimientos superficiales o protección catódica, para mitigar los riesgos de fragilización por hidrógeno.

Más allá de los aceros inoxidables, otros materiales como las aleaciones de aluminio, las aleaciones de titanio y las aleaciones a base de níquel también exhiben una buena resistencia a la fragilización por hidrógeno. Estos materiales son más costosos, pero ofrecen un rendimiento superior, lo que los hace adecuados para aplicaciones de alta seguridad.

A continuación, abordamos varias preguntas comunes para explorar las consideraciones clave en la selección de materiales para la energía de hidrógeno.

R: La fragilización criogénica se refiere a la disminución de la ductilidad, la tenacidad y la resistencia a la fatiga y a la fractura de un metal a medida que bajan las temperaturas. En pocas palabras, los metales se vuelven más frágiles y propensos a la fractura a bajas temperaturas.

Los diferentes tipos de acero inoxidable exhiben una resistencia variable a la fragilización criogénica. Los aceros inoxidables austeníticos mantienen una buena tenacidad a bajas temperaturas, mientras que los aceros inoxidables ferríticos (incluidos los aceros de baja aleación, los aceros inoxidables ferríticos o dúplex) son más propensos a la fragilización criogénica. Por lo tanto, los aceros inoxidables austeníticos son la opción preferida para los sistemas de hidrógeno líquido. Si su aplicación es muy sensible a la fragilización criogénica, los aceros inoxidables austeníticos son el camino a seguir.

Los aceros inoxidables austeníticos resisten la fragilización criogénica debido a su estructura cristalina cúbica centrada en la cara (FCC), que mantiene una buena plasticidad y tenacidad a bajas temperaturas, evitando fracturas frágiles. Además, algunas aleaciones de aluminio, aleaciones de titanio y aleaciones a base de níquel también resisten la fragilización criogénica, lo que las hace adecuadas para entornos criogénicos como el almacenamiento y el transporte de hidrógeno líquido.

R: La fragilización por hidrógeno es una forma de corrosión por hidrógeno que reduce la resistencia a la fatiga y a la fractura de un metal. El proceso se puede simplificar de la siguiente manera: las moléculas de hidrógeno se descomponen en átomos que penetran en el interior del metal y se acumulan en los puntos de concentración de tensión, como las puntas de las grietas, los límites de grano, las inclusiones o los precipitados. En algunos casos, los átomos de hidrógeno pueden recombinarse en moléculas, lo que exacerba la fragilización.

La fragilización por hidrógeno involucra múltiples pasos: adsorción, descomposición, absorción, difusión, acumulación y, en última instancia, fractura frágil. Su aparición depende de factores como la presión del hidrógeno, la temperatura, la pureza, el tipo de metal, la composición, la microestructura y la magnitud/frecuencia de la tensión.

R: Los materiales propensos a la fragilización por hidrógeno aumentan significativamente los riesgos de falla del sistema. Generalmente, los materiales de mayor resistencia son más susceptibles. Los aceros inoxidables austeníticos, con su estructura cristalina FCC, resistencia moderada y buena ductilidad, suelen ser más adecuados para entornos de hidrógeno. Sin embargo, los diferentes grados varían en resistencia. Los aceros inoxidables ferríticos y martensíticos, debido a sus estructuras cristalinas y composiciones, son más propensos a la fragilización. Los aceros de alta resistencia y las aleaciones de titanio también son vulnerables en entornos de hidrógeno.

El uso de materiales inadecuados puede provocar fallas prematuras en los equipos, mayores costos de mantenimiento y riesgos para la seguridad. Las posibles consecuencias incluyen:

• Riesgos de seguridad: Las fugas de hidrógeno pueden causar incendios o explosiones.
• Tiempo de inactividad: Las reparaciones o reemplazos de equipos interrumpen las operaciones.
• Mayor frecuencia de reemplazo: Los componentes requieren cambios más frecuentes, lo que aumenta los costos.
• Impacto ambiental: Las fugas de hidrógeno desperdician energía y pueden dañar el medio ambiente.
• Mayores costos operativos: Los gastos generales de mantenimiento y operación aumentan.

R: Los aceros inoxidables de alta calidad con mayor contenido de níquel son más adecuados para entornos de hidrógeno, especialmente para el servicio a largo plazo. Las normas ASTM exigen que el acero inoxidable 316 contenga al menos un 10% de níquel, pero para aplicaciones de hidrógeno, un contenido de níquel del 12% funciona mejor. El níquel estabiliza la microestructura, mejorando la resistencia a la fragilización. Las pruebas muestran que el acero inoxidable 316 con un 12% de níquel retiene bien la ductilidad a la tracción bajo exposición al hidrógeno.

El níquel estabiliza la austenita, mejorando la plasticidad y la tenacidad, mejorando así la resistencia a la fragilización. También ralentiza la difusión del hidrógeno, reduciendo la acumulación atómica y los riesgos de fragilización. Más allá del contenido de níquel, factores como la pureza, el tamaño del grano y el procesamiento también afectan el rendimiento.

R: En el sector de la energía de hidrógeno en rápida evolución, la selección de materiales es compleja pero crítica. Las elecciones correctas impactan directamente en la reputación del hidrógeno como un combustible confiable y sostenible. Las malas selecciones podrían poner en peligro su futuro. Busque proveedores con una profunda experiencia en ciencia de materiales y casos de aplicación de hidrógeno exitosos. Consulte a expertos para identificar las soluciones óptimas para necesidades específicas.

• Propiedades mecánicas: Resistencia, tenacidad, plasticidad, resistencia a la fatiga.
• Resistencia a la corrosión: Resistencia al hidrógeno y a la corrosión electroquímica.
• Resistencia a la fragilización por hidrógeno: La métrica de rendimiento más crucial.
• Costo: Equilibrar el rendimiento y la asequibilidad.
• Procesabilidad: Facilidad de dar forma a los componentes.
• Soldabilidad: Compatibilidad con los procesos de soldadura.

Además, considere los entornos operativos (temperatura, presión, medios) para seleccionar materiales con un rendimiento adecuado en condiciones específicas.

A medida que avanza la tecnología de la energía de hidrógeno, los requisitos de materiales se vuelven más estrictos. Los futuros materiales para la energía de hidrógeno se desarrollarán en estas direcciones:

• Alta resistencia y tenacidad: Mejora la seguridad y la fiabilidad del sistema.
• Resistencia a la corrosión por hidrógeno: Extiende la vida útil del sistema.
• Bajo costo: Promueve la adopción generalizada.
• Ligero: Mejora el alcance de los vehículos de pila de combustible.
• Materiales inteligentes: Capacidades de autocuración y diagnóstico que impulsan la seguridad.

Los investigadores están explorando nuevos materiales como las aleaciones de alta entropía, los nanomateriales y los intermetálicos, que muestran promesas para futuras aplicaciones de hidrógeno.

La energía de hidrógeno, como fuente de energía limpia, eficiente y sostenible, tiene un gran potencial. Sin embargo, lograr una adopción a gran escala requiere superar desafíos técnicos, siendo la selección de materiales fundamental. Solo eligiendo los materiales adecuados podemos garantizar sistemas de hidrógeno seguros y confiables, desbloqueando todo su potencial para un futuro más limpio. Trabajemos juntos para resolver los desafíos de los materiales y avanzar en la adopción global de la energía de hidrógeno.