Pilas de combustible y sus posibles mejoras ambientales

Pedro Farré Doncel »

No es mi intención redactar un informe detallado sobre los diferentes desarrollos en el mundo de la tecnología fuel cell¹ y sus posibles mejoras ambientales, sino una pequeña introducción para ayudar a conocer está tecnología como fuente renovable de energía, aunque siga pensando que no hay formulaciones definitivas de un problema retorcido como por ejemplo las emisiones de contaminantes a la atmosfera por acciones antropogénicas.

Introducción

La creciente necesidad de energía en una sociedad altamente industrializada (actividad industrial, uso masivo de vehículos de transporte), los últimos acontecimientos relacionados con la energía atómica, los procesos de liberalización del mercado “eléctrico”, la creciente preocupación de los ciudadanos por los problemas relativos a la conservación del medio ambiente (Protocolo de Kyoto, “efecto invernadero”, el informe Brundtland…), la continua dependencia y agotamiento de los combustibles fósiles, obliga a plantearse el conocer la celda de combustible “FC” y otras fuentes de energía renovable.

Arquitectura básica de una celda de combustible

Las celdas (o pilas) de combustible son dispositivos que utilizan el hidrógeno (o un combustible rico en hidrogeno) para producir energía y calor mediante un proceso electroquímico y no por combustión. Podemos ver a continuación la estructura física de una típica celda de combustible [dos electrodos separados por un electrolito (material que permite el paso de iones –átomos cargados – pero no de electrones, así los electrones se mueven a través de un circuito externo (dando lugar a electricidad). Una reacción de oxidación en el ánodo (-) y una reacción de reducción en el cátodo (+) ²].

El combustible

Para poder alimentar estas celdas de combustible y obtener la mejor respuesta ambiental (emisiones cero) es necesario producir hidrógeno en estado lo más puro posible, pudiendo obtener por alguno de los siguientes métodos:

Eficiencia

Al no tratarse de una máquina térmica (no hay ningún proceso de combustión), no está limitada por el ciclo de Carnot³. La eficiencia dependerá del tipo de celda (ver la siguiente tabla) pero será siempre superior a los generadores térmicos, pudiendo alcanzar el 80% si se utiliza el calor sobrante para calentar agua y se combina con sistemas de cogeneración. La efectividad de este proceso dependerá entonces de los diferentes componentes de la celda.

Emisiones a la atmosfera

La pila produce energía mediante un proceso electroquímico. Las únicas emisiones distintas del aire y agua vendrán en función del combustible que se utilice en las celdas, pudiendo operar con combustibles procedentes del petróleo o carbón, enviando por consiguiente a la atmosfera emisiones de dióxido de azufre, óxido nitroso, monóxidos de carbono y dióxidos de carbono (gases que producen efecto invernadero), eso sí con bajos niveles de emisiones (emisiones que se puede tratar mediante un subsistema de tratamiento). En estos casos no se puede considerar una tecnología de emisiones cero. Se considerará con emisiones cero si se utiliza hidrógeno puro.

Portable y modular

Una central de celdas de combustible (stack) opera silenciosamente y además se puede conectar en serie -es modular- hasta lograr la potencia de salida deseada, instalándola en la misma zona a la que alimenta, evitando además inversiones en nuevas líneas para la transmisión y distribución de la energía y reduciendo las perdidas por la resistencia de la red eléctrica.

Estado actual de la tecnología (tipos de pilas)

A continuación se listan los tipos actuales de pilas según la tecnología de membrana de intercambio, dándose la siguiente información:

• tipo: (1) estacionarias de gran tamaño (>10KWhe); (2) estacionarias de pequeño tamaño; (3) portátiles
• % utilización a nivel mundial según tipo
• aplicaciones
• combustible
• electrolito
• observaciones

Alcalina (AFC)

• 3
• 30%
• Producir electricidad y agua a bordo de naves espaciales
• —
• El electrolito es un álcali (hidróxido de potasio KOH)
• Se envenena rápidamente con CO₂

Membrana de intercambio (PEMFC)

• 1 / 2 / 3
• 10% / 11000 ud UPS / 70%
• Generador de energía eléctrica y calor / UPS / juguetes, móviles, ordenadores portátiles
• Hidrogeno, metanol, propano y otros alcoholes
• Electrodos de platino nano dispersados. Polímero de base de la membrana polimérica se llama nafion
• Baja relación entre peso y volumen respecto a la energía producida

Metanol Directo (DMFC)

• 3
• 24%
• Equipos portátiles
• Metanol
• Sólido
• En desarrollo; rendimiento: 40%

Ácido fosfórico (PAFC)

• 1
• 35%
• Generador de energía eléctrica y calor
• Hidrocarburo (gas natural, gasolina), hidrogeno
• Ácido fosfórico contenido en una matriz de carburo de silicio
• Eficiencia: 85%

Carbonato fundido (MCFC)

• 1
• 40%
• Generador de energía eléctrica y calor
• CO₂ procedente de gas natural o carbón
• Compuesto por una sal de carbonato fundido, suspendido en una matriz cerámica de óxido de aluminio (LiAlO₂)
• Desventajas: durabilidad, opera a altas temperaturas y electrolito corrosivo. Alta eficiencia

Óxido sólido (SOFC)

• 1
• 15%
• Generador de energía eléctrica y calor
• Hidrogeno, gas natural
• Electrolito dura membrana cerámica no porosa de óxido de zirconio,ZrO₂ dopado con itrio
• Opera a temperaturas muy elevadas

Principales compañías en el desarrollo de celdas de combustible

Conclusiones

Las aplicaciones de las celdas de combustible abarcan una amplia variedad de productos y sectores de la sociedad. Incluso en la universidad de British Columbia, se está desarrollando una celda “pila” de combustible que genera electricidad sintetizando el azúcar de la sangre humana (40nW).
Si nos centramos en la utilidad en rebajar las emisiones de CO₂ y CO, la utilización de combustible fósil o hidrocarburos en las celdas de combustible puede que sea un intervalo hasta que la tecnología permita franquear las dificultades de distribución, almacenamiento, costes y producción así como de manipulación del hidrogeno pudiendo así resolver una parte de las emisiones de gases de efecto invernadero. Es cierto que en la automoción se producirían menos emisiones de efecto invernadero pero en contrapartida sería necesario crear una enorme infraestructura para repostar. Además hay que considerar que el hidrógeno es extremadamente explosivo, y tiene un punto de ebullición muy bajo.

Puedo remarcar que las ciudades como Madrid y Barcelona utilizan ya autobuses con combustible hidrogeno. Pero me pregunto, si los excesos de combustible (hidrogeno) y los gases de residuo en la reacción de las celdas de combustible a largo plazo no generan otro desequilibrio a nivel planetario?

Notas

1. La celda de combustible produce energía mediante un proceso electroquímico y no por combustión.
2. Reacción en el ánodo: 2H₂ → 4H⁺ + 4e^–
   Reacción en el cátodo: O₂ + 4H⁺ + 4e^– → 2H₂O
3. η = 1 – (T_F/T_C)

Bibliografía

• La situación del mundo, 2000, editorial Icaria
• ICMA – Hacia fuentes de energía “mas limpías”.
• Anales de mecánica y electricidad . Mayo Junio 2002
• Revista Ingeniería UC vol 11 n3 33-40 , 2004
• Portable Fuel Cell Survey 2009. Dr. Jonathan Butler. Fuel Cell Today (April 2009)
• http://www.generateurhho.com/
• http://quanthomme.free.fr/carburant/WFCMeyer.htm