Producción de hidrógeno y células de combustible. Estado actual y perspectivas

Producción de hidrógeno y células de combustible. Estado actual y perspectivas.

Álvaro Segovia Pavón I.T.I. Electrónica Industrial Energías renovables. 2008/2009

Producción de hidrógeno y células de combustible. Estado actual y perspectivas

Índice

1.- Introducción del trabajo............ trabajo................................... .............................................. .............................................. ..................................3 ...........3 4.- Tipos de células de combustible............................................ combustible................................................................................7 ....................................7 5.- Producción de combustible......... combustible................................ .............................................. .............................................. ...............................12 ........12 6.- Estado actual y perspectivas................................... perspectivas.............................................................................. ................................................13 .....13 7.- Conclusiones... Conclusiones.......................... .............................................. .............................................. ..................................................... .....................................19 .......19 8.- Bibliografía............. Bibliografía.................................... .............................................. .............................................. ......................................... .............................20 ...........20

Álvaro Segovia Pavón 2


1.- Introducción del trabajo. En este trabajo se va a intentar que el lector comprenda el funcionamiento de este dispositivo, así como los tipos de tecnologías que se están desarrollando y sus usos. Se intentará hacer una visión lo más global posible del uso actual de esta tecnología y de los desarrollos que se prevén en un futuro próximo, utilizando algunos ejemplos de desarrollos que a mi parecer son importantes. Al final del trabajo dedicaré un apartado a una conclusión personal que no tiene porqué coincidir con la del lector. A partir de los datos que expongo el lector debe sacar su propia conclusión sobre las células de combustible.

2.- ¿Qué es una pila de combustible? Una pila de combustible es un dispositivo de conversión energética que produce electricidad directamente de combustibles por combinación electroquímica de los mismos con un oxidante, encontrándose ambos generalmente en estado gaseoso. Cada pila consta de dos electrodos, un ánodo y un cátodo separados por un electrolito. El combustible se suministra al ánodo, donde ocurre la reacción de oxidación, libera electrones al circuito externo. El oxidante se suministra al cátodo, donde llegan los electrones del circuito externo, y ocurre la reacción de reducción. El flujo de electrones, desde el ánodo al cátodo, produce corriente eléctrica. El electrolito es un aislante electrónico que permite el transporte de iones óxido o protones entre los dos electrodos. El hidrógeno es el combustible empleado normalmente debido a su alta reactividad electroquímica y a que puede ser obtenido, con relativa facilidad, a partir de hidrocarburos, alcoholes e incluso del agua. En el caso de emplear hidrógeno como combustible, el único "residuo" generado en la interfase electrodo-electrolito será agua. En cuanto al oxidante, el oxígeno es el más utilizado debido a que se encuentra en el aire y, por tanto, su obtención es sencilla.



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En las condiciones típicas de funcionamiento de una pila de combustible, es decir operando a 900 ºC, empleando hidrógeno y oxígeno como combustible y oxidante, respectivamente, se produce alrededor de 1 V (valor que viene dado por la expresión de Nerst). Aunque el voltaje útil, en torno al máximo de la densidad de corriente producida, suele estar comprendido entre 0.5 y 0.7 V. Por tanto, para que estos dispositivos sean aprovechables deben de combinarse en serie dando lugar a "stacks". En este caso se hace necesaria la presencia de otro componente para facilitar las conexiones entre el cátodo de una celda con el ánodo de la siguiente: las placas bipolares o interconectores.

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“Stack” de célula de combustible.

Las pilas de combustible convierten energía química en eléctrica en un sólo paso, mientras que, en un proceso térmico convencional, la energía química del combustible se transforma primero en energía térmica después en energía mecánica y finalmente en 1

Esquema funcionamiento pila de combustible.


Producción de hidrógeno y células de combustible. Estado actual y perspectivas eléctrica. Por tanto, son dispositivos que ofrecen una más alta eficiencia en el empleo de hidrocarburos.

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Conversión de Energía química en eléctrica.

3.- Los Orígenes de las pilas de combustible. Los fundamentos de las pilas de combustible fueron dados a conocer por primera vez en 1839 por Sir William Grove, a pesar de que fue Christian Friedrich Schoenbein quien descubrió los efectos de la "electrolisis inversa" un año antes. La pila de Grove usaba ácido sulfúrico como electrolito y trabajaba a temperatura ambiente.

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Producción de hidrógeno y células de combustible. Estado actual y perspectivas El término "pila de combustible" fue acuñado por primera en 1889 cuando L. Mond y C. Langer intentaron construir una unidad que utilizaba aire y gas de hulla industrial. Por aquella época, el fenómeno de la conducción eléctrica no estaba claro. Se sabía que los metales conducían de acuerdo con la ley de Ohm y que las disoluciones acuosas iónicas conducían grandes entidades llamadas iones. En 1893, Ostwald clarificó este panorama al determinar experimentalmente la función de los diferentes componentes de una pila de combustible como son electrodos, electrolito y, agentes reductores y oxidantes. Las pilas de combustible cerámicas vendrían mucho mas tarde y comenzarían con el descubrimiento de Nernst, en 1899 de los electrolitos de óxidos sólidos. Nernst observó que la zirconia dopada con diferentes elementos presentaba diferentes tipos de conducción eléctrica. Así, era aislante a temperatura ambiente, de 600ºC a 1000ªC conducía iones y a 1500ºC presentaba conductividad mixta. Entonces propuso utilizar sólidos de ZrO 2 dopados con 15% de Y 2O3, llamada "masa de Nernst" para reemplazar los filamentos de carbono de las lámparas eléctricas. Pero no fue hasta 1935 que se pudo aprovechar este electrolito. En dicha fecha, Schottky publicó un artículo sugiriendo que la “masa de Nernst” podría ser utilizada como un electrolito sólido en una pila de combustible. Sin embargo, la operación de la primera pila de combustible cerámica, a 1000oC, vendría de la mano de Baur y Preis en 1937. Ellos usaron conductores iónicos como electrolitos basados en ZrO 2 dopado con Mg o Y, con forma de crisol tubular. Hierro o carbón como ánodo y Fe 3O4 como cátodo. Obtuvieron potenciales en circuito abierto (OCV) que oscilaban de en torno a 1.1V a ≈1000ºC, utilizando hidrógeno o CO como combustible y aire como oxidante. Sin embargo las densidades de corriente obtenidas eran muy bajas debidos en parte a la gran resistencia interna. En 1958, Francis Bacon sustituyó los electrolitos ácidos por electrolitos básicos, como el KOH, que no es tan corrosivo con los electrodos y supuso el desarrollo de las AFCs. Estas pilas tenían un coste muy elevado, pero su fiabilidad las llevó a ser empleadas en el programa espacial Apolo (1968), proporcionando energía y agua para la nave. Otro momento importante llegó en 1970 cuando DuPont desarrolló las membranas de NafionTM, lo que supuso la puesta en marcha de las pilas PEFC. Durante la década de los 70 y primeros años de los 80 se produjeron numerosos avances de cara al desarrollo práctico de la pilas. Por ejemplo, en las pilas cerámicas se pasó de la clásica configuración plana, con electrolitos muy gruesos a nuevas configuraciones como la tubular, empleando el concepto de electrolito en capa delgada para mejorar el rendimiento de las pilas. Así llegaron los grandes avances como el primer vehículo propulsado por pilas de combustible de la compañía canadiense Ballard (1993). En la actualidad existen numerosas compañías trabajando en la optimización de esta tecnología en busca de su comercialización. De hecho, se pueden encontrar automóviles o autobuses con sistemas de propulsión basados en pilas de combustible, así como plantas que pueden generar hasta decenas de MW.



4.- Tipos de células de combustible. Existen varios tipos de pilas que suelen ser clasificados fundamentalmente en el rango de temperatura de trabajo y en la naturaleza del electrolito. Los cinco tipos clásicos de pila son: de membrana polimérica (PEMFC), alcalinas (AFC), ácido fosfórico (PAFC), de carbonato fundido (MCFC) y las de óxidos sólidos (SOFC). De todas ellas, las PAFCs fueron las primeras en ser comerciales, seguidas por las MCFCs y las AFCs.

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Esquema de funcionamiento de los tipos de células de combustible.

Las SOFC pueden suministrar en torno a 200kW en configuración tubular y entre 5 y 50kW en la planar, las PEFC en torno a los 250kW, las de carbonato fundido unos 2MW, las de fosfórico entorno a 11MW y las alcalinas se encuentran en desarrollo para obtener entre 10 y 100kW.



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Características de los tipos de células de combustible.

Pilas de combustible de membrana polímera (PEMFC): El electrolito en estas pilas es una membrana de intercambio iónico que es un excelente conductor protónico. Generalmente se emplea un polímero de ácido sulfónico fluorado (Nafion™) o algún derivado. Los electrodos son generalmente de Pt soportado en C (que actúa como catalizador) dentro de una matriz polimérica. El único líquido en la pila es agua por lo que los problemas asociados con la corrosión son mínimos. La membrana tiene que estar perfectamente hidratada, por tanto, el agua suministrada no debe de evaporarse más rápidamente que la generada para evitar la pérdida de hidratación comentada. La temperatura de trabajo es de unos 80-120ºC, obteniéndose rendimientos de 40-50%. La pila trabaja en un medio rico en combustible y requiere una alta cantidad de catalizador, encareciendo el producto final. El principal problema es que el catalizador se puede envenenar por la presencia de CO, por lo que el combustible no debe de poseer trazas de éste. Es por ello que se emplee fundamentalmente H 2 y CH3OH de elevada pureza.

Las bajas temperaturas de trabajo hacen de estas pilas unos candidatos interesantes para aplicaciones de uso doméstico y portátil (ordenadores, teléfonos móviles). Tampoco hay que olvidarse de las aplicaciones de este tipo de pilas al transporte, ya que las mayores compañías del campo, como BMW, Toyota, DaimlerChrysler, Fiat, Ford, Honda, General Motors, Renault y un largo etcétera han desarrollado gamas de autobuses y coches que trabajan con PEFCs desde 1995. Pila de combustible alcalina (AFC): Las AFCs emplean KOH concentrado (85% en peso) como electrolito con un rango de temperatura de trabajo que se sitúa en torno a los 250°C, con eficiencias de hasta el 70%. El electrolito se mantiene en una matriz, generalmente de asbesto, y se pueden utilizar un amplio rango de catalizadores tales como Ni, Ag, óxidos metálicos, espinelas y metales nobles. También en este caso el CO es un veneno y el CO 2 reaccionará con el KOH formando K 2CO3. Incluso una pequeña cantidad de CO2 en aire resulta perjudicial para la pila y se debe emplear H2 de alta pureza para su correcto funcionamiento. También habría que destacar el elevado coste de fabricación de las AFCs.



A pesar de todo, las AFCs han encontrado aplicaciones en transporte usando Co como catalizador para reducir los gastos, celdas ZEVCO. Sin embargo, este tipo de pilas no es nuevo y se han utilizado en misiones espaciales como las del programa Apolo-Gemini de EEUU en la década de los 60-70 para proporcionar electricidad y agua potable.

Pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC): Las PAFCs fueron las primeras pilas de combustible comerciales. El electrolito es ácido fosfórico concentrado al 100%, mientras que la matriz usada para fijar el ácido es carburo de silicio y el catalizador tanto en el ánodo como en el cátodo es platino. Las eficiencias pueden llegar hasta un 80% en el caso de co-generación de energía eléctrica por vapor de agua. A temperaturas bajas el ácido fosfórico es un pobre conductor iónico y el envenenamiento por CO del Pt en el ánodo es muy importante. La alta estabilidad relativa del ácido fosfórico comparado con otros ácidos favorece el trabajo un amplio rango de temperaturas. Además el uso de ácido concentrado al 100% facilita el tratamiento del agua generada. Entre los inconvenientes cabe destacar el coste ocasionado por el empleo de Pt y la naturaleza corrosiva del electrolito que limitan la elección de materiales Pila de combustible de carbonato fundido (MCFC): El electrolito es una combinación de carbonatos alcalinos que son fijados en una matriz cerámica de LiAlO 2. Los electrodos son Ni (ánodo) y NiO (cátodo) y no requiere Pt como catalizador, lo que abarata la fabricación. El rango de trabajo está entre 600 y 700°C donde los carbonatos alcalinos forman una sal fundida. La eficiencia de este tipo de pila puede ser de hasta el 80% con co-generación.

La principal limitación de las MCFCs es la necesidad de dos flujos, uno de CO y otro de O2 en el cátodo y la formación de H 2O en el ánodo que puede diluir el combustible. Por otra parte, la combinación de altas temperaturas y el carácter corrosivo del electrolito afectan de manera muy negativa a la durabilidad. Las pilas MCFC encuentran aplicación en plantas de generación de 2 MW, como las probadas con éxito en Italia o Japón y existen diseños para plantas de hasta 100MW.

Pila de combustible de óxidos sólidos (SOFC): Son las que están generando una ingente actividad investigadora en los últimos años, prueba de ello es que son las pilas de combustible más desarrolladas después de las poliméricas. Se espera que para el 2008 el negocio generado ronde los 200 millones de dólares.

Las pilas SOFC se basan en la capacidad de ciertos óxidos de permitir el transporte de iones óxido a temperaturas moderadamente altas (600-1000ºC), consiguiéndose eficiencias de hasta un 85% con la cogeneración. Además, no se necesitan combustibles de alta pureza debido a las altas temperaturas de operación e incluso se pueden emplear mezclas. Las altas temperaturas favorecen el reformado interno para extraer el hidrógeno de algunos combustibles, sin embargo, afectan negativamente a la durabilidad de los equipos y limita la elección de materiales como el acero inoxidable, lo que resulta en un claro encarecimiento. Es por ello que su éxito comercial de estas pilas pasará necesariamente por la obtención de nuevos materiales que permitan trabajar de un modo eficiente a temperaturas entre 500 y 800ºC.



El electrolito en este caso es un óxido sólido no poroso, generalmente ZrO 2 estabilizado con óxido de itrio (YSZ) o de escandio (SSZ). Normalmente el ánodo es un composite de NiO e YSZ que al reducirse in situ forma un cermet de Ni-YSZ. El cátodo es generalmente una manganita, por ejemplo LaMnO 3 sustituido con Sr. También existe la posibilidad de pilas que operen con electrolitos que son conductores protónicos. En este caso, los protones generados en el ánodo son transportados hacia el cátodo donde reaccionan con los iones óxido formando agua, mientras que los electrones se mueven desde el ánodo al cátodo a través del circuito externo. La ventaja de esta configuración radica precisamente en la formación de agua en la interfase cátodo-electrolito, con lo que se evita la dilución del combustible en el ánodo. La temperatura ideal de trabajo para este tipo de pilas de sitúa en torno a los 600ºC.

Las pilas SOFC tienen su principal aplicación en la generación de electricidad en grandes plantas de varios cientos de kW como los desarrollados por Siemens Westinghouse. Por otra parte, las SOFCs se están comenzando a implantar con vistas al transporte. Como prueba de ello, se pueden destacar el modelo 745h de BMW, un coche que se propulsa con la electricidad que proporciona la llamada unidad SOFC-APU (acrónimo del inglés unidad de suministro auxiliar SOFC) presentado en 2001. Y más recientemente en el 2004, el BMW H2R, basado totalmente en el hidrógeno y que ha batido numerosos records entre este tipo de vehículos, como el de máxima velocidad, alcanzando los 301km/h.

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Estado actual de las distintas tecnologías.

Nuevos tipos de pilas: Actualmente existen varios tipos de pilas entre las que podemos citar las pilas de combustible biológicas (MFC), las de Energía Azul, pilas de Zinc, pila de combustible reversible, pila redox (aunque puede ser vista mejor como una batería),pila de combustible de borohidruro (BHFC), pila de combustible de ácido


Producción de hidrógeno y células de combustible. Estado actual y perspectivas fórmico (DFMC), pila de combustible de metanol (DMFC), pila de combustible de etanol (DEFC). Sin embargo nos centraremos en la descripción de 2 de estas nuevas de pilas de combustible, que constituyen modificaciones de algunas de las anteriores pero que por si mismas adquieren entidad propia. Por un lado tendríamos las Pilas de Combustible de uso Directo con Metanol (DMFC). La aparición de este tipo de pilas es bastante reciente. Como su nombre indica utilizan metanol en vez de hidrógeno. Aquél es directamente oxidado en el ánodo, situándose su rango de trabajo entre los 50 y 100ºC. Sus aplicaciones más inmediatas son en transporte y soporte energético para móviles y baterías. Los inconvenientes pasan porque las densidades de corrientes obtenidas son relativamente bajas y la cantidad de catalizador (Pt) que se utiliza suele ser elevado. El otro principal problema es la difusión del metanol a través de la membrana desde el ánodo al cátodo, que disminuye el rendimiento y consume innecesariamente combustible. La principal ventaja es que el almacenamiento del metanol no requiere de sistemas aparatosos y voluminosos como en el caso del hidrógeno y tampoco necesita reformadores externos, todo ello se traduce una reducción drástica de costes para este tipo de pilas. Además es considerado como un dispositivo de emisión cero. Y el segundo tipo de pilas sería las denominadas Pilas de combustible Regenerativas (RFC). Estas pilas, son capaces de separar agua en sus componentes básicos, hidrógeno y oxígeno, por medio de un electrolizador que funciona con energía solar. El hidrógeno y el oxígeno generados son posteriormente utilizados como combustibles y oxidantes de una pila de combustible que generará electricidad, calor y agua. El agua se vuelve a recircular hacia el electrolizador y así puede continuar el proceso regenerativo. La principal ventaja es que no hay que desarrollar una infraestructura específica para el manejo del hidrógeno, mientras que el inconveniente serían los costes extras de hacer la pila reversible. A continuación muestro una gráfica que ilustra los principales desarrolladores de las distintas tecnologías de células de combustible.

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Principales innovadores de cada tecnología.



5.- Producción de combustible. El hidrógeno no es un recurso, aunque sea muy abundante en nuestro planeta, no se encuentra en estado libre, sino formando distintos compuestos. Por lo tanto para conseguir hidrógeno es necesario extraerlo de unos recursos tales como agua o fósiles, consumiendo una fuente primaria de energía. Existen varios métodos para producir el hidrógeno. Los dos métodos actuales de producción industrial de hidrógeno son el reformado con vapor o “steam reforming” (con gas natural o hidrocarburos) y la gasificación de carbón, siendo el 99% del hidrógeno que se utiliza proveniente de combustibles fósiles. La gasificación se empleaba en las primeras plantas de producción de hidrógeno, pero hoy en día ha quedado en un segundo plano, ya que el steam reforming es un método de extracción de hidrógeno mucho más efectivo. La única manera de que en un futuro se use el carbón sería que se acabaran los yacimientos de gases hidrocarbonatos, y a su vez no se desarrollen otros métodos para conseguir hidrógeno, cosa que parece bastante poco probable.

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Datos de steam reforming y gasificación.

En los últimos años se está tomando en consideración otro proceso capaz de obtener hidrógeno, la electrólisis. El principal problema de este método es que se precisa electricidad para separar las moléculas de H2O y obtener el hidrógeno y oxígeno separados. En la mayoría de los países esta electricidad proviene de centrales que funcionan con combustibles fósiles por lo que en estos casos la obtención de hidrógeno por steam reforming es más barata y eficiente. En cambio, en lugares donde la energía provenga de energías renovables y estas no sean absorbidas por la red, la electrólisis puede suponer una buena alternativa.



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Opciones de producción de H 2.

En este diagrama obtenido del centro de desarrollo energético de Holanda (ECN) podemos ver los dos caminos posibles que se pueden usar para conseguir hidrógeno. Se parte de 1kWh de energía renovable, que se puede usar para el proceso de electrólisis y obtener así 0.72kWh de hidrógeno, o bien, esa e nergía puede ser absorbida por la red, lo que significaría un ahorro de gas natural o carbón equivalente a 2.5kWh, que mediante steam reforming se convertiría en 1.46kWh de hidrógeno, casi el doble que con la electrólisis.

6.- Estado actual y perspectivas. En años recientes el interés por comercializar esta tecnología amigable con el medio ambiente se ha intensificado. Pero existen problemas: No es posible recargar el tanque de hidrógeno en la mayoría de las estaciones de servicio. Y los automóviles y computadores energizados por células de combustible aún resultan relativamente caros. Estos obstáculos han relegado las células de combustible a un pequeño número de vehículos de prueba y a algunas aplicaciones especializadas, como el suministro de energía a bordo del Transbordador Espacial, o sistemas auxiliares de energía para hospitales y aeropuertos. Actualmente se están llevando a cabo investigaciones para hacer más económica la célula de combustible. Por ejemplo se está intentando reducir la temperatura de operación de las células. Un estudio de la NASA consiguió reducir la temperatura a la que operan las células de 1000 ºC a 500 ºC, utilizando una célula de óxido sólido con una lámina de electrolito de solamente una micra de espesor. Para conseguir ese espesor hacen crecer el electrolito átomo a átomo, depositando capas de átomos, una por una, en un proceso llamado epitaxia. Al obtener la misma potencia al 50% de la temperatura se logra una reacción en cadena con respecto a ahorros en el costo. Por una parte, se pueden emplear materiales más baratos para construirlas, en comparación con las caras cerámicas tolerantes a altas temperaturas, y a los aceros de alta resistencia. Todo esto inclina la balanza de la viabilidad económica en la dirección deseada. El consenso de soporte para las células de combustible como sucesoras de los motores de combustión interna es amplio y se extiende a todos los campos. La mayoría de los fabricantes de automóviles están desarrollando afanosamente vehículos con estas


Producción de hidrógeno y células de combustible. Estado actual y perspectivas células, por ejemplo General Motors pasó de invertir en esta tecnología de 1 millón de dólares en 1990 a 100 millones de dólares en 2003. La industria de la electrónica portátil está también explorando la utilización de células de combustible en miniatura como un reemplazo con más potencia y duración que las baterías. Intel, por ejemplo, fundó una compañía llamada PolyFuel con el objetivo de desarrollar células de combustible para computadores portátiles. Sin embargo, aparece el problema de “la gallina y el huevo”: ¿Quién va a comprar vehículos alimentados con hidrógeno hasta que la mayoría de las estaciones de servicio tengan surtidores de hidrógeno? Además, ¿qué compañía va a financiar la instalación de surtidores de hidrógeno en miles de estaciones de servicio hasta que las calles estén llenas de vehículos dotados de células de combustible? Puede haber una solución a este problema, algunos tipos de células pueden operar utilizando como combustible metanol o gasolina, que aunque produciría CO 2, perdiendo la mayor parte del beneficio ambiental de las células de combustible , más adelante se podría cambiar a usar de combustible hidrógeno puro cuando esté disponible. El uso de un combustible distinto al hidrógeno también influye en la potencia de la pila, aun así hay estudios que indican que el uso de células de combustible SOFC puede llegar a alcanzar una eficiencia del 50% usando iso-octano (un compuesto similar a la gasolina) que es muy superior al 10-15% de eficiencia que tienen los actuales motores de combustión y de los vehículos híbridos que han llegado a conseguir una eficiencia del 32%.

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Rendimiento de una SOFC usando distintos combustibles.

Actualmente hay muchos prototipos funcionando, tanto de empresas como de universidades y centros de investigación. A continuación voy a exponer algunos que me parecen interesantes.

Plug Power acaba de presentar su estación de energía doméstica de segunda generación. Es un aparato que según un artículo en Smalltimes, podría afectar a una variedad de industrias si un día resulta asequible para el público. El aparato funciona con gas natural o propano y agua con los que se hace hidrogeno lo que alimenta una célula de combustible que, as su vez, genera electricidad. Se disipa el calor residuo o se aprovecha para el sistema de calefacción de una casa. Además se almacena el hidrógeno


Producción de hidrógeno y células de combustible. Estado actual y perspectivas a alta presión para su uso en un coche de célula de combustible. En el futuro la posibilidad de adquirir una fuente de energía que suministra electricidad y calefacción a una casa y combustible a un coche podrá resultar una opción muy atractiva para el mercado de consumo. Su director ha afirmado que no existe limitaciones en cuanto al posible mercado y que la empresa podría venderla a gasolineras o propietarios de casas particulares, y que podría trabajar con Honda u otra empresa automovilística para comercializar la estación de energía doméstica y el coche de célula de combustible a la vez.

Un ejemplo de coche impulsado únicamente por hidrógeno es el Nissan X-Trail FCV (Fuel Cell Vehicle). El interior del coche es exactamente igual a su análogo de gasolina. El exterior también es igual con la diferencia de que la parrilla frontal es más larga para tapar el radiador, que es más grande con el objeto de mantener una temperatura inferior más baja (el hidrógeno se transporta a -253 ºC). El motor es totalmente silencioso, durante la conducción solo se escucharían los ruidos de rodadura y aerodinámicos, lo que repercutiría en una reducción sustancial del ruido en las ciudades.

Como características técnicas, tiene una potencia de 122 CV, alcanza los 150 km/h con una aceleración de 0 a 100 en 14 segundos. Además tiene una autonomía de 500 km y su depósito se llena de 3 a 5 minutos. En 2010 está prevista la fase de introducción y expansión de modelos FCV y se espera que en 2015 circulen en masa en España.



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Esquema del funcionamiento interno del vehículo.

Otro ejemplo es un artículo no muy actual, de 2005. Es un prototipo desarrollado por el ejército de Estados Unidos y QTWW (Quantum Fuel Systems Technologies Worldwide ). Se trata del “Quantum Aggressor”. Es un vehículo militar impulsado por célula de combustible. Seguramente a fecha de hoy el prototipo haya sido mejorado, pero aún así expondré sus características porque me parece de importancia mostrar que el ejercito también está interesado en esta tecnología.



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Vista frontal del Quantum Aggressor.

Es capaz de acelerar de 0 a 60km/h en aproximadamente 4 segundos y de conseguir una velocidad máxima de 130km/h. Lo que realmente hace interesante el uso de esta tecnología es su sigilo, como ya sabemos los vehículos impulsados por célula de combustible son mucho más silenciosos. Además con el “Quantum Aggressor” puedes ir a alguna zona sin electricidad y usarlo como un generador silencioso que produce electricidad de alta calidad para telecomunicaciones, supervivencia y equipos militares. Además de la célula de combustible, tiene una batería, que es recargada tanto por la célula, como por el freno regenerativo. La autonomía es escasa, entre 150 y 160 km, debido a la limitación del depósito de hidrógeno. Para el depósito en vez de metal se usa una fibra de carbono (que es más ligera) modificada para que sea resistente al impacto.

También existe interés en telefonía, Motorola dio a conocer los resultados de sus últimos avances en el desarrollo para fabricar células de combustible miniatura para alimentar dispositivos portátiles tales como teléfonos móviles, ordenadores portátiles y todo tipo de dispositivos alimentados con baterías. Como ya sabemos este tipo de baterías tiene diversas ventajas: se pueden recargar en 2-3 segundos, la carga dura aproximadamente un mes, son más ligeras que la mayoría de baterías actuales, son más ecológicas y tienen una tensión constante independiente del estado de la carga. El sistema que desarrolla Motorola junto con Los Alamos National Laboratory utiliza como combustible metanol (CH3OH) y como producto de la reacción con el oxígeno se produce (aparte de electricidad) agua y anhídrido carbónico. El metanol tiene una alta concentración de energía (6KW/m 3) y es barato, (0'15 dólares/litro). La célula de demostración fabricada por Motorola ha proporcionado 200mA a 0'5 voltios, con un volumen de 10 centímetros cúbicos, lo que representa una densidad de energía de 10KW/m3. Se espera conseguir una densidad de energía diez veces superior a las actuales baterías de Ion-Litio. La recarga de la batería se efectuará con pequeños cartuchos de metanol.



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Prototipo desarrollado por Motorola.

Pero aún quedan algunos problemas que solucionar: apagar la batería para que no consuma combustible mientras no se necesita energía y verificar la vida útil de la batería, es decir, cuanto tiempo es capaz de funcionar antes de que la membrana se contamine y pierda rendimiento. Aún así, se espera que en un plazo de 3 a 5 años haya en el mercado este tipo de baterías para teléfonos móviles, ordenadores portátiles, aparatos musicales y aplicaciones semejantes.

Toshiba también lanzó en 2005 dos prototipos de célula de combustible. Esta marca japonesa es de las que más avanzada está en esta tecnología aplicada a dispositivos móviles. Utiliza una célula DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) que se recarga con metanol altamente concentrado. Este nuevo prototipo mejora al anterior porque utiliza el agua que se desprende de la célula para diluir el metanol, lo que permite utilizarlo en mayor concentración (99.5%) y así disminuir el tamaño de la célula a una décima parte del tamaño del anterior prototipo de Toshiba.

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Mp3 Toshiba con célula de combustible. Vista de la célula de combustible.


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Datos técnicos de las 2 células de combustible desarrolladas.

Hemos visto varios ejemplos de lo que se puede conseguir en un futuro próximo, pero no todos los estudios sobre la instauración de una economía basada en el hidrógeno son positivos. Un estudio llevado a cabo en la Universidad de Texas por el Director Asociado del Centro para Energía Internacional y Política Ambiental, Michael Webber, ha calculado los efectos que tendría establecer una economía basada en hidrógeno y ha concluido que con los avances actuales, no habría suficiente agua para mantener este tipo de economía, mientras que siempre se ha supuesto que el agua es un recurso virtualmente inacabable. En su estudio destaca que si la electrólisis se convierte en el método más extendido de producción de hidrógeno, la electricidad necesaria para este proceso debería de venir de otra fuente distinta a la energía termoeléctrica, ya que la mayor parte del agua utilizada en la producción de hidrógeno sería la usada como refrigerante en centrales termoeléctricas, así que para que una economía basada en hidrógeno haría falta sustituir la energía termoeléctrica por energías renovables como la eólica y la solar así como desarrollar nuevos métodos de refrigeración sin agua. “El hidrógeno, así como el etanol, el viento, el sol, u otras elecciones alternativas, tienen muchas ventajas, pero también algunos impactos importantes que conviene tener en mente, como intenta sugerir este artículo. Animaría a continuar con la investigación en la producción de hidrógeno como parte de un conjunto exhaustivo de aproximaciones a tener en cuenta para gestionar la transición a la era de la energía verde. Pero, debido a algunos de los impactos inesperados — por ejemplo los recursos del agua — parece prematuro determinar que el hidrógeno es la respuesta que debemos seguir y excluir el resto de opciones” dijo Webber.

7.- Conclusiones. Álvaro Segovia Pavón 19

Producción de hidrógeno y células de combustible. Estado actual y perspectivas Se ha visto anteriormente que hoy en día para producir hidrógeno se utilizan métodos que son contaminantes, métodos que desprenden CO 2 a la atmósfera, pero aun así, es preferible utilizar hidrógeno que seguir usando combustibles fósiles. Veámoslo con cifras en el caso de los automóviles. Un motor de gasolina produce de media 160 gr/km de CO 2 y producir gasolina supone unas emisiones de 30 gr/km. En total supone 190 gr/km. En el caso del hidrógeno, producirlo supone 90 gr/km, que es una cantidad superior a la de producir gasolina, pero se compensa con que produce cero emisiones. Total: 90 gr/km. Yo pienso que las células de combustible se deben de ir imponiendo en el mercado, porque se produce una disminución de la contaminación, y no sobrecarga tanto los combustibles fósiles, que van camino de agotarse. Además a la larga, introduciendo las energías renovables en el proceso energético, se puede conseguir un tándem que ayude a solucionar sus mutuos problemas, destacándose, desde mi punto de vista, como la mejor solución para el problema energético del futuro. Transformar la energía proveniente de fuentes renovables en hidrógeno a través de la electrólisis soluciona el problema de almacenamiento de energía, y en particular el principal problema de las renovables, que es su intermitencia, ya que estas fuentes no generan electricidad de forma continua. Los excesos temporales de energía renovable se pueden invertir en la producción de hidrógeno, que a su vez será empleado por una pila de combustible para generar electricidad que se vuelque a la red en las horas valle. Por lo que el hidrógeno pasaría de ser considerado un vector energético poco eficiente a una reserva energética para complementar el aporte de energía proveniente de fuentes renovables. Con vistas a un futuro más lejano, se podría llevar esta idea a las casas, donde se obtendría energía a partir de fuentes renovables como la solar, esta energía se invertiría en la producción de hidrógeno, que serviría tanto como combustible para el coche, como para la generación de electricidad, y a su vez, esta generación de electricidad en la vivienda produciría calor, aprovechable como calefacción. Con esto se conseguiría una descentralización de la energía, pero esta es una visión mucho más utópica y que aún queda muy lejana.

8.- Bibliografía. -

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