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Escrito por agrupasuma 17-04-2016 en ahorro. Comentarios (0)

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PILAS DE COMBUSTIBLE DE HIDROGENO

Escrito por agrupasuma 13-07-2014 en Pila de Combustible. Comentarios (0)

Pilas de Combustible de Hidrógeno. Una realidad que va mejorando

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Introducción

El modelo energético mundial está tomando un nuevo rumbo debido fundamentalmente a la crisis existente en el mercado del petróleo. Los combustibles fósiles suponen una fuente agotable de recursos además de un alto grado de contaminación atmosférica. Expertos del Worldwatch Institut han elaborado diversas recomendaciones para frenar el cambio climático: usar combustibles con menos carbono (como es el caso del gas natural), mejorar la intensidad energética, aumentar las fuentes de energías renovables e impulsar las pilas de hidrógeno como sistema energético del futuro.

Dentro de este último punto, el hidrógeno, como vector energético, se presenta como uno de los candidatos ideales con múltiples aplicaciones: empleo en equipos de combustión para generación combinada de calor y electricidad, utilización en pilas de combustible para propulsión eléctrica en el transporte, generación de electricidad, ... Además constituye una esperanza hacia la consecución de una economía energética sostenida.

La utilización del hidrógeno como carburante presenta grandes ventajas: es una fuente abundante y tras su combustión solamente se produce calor y vapor de agua. Consecuentemente, estaríamos ante un sistema limpio y silencioso. En contrapartida, es un gas altamente inflamable con lo cual supondría que para su utilización habría que rediseñar los vehículos; además sería costosa la realización de infraestructuras para su distribución.

Recientemente han surgido opiniones contrarias a la utilización del hidrógeno. John Eiler y Tracey Tromp, expertos del Instituto Tecnológico de California, advirtieron en la revista Science acerca de las consecuencias que conllevaría la generalización de esta tecnología. El empleo del hidrógeno en masa liberaría millones de toneladas de este gas, debido a los escapes que se producirían en contenedores, vehículos y canalizaciones. En la estratosfera se produciría vapor de agua extra, lo cual daría lugar a un descenso térmico. Este enfriamiento, podría acelerar la destrucción de la capa de ozono aproximadamente en un 10%.

Es importante señalar, que el hidrógeno no es un recurso natural y debe obtenerse a partir de otras materias primas (agua, biomasa, combustibles fósiles), y a través de una serie de transformaciones en las que se consume alguna fuente de energía primaria (nuclear (electrólisis, termólisis), renovable (gasificación, electrólisis) o fósil (oxidación parcial, steam reforming, gasificación), resultando un proceso de producción menos "limpio" de lo esperado.

En los últimos años han surgido diversas iniciativas para el desarrollo de la tecnologías del hidrógeno. Con este fin, el Departamento de Energía de los Estados Unidos ha destinado más de 1.700 millones de euros para los próximos cinco años y la Unión Europea, dentro del VI Programa Marco (2003-2006), unos 275 millones de euros. Los comisarios Busquin y Loyola de Palacio constituyeron en 2002 el Grupo de Alto Nivel sobre Hidrógeno y Pilas de Combustible, que se fija como principal objetivo alcanzar la cuota del cinco por ciento en combustibles de hidrógeno en el transporte para el año 2020.

En España, el Plan Nacional de I+D+I 2004-2007 también incluye apartados específicos para el desarrollo de este tipo de tecnologías.

¿Estaremos ante la energía del futuro?

Más información:

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El hidrógeno

El hidrógeno es el átomo más ligero y simple de todos los elementos del sistema periódico, con número atómico 1 y peso atómico 1,00794 g/mol. Fue descubierto en 1776 por el químico y físico inglés Henry Cavendish al que bautizó como aire inflamable. Finalmente fue el químico francés Antoine Laurent de Lavoisier quien le dio el nombre de hidrógeno.

En condiciones normales de presión y temperatura es un gas biatómico de fórmula H2, no tóxico y muy inflamable (sobre todo en contacto con flúor y cloro), incoloro e inodoro. Tiene una gravedad específica de 0.0899g/l (el aire es 14.4 veces más pesado). Su punto de ebullición de tan sólo 20,27 K (-252,88 ºC) y un punto de fusión de 14,02 K (-259,13 ºC).

El hidrógeno a pesar de ser el elemento más abundante en el universo, no constituye directamente un combustible aprovechable, y por lo tanto, no es una fuente de energía, sino un vector energético (es decir, un portador de energía).

Gráfico: Combustibles alternativos para motores

Combustibles alternativos para motores

Fuente: Comisión Europea

Aunque el hidrógeno no constituye un recurso renovable, éste puede producirse mediante energía solar, eólica o hidráulica como fuentes de electricidad, aunque hoy en día aproximadamente el 95 % se obtiene a partir de combustibles fósiles.

Su "densidad energética" es tres veces superior a la de la gasolina. Su combustión con el oxígeno, produce agua y calor, de acuerdo con la reacción:

La combustión con el oxígeno, produce agua y calor

Según cifras actuales, la producción de hidrógeno está distribuida de la siguiente forma:

Fuente

Cantidad en billones de Nm3 por año

Porcentaje

Gas natural

240

48

Petróleo

150

30

Carbón

90

18

Electrólisis

20

4

Total

500

100

Fuente: Fuel cells. Energy Efficiency and Renewable Energy. U.S. Department Energy

La producción del hidrógeno esta adquiriendo cada día más importancia, tal y como se refleja en el gráfico elaborado por la Agencia Internacional de la Energía.

Ventajas frente a otros combustibles fósiles

  • Alta densidad energética en base másica. Bajo peso de combustible en los tanques de almacenamiento
  • Alta disponibilidad. Se puede producir a partir de distintas materias primas
  • Elemento estable y no corrosivo
  • Combustible "limpio". La combustión del hidrógeno con oxígeno sólo produce agua (aunque con determinadas relaciones H2/aire se producen óxidos de nitrógeno (NOx))

Desventajas frente a otros combustibles fósiles

  • Baja densidad energética en base volumétrica. Se requieren tanques contenedores grandes y pesados
  • Transporte y almacenamiento costosos y de implementación compleja
  • Combustible secundario: se debe consumir energía para conseguirlo a partir de las distintas materias primas (agua, biomasa, combustibles fósiles) ya que no existe en estado elemental.

Fuentes:

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Obtención del hidrógeno

En la actualidad, prácticamente el 95% del hidrógeno que se produce se hace a partir de combustibles fósiles

Métodos de obtención:

- Reformado con vapor (steam reforming): Con este procedimiento el hidrógeno se obtiene a partir de hidrocarburos, fundamentalmente del gas natural. El principal componente del gas natural es metano CH4 y la reacción consiste básicamente en separar el carbono del hidrógeno. El proceso tiene lugar en dos etapas: En la fase inicial, el gas natural se convierte en hidrógeno, dióxido de carbono y monóxido de carbono. La segunda etapa consiste en producir hidrógeno adicional y dióxido de carbono a partir del monóxido de carbono producido durante la primera etapa. El monóxido de carbono es tratado con una corriente de vapor a alta temperatura produciéndose hidrógeno y dióxido de carbono. El hidrógeno producido, se almacena en tanques.
La mayoría del hidrógeno empleado por la industria petroquímica se genera de esta manera. El proceso tiene una eficiencia entre el 70 y el 90%. A continuación se muestran las reacciones químicas producidas durante el proceso:

CH4 + H2O => CO + 3H2

CO + H2O => CO2 + H2

Más información

- Oxidación parcial de combustibles fósiles con defecto de O2. Se obtiene una mezcla de hidrógeno que posteriormente se purifica. Las cantidades de oxígeno y vapor de agua son controladas para que la gasificación continúe sin necesidad de aporte de energía. La siguiente reacción global representa el proceso::

CH1,4 + 0,3 H2O + 0,4 O2 => 0,9 CO + 0,1 CO2 + H2.

- Electrólisis del agua: El paso de la corriente eléctrica a través del agua, produce una disociación entre el hidrógeno y el oxígeno, componentes de la molécula del agua H2O. El hidrógeno se recoge en el cátodo (polo cargado negativamente) y el oxígeno en el ánodo. El proceso es mucho más caro que el reformado con vapor, pero produce hidrógeno de gran pureza. Este hidrógeno se utiliza en la industria electrónica, farmacéutica o alimentaria.

H2O + energía =>H2 + O2

Más información

- Fotoelectrolisis. Básicamente, este procedimiento aprovecha la radiación solar para generar la corriente eléctrica capaz de producir la disociación del agua y en definitiva la producción de hidrógeno.

Más información

- Utilizando la biomasa como fuente de producción de hidrógeno, éste se puede producir por dos procedimientos: gasificación de la biomasa o pirólisis.

Gasificación de biomasa : Se trata de someter a la biomasa a un proceso de combustión incompleta entre 700 y 1200ºC. El producto resultante es un gas combustible compuesto fundamentalmente por hidrógeno, metano y monóxido de carbono.

Pirólisis: Es la combustión incompleta de la biomasa en ausencia de oxígeno, a unos 500ºC, . Se obtiene carbón vegetal y gas mezcla de monóxido y dióxido de carbono, hidrógeno e hidrocarburos ligeros.

Más información

- Membranas de intercambio cónico o de electrolito polémico sólido: dejan pasar los protones (H+). Se producen las siguientes reacciones:

Ánodo:

H2O =>2H+ + 1/2 O2 + 2e-

H2O =>2H+ + 1/3 O3 + 2e-

Cátodo:

2H+ + 2e- =>H2

- Producción fotobiológica: Por ejemplo, la cianobacteria y las algas verdes pueden producir hidrógeno, utilizando únicamente luz solar, agua e hidrogenasa como una enzima. Actualmente, esta tecnología está en periodo de investigación y desarrollo con eficiencias de conversión estimadas superiores al 24%. Se han identificado más de 400 variedades de plantas primitivas candidatas para producir hidrógeno.

- Producción de hidrógeno a bordo del vehículo, a partir de metanol como combustible, para su consumo in situ parece ser la alternativa más idónea. El hidrógeno puede obtenerse por tres vías catalíticas diferentes:

  • oxidación parcial con oxígeno o aire: CH3OH + 1/2 O2 => CO2 + 2 H2
  • reformado con vapor de agua: CH3OH + H2O => CO2 + 3 H2
  • descomposición: CH3OH =>CO + 2 H2.

De estas tres alternativas, la oxidación parcial (Ec. 1), ofrece algunas ventajas claras con respecto al reformado con vapor en cuanto que utiliza aire en vez de vapor y es una reacción exotérmica por lo que no requiere un aporte de energía externa durante la operación. Estas ventajas se contrarrestan con la producción de una cantidad de hidrógeno menor.

- Producción de hidrógeno a bordo del vehículo, a partir de etanol como combustible, donde se produce la siguiente reacción:
CH3CH2OH + 3H2O => CO + CO2 + 6H2. Para este caso se produce monóxido de carbono, el cual es un veneno de la membrana de intercambio de protones de las pilas de combustible.

Más información

La producción del hidrógeno a partir de la materia primaria (hidrocarburos o agua) necesita de importantes cantidades de energía. La investigación se centra ahora en saber si es posible el empleo de energías renovables sin carbono: descomponer el hidrógeno del agua a partir de energía fotovoltaica, eólica, hidráulica o geotérmica.

Coste de producción del Hidrógeno

gráfico que muestra el coste de producción del hidrógeno

Fuente: International Energy Agency (IEA)

Fuentes:

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Descripción

Las pilas de combustible son sistemas electroquímicos en los que la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la pila. Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible —comúnmente hidrógeno, amoníaco o hidrazina— y un cátodo en el que se introduce un oxidante —normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrólito iónico conductor.

Su principio de funcionamiento es inverso al de una electrólisis. Por ejemplo, en la electrólisis del agua, se separa este compuesto en sus dos componentes, hidrógeno y oxígeno, mientras que en una pila de combustible se obtendría una corriente eléctrica por medio de la reacción entre estos dos gases:

Diagrama de la reacción

El sistema opera con dos tipos de gases, combustible y oxidante, que pasan a través de las superficies del ánodo y cátodo opuestas al electrolito, respectivamente, y generan energía eléctrica por oxidación electroquímica del combustible, generalmente hidrógeno, y la reducción electroquímica del oxidante, normalmente oxígeno.
Se transforma entonces la energía química, almacenada en el enlace H-H de la molécula H2, en energía eléctrica y vapor de agua.
Este concepto nuevo ofrece ventajas sustanciales sobre la tecnología clásica de combustión, no solamente por el aumento de la eficiencia hasta niveles de 30-40% sino también porque la única emisión producida es vapor de agua. De forma global, los automóviles que utilizan H2 como combustible son 22% más eficientes que los movidos por gasolina.

Diagrama funcionamiento pilas de combustible

Las pilas de combustible están constituidas por un conjunto de celdas apiladas, cada una de las cuales posee un ánodo o electrodo negativo y un cátodo o electrodo positivo, separados por un electrolito que facilita la transferencia iónica entre los electrodos. Cada una de las sustancias que participan en la reacción es alimentada a un electrodo distinto. Así, el combustible, generalmente rico en hidrógeno, es alimentado de forma continua al ánodo, y el oxidante, normalmente el oxígeno del aire, al cátodo. Allí los reactivos se transforman electroquímicamente, de acuerdo con las semirreacciones:

Diagrama de la reacción

Se genera de esta forma una corriente eléctrica entre ambos electrodos que, a diferencia de lo que ocurre en una pila o batería convencional, no se agota con el tiempo de funcionamiento, sino que se prolonga mientras continúe el suministro de los reactivos.

El rendimiento de la reacción viene determinado por la ecuación de Nernst:


Ecuación de Nernst

Donde Eo (1.229 V) es el potencial estándar, R la constante de los gases (8.31 J/Kmol), T la temperatura absoluta (K) y F la constante de Faraday (96.480 J/Vmol).

El rendimiento real de la pila puede calcularse considerando las siguientes pérdidas:

- polarización por concentración
- polarización por activación
- polarización óhmica

Dependiendo del tipo de pilas de combustible, se obtienen eficacias entre un 35 % hasta un 60 %. El problema actual reside en la duración de las pilas y en los costes. Aunque las pilas de combustible se conocen hace más de 150 años, sólo en las últimas dos décadas han sido reconocidas como una de las tecnologías más prometedoras de producción de energía. El Programa del Departamento de Energía de los Estados Unidos junto con instituciones de otros países, llevan inviertiendo desde hace tiempo en estas tecnología. No obstante, aun se está investigando en la resolución de aspectos técnicos que afectan a la corrosión y fiabilidad de algunos de los componentes.

Los sistemas de pilas de combustible se caracterizan por sus reducidas emisiones. Si solo se utiliza hidrógeno (derivado de fuentes renovables) como combustible en las celdas, se obtendrá vapor de agua y electricidad . La utilización de hidrocarburos para la producción de hidrógeno eliminaría prácticamente las emisiones de óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono. Considerando que sus eficacias son potencialmente superiores a las de los motores de combustión interna, las emisiones de dióxido de carbono se verían además reducidas.

Las pilas de combustible pueden ofrecer la respuesta a diversos requerimientos energéticos. La eficacia de estos dispositivos no depende del tamaño como sucede en otros sistemas energéticos. Este hecho permite su aplicación en sistemas de energía miniaturizados y portátiles. Su eficacia es potencialmente superior a cualquier otro sistema, haciendolas particularmente atractivas para aplicaciones estáticas de alta o baja energía. Además, las celdas de combustible suponen actualmente una esperanza real dentro del mercado del transporte.

Fuentes:

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Tipos de pilas

Las pilas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito empleado. Dependiendo del electrolito, se producirán diferentes reacciones químicas en la propia pila, así como diferentes agentes catalíticos, rangos de temperatura, combustible requerido y algunos otros factores. Estas características, a su vez, determinan el tipo de aplicaciones para las que son más apropiadas estas pilas. Actualmente se está investigando en varios tipos de pilas de combustible, con sus ventajas, limitaciones, y posibles aplicaciones. Entre las más prometedoras se encuentran:

Membrana polimérica (PEM)
Ácido fosfórico (PAFC)
Conversión directa de metanol (DMFC)
Alcalina (AFC)
Carbonato fundido (MFCF)
Óxido sólido (SOFC)
Reversible (Regenerativa)

Fuel cells. Energy Efficiency and Renewable Energy. U.S. Department Energy

Aplicaciones

Las aplicaciones de las pilas de combustible pueden abarcar una amplia variedad de productos: desde dispositivos portátiles (teléfonos móviles, ordenadores, pequeños electrodomésticos), donde las pilas empleadas son de pequeño tamaño, pasando por aplicaciones móviles como vehículos de todo tipo (coches, autobuses y barcos), hasta generadores de calor y energía en aplicaciones estacionarias para empresas, hospitales, zonas residenciales, etc.

Se ha previsto que los futuros sistemas energéticos dispondrán de conversores mejorados de energía convencional basados en el hidrógeno (motores de combustión interna, motores de Stirling o turbinas), así como otros vectores energéticos (calor y electricidad producidos directamente a partir de energía renovable y biocarburantes para el transporte).

A continuación se presentan los principales usos que pueden tener las pilas de combustible

Industria militar

Se espera que las aplicaciones militares supongan un mercado muy significativo para la tecnología de pilas de combustible. La eficacia, versatilidad, prolongado tiempo de funcionamiento y su operatividad sin ruidos, hacen de las celdas de combustible un sistema a la medida para las necesidades de los servicios militares. Las pilas de combustible podrían aportar una solución de generación energética válida para el equipamiento militar portátil terrestre o marítimo.

Las pilas de combustible en miniatura podrían ofrecer grandes ventajas sobre las pilas sólidas convencionales voluminosas y además se eliminaría el problema de su recarga.

Siguiendo la misma tónica, la eficacia de las pilas de combustible para el transporte vería reducida drásticamente la necesidad de combustible necesario durante las maniobras. Los vehículos serían capaces de recorrer grandes distancias o trabajar en áreas remotas durante más tiempo y la cantidad de vehículos de apoyo, personal y equipamiento necesario en la zona de combate podrían reducirse. Desde 1980 la marina estadounidense ha empleado celdas de combustible en embarcaciones para el estudio de profundidades marinas y en submarinos no tripulados.

Dispositivos portátiles

El desarrollo continuo de las pilas de combustibles ha contribuido al desarrollo de numerosos dispositivos electrónicos móviles. La miniaturización de las pilas de combustible ofrece serias ventajas respecto a las baterías convencionales, tales como el incremento del tiempo de operación, la reducción del peso y la facilidad de recarga.

Para este tipo de aplicaciones como ordenadores portátiles, teléfonos móviles y videocámaras, será necesario considerar los siguientes parámetros que deben darse en las pilas:

  • Baja la temperatura de operación,
  • Disponibilidad de combustible
  • Activación rápida.

En este punto, la investigación se centra en dos tipos de pilas: las pilas de membrana polimérica (PEM) y las pilas de combustible de metanol directo (DMFC).

El uso de metanol en las DMFCs ofrece una gran ventaja sobre las baterías sólidas en cuanto a la recarga con el combustible en lugar de la utilización de una carga eléctrica externa durante largos periodos de tiempo. Las desventajas actuales son relativas al coste del catalizador de platino necesario para convertir el metanol en dióxido de carbono y energía eléctrica a bajas temperaturas y baja densidad energética. Si se logran superar dichos inconvenientes, entonces no habrá dificultad para que se promuevan este tipo de pilas. Se han efectuado ensayos de DMFC en Estados Unidos para el suministro energético a teléfonos móviles, mientras que los ensayos en ordenadores portátiles se han desarrollado en Alemania.

Abastecimiento energético en viviendas

Las dificultades técnicas a la hora de diseñar las pilas de combustibles se simplifican en las aplicaciones estáticas. La mayoría de las pilas de combustibles comercializadas, si no todas, son inmóviles y trabajan a gran escala (generando más de 50 kW de energía eléctrica). Hay, sin embargo, un potencial significativo para unidades menores para aplicaciones en viviendas(menores que 50 kW).

Todo el calor y los requerimientos energéticos de residencias privadas o pequeños negocios podrían servirse de pilas de membrana polimérica (PEM) ó de ácido fosfórico (PAFC). Actualmente, estas unidades no se encuentran fácilmente disponibles. Sólo existen algunos casos en los Estados Unidos, Japón y Alemania de pilas de membrana polimérica (PEM). Este tipo de pilas ofrecen una mayor densidad energética respecto a las PAFC, pero éstas pueden ser más eficientes y su fabricación actualmente es más económica. Las unidades podrían abastecer a casas independientes o grupos de viviendas y podrían diseñarse para satisfacer todas las necesidades energéticas de los habitantes.

Para permitir un arranque inicial de esta tecnología, se pueden emplear redes de distribución de gas natural que será la fuente para obtener el combustible de hidrógeno. Sin embargo, los fabricantes pronostican fuentes alternativas de combustible para poder así reducir aún más las emisiones y encontrar nuevos huecos en el mercado. La última incorporación dentro del mercado estacionario de pilas de combustible es la General Motors, que desarrolló una unidad en agosto de 2001.

Misiones espaciales

La necesidad del gobierno estadounidense de identificar una energía de confianza y segura que sirviera como fuente de abastecimiento para misiones espaciales tripuladas a finales de los 50 y principios de los 60, proporcionó el ímpetu y la ayuda para el avance considerable de la industria de pilas de combustible.

La combinación de su peso ligero, el aporte de electricidad y calor sin ruidos significativos y vibraciones y con la ventaja añadida de la producción de agua potable, otorgaron a las pilas de combustibles ventajas considerables con respecto a otras fuentes de energía alternativas.

La pila de combustible Grubb-Niedrach producida por General Electric fue la primera usada por la NASA para suministrar energía al proyecto espacial Gemini. Este fue el primer uso comercial de las celdas de combustible.

La compañía aeroespacial Pratt & Whitney ganó el contrato para el suministro de pilas de combustible al programa Apolo desde principios de los 60. Las celdas de combustible de Pratt & Whitney se basaban en las modificaciones de las patentes de Bacon del modelo de pilas alcalinas. Estas pilas de combustible que operan a baja temperatura son las más eficientes. Con tres unidades capaces de producir 1.5 kW, o 2.2 kW durante cortos periodos de tiempo, operando en paralelo. Pesando alrededor de 114 kg por unidad y alimentadas por hidrógeno criogenizado y oxígeno, lograron soportar 10.000 horas de funcionamiento durante 18 misiones espaciales sin que hubiera ningún incidente a bordo.

International Fuel Cells (IFC), una compañía hermana de Pratt & Whitney, ha seguido con el suministro de pilas de combustible alcalinas a la NASA para su empleo en transbordadores espaciales desde el comienzo del programa en los 80. Todos los requerimientos eléctricos han sido paliados mediante tres pilas de combustible de 12 kW. No existen baterías de seguridad. El desarrollo técnico que ha continuado el IFC ha hecho que las pilas de combustible que usan los transbordadores espaciales puedan actualmente abastecer unas diez veces la energía que proporcionaban unidades similares usadas en la nave Apolo. Utilizando como combustible hidrógeno criogenizado y oxígeno, las celdas son 70 % más eficientes y pueden completar 80.000 horas de funcionamiento en más de 100 misiones.

Generación de energía a gran escala

Actualmente, el mercado más desarrollado de las pilas de combustible está presente en fuentes estacionarias de electricidad y calor. La eficacia y el volumen reducido de emisiones respecto a los dispositivos que emplean combustibles fósiles tradicionales, hacen de la tecnología de las pilas de combustible una atractiva opción para los usuarios. Operando a temperaturas por debajo de los 80 °C, las pilas de combustible pueden ser instaladas en cualquier vivienda privada además de poder satisfacer las necesidades energéticas de los procesos industriales.

Hasta ahora, los fabricantes de células de combustible se han centrado en aplicaciones no residenciales. International Fuel Cells, el único suministrador a nivel comercial de pilas de combustible, ha instalado más 200 pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) en diversos lugares, incluyendo escuelas, bloques de oficinas e instalaciones bancarias. En el futuro, las pilas de combustible que operan a altas temperaturas, como de carbonato fundido (MCFC) y de óxido sólido (SOFC), podrían adaptarse a aplicaciones industriales y generar energía a gran escala (megawatios). Operando a temperaturas entre 600-1100 °C estas pilas de combustible "de altas temperaturas" pueden tolerar una fuente de hidrógeno contaminada, por ello pueden emplear gas natural no reformado, gasoil o gasolina. Además, el calor generado puede ser usado para producir electricidad adicional mediante turbinas de vapor.

Transporte

La legislación ambiental, cada vez más, fuerza a los fabricantes de automóviles a sustituir aquellos vehículos que produzcan gran cantidad de emisiones contaminantes. La tecnología de pilas de combustible ofrece una oportunidad tangible para alcanzar este requerimiento. Investigaciones llevadas a cabo en el Pembina Institute for Appropriate Design de Alberta (Canadá), han mostrado que la cantidad de dióxido de carbono procedente de un coche pequeño puede reducirse hasta en un 72 % cuando se emplea una pila de combustible de hidrógeno obtenido a partir de gas natural en lugar de un motor de combustión interna de gasolina. Sin embargo, si las pilas de combustible reemplazan a los motores de combustión interna, la tecnología deberá no sólo satisfacer la estricta legislación sobre emisiones, también aportarán soluciones para el transporte. Las pilas de combustible que utilicen los vehículos serán capaces de alcanzar las temperaturas operativas con rapidez, proveer una economía competitiva de combustible y ofrecer unas prestaciones aceptables.

Las pilas de membrana polimérica (PEM) son las más adecuadas para cumplir estos requerimientos. Con una baja temperatura de funcionamiento, alrededor de 80 °C, las PEM pueden alcanzar rápidamente la temperatura operativa. Estas pilas pueden ofrecer una eficacia superior al 60 % comparada con el 25 % que se consigue con los motores de combustión interna. Investigaciones efectuadas en el Pembina Institute indican que los vehículos que emplean metanol como combustible pueden alcanzar eficiencias de 1.76 veces las de vehículos impulsados por un motor de combustión de gasolina. Las pilas de combustible PEM tienen además la mayor densidad energética de entre todas las actuales pilas de combustible, un factor crucial a la hora de considerar el diseño de vehículos. Además, el electrolito polimérico sólido ayuda para minimizar la corrosión y evitar problemas de gestión. Un posible inconveniente es la calidad del combustible. Para evitar el envenenamiento catalítico a esta baja temperatura de funcionamiento, las pilas PEM necesitan hidrógeno no contaminado como combustible.

La mayoría de los fabricantes de automóviles ven las pilas PEM como sucesoras de los motores de combustión interna. General Motors, Ford, DaimlerChrysler, Toyota, Honda entre otros, disponen de prototipos con esta tecnología. Los ensayos en carretera han sido positivos empleando distintos vehículos y lugares. Se han realizado con éxito ensayos en autobuses impulsados con pilas PEM en Vancouver y Chicago. Se están llevando a cabo experiencias similares en distintas ciudades de Alemania junto con otras diez ciudades europeas incluida Madrid.

Actualmente, el problema principal para impulsar esta tecnología en el sector del transporte reside en el elevado coste de fabricación, la calidad del combustible y el tamaño de la unidad. Las investigación realizada en este ámbito, parece que ha optado por emplear metanol como fuente de combustible y utilizar el oxígeno del aire. Este hecho podría eliminar el proceso de reformado del combustible.

Se estima que en unos 30 años, los parques automovilísticos de los países desarrollados (actualmente con más de 750 millones de unidades incluyendo turismos, autobuses y camiones) contarán con mas vehículos con motor eléctrico alimentado por pila de combustible que con motor de combustión interna.

Fuentes y más información:

La pila de hidrógeno es el futuro, nos guste o no

por Guillermo Alfonsin 



No hace muchos meses que te traíamos un extenso artículo técnico analizando la problemática, ventajas e inconvenientes sobre la aplicación masiva del hidrógeno como solución al problema de la movilidad sostenible (puedes leerlo aquí). A modo de resumen te diremos que, comparado con un sistema de baterías, alimentar al coche de energía eléctrica creada "en el propio coche" a través de una pila de combustible alimentada por hidrógeno resultaba claramente menos eficiente.

¿Quieres cifras? La eficiencia energética total del ciclo para el hidrógeno, desde que se obtiene la energía (los julios otorgados en la central eléctrica), hasta que esta llega a las ruedas de nuestro coche, es de alrededor del 50%. En cambio, un sistema completamente eléctrico supera el 70%. Es decir, estamos hablando de que un coche a baterías resulta un 20% 20 puntos porcentuales más eficiente que uno alimentado por hidrógeno.

¿Por qué? Pues porque el coche a baterías se carga directamente de la red eléctrica, cuyo transporte energético es relativamente muy eficiente, lo que permite que los julios que nacen en la central eléctrica lleguen, casi sin pérdida, a nuestro enchufe. En cambio, un coche con pila de combustible emplea hidrógeno comprimido. Como este no lo encontramos "suelto" por la naturaleza, lo que tenemos que hacer es usar la energía eléctrica para disociar los átomos de hidrógeno de los del oxígeno del agua. Luego usar más energía para comprimirlos y convertirlos al estado líquido. Luego usar todavía más energía para transportar ese hidrógeno hasta las gasolineras (hidrogeneras), y reconvertir ese hidrógeno en vapor de agua para generar electricidad, otro proceso que no es completamente eficiente.

Pero claro, los coches a baterías tampoco son la panacea. Existen problemas con los tiempos de recarga, con el coste de las baterías, con su vida útil, con la potencia eléctrica instalada en las casas para facilitar las cargas... Todos estos problemas resultan en escollos logísticos que llevarían mucho tiempo, inversión y cultura para salvarlos. ¿Son tecnológicamente solucionables? Sí, sin duda, pero a un ritmo lento y constante, algo que, todos lo sabemos, no funciona en la sociedad humana demócrata, donde las decisiones políticas se toman siempre que tengan un efecto palpable en cuatro o cinco años, o sirvan para salvar "bolas de partido". Además, los enormes intereses creados alrededor de poder mantener una infraestructura y un modelo económico que permita mantener el control energético tal y como está establecido ahora también crean un entorno poco propicio a las baterías.

Por todo ello, aquel artículo de análisis sobre la mejor solución posible a medio plazo para el transporte lo cerrábamos con una afirmación lógica: la solución que triunfará no será, necesariamente, la técnicamente mejor, sino la que logística y empresarialmente tenga mejor soporte.

Y en estas últimas dos semanas hemos visto cómo el hidrógeno se ha convertido en la opción de futuro "de facto". Nos guste o no. ¿Por qué? Vamos a verlo.

Los fabricantes

El primer punto para que una solución energética para la movilidad sostenible funcione está en que haya una masa crítica de automóviles impulsados por este tipo de tecnología, y que, además, sean de fabricantes muy diversos.

La pila de hidrógeno es algo que llevamos viendo casi 20 años ya en la industria del automóvil como "el futuro", pero parecía que ese futuro no llegaba nunca.

Los fabricantes, tras ver el tortazo mayúsculo de la venta de coches a batería (culturalmente el cliente "tipo" sigue sin convencerse de que, de hecho, anda menos de 160 kilómetros al día, y que tiene otro coche en casa para afrontar distancias mayores), han vuelto a centrarse en la pila de combustible.

Grupos como Honda, Toyota y Daimler tenían ya muy avanzados sus proyectos de pila de combustible a base de hidrógeno, y ahora han sellado acuerdos con otros fabricantes para compartir costes de desarrollo. De esta manera Ford, Nissan, Renault y BMW se han unido a estos fabricantes, mediante acuerdos tecnológicos que incluyen la producción de centenares de miles de coches a pila de hidrógeno en cuestión de sólo 10 años.

Pero claro, el éxito de este tipo de vehículos no está sólo en que estén en la oferta de los fabricantes, sino en que haya, además, una infraestructura para el repostaje de hidrógeno. La ACEA, asociación de constructores de automóviles europea, y otros consorcios como el UKH2Mobility británico (integrado por Daimler, Toyota, Hyundai, Nissan, BOC y Morrisons) se han activado y han comenzado a presionar a los gobiernos.

Las autoridades y la infraestructura


Tal y como te contamos, el futuro será de aquella tecnología que tenga el soporte de los gobiernos y las multinacionales para crear una infraestructura que le de soporte.

Los coches a baterías pueden tener muchas ventajas, pero la realidad es que la instalación eléctrica de nuestras ciudades no está pensada para soportar la carga simultanea, todas las noches, de decenas o centenas de coches en cada garaje. Simplemente los cables no son "lo suficientemente gordos". Y aunque haya suficiente electricidad para recargar los coches de una ciudad, lo que hay que hacer es hacer llegar esa electricidad a cada enchufe con la potencia necesaria.

Aunque se nos enseñen puntos de recarga de todo tipo, hasta inductivos (habría que hablar de los efectos sobre la salud de este tipo de cargadores cuando estamos hablando de trasferencias energéticas tan elevadas), mientras no se "cablee" de nuevo el corazón de las ciudades, la realidad eléctrica todavía estará lejana.

¿Y las baterías líquidas? Sí, son una solución, ya que permiten la "recarga" en un modo similar a rellenar un depósito de combustible. Pero esto es una carrera tecnológica, y aunque puedan ser la solución perfecta, la realidad es que la solución se necesita hoy, ahora, y las baterías líquidas no están en un estado de evolución como para convertirse en una realidad del día a día en 10 o 15 años.

Por todo ello, los gobiernos, presionados por los fabricantes de automóviles y los gigantes industriales y energéticos, han decidido durante estas semanas comenzar a dar enormes pasos hacia el futuro del hidrógeno.

¿Cómo? Una buena muestra es el compromiso del gobierno británico de poner sobre la mesa más de 650 millones de euros en forma de inversiones que se dividirán en dos campos: la investigación tecnológica de las pilas de combustible, y la creación de una infraestructura de "hidrogeneras".

El estado de la técnica

Esquema básico de la pila de combustible

Pero ¿están las pilas de combustible listas ya para su comercialización masiva? Sin duda es la técnica de reducción de emisiones que está más cerca de ser una realidad comercial viable, teniendo en cuenta también el aspecto logístico (los coches a batería se venden, pero intenta cruzar España de punta a punta en un Leaf y verás cuántos días te cuesta).

Actualmente la técnica y el funcionamiento de los coches a pila de combustible se conoce de sobras. El problema es que hay que industrializar este tipo de pilas de combustible para reducir los costes. Las pilas de combustible utilizan materiales nobles en sus "entrañas" y por eso son dispositivos caros. Tecnológicamente no son demasiado complejos. Progresivamente, a medida que se invierta en su desarrollo, iremos viendo nuevas generaciones que generarán más energía y serán más eficientes, y sobre todo, más económicas.

En todo caso, hemos pasado de pilas de combustible que costaban centenares de miles de euros a unas que ya se quedan en las seis cifras en euros, y la cosa seguirá bajando, a ritmo vertiginoso, lo que las convierte en una realidad tangible a corto plazo.

El estado de la técnica en otro aspecto, el de la logística y el repostaje, es otro cantar. Hoy por hoy, repostar hidrógeno es casi imposible (porque no hay estaciones), no hay un estándar todavía de las mangueras, las presiones, o las especificaciones de los depósitos a alta presión, que además tienen cierta peligrosidad intrínseca asociada (hidrógeno a alta presión es una bomba en potencia, si se maneja de manera incorrecta).

Los esfuerzos de inversión en investigación y desarrollo para los próximos 10 años tendrán que centrarse en crear una normativa clara para toda Europa en cuanto a exigencias técnicas del repostaje, de los depósitos, y reducir volúmenes de los mismos y su peligrosidad. En todo caso, desde el punto de vista de la ingeniería estamos hablando de un problema tecnológico que se soluciona a base de inversión, ya que no estamos intentando convertir arena en diamantes, sino que estamos hablando de cosas que son completamente factibles, y sólo requieren dinero para trasformarlas en realidades.

Dicen desde Reino Unido que para 2025 esperan tener 1,6 millones de coches eléctricos con pila de combustible rodando por el país, lo que puede sonar a salvajada (aún nos podemos reír de los fallos en las predicciones de coches eléctricos para esta década), pero la realidad es que con tanto fabricante implicado y tantos intereses generados, esta vez "parece la buena".

Según los proveedores como Air Liquide, el coste por kilómetro de alimentar un coche con hidrógeno será equivalente al de un coche diésel actual allá por 2020, una vez la infraestructura esté en condiciones. El precio se podrá mantener estable a largo plazo. Obviamente, esto elimina las ventajas conocidas de los coches eléctricos actuales, cuyo "repostaje energético" resulta mucho más económico que uno alimentado por combustible fósil. Pero es que una de las claves de que este sistema de economía de hidrógeno funcione es que a nivel económico pueda seguir siendo "estructuralmente similar" al de las gasolinas, dejando márgenes a las hidrogeneras, a los emporios energéticos y también dando control a los gobiernos para grabar al "combustible".

Ventajas de la pila de combustible

Habrá quien diga que los coches de pila de combustible trasladan la pelota de las emisiones contaminantes y el uso de combustibles fósiles a otra industria: desde la del automóvil a la de la generación eléctrica. Pero la realidad es que es un paso de gigante en reducción de emisiones de CO2.

Aunque el hidrógeno, idealmente, se tendría que obtener de fuentes energéticas renovables para estar hablando de un "combustible limpio", la realidad es que estamos a décadas de que se obtenga de esa manera. La realidad es que el hidrógeno seguirá procediendo en parte de hidrocarburos, y en otra parte de procesos de electrólisis de agua, alimentados por energía eléctrica creada a partir de combustibles fósiles.

Pero más allá de eso, quemar gasolina o gasóleo (o GLP) en nuestro coche es un proceso energéticamente muy poco eficiente (25% o menos). Las centrales energéticas que alimentarán los procesos industriales para obtener hidrógeno nos proporcionarán eficiencias muy superiores, que a la postre supondrán recortes en emisión de CO2 por kilómetro recorrido espectaculares (pasaremos de unos 140 gramos de CO2 por kilómetro de media actual a unos 40 según UKH2Mobility). Al mismo tiempo pondremos la base para llegar a los 0 gramos, si es que los gobiernos son capaces de cambiar el modelo energético a uno que sea completamente renovable.

Los coches


Un coche eléctrico actual y uno a pila de combustible apenas se diferencian en nada. Ambos emplean motores eléctricos para moverse, y la única diferencia es que donde los eléctricos actuales, como el Leaf, llevan baterías para el suministro eléctrico, los de pila de combustible emplean una... pila de combustible para generar su propia electricidad.

El futuro a medio plazo nos invita a pensar en coches sin pila de combustible, o con una muy pequeña, como generador eléctrico auxiliar, y con baterías en paralelo, para los coches más pequeños y urbanos, esos que pueden enchufarse en casa para cargarse, una vez la infraestructura lo soporte.

Las grandes berlinas, los compactos, y todo coche pensado para salir de la urbe con garantías emplearán pila de combustible y supercondensadores o baterías para poder aprovecharse del hidrógeno como generador eléctrico integrado y reaprovechar la energía cinética durante las frenadas.

Tecnológicamente hablando, los fabricantes que ya han creado coches eléctricos, como Renault y Nissan, tienen la ventaja de tener parte del desarrollo hecho. Daimler puede aportarles a ellos la alternativa a las baterías.

¿Estarán entonces los coches de combustión condenados? Si nos fiamos de las tendencias, y asumimos que, a medio plazo, toda gasolinera será al mismo tiempo hidrogenera, lo más seguro es que seguirá ofreciéndose gasolina para los coches "viejos".

La reducción de la dependencia energética directa de la gasolina debería ablandar sus precios a medio plazo, lo que debería permitir que los más apasionados puedan seguir empleando sus coches a combustión, gravados, eso sí, por enormes impuestos de circulación por parte de los gobiernos, apoyados en el hecho de que son "nocivos" para el entorno.

Una buena alternativa para los apasionados es que, de existir una red real de abastecimiento de hidrógeno en todo el planeta, se podría volver a retomar la idea del motor de combustión interna alimentado por hidrógeno para coches prestacionales y pasionales. Esta idea ya la intentó emplear BMW décadas atrás, pero sin éxito. Los motores funcionan casi como con gasolina, y aunque energéticamente derrochan mucho más al lado de un coche con pila de combustible (mucho más eficiente), sería una alternativa para los apasionados de la combustión.

Por qué esta vez va enserio

Sí, esta historia de "en el futuro usaremos esto o aquello para movernos" ya la has vivido, una y mil veces. Pero la diferencia es que esta vez va en serio. Llevamos décadas cubriendo informaciones sobre el futuro del automóvil, y nunca habíamos visto una serie de movimientos estratégicos de tanto calado apostando por una tecnología.

Es la primera vez que vemos a enormes grupos automovilísticos asociándose a favor de la pila de combustible. La ACEA ha tomado cartas en el asunto, y gobiernos como el de Gran Bretaña ya han puesto su firma en inversiones de cientos de millones de euros.

Con tantos enormes grupos industriales involucrados, y con su poder de convicción sobre los organismos europeos, esta vez sí, es la "buena". Nos guste o no.


En este post podemos ver todo los que se esta haciendo en pilas de combustible y las múltiples utilidades a las que ya se esta aplicando.

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