Sueño con un mundo totalmente desarrollado desde el punto de vista

Hidrógeno y Pilas de Combustible
Victor M. Orera
Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón
Hacia la Era del Hidrógeno
El progreso de la humanidad ha estado siempre ligado al dominio de las fuentes de
energía. El enorme crecimiento económico y demográfico que se inicia en el siglo XIX
así como nuestra forma de vida actual se fundamentan en la utilización masiva de los
combustibles fósiles tales como el carbón, el petróleo y el gas natural. Los más de 6.000
millones de seres humanos y 1.000 millones de vehículos de motor consumimos unos
10.000 millones de toneladas equivalentes de petróleo (TEP) de productos energéticos
cada año que en su mayoría proceden de los combustibles fósiles. En 20 años, el
consumo de energía se habrá duplicado y nuestras reservas presentarán síntomas de
agotamiento. Si en un solo año quemamos los recursos que la Naturaleza pacientemente
almacenó durante un millón de años, ¿cuánto nos queda?. Las previsiones son que la
producción de petróleo comience a decaer dentro de unos 15 años y que tanto Europa
como USA hayan agotado sus reservas explotables de forma que dependeremos
energéticamente de los países de Oriente Medio. Esto es una fuente de fuerte
inestabilidad política y económica.
La otra cara del problema es la grave perturbación del clima y de los ciclos naturales de
los seres vivos que causa la quema masiva de estos combustibles. Lanzamos a la
atmósfera unos 23.000 millones de toneladas /año de CO2 que proceden en su mayor
parte del sector energético. Desde la revolución industrial, la concentración de CO2 en
la atmósfera se ha incrementado en un 35% y lo que es más grave, este gas tiene un
tiempo medio de permanencia en la atmósfera de unos 100 años. El calentamiento
global, admitido por la práctica totalidad de la comunidad científica, ha llevado a
muchos estados, incluidos los de la UE y Japón, a firmar el protocolo de Kioto en el que
nos comprometemos a que nuestras emisiones en el 2010 no superen en más de un 15%
las de 1990. Algunos países como Alemania han mejorado sus tecnologías de
producción y han rebajado estas emisiones en un 18% pero España las ha aumentado en
un 38%.
Desde otro punto de vista, la eficiencia de las máquinas térmicas actuales, limitada a la
del ciclo de Carnot, es muy baja. Alrededor de un 20% en los automóviles y un poco
mayor en las centrales térmicas más eficientes. Es descorazonador el pensar que de los
12 millones de barriles de petróleo que se gastan diariamente en transporte en USA,
solo se aprovechen en mover los coches 3.
Un futuro sostenible pasa necesariamente por sustituir los combustibles fósiles actuales
por otros totalmente reciclables y por desarrollar tecnologías energéticamente más
eficientes y más limpias. El mejor candidato por su alta capacidad energética y por su
limpieza es el hidrógeno obtenido del agua mediante electricidad generada por energía
solar, eólica o nuclear o de la biomasa. En vez de las máquinas térmicas, serán los
procesos electroquímicos los que permitan transformar la energía química en eléctrica
mediante las pilas de combustible con eficiencias próximas al 100%. Por eso se habla de
una "Era del Hidrógeno" que no es sino un nuevo concepto de sociedad en el que la
energía es suministrada por fuentes renovables con el hidrógeno como vector energético
limpio y eficiente.
Todos los países desarrollados encabezados por USA y Japón, conscientes de la
urgencia del problema, están realizando grandes inversiones en la investigación y
desarrollo de estos sistemas. En particular Estados Unidos ha comprometido su enorme
potencial científico y tecnológico en esta tecnología, planteado un ambicioso programa
en el que entre otras cosas se trata de conseguir que en menos de 50 años su
dependencia de los combustibles fósiles sea mínima, tanto en transporte como en
producción de electricidad. En boca del presidente Bush en su discurso a la nación en
Enero del 2003 “El primer automóvil que conduzca un niño americano nacido ahora
será movido por hidrógeno”.
En cualquier caso el cambio del sistema actual a la nueva economía no parece tan fácil.
Por un lado las Pilas de Combustible son aún muy caras. Por ejemplo en transporte es
necesario bajar su coste un factor 10 hasta unos 100€/kW, meta en parte alcanzable
cuando se implante la producción en serie. Pero también habrá que modificar los
sistemas de distribución actuales y los hábitos de los conductores que tendrán que
renunciar al estilo "deportivo" y a las altas aceleraciones. La producción y distribución
de energía eléctrica se verá alterada. Se habla de sistemas de producción de energía
distribuida basadas en Pilas e incluso el propio motor del automóvil podría suministrar
la electricidad y el agua caliente que una vivienda necesita. Es posible que en un futuro
próximo, la agricultura extensiva recupere un papel fundamental como factor de
desarrollo económico al ser la biomasa la fuente de los combustibles con los que se
moverán nuestros coches y se calentarán nuestras casas quedando los planteamientos
agrícolas actuales y las inversiones previstas ridículamente obsoletos en muy corto
plazo. En definitiva habrá que prepararse para producir, manipular, almacenar y
transportar ingentes cantidades de hidrógeno.
Para darnos una idea aproximada de la magnitud del problema las 300.000 TEP que
consumimos en España en transporte cada día serían equivalentes al consumo de 20.000
Tm de H2 con unos motores tres veces más eficientes que los actuales. Para producir
mediante energías renovables este hidrógeno necesitaríamos multiplicar por 20 la actual
capacidad de generación eólica o dedicar la cuarta parte de la superficie a cultivos de
biomasa.
www.fuelcells.org
www.nfcrc.uci.edu
http://forum.europa.eu.int
Las Pilas de Combustible
Una pila de combustible funciona como una batería normal pero con un suministro
externo de reactivos. Consta de ánodo, cátodo y electrolito y mediante una reacción
electroquímica produce energía eléctrica de forma mucho más eficiente y limpia que
una maquina térmica. Son silenciosas y modulares y si utilizan hidrógeno como
combustible, su único desecho es agua caliente por lo que son totalmente limpias. Con
cogeneración pueden llegar hasta eficiencias del 80% y son muy versátiles en la
utilización de combustibles. Además de hidrógeno pueden usar combustibles fósiles
tales como el gas natural o gas de carbón, biocombustibles obtenidos de biomasa,
metanol, etanol e incluso monóxido de carbono.
Tipos de Pilas:
Dependiendo del electrolito usado están las alcalinas (AFC), de membrana de
intercambio de protones (PEMFC) o las de metanol directo (DMFC) que funcionan a
bajas temperaturas, entre 20 y 100°C pudiendo desarrollar potencias hasta 1 MW. Las
de ácido fosfórico (PAFC) funcionan a 220°C y producen entre 10kW y 1 MW. Las de
alta temperatura son las de carbonatos fundidos (MCFC) y las de óxidos sólidos (SOFC)
que necesitan temperaturas de funcionamiento de entre 500 y 1000°C. Estas últimas
utilizan cualquier tipo de combustible y están disponibles en rangos de hasta centenas
de megavatios.
Aplicaciones de las Pilas:
Por su mayor densidad de energía acumulada y velocidad de carga que las baterías
convencionales las DMFC y las PEMFC sustituyen a éstas en sistemas electrónicos
portátiles tales como ordenadores, teléfonos móviles o sistemas de comunicaciones. La
máxima eficiencia y la nula emisión de contaminantes favorecen la creciente utilización
de las AFC, PAFC y PEMFC como motores de coches, autobuses, barcos o para la
generación doméstica de agua caliente y electricidad. Las SOFC y MCFC se utilizan en
sistemas estáticos generadores de energía eléctrica.
A pesar de su todavía elevado coste, estamos en el comienzo del lanzamiento de esta
nueva tecnología. La venta de Pilas de Combustible crece de forma exponencial en los
últimos años pasando de unas 1.100 unidades en el 2000 a 6.800 en el 2003. El 70% de
los sistemas con Pilas en uso actualmente utilizan PEMFC. Más de 400 autobuses
urbanos se mueven con Pilas alimentadas con hidrógeno. En España disponemos de 4
de ellos en Madrid y otros tantos en Barcelona dentro del programa europeo CUTE
(Transporte urbano no contaminante). El número de estaciones de servicio de hidrógeno
para transporte (hidrogeneras) supera las 60 en el mundo.
El Hidrógeno como combustible
El hidrógeno es el gas con menor viscosidad y densidad. Es el elemento más abundante
del Universo pero no existe en forma libre en la Tierra por lo que hay que fabricarlo. Su
densidad energética es muy alta pero su elevada volatilidad dificulta su
almacenamiento. Su concentración límite de ignición es del 4% en volumen y puede
arder con concentraciones similares a la del metano y necesita concentraciones mayores
que las del propano o gasolina. Su concentración mínima para la detonación, 18%, es
mucho mayor que la de los combustibles gaseosos usuales por lo que es menos probable
que explote. Ello unido a su elevada volatilidad hace que, contrariamente a lo que se
piensa, el hidrógeno no sea un combustible más peligroso que los utilizados
normalmente. En algunos casos como en barcos o en sótanos es incluso menos
peligroso que los actuales. Un aspecto importante desde el punto de vista de la
seguridad es que el hidrógeno arde con llama invisible.
Producción del hidrógeno:
Puede obtenerse con gran pureza mediante electrolizadores que con la misma tecnología
que las Pilas usan la electricidad para disociar el agua en hidrógeno y oxígeno. Con una
membrana de intercambio protónico (PEM) y trabajando a potenciales de 1.5 V y
densidades de corriente de 1 A/cm2 se obtienen eficiencias del 70% incluida la energía
necesaria para comprimir el gas. Existen plantas comerciales de más de 500 kW. Una
combinación electrolizador-pila basado en PEM permitiría almacenar y reutilizar el
exceso de producción eléctrica de los aerogeneradores aragoneses.
También se puede fabricar eficientemente a partir de hidrocarburos o metanol mediante
reformado con vapor de agua que es un proceso que rompe los enlaces moleculares
desprendiendo hidrógeno. El uso de metanol como suministrador de hidrógeno
mediante reformado a bordo para los automóviles movidos con PEMFC está siendo
estudiado por fabricantes de coches tales como GM, Daimler Chrysler, Honda,
Mitsubishi, Nissan o Toyota ya que el alcohol es más fácil de almacenar. El coche
experimental NeCar 5 de DaimlerChrysler monta una Pila Ballard de 75 kW y con una
eficiencia energética del 80% desarrolla velocidades de hasta 150 km/h. Aunque no se
ha comercializado todavía, la forma más prometedora de producir hidrógeno es
mediante métodos biológicos. Algunas enzimas, cianobacterias o algas producen
hidrógeno siguiendo procesos de fermentación, fotosíntesis, etc.
Almacenamiento
Es un gran problema para su utilización como combustible en transporte. Incluso en
forma líquida su densidad es muy baja y ocupa mucho volumen. Se están investigando
técnicas de almacenamiento a presión en cilindros de materiales compuestos ligeros, en
forma de líquido a 250 ºC bajo cero, adsorbido en metales en forma de hidruros
reversibles o en nanofibras de carbono. En el año 2010 se espera disponer de sistemas
de almacenaje que permitan a un coche tener una autonomía de 500 km.
Inversiones en I+D en tecnología de FC en Millones de dólares/año
USA: Gobierno--------------340 (1700 en 5 años)
Industria--------------1200
Japón: Gobierno--------------220
Industria--------------1500
UE: Gobierno--------------80
Industria--------------300
Mediante estas inversiones se espera alcanzar una cifra de 750.000 empleos en USA en
el 2030 o que 5 millones de vehículos se muevan con hidrógeno y que se disponga de la
capacidad de generar 10.000 MW de electricidad en Japón en el año 2020. La UE se ha
unido a estos esfuerzos mediante el lanzamiento en Enero de la Plataforma Tecnológica
Europea en Hidrógeno y Pilas de Combustible
La tecnología de FC en España:
-David Fuel Cells Components es una compañía española que fabrica una membrana
polimérica de intercambio protónico basada en un polímero propio, el Sterion® como
alternativa al NAFION de Dupont.
- Red de Pilas del CSIC con 30 grupos de investigación en
PEMFC, SOFC y supercondensadores así como en la producción
y almacenamiento del hidrógeno
- APPICE (Asociación Española de Pilas de Combustible)
Con 43 miembros incluyendo empresas y centros de investigación
En Aragón:
- Institutos de Investigación: ICMA (CSIC-UZ), ICB (CSIC),
CIRCE (UZ), Departamentos universitarios de Transporte y de Ingeniería Química
Fundación Aragonesa del Hidrógeno, Opel-España.