El vehículo de hidrógeno. Materiales nanoporosos para almacenamiento reversible de hidrógeno: simulaciones de Monte Carlo-Metrópolis de carbones nanoporosos formados por varias capas de grafeno

Abstract

Este trabajo de fin de grado consta de dos partes: La primera parte está basada en una búsqueda bibliográfica y trata de explicar la economía del hidrógeno, haciendo especial hincapié en el vehículo de hidrógeno. La segunda parte busca una solución al problema del almacenamiento de hidrógeno on-board y se centra en el almacenamiento reversible de hidrógeno en carbón activado, realizando simulaciones de Monte Carlo del almacenamiento de hidrógeno en carbones activados simulados como láminas plano-paralelas de grafeno. La economía del hidrógeno es un modelo en vías de desarrollo en el que el hidrógeno aparece como vector energético, sustituyendo a los combustibles fósiles. Para que una economía del hidrógeno sea posible, todavía se debe mejorar la eficiencia en los aspectos más importantes para el uso del hidrógeno como son la producción, el almacenamiento (en especial el almacenamiento on-board) y el uso mediante la pila de hidrógeno. El transporte una de las áreas que más depende actualmente de los combustibles fósiles para su funcionamiento. Un vehículo que utilice el hidrógeno como fuente de energía, se presenta como una alternativa con cero emisiones de CO2 al vehículo convencional. En la actualidad se pueden encontrar algunos vehículos de hidrógeno en el mercado, aunque todavía no están preparados para su producción a gran escala. El almacenamiento de hidrógeno es complicado por su baja densidad. El carbón activado es un material altamente poroso que se presenta como una opción para almacenar hidrógeno por fisisorción. En este trabajo se realizaron simulaciones mediante el método Monte Carlo- Metrópolis para calcular la capacidad gravimétrica y la densidad del hidrógeno almacenado en carbones nanoporosos. Se simularon los nanoporos de carbono como dos láminas plano-paralelas de grafeno separadas una distancia, que representa la anchura de los poros. Las interacciones de las moléculas de hidrógeno con la lámina se simularon mediante potenciales de Steele y las interacciones entre las moléculas mediante potenciales de Lennard-Jones.

This Final Degree Project is composed by two parts. The first part is based on a bibliographic search and tries to explain the Hydrogen Economy, giving special importance to the Hydrogen vehicle. The second part looks for a soluction to the onboard hydrogen storage problem, focusing on the reversible hydrogen storage in activated carbons, doing Monte Carlo simulations for the hydrogen storage in activated carbons simulated as parallel plane graphene sheets. The Hydrogen Echonomy is a developing model in which hydrogen appears as a energy vector, replacing the fossil fuels used nowadays. It is still necesary to work on the hydrogen production, storage (specially on-board) and the Hydrogen fuel cell use. Transport is one of the areas that depends the most on fossil fuels for its performance. A vehicle which uses hydrogen as power source, appears as an alternative to the conventional vehicles, with zero CO2 emissions. Currently there are some hydrogen vehicles on sale, but it is not possible to produce them massively. The low hydrogen density makes its storage very complicated. The activated carbon is an option to storage by physisorption. In this project we used the Monte Carlo-Metropolis method to calculate the gravimetric capacity and the storage hydrogen density of nanoporous carbons. We simulated the nanoporous carbons as two planar-parallel graphene slabs separated a distance, which represents the pore size. The interactions between the hydrogen molecules and the slabs were simulated by means of the Steele potential and the interactions betweeen the hydrogen molecules were simulated by means of Lennard-Jones potentials.