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La Energía y el Cambio Climático Mundial
Fuentes de energía alternativa: energía de celdas de combustible

 

¿Cómo lo hace la naturaleza?
¿Cómo lo hace la naturaleza?

No parece haber ninguna tecnología renovable y no contaminante que se adapte a todos los lugares del mundo, o por lo menos no existe una que esté disponible por el momento. Pero, ¿qué pasará en el futuro? ¿Existe algún método para producir energía menos contaminante y que no dependa tanto del carbón, el petróleo ni el gas natural?

Un posible candidato es la celda de combustible. Las celdas de combustible convierten permanentemente sustancias químicas en electricidad a través de una serie de reacciones químicas. Sus ventajas son muchas. Las celdas de combustible son silenciosas y más eficientes para obtener energía que la quema de combustibles fósiles. Muchas de ellas actualmente tienen una eficiencia de hasta el 60% y, con algunas modificaciones tecnológicas podrían alcanzar casi un 100%. En comparación, las turbinas tienen una eficiencia de entre el 40 y el 50%, mientras que la eficiencia de los motores de combustión interna es de entre el 10 y el 20%.

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Fotografía cortesía del Departamento de Energía de los Estados Unidos (inglés).

Esto es una batería de celdas de combustible.

La mayoría de las celdas de combustible utilizan hidrógeno como combustible en lugar de petróleo. Por lo tanto, no producen emisiones no contaminantes o muy poco contaminantes, lo que depende del tipo de celda de combustible. El agua y, para algunos tipos de celdas, el calor son los principales derivados del funcionamiento de las celdas de combustible. Si la celda puede utilizar combustible que no está purificado, se libera un poco de dióxido de carbono (CO2). Sin embargo, la cantidad de estas emisiones es mucho menor que las que se producen al quemar carbón o gasolina.

Aunque esto no significa que se eliminen completamente los combustible fósiles. El hidrógeno necesario para alimentar las celdas de combustible debe provenir de algún lado y no existe en el ambiente en forma independiente. Una de las fuentes inmediatamente disponibles de hidrógeno la constituyen los combustibles fósiles. Lo que significa que habrá algunas emisiones en el proceso de obtención de hidrógeno. Por lo tanto, las celdas de combustible no constituyen una fuente de energía completamente no contaminante, no aún.

En la actualidad, las celdas de combustible proporcionan electricidad y agua a las naves espaciales tripuladas de Estados Unidos. En diversos lugares del mundo, principalmente en China, Japón y Europa, se están diseñando automóviles propulsados con hidrógeno. Pero las celdas de combustibles aún deben sortear unos cuantos obstáculos antes de que su uso se generalice. Se necesita crear una reserva de hidrógeno; es decir, aún dependeremos del petróleo, el gas natural y el carbón, no como generadores de energía sino para crear el hidrógeno necesario para alimentar las celdas de combustible. Algunos otros aspectos importantes de las celdas de combustible son su tamaño, peso, durabilidad y costo. Si analizamos un poco más los distintos tipos de celdas de combustible veremos si podrán proporcionarnos energía en el futuro.

Partes principales

Una celda de combustible es un dispositivo relativamente simple. Consta de dos electrodos: el ánodo (electrodo negativo) y el cátodo (electrodo positivo). Todas las reacciones químicas tienen lugar en los electrodos y, para acelerar la reacción química, se recubren ambos electrodos con un catalizador. Esta celda de combustible también contiene un electrolito que transporta las partículas cargadas de un electrodo al otro. Pero la celda de combustible necesita dos cosas más para que se produzca la reacción: oxígeno y, por supuesto, combustible. La mayoría de las celdas de combustible que están en desarrollo utilizan hidrógeno como combustible.

En la celda de combustible de membrana de intercambio de protones o membrana de electrolito polimérico (PEM por su sigla en inglés), el hidrógeno ingresa por el ánodo donde se divide en iones de hidrógeno y electrones. Los electrones llevan la carga hacia afuera de la celda mientras que los iones se mueven por la celda. En el cátodo, los iones reaccionan con el oxígeno y los electrones para formar agua.

Cómo funciona

Todas las celdas de combustible de hidrógeno funcionan según los mismos principios, sus variaciones dependen del tipo de celda. El hidrógeno ingresa a la celda a través del ánodo. Allí se lleva a cabo la oxidación, que consiste en la eliminación de los iones positivos (protones) de los átomos de hidrógeno a través de una reacción química en la que interviene el catalizador. El ánodo es poroso para que el hidrógeno pueda pasar a través de él. El cátodo también es poroso para que el oxígeno pueda pasar a través de él.

El electrolito conduce los iones cargados desde el ánodo al cátodo. Sin embargo, a los electrones se los fuerza para que vayan a un circuito exterior. Allí, crean una corriente eléctrica que se puede utilizar como energía.

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Ilustración cortesía de la NASA.

Diagrama simplificado de una celda de combustible. Se usan en vuelos espaciales.

La reducción se lleva a cabo en el cátodo, donde los electrones se combinan con los iones positivos de hidrógeno y el oxígeno para formar agua. Esta agua drena desde la celda de combustible. Si se utiliza hidrógeno puro como combustible, no se generan emisiones. Si el hidrógeno no es puro, se generan también pequeñas cantidades de otros gases. Algunas celdas de combustible operan a temperaturas muy altas y, por lo tanto, producen mucho calor.

Sistemas de celdas de combustible

Una única celda de combustible no produce suficiente electricidad para la mayoría de los usos. Para producir una cantidad adecuada de energía, las celdas de combustible se colocan en baterías de celdas de combustible. El tamaño de esta batería depende de la cantidad de electricidad necesaria para el uso previsto, el tipo y el tamaño de la celda de combustible, su temperatura operativa y la presión de los gases involucrados.

Algunos sistemas de celdas de combustible utilizan hidrógeno puro como combustible; sin embargo, muchas otras usan hidrógeno no purificado o hidrocarburos, como el metanol, la gasolina o el diésel. El problema con estos combustibles radica en que contienen moléculas, como las de sulfuro de hidrógeno o de carbonilo, y estas moléculas pueden "envenenar" las celdas de combustible y reducir considerablemente su eficacia. Las celdas de combustible que utilizan este hidrógeno no purificado o combustibles hidrocarburos necesitan utilizar un procesador de combustible. Este procesador de combustible convierte el combustible rico en hidrógeno en una sustancia que la celda de combustible pueda utilizar. El tipo de proceso realizado dependerá del combustible. Con el hidrógeno casi puro sólo es necesario filtrarlo. Los hidrocarburos deben convertirse en compuestos de gas hidrógeno y carbono, una mezcla denominada reformado. En algunos casos, este reformado también necesita que se lo procese para eliminarle las impurezas antes de que se lo pueda utilizar en la celda de combustible. Las celdas de combustible que operan a temperaturas muy altas pueden realizar este proceso en su interior. El proceso de reformado genera un poco de CO2, aunque siempre en menor cantidad que la que genera un típico motor de combustión.

La electricidad generada por las celdas de combustible constituye una corriente continua que fluye en una dirección. Sin embargo, la mayor parte de la electricidad que se le suministra a casas y empresas es de corriente alterna, que fluye en ambas direcciones en ciclos que se alternan. También se deben controlar el flujo, el voltaje y la frecuencia de una corriente eléctrica, por lo que las celdas de combustible necesitan inversores y acondicionadores de corriente para adaptar la electricidad generada.

La pieza final de un sistema de celdas de combustible consiste en el sistema de recuperación del calor. Las celdas de combustible generan bastante calor o muchísimo calor durante su funcionamiento, lo que depende del tipo de celda. A este calor se lo puede utilizar para producir vapor para operar una turbina o un generador y generar así más electricidad. De esta forma se incrementa la eficiencia energética de un sistema de celda de combustible.

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Fotografía cortesía del SMITHSONIANO (inglés).

Ensamble de una celda de combustible alcalina de Prat & Whitney para una nave espacial Apolo, 1964.

Tipos de celdas de combustible

En este momento están en desarrollo muchas celdas de combustible en laboratorios de todo el mundo. Cada una de ellas utiliza distintos electrolitos y catalizadores y funcionan a diferentes temperaturas operativas. Entre otras diferencias podemos mencionar su eficiencia energética y la durabilidad del material. Algunas de estas celdas de combustible deben funcionar sólo a base de hidrógeno puro, en tanto que otras pueden extraer el hidrógeno de combustibles fósiles. Estas diferencias hacen que determinadas celdas de combustible sean más adecuadas para usar en automóviles o autobuses, mientras que otros tipos de celdas funcionan mejor para usos estáticos, como la generación de electricidad.

Una de las primeras celdas de combustible desarrollada fue la celda de combustible alcalina. Este tipo de celda ha generado electricidad y agua en el espacio para el programa espacial de los Estados Unidos desde las misiones Apolo, en la década de 1960. Otra primitiva celda de combustible que aún se utiliza es la celda de combustible de ácido fosfórico. En este momento aún funcionan más de 200 unidades de estas celdas de combustible de primera generación. La mayor parte de ellas producen electricidad para edificios, pero algunas propulsan vehículos como autobuses.

Las celdas de combustible de carbonato fundido, originariamente desarrolladas a mediados de la década de 1960, hoy en día se fabrican para uso industrial, militar y en servicios públicos. El motivo principal: funcionan a altas temperaturas, alrededor de 650 °C (unos 1.200 °F). Desde la década de 1950, los investigadores han trabajado con celdas de combustible de óxido sólido. Estas celdas también funcionan a altas temperaturas y por ello es muy probable que se las utilice para generar electricidad destinada a edificios y servicios públicos.

La celda de combustible de membrana de electrolito polimérico, también denominada de membrana de intercambio de protones (PEM) está en desarrollo con el fin de que reemplace los motores de gasolina y diésel. Al igual que muchas de las otras celdas, en un primer momento estas celdas proporcionaron electricidad a las naves espaciales. Las celdas PEM viajaron al espacio con la misión estadounidense Gemini de la década de 1960. Estas celdas funcionan a una temperatura relativamente baja de 100 °C (212 °F), por lo que obtienen una capacidad operativa total bastante rápidamente, algo muy importante para su uso en transportes.

 

Las celdas de combustible de metanol directo están en sus primeras etapas de desarrollo, unos tres o cuatro años detrás del resto de las tecnologías de celdas de combustible. Algún día, los pequeños dispositivos como computadoras portátiles y teléfonos celulares se abastecerán con celdas de metanol directo. Otro tipo de celda en desarrollo es la celda de combustible de zinc-aire. Esta celda es una especie de híbrido entre una batería tradicional y una celda de combustible. El ánodo, que se hace de zinc, se desgasta con el tiempo y es necesario reemplazarlo. Algunos vehículos eléctricos ya utilizan este tipo de celdas.

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Fotografía cortesía del SMITHSONIANO (inglés).

Esta celda de combustible de carbonato fundido se encuentra en uso en el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética del Departamento de Energía (DOE por su sigla en inglés) de Estados Unidos en Miramar, San Diego, California.

La mayoría de las celdas de combustible utilizan hidrógeno derivado de combustibles fósiles, pero ¿qué pasaría si pudiésemos reemplazar estos combustibles fósiles por un combustible renovable de hidrógeno? Ésta es la idea que da fundamento a las celdas de combustible regenerativas. El hidrógeno para la combustión se obtendrá de la fisión del agua y, a su vez, el agua producida por la celda de combustible se convertirá en hidrógeno a través de la electrólisis. La electricidad necesaria para realizar estos procesos podría provenir de fuentes renovables de energía, como la energía solar o eólica. Este enfoque se podría aplicar a cualquier tipo de celda de combustible de hidrógeno. Aunque este tipo de celdas eliminan el uso de combustibles fósiles y contaminantes, no existe por el momento la infraestructura necesaria para producir este tipo de energía a partir del hidrógeno. Sin embargo, la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio (NASA por su sigla en inglés), el organismo estadounidense dedicado al espacio, está desarrollando un sistema regenerativo a pequeña escala, alimentado por paneles solares, para utilizarlo en el espacio.

Historia

Las celdas de combustible cuentan ya con una larga historia. Los primeros experimentos datan de 1838, cuando William Robert Grove, un abogado y científico de Gales, creó la "pila de Grove". Ese dispositivo tenía un electrodo de platino inmerso en ácido nítrico y un electrodo de zinc inmerso en sulfato de zinc. Generaba 12 amperios de corriente a 8 voltios y Grove lo llamó: batería de celda húmeda. Luego creó una celda de combustible que contaba con dos electrodos de platino. Uno de los extremos de cada electrodo se sumergía en ácido sulfúrico, mientras que el otro se sellaba en receptáculos que contenían hidrógeno y oxígeno. El dispositivo producía una corriente estable entre los dos electrodos y una cantidad cada vez mayor de agua en los receptáculos cerrados. Con este dispositivo, Grove pudo descomponer el agua y luego volver a formarla. Combinó una cantidad de conjuntos de estos electrodos en una "batería de gas".

En 1889 los químicos británicos Ludwig Mond y Charles Langer utilizaron aire y gas de alumbrado en un intento por construir una versión práctica de la batería de gas de Grove y llamaron a este dispositivo "celda de combustible".

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Ilustración cortesía de Royal Society, Museo Nacional de Historia Natural.

Diagrama de la celda de combustible de William Robert Grove.

En 1932 el ingeniero británico Francis Thomas Bacon modificó el diseño de la celda de combustible de Mond y Langer. Bacon substituyó la tela metálica de níquel por la de platino en los electrodos y reemplazó el ácido sulfúrico utilizado como electrolito por potasio alcalino, que es mucho menos corrosivo. A esto lo denominó la "pila Bacon", una primera versión de la pila alcalina. Pero no fue sino hasta 1959 que Bacon finalmente creó un dispositivo capaz de producir una cantidad considerable de energía. Su dispositivo producía 5 kilovatios que alimentaban una soldadora.

Ese mismo año Harry Karl Ihrig, ingeniero de la fábrica estadounidense de equipos agrícolas Allis-Chalmers, construyó el primer tractor propulsado a celdas de combustible. Ihrig creó una batería de celdas de combustible de 1008 celdas, que propulsaba un tractor de 20 caballos de fuerza.

El siguiente campeón en producción de energía mediante celdas de combustible fue el organismo estadounidense NASA. A principios de la década de 1960, la NASA necesitaba una forma de proporcionarles electricidad a los vuelos espaciales tripulados y las celdas de combustible eran la solución. Eran más seguras que la energía nuclear, más barata que la solar y más liviana que las baterías. Los problemas que la importación de petróleo ocasionó en la década de 1970 en los Estados Unidos incremento el interés por el uso de celdas de combustible en la Tierra. Los investigadores continúan buscando las mejores combinaciones de combustible, electrodos y electrolitos para todo tipo de aplicaciones.

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Foto cortesía de Recopilación de imágenes históricas al servicio de la ciencia (Science Service Historical Image Collection).

El tractor experimental de Allis-Chambers que se ve en esta foto de 1959 utilizaba 1.008 celdas de combustible para propulsarse. El combustible consistía en una mezcla de gases, principalmente propano y oxígeno.

 

Temas

Aún hay que recorrer un largo camino hasta que las celdas de combustible de hidrógeno puedan proporcionarnos energía para todas nuestras necesidades. Su inconveniente número uno es el costo: en este momento, las celdas de combustible son mucho más caras que los motores de combustión interna que se utilizan actualmente para propulsar automóviles. También son más caras que cualquier otro tipo de fuente de energía capaz de producir electricidad. Las celdas de combustible más comunes cuestan alrededor de USD 4.500 por kilovatio, mientras que un generador eléctrico que utilice diésel cuesta entre USD 800 y USD 1.500 por kilovatio y una turbina de gas natural cuesta USD 400 por kilovatio. Los motores de automóviles cuestan incluso menos, entre USD 25 y USD 30 por kilovatio. Por lo tanto, los costos operativos de las celdas de combustible deben bajar considerablemente para se pueda siquiera pensar en usarlas para producir la energía habitual de todos los días.

Pero su costo no es el único inconveniente que presentan. En este momento, las celdas de combustible aún dependen de los combustibles fósiles para obtener hidrógeno. Si se llega a desarrollar otra fuente de hidrógeno, las celdas de combustible podrían convertirse en una fuente de energía realmente no contaminante.

Es más, poco se sabe de la durabilidad y la confiabilidad de los equipos a largo plazo, especialmente por los niveles de temperatura que alcanza un vehículo. Otro inconveniente para su aplicación en el transporte lo presenta el tamaño y el peso del sistema completo. Además de la batería de celdas de combustible, las celdas que operan a una temperatura menor necesitan un procesador, tanques de combustible, compresores y expansores de aire y sensores. Los motores de combustión interna son más compactos.

El calor que producen incluso las celdas que operan a menor temperatura debe recuperarse para su reutilización o enfriarlo y liberarlo. Por último, no existe por el momento un sistema de suministro de hidrógeno.

Seguramente todos estos inconvenientes se resolverán en su momento, pero por ahora las celdas de combustible siguen siendo útiles para aplicaciones limitadas.


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