Un proyecto de investigación liderado por universidades colombianas demuestra que es posible transformar residuos de acero y titanio en materiales para almacenar hidrógeno de forma segura.
El hidrógeno es la gran promesa para descarbonizar la industria y el transporte en el mundo. Sin embargo, su uso a gran escala tiene un talón de Aquiles: guardarlo de forma segura y económica es extremadamente difícil.
Hoy en día, almacenarlo requiere comprimirlo a presiones extremas o congelarlo a temperaturas ultra bajas, lo que exige infraestructuras costosas y complejas.
El almacenamiento de hidrógeno en estado sólido mediante hidruros metálicos ha ganado interés como una alternativa para mejorar las condiciones de seguridad y facilitar su integración en diferentes entornos industriales. En la práctica, estos materiales actúan como una especie de esponja metálica capaz de absorber el gas hidrógeno en su interior, guardarlo de forma segura a temperatura ambiente y liberarlo cuando se necesita.
Con el propósito de aportar soluciones a este reto, las Universidades de Medellín, de Antioquia, Pontificia Bolivariana y el Comité Colombiano del Consejo Mundial de Energía desarrollan el proyecto “Viabilización de la producción nacional de materiales y metodologías para el transporte, almacenamiento y uso de hidrógeno blanco”,
financiado por el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación y la Agencia Nacional de Hidrocarburos. La iniciativa evalúa la posibilidad de producir materiales para almacenamiento de hidrógeno utilizando residuos industriales disponibles en Colombia.
La estrategia aprovecha residuos de acero de la industria metalmecánica y residuos de titanio del sector biomédico para fabricar aleaciones hierro-titanio (FeTi), utilizadas en almacenamiento sólido de hidrógeno.
Los resultados confirman la viabilidad de esta ruta al demostrar la producción de más de 1 kg de aleación FeTi con capacidades de absorción superiores al 1% en peso de hidrógeno; una cifra que, aunque pequeña, es altamente competitiva para el estándar que se tiene a nivel mundial para las tecnologías de almacenamiento de hidrógeno. Dicha cantidad de hidrógeno ocuparía aproximadamente 6 litros como gas a temperatura ambiente y 20 bar, mientras que, al incorporarse en forma de hidruro, queda contenida en el volumen de la aleación, del orden de 0.15–0.20 litros por kilogramo de FeTi.
En consecuencia, el almacenamiento sólido permite concentrar la misma cantidad de H₂ en un volumen aproximadamente 30–40 veces menor que el requerido por el gas a igual presión y temperatura. Esta ventaja volumétrica, junto con la posibilidad de operar a presiones moderadas y la valoración de residuos de acero y titanio, resalta el potencial de la ruta propuesta para aplicaciones de almacenamiento.
Además de los avances en materiales, el proyecto involucra el diseño de sistemas de almacenamiento, evaluación ambiental, análisis social y apropiación del conocimiento. Esta aproximación permite abordar el almacenamiento de hidrógeno desde una perspectiva integral, que considera no solo el desempeño técnico de la tecnología, sino también sus implicaciones productivas, ambientales y territoriales.
¿Por qué el almacenamiento de hidrógeno es un reto?
A diferencia de combustibles convencionales como la gasolina o el gas natural, el hidrógeno presenta una densidad energética volumétrica muy baja en condiciones ambientales. Como resultado, almacenar cantidades útiles de energía requiere tecnologías capaces de incrementar significativamente su densidad sin comprometer la seguridad ni la viabilidad económica del sistema.
Actualmente, las principales alternativas de almacenamiento corresponden al gas comprimido, el hidrógeno líquido y el almacenamiento en materiales sólidos. El almacenamiento gaseoso exige recipientes capaces de operar a presiones de hasta 700 bar (casi 700 veces la presión atmosférica), mientras que el almacenamiento criogénico requiere temperaturas cercanas a los -253 °C. Ambas soluciones implican elevados requerimientos de infraestructura, consumo energético y costos operativos.
Frente a estas limitaciones, el almacenamiento en estado sólido mediante hidruros metálicos emerge como una alternativa para aplicaciones estacionarias e industriales. En este caso, el hidrógeno es absorbido por materiales metálicos específicos y almacenado dentro de su estructura cristalina, permitiendo operar a presiones considerablemente menores y con condiciones de seguridad más favorables que las tecnologías convencionales.
A pesar de sus ventajas, aún se encuentran retos como, por ejemplo, que los materiales deben combinar una adecuada capacidad de almacenamiento con estabilidad estructural, cinética eficiente de absorción y desorción, resistencia al ciclado y costos compatibles con una implementación industrial. Además, los fenómenos térmicos de los hidruros metálicos exigen gestionar la transferencia de calor durante la carga y descarga de hidrógeno.
Por otro lado, no basta con demostrar el funcionamiento de un material en laboratorio, también es necesario garantizar la disponibilidad de materias primas, desarrollar metodologías de fabricación reproducibles e integrarlo en reactores capaces de operar en condiciones reales.
¿Es posible, entonces, producir materiales para almacenamiento de hidrógeno utilizando residuos industriales disponibles en Colombia?
Para responder a esa pregunta, el proyecto aprovecha residuos industriales disponibles en el país como materia prima para fabricar materiales destinados al almacenamiento del hidrógeno en estado sólido, reduciendo la dependencia de insumos importados.
Tras los procesos de caracterización y selección de materiales, se identificó que el acero AISI 1005 y el titanio grado 4 presentaban condiciones adecuadas para la fabricación de aleaciones hierro-titanio (FeTi), utilizadas en el almacenamiento sólido de hidrógeno.
Los resultados experimentales validaron la ruta propuesta, ya que se produjo más de un kilogramo de aleación FeTi utilizando exclusivamente materias primas recuperadas. Las aleaciones alcanzaron capacidades de absorción superiores al 1% en peso de H₂, lo que confirma su potencial para el almacenamiento en estado sólido.
Del residuo a material funcional: (a) virutas de acero y (b) de titanio grado 4 recuperadas, (c) lingote de aleación FeTi obtenido por fusión por inducción, y (d) polvo listo para la carga del reactor.
La investigación también identificó aspectos relevantes para un eventual escalamiento industrial. El análisis de disponibilidad de material en el país mostró una oferta potencial cercana a 135.000 t/año de residuos de acero compatibles con la tecnología desarrollada, frente a unas cinco toneladas por año de residuos de titanio grado 4. El titanio es, por tanto, uno de los principales factores a considerar en futuras estrategias de expansión.
Economía circular aplicada a la transición energética
Uno de los principales aportes del proyecto es que los residuos industriales pueden convertirse en materias primas para aplicaciones energéticas de alto valor agregado. En lugar de insumos vírgenes, las aleaciones FeTi se fabricaron con residuos de acero proveniente de la industria metalmecánica y residuos de titanio grado 4 del sector biomédico, sin comprometer la funcionalidad del material obtenido.
La experiencia evidencia una ruta para integrar criterios de sostenibilidad y eficiencia en el uso de recursos en el desarrollo de tecnologías energéticas emergentes, con beneficios ambientales que el proyecto cuantificó mediante análisis de ciclo de vida.
Del material al sistema
El material es solo una parte del desafío, ya que para llegar a aplicaciones reales debe integrarse en sistemas que operen de forma segura y controlen la carga y descarga de hidrógeno. Por eso el proyecto avanzó en paralelo con el desarrollo de materiales y con soluciones de almacenamiento escalables.
En ese sentido, el proyecto avanzó en el diseño de un sistema modular de almacenamiento para los hidruros metálicos desarrollados, compuesto por unidades funcionales que pueden integrarse progresivamente para aumentar la capacidad sin modificar los principios de operación.
También se diseñaron y validaron prototipos de reactores para almacenamiento en estado sólido, junto con metodologías de simulación y herramientas de análisis que mostraron que el desempeño no depende solo de la capacidad del material, sino también de la gestión térmica durante los procesos de absorción y desorción de hidrógeno.
Además, a partir de la combinación de resultados experimentales y modelación computacional, se desarrolló una metodología de escalamiento que permitió identificar criterios de diseño para sistemas de mayor capacidad y trazar una ruta técnica hacia aplicaciones industriales.
Representación esquemática del reactor y de su disposición general dentro del módulo con capacidad para 1kg de hidruro e intercambio térmico por convección natural.
Para apoyar estas actividades se fortaleció la infraestructura experimental con sistemas de monitoreo, adquisición de datos y control automatizado, lo que permitió establecer protocolos de operación, evaluar el desempeño de las aleaciones y generar información para futuras etapas de optimización y validación.
Banco de pruebas instrumentado, reactores y otras unidades modulares conectados al sistema de monitoreo (a), adquisición de datos y hardware de control automatizado (b); y sistema automatizado de control de gases y flujo (c) durante un ciclo de carga y descarga de hidrógeno.
Sostenibilidad más allá de las emisiones
La evaluación de nuevas tecnologías energéticas no puede limitarse a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, ya que también exige analizar los impactos de la obtención de materias primas, la fabricación, el consumo de energía y el transporte, además de las condiciones sociales de los territorios donde podrían implementarse. Por esta razón, el proyecto incorporó evaluación ambiental y caracterización social desde sus primeras etapas.
Evluación ambiental
La caracterización ambiental se realizó mediante metodologías de Inventario de Ciclo de Vida (ICV) y Evaluación de Impacto de Ciclo de Vida, permitiendo comparar escenarios basados en materias primas vírgenes y materias primas recicladas. Los análisis incluyeron los flujos de materiales, energía y transporte asociados a la fabricación de las aleaciones FeTi y de los módulos de almacenamiento desarrollados durante el proyecto.
En comparación con los escenarios convencionales, el uso de materiales reciclados permitió reducir aproximadamente un 28% el potencial de calentamiento global y un 32% los impactos relacionados con el agotamiento de combustibles fósiles. Estas reducciones se deben principalmente a la disminución de actividades extractivas y a la reducción del transporte internacional de materias primas.
La evaluación también permitió identificar oportunidades de mejora. Mientras que en los escenarios basados en materias primas vírgenes el transporte constituye una de las principales fuentes de impacto ambiental, en los escenarios con materiales reciclados el consumo energético asociado a los procesos de transformación adquiere una mayor relevancia. Esta información proporciona elementos para orientar futuras estrategias de optimización tecnológica.
Evaluación social
El proyecto analizó variables sociales relacionadas con la posible implementación de tecnologías de hidrógeno en diferentes territorios con el objetivo de incorporar criterios que permitieran evaluar no solo la viabilidad técnica de una solución, sino también las condiciones sociales que podrían favorecer o dificultar su adopción.
Para esto se desarrolló el Índice de Factibilidad Social (IFS), una herramienta diseñada para comparar municipios a partir de variables asociadas a condiciones socioeconómicas, capacidades institucionales, conflictividad territorial y presencia de actividades extractivas formalizadas. La herramienta fue construida, aplicada y sometida a procesos de validación con expertos durante la ejecución del proyecto.
La incorporación de evaluaciones de ciclo de vida y herramientas de análisis territorial permitió construir una visión más completa de los factores que pueden influir en la futura implementación de esta tecnología, evaluando el desempeño técnico junto con criterios ambientales y sociales medibles. Esta aproximación facilita la identificación temprana de impactos, oportunidades de mejora y condiciones para una eventual adopción en escenarios reales.
Formación de capacidades
Si bien, el desarrollo técnico es un aspecto fundamental, se quiere algo más que investigación en materiales, diseño de equipos y sostenibilidad, pues para la ejecución de este tipo de iniciativas también se requiere de talento humano especializado, mecanismos de divulgación y herramientas que faciliten la transferencia de conocimiento hacia distintos sectores de la sociedad.
Por esa razón, el proyecto incorporó una línea de trabajo orientada a fortalecer los procesos de formación y apropiación social del conocimiento asociados al almacenamiento de hidrógeno.
Uno de los resultados más visibles fue el desarrollo de un ecosistema de contenidos educativos y divulgativos dirigidos a públicos con diferentes niveles de formación, con 27 piezas que incluyen infografías, historietas, pódcast, recursos audiovisuales, contenidos interactivos y materiales de divulgación orientados a estudiantes, docentes, profesionales y tomadores de decisión.
Además, se elaboraron tres guías pedagógicas dirigidas a docentes de educación básica y media, así como el desarrollo de un juego interactivo orientado a fortalecer la comprensión de conceptos relacionados con energía, sostenibilidad e hidrógeno mediante actividades de aprendizaje basadas en retos.
Adicionalmente, el proyecto creó cuatro cursos en línea masivos y abiertos (MOOC) acerca de temáticas relacionadas con hidrógeno, almacenamiento energético y sostenibilidad. Todos estos recursos se integraron en el sitio web: https://hidrogenoblanco.udemedellin.edu.co/.
Conclusiones
Está iniciativa permitió demostrar que es posible producir materiales para almacenamiento de hidrógeno utilizando residuos industriales generados en Colombia. La fabricación de más de 1 kg de aleación FeTi a partir de residuos de acero y titanio, junto con capacidades de absorción superiores al 1% en peso de hidrógeno, constituyen una validación experimental de la ruta tecnológica propuesta.
La investigación también mostró que estas soluciones no dependen exclusivamente del material absorbente, pues los avances en diseño de reactores, sistemas de monitoreo, metodologías de escalamiento y herramientas de simulación confirman la necesidad de abordar el almacenamiento como un sistema integrado, donde materiales, ingeniería y operación se desarrollan de manera simultánea.
Desde la perspectiva ambiental, los análisis realizados mostraron que el aprovechamiento de materias primas recicladas puede generar reducciones cercanas al 28% en el potencial de calentamiento global y al 32% en el agotamiento de combustibles fósiles respecto a escenarios basados en materiales vírgenes. Estos resultados aportan evidencia cuantitativa sobre el potencial de la economía circular para reducir impactos asociados al desarrollo de nuevas tecnologías energéticas.
Además, el proyecto permitió identificar oportunidades y retos para futuras etapas de escalamiento. Mientras que existe una disponibilidad estimada de 135.000 toneladas anuales de residuos de acero compatibles con la tecnología, la disponibilidad de titanio grado 4 se limita a cerca de 5 toneladas anuales, aspecto que deberá considerarse en futuros desarrollos industriales.
La experiencia evidenció que el avance de estas tecnologías requiere integrar investigación aplicada, evaluación ambiental, análisis territorial y estrategias de divulgación. Los 27 contenidos edu-comunicativos y herramientas como el Índice de Factibilidad Social complementaron los resultados técnicos.
Más allá de los prototipos y materiales desarrollados, el proyecto aporta información técnica, ambiental y social que puede servir de base para futuras iniciativas de almacenamiento energético, valorización de residuos y aplicaciones industriales del hidrógeno en Colombia.
*Autores: Esteban Correa, Carlos Arrieta, Natalia Gómez, Alejandra Balaguera y John F. López de la Universidad de Medellín; Alejandro Zuleta, Wílber Silva y César Nieto de la Universidad Pontificia Bolivariana; Francisco Bolívar, Félix Echeverría y Doris Ramírez de la Universidad de Antioquia; y Daniel Díaz del Comité Colombiano del WEC.