Transporte terrestre

UNIVERSIDAD DE CHILE
Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Departamento de Ingeniería Eléctrica
Investigación
EM-722
Grupo Nº 4
Nombre alumnos:
Carrera:
Especialidad:
Fecha :
Juan Antezana
Freddy Milla
Ingeniería Civil.
Electricista.
5.5.2002
Celda fotovoltaica
La palabra fotovoltaica se compone de dos términos: Foto = Luz, Voltaica
=Electricidad. Es un dispositivo que convierte directamente la luz solar en
electricidad.
La celda fotovoltaica es la conversión directa de luz en electricidad a nivel
atómico. Algunos materiales resentan una propiedad conocida como efecto
fotoeléctrico que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones.
Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente
eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.
El primero en notar el efecto fotoeléctrico fué el físico francés Edmundo
Bequerel, en 1839. Él encontró que ciertos materiales producían pequeñas
cantidades de corriente eléctrica cuando eran expuestos a la luz. En 1905,
Albert Einstein describió la naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico, en el
cual está basada la tecnología fotovoltaica. Por este trabajo, se le otorgó más
tarde el premio Nobel de física. El primer módulo fotovoltaico fue construido
en los Laboratorios Bell en 1954. Fue descrito como una batería solar y era
más que nada una curiosidad, ya que resultaba demasiado costoso como para
justificar su
utilización a gran
escala. En la década
de los 60's, la
industria espacial
comenzó por
primera vez a hacer
uso de esta
tecnología para
proveer la energía
eléctrica a bordo de
las naves espaciales.
A través de los
programas espaciales, la tecnología avanzó, alcanzó un alto grado de
confiabilidad y se redujo su costo. Durante la crisis de energía en la década de
los 70's, la tecnología fotovoltaica empezó a ganar reconocimiento como una
fuente de energía para aplicaciones no relacionadas con el espacio.
Un arreglo de varias celdas solares conectadas
eléctricamente unas con otras y montadas en
una estructura de apoyo o un marco, se llama
módulo fotovoltaico. Los módulos están
diseñados para proveer un cierto nivel de
voltaje, como por ejemplo el de un sistema
común de 12 voltios. La corriente producida
depende directamente de cuánta luz llega hasta
el módulo.
Varios módulos pueden ser conectados unos
con otros para formar un arreglo. En general,
cúanto más grande es el área de un módulo o
arreglo, más electricidad será producida. Los
módulos y arreglos fotovoltaicos producen
corriente directa (CC). Estos arreglos pueden ser conectados tanto en
seriecomo en paralelo para producir cualquier cantidad de voltaje o corriente
que se requiera.
Las celdas fotovoltaicas están hechas de materiales especiales llamados
semiconductores tales como el silicio, que es el material más usado. Cuando la
luz solar choca en la celda una cierta porción de ella es absorbida dentro del
material semiconductor. Esto significa que la energía de la luz absorbida es
transferida al semiconductor. La energía golpea los electrones libres
permitiéndoles fluir libremente.
Todas celdas fv tienen uno o más campos eléctricos que actúan para forzar a
los electrones liberados por la acción de la luz para fluir en una cierta
dirección. Este flujo de electrones es una corriente y poniendo los contactos de
metal en la parte superior e inferior de la celda fv podemos dibujar la corriente
para usarla externamente. Esta corriente junto con el voltaje de celda, define la
potencia que puede entregar la celda solar.
El diagrama ilustra la operación de una celda fotovoltáica, llamada también
celda solar. Las celdas solares están hechas de la misma clase de materiales
semiconductores, tales como el silicio, que se usan en la industria
microelectrónica. Para las celdas solares, una delgada rejilla semiconductora
es especialmente tratada para formar un campo eléctrico, positivo en un lado y
negativo en el otro. Cuando la energía luminosa llega hasta la celda solar, los
electrones son golpeados y sacados de los átomos del material semiconductor.
Si ponemos conductores eléctricos tanto del lado positivo como del negativo
de la rejilla, formando un circuito eléctrico, los electrones pueden ser
capturados en forma de una corriente eléctrica -- es decir, en electricidad. La
electricidad puede entonces ser usada para suministrar potencia a una carga,
por ejemplo para encender una luz o energizar una herramienta.
El silicio tiene algunas propiedades químicas
especiales, sobre todo en su forma cristalina.
Un átomo de silicio tiene 14 electrones
dispuestos en tres capas diferentes. Las
primeras dos capas, las más cercanas al
centro están completamente llenas. La capa
exterior sólo está semi llena, por cuanto tiene
sólo cuatro electrones. Un átomo de silicio
siempre buscará llenar su última capa con 8
electrones. Para hacer esto compartirá cuatro
electrones de su átomo vecino. Este proceso
forma la estructura cristalina y esta
estructura resulta ser importante para este
tipo de celdas fv. Este silicio puro no sirve
como conductor, por eso se utiliza silicio con
impurezas. Normalmente se utilizan estructuras de silicio con fósforo ya que
este al tener 5 electrones, deja uno libre no atado a la estructura. Al aplicar
energía, por ejemplo en forma de calor, este electrón es liberado de su
posición más fácilmente que en una estructura de silicio puro. Este proceso de
agregar impurezas al silicio, se denomina Dopping. Cuando al silicio se le
hace doping con fósforo resulta un silicio llamado tipo-N, porque prevalecen
los electrones libres. El silicio tipo-N es mucho mejor conductor que el silicio
puro. Cuando al silicio se le hace doping con boro, el cual tiene 3 electrones
en la última capa, se denomina silicio tipo-P. El silicio tipo-P, en lugar de
tener electrones libres tiene huecos libres. Los huecos son ausencia de
electrones, llevando así carga opuesta a la del electrón, es decir carga positiva.
Estos se mueven igual como lo hacen los electrones.
Las celdas fv sin un campo eléctrico no funcionarían. Este campo eléctrico lo
podemos formar al poner en contacto un silicio tipo-N y un silicio tipo-P. En
la juntura se produce una barrera que hace dificil que los electrones del lado N
crucen hacia el lado P, tenemos un campo electrico que separa los 2 lados.
Este campo actúa como un diodo permitiendo con ayuda de la aplicación de
energía externa los electrones fluyan desde el lado P al N.
Cuando la luz en forma de fotón choca con nuestra celda, libera pares de
electrón-hueco. Cada fotón liberará exactamente un electrón dejando un
agujero libre. Si esto sucede lo bastante cerca del campo eléctrico, este hará
que se envie un electrón al lado N y un hueco al lado P. Esto provoca la
ruptura de la neutralidad eléctrica. Si además se le proporciona un camino
externo, los electrones fluirán hacia su lado original (Lado tipo-P) para unirse
con los agujeros.
Los electrones que fluyen constituyen la corriente y el campo electrico de la
celda constituye el voltaje. Con la corriente y voltaje tenemos la potencia de la
celda.
Energía solar que absorbe la celda fv
La mayoría de las celdas pueden absorber alrededor del 25% y con mayor
probabilidad 15% o menos. Esto es porque la luz visible es sólo una parte del
espectro electromagnético. Y la radiación electromagnética no es
monocromática. La luz puede ser separada en diferentes longitudes de onda.
La luz que golpea tiene fotones con una gran variedad de energía, resulta que
algunos no tienen la energía suficiente para formar el par electrón hueco.
Mientras que otros fotones tienen mucho más energía.
Sólo se requiere una cierta cantidad de energía medida en electrón-volt para
golpear un electrón libre (para el caso del silicio cristalino se requiere 1.1 eV).
A esto se le llama banda de intervalo de energía de un material.(band gap
energy)
La banda óptima de intervalo de energía es 1.4 eV para una celda hecha de un
material simple.
Existen otras pérdidas, como lo es la resistencia interna de la celda llamada
resistencia serie. Para minimizar estas pérdidas la celda es cubierta por un a
grilla metálica, sobre la grilla se coloca una cubierta antireflectiva y sobre esta
una cubierta de vidrio como protección. Esto reduce las pérdidas en un 5%.
Otros Materiales
Hoy en día, los dispositivos fotovoltaicos (FV) más
comunes usan una sola juntura o interfase para crear
un campo eléctrico dentro de un semiconductor, como
por ejemplo una celda FV. En una celda FV de una sola
juntura, solamente aquellos fotones cuya energía sea
igual o mayor a la del espacio interbanda del material
de la celda, pueden liberar un electrón para ser usado
en un circuito eléctrico. En otras palabras, la reacción
fotovoltaica de las celdas de una sola juntura está
limitada a la porción del espectro solar cuya energía
esté por encima del espacio interbanda del material
absorbente, y por tanto aquellos fotones con energías
más bajas no son utilizados.
Una manera de sortear esta limitación es usando dos (o
más) celdas diferentes, con más de un espacio de banda
y más de una juntura, para generar un voltaje. Este tipo de celdas son
conocidas como celdas "multijuntura" (también llamadas celdas "de cascada"
o "tandem"). Los dispositivos multijuntura pueden lograr una mayor eficiencia
de conversión total porque puedenconvertir una fracción más grande del
espectro luminoso en electricidad.
Como se muestra , un dispositivo multijuntura es
un conjunto de celdas individuales de una sola
juntura, colocadas en orden descendente de
acuerdo a su espacio de banda (Eg). La celda más
alta captura los fotones de alta energía y deja pasar
el resto de los fotones hacia abajo para ser
absorbidos por las celdas con espacios de bandas
más bajos.
Muchas de las investigaciones que se realizan en
la actualidad sobre celdas multijuntura están
enfocadas al uso del arseniuro de galio en uno (o
en todos) de los componentes de las celdas.
Tales celdas han alcanzado eficiencias de alrededor del 35% bajo luz solar
concentrada. Otros materiales estudiados para su uso en dispositivos
multijuntura son por ejemplo, el silicio amorfo y el diseleniuro de indio con
cobre.
Como ejemplo de esto, el dispositivo multijuntura que se muestra abajo,
utiliza una celda superior de fosfato de indio con galio, una juntura "de túnel"
para facilitar el flujo de electrones entre las celdas, y una celda inferior de
arseniuro de galio.
Materiales densamente cristalinos
Simple silicio cristalino--Rebanado desde simple cristal de silicio crecido,
estas celdas tienen un grosor de 200 micrones. La celda investigada ha
alcanzado un 24% de eficiencia, los módulos comerciales exceden el 15%.
Silicio Policritalino--Rebanado de bloques del molde de silicio, estas celdas
son menos caras para fabricar y menos eficientes que las celdas de simples de
cristal de silicio. Las celdas investigadas alcanzan un 18% de eficiencia y los
modulos comerciales alcanzan un 14%.
Redes Dendriticas--Una película de cristales simples de silicio sacado desde
Silicio fundido, como una burbuja de jabón, entre dos cristales dendríticos.
Arseniuro Galio (GaAs) Un material semiconductor III-V desde los cuales
hacen celdas FV de gran eficiencia, son usados en sistemas de concentradores
y en sistemas de potencia espacial. Investigaciones dicen que alcanzan 25% de
eficiencia bajo luz solar y 28% bajo luz solar concentrada. Las celdas de
multijuntura están basadas en GaAs y relacionadas con aleaciones III-V han
excedido el 30% de eficiencia.
Materiales de película delgada
Silicio Amorfo (a-Si) El silicio amorfo que es una estructura no cristalina.
Primer uso en materiales FV en 1974. En 1996, el silicio amorfo constituyó
más del 15% de la producción mundial de FV. Pequeños modulos
experimentales de Si-a superan el 10% de eficiencia, en los modulos
comerciales se alcanza un rango entre el 5-7%. Usado en productos de
consumo, el Si-a es la gran promesa para la construcción de sistemas
intergrados, reemplazando los vidrios tintados con modulos semitransparentes.
Telururo de Cadmio (CdTe) Una delgada película de material policristalino,
depositado por electrodeposición. Pequeños laboratorios se han acercado al
16% de eficiencia, y con un modulo comercial de tamaño (7200-cm2)
midieron 8.34% de eficiencia, y producción de modulos de 7%.
Diseleniuro de Cobre Indio(CuInSe2, or CIS) Una película de material
policristalino, el cual alcanza una eficiencia de 17.7%, en 1996, con un
prototipo modulo de potencia alcanza los 10.2%. La dificultad en tomar esta
tecnología es la dificultad de evitar la formación de defectos durante la
deposición que previenen la formación de capas uniformes.
Concentradores
El sistema de concentradores usa
lentes para focalizar la luz dentro de
las celdas solares. Los Lentes, con un
radio de concentración de 10x to
500x, típicamente focos lineales o
puntuales. Las celdas son usualmente
de silicio. Las celdas GaAs y otros
materiales tienen alta eficiencia
conversión a altas temperaturas, pero
ellos son muy caros. La eficiencia de
los modulos supera el 17%, y
concentradores están diseñados para
una eficiencia de conversión que
supera el 30%.
Los Reflectores pueden ser usados
para aumentar la salida de potencia, aumentando la intensidad de la luz en los
módulos, o prolongar su tiempo. Sistema de Concentradores: Las lentes no
pueden centrar la luz dispersada, limitando su uso de áreas, como áreas del
desierto, con un número substancial de días despejados en el año.
Novedades y aplicaciones
Siemens Solar Revela la Próxima Generación de Tecnología Fotovoltaica
El Grupo Siemens Solar, el fabricante más grande en el mundo de celdas y
módulos solares, anunció hoy la producción de una nueva familia de módulos
solares basados en la tecnología de capa delgada de diseleniuro de cobre –
indio (CIS – copper indium diselenide). Esta tecnología tiene claras ventajas
sobre sus competidores en términos de salida, eficiencia y confiabilidad.
Los primeros productos en ser mercadeados por Siemens Solar son módulos
de 5 vatios (ST5) y 10 vatios (ST10). Al poner los módulos ST5 y ST10 en
producción, Siemens Solar ha alcanzado un importante hito en sus planes de
manufactura. La producción y experiencia de campo con estos productos
formarán las bases para futura producción en volumen de módulos solares (40
vatios de energía pico) basados en tecnología CIS.
Con estos módulos relativamente pequeños, la tecnología CIS de Siemens
Solar ofrece una ventaja particular: el voltaje en circuito abierto de 18 a 25
voltios (comúnmente requerido para los módulos) puede ser obtenido a ningún
costo adicional a través del proceso de manufactura. En contraste, la
tecnología convencional de silicio cristalino envuelve el caro proceso de corte
y soldadura de celdas solares de modo que 36 celdas solares son creadas para
entregar el voltaje de circuito abierto necesario.
Siemens Solar ha estado trabajando por varios años en sus laboratorios
alemanes y estadounidenses en el desarrollo de una tecnología de capa
delgada que ahorre materiales y costos. La compañía ha concentrado sus
esfuerzos en CIS ya que esta tecnología entrega alta eficiencia al mismo
tiempo ahorra en costos de manufactura. La confiabilidad de CIS ha sido
satisfactoriamente probada en pruebas de campo por más de ocho años
conducidas por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) en
Golden, Colorado.
El costo de una celda fotovoltaica, la cual convierte luz solar directamente en
electricidad, depende grandemente de los materiales usados en su
construcción.
Hasta el presente, la industria solar ha usado casi
exclusivamente celdas solares basadas en obleas de silicio, las cuales son
cortadas de lingotes de silicio cristalino. Este método de manufactura, usado
por muchos años para producción en masa, es altamente material y
consumidor de energía. Además, el precio del silicio grado solar, la materia
prima usada por la industria fotovoltaica, se ha multiplicado más del triple
desde 1995 y continúa incrementándose.
A pesar de los esfuerzos para producir silicio grado solar barato, una solución
a largo plazo al problema de la materia prima requiere de una tecnología que
minimize el consumo de material.
Con los años, los investigadores en toda la industria fotovoltaica han enfocado
sus esfuerzos en desarrollar técnicas de manufactura de capa delgada que
reduzcan la cantidad de material semiconductor consumido en un factor de 50
a 100. No obstante, este reto se ha tornado considerablemente más difícil y
consumidor de tiempo que lo que se asumió originalmente.
Aplicaciones
Siemens Solar brinda sistemas y módulos
que están específicamente diseñados para
las necesidades críticas de la misión de las
compañías de telecomunicaciones.
Siemens y sus asociados tienen experiencia
con una gran variedad de sistemas de
telecomunicaciones, incluyendo
microondas, redes locales inalámbricas,
celulares/PCS, buscapersonas, redes, VSAT,
UHF/VHF de 2-vías, fibra óptica y
repetidoras de señales y comunicaciones
móviles.
Módulo Solar SM10
Tecnología PowerMax ®
Siemens es la propietaria de la
tecnología PowerMax ® , la cual
optimiza la producciónde
energía de las celdas
individuales y de los módulos
solares para todo tipo de
ambientes y condiciones.
PowerMax ® es un proceso de
optimización el cual incluye una
técnica especial de refinación
para los lingotes de silicio, y un
cuarto esterilizado para la
producción de semiconductores
para el proceso de optimización
en varias fases llamado TOPS™
(Texture Optimized Piramidal Surface). El proceso TOPS incorpora la
formación de superficies con textura piramidal en las celdas solares. Esta
pirámides son luego tratadas con oxidos especiales para pasivar la superficie
de las celdas y poder optimizar las
propiedades ópticas para obtener una
máxima absorción de fotones de luz
directa o indirecta. Esto da como
resultado una alta absorción de luz
solar, inclusive a muy bajos niveles de
iluminosidad. Las celdas Siemens
PowerMax ® suministran el máximo
de energía a lo largo del día.
Alta Calidad
Siemens Solar ha establecido altos estándares de calidad
y como resultado nuestras principales plantas de
producción están certificada por el ISO 9001. Revisiones
e inspecciones constantes garantizan una alta y
uniforme calidad. Cada módulo que sale de la línea de
producción está sujeto a minuciosas inspecciones
visuales, así como también a pruebas mecánicas y
eléctricas.
La hoja de datos del SM10
Celdas de combustible
¿De dónde vinieron las Celdas de Combustible?
La celda de combustible fue inventada por un juez Galés, Sir William Grove,
profesor de “the Royal Institution” en Londres. El creo la primera celda de
combustible, pero lamentablemente no logró una consistencia en el
desempeño de esta, se dedicó a buscar los componentes de la celda que
entregaran una corriente mas regular (ver el funcionamiento de la celda de
combustible), sin embargo, aunque no tuvo muchos resultados satisfactorios,
se dio cuenta de la importancia de la celda de combustible para la generación
estacionaria de energía . Si lo hubiesen tomado en serio, a estas horas la
historia de la humanidad habría sido totalmente distinta, posiblemente la
tecnología habría avanzado a paso más acelerado e incluso es posible que los
temas políticos económicos y sociales asociados al petróleo, habrían sido
bastante diferentes.
No fue hasta la década de los 60’s cuando el programa espacial de la NASA
eligió las celdas de combustible por encima de sistemas nucleares (mayor
riesgo) y sistemas solares (mayor costo) para proveer a las naves de energía.
Así las celdas de combustible han provisto de energía y agua a las misiones
espaciales hasta la fecha.
Hasta hace pocos años atrás la celda de combustible estaba limitada al uso
experimental en laboratorios, o en aplicaciones no convencionales como la
industria aerospacial, pero recientemente se ha desarrollado un creciente
interés en las celdas de combustible, y en sus aplicaciones en la generación de
energía estacionaria y en el área automovilística. Especialmente en esta ultima
sus posibles aplicaciones son muy llamativas, por ser una fuente de energía
100% limpia, lo que desplazaría a los motores de combustión interna, debido a
que estos son cada vez más exigidos en el control de emisiones.
Lamentablemente habrá que esperar que los autos impulsados por celdas de
combustible sean económicamente competitivos con el automóvil de
combustión interna. Para lograr esto, se esta desarrollando la tecnología
necesaria a lo largo de todo el mundo.
Específicamente, lo que hace que el desarrollo de la celda de combustible sea
tan importante es:
- La producción de dióxido de carbono y otros gases esta llevando al
calentamiento global, lo que podría llevar a catastróficas consecuencias.
- La combustión de combustible fósil produce una cantidad de gases
tóxicos para la salud, cosa que la celda de combustible no produce.
- La producción de petróleo será en el futuro cada vez más escasa a escala
mundial, dejando a pocos países ricos en este bien, como los únicos
productores, lo que podría repercutir en el precio de este.
Las Celdas de Combustible están hoy más cerca que nunca y están llamadas a
crear un mejor ambiente para la humanidad en los próximos años. Algún día
no muy lejano, estaremos en posibilidad de poner la basura y desperdicios en
el generador de metanol de nuestro auto y seguir nuestro viaje. Las celdas de
combustible no queman el combustible, simplemente aprovechan el contenido
de hidrógeno para llevar a cabo un proceso de electrólisis invertida, generando
una corriente eléctrica con gran eficiencia.
No más gasolina de alto octanaje, ni motor de arranque o sistema de
encendido, tampoco radiador ni combustión. Baja temperatura y prácticamente
ninguna emisión... bueno, si, las celdas de combustible producen una sola
emisión: agua pura.
El Ministerio Japonés de Comercio Internacional e Industria ha dado fondos al
NEDO, Organización para el Desarrollo de Nueva Energía y Tecnología
Industrial para que establezca un consorcio que desarrolle celdas de
combustible de metanol directo. El primer año la inversión ha sido de 4.4
millones y el proyecto es a seis años. Involucrados en este consorcio se hallan
grandes empresarios de: Nissan, Suzuki, y Mitsubishi entre otros.
Hiroshi Okuda, alto ejecutivo de Toyota ha informado a los periodistas que su
empresa estará poniendo en el mercado el primer vehículo de ese tipo tan
pronto como en 2003, un año antes que sus competidores norteamericanos
Daimler-Chrysler, Ford y General Motors. La Honda ha dicho que al menos
300 vehículos de esta nueva generación saldrán de sus lineas de producción en
2003. Estos autos serán basados en el auto eléctrico EV Plus que
recientemente descontinuaron, usarán metanol como combustible. La
infraestructura existente de gasolineras facilitará el abasto a estas unidades.
Varias residencias en la ciudad de Bend, Oregon serán desconectadas de la red
eléctrica convencional en los próximos meses para poder usar modelos
experimentales de generador eléctrico basados en celdas de combustible. Un
grupo de importantes empresas incluido un fabricante europeo de metanol,
están desarrollando estos experimentos de tipo residencial.
Avista, una compaña ubicada en Spokane, Washington, se encuentra ya en una
etapa de producción masiva y han recibido importante apoyo oficial. No es
remoto que pronto usted y yo tengamos en casa uno de esos sistemas como
alternativa al abasto de energía y agua pura.
Muchos vehículos experimentales ya han estado siendo probados en varias
partes del mundo. Entre ellos una camioneta de pasajeros Mazda, que ya lleva
cientos de miles de kilómetros en su odómetro, muchos autobuses, algunos en
Chicago y Canadá, asi como una creciente flota de transporte urbano ordenada
por algunos municipios de Londres, Inglaterra.
Hace poco, una empresa fabricante de montacargas industriales de Pensilvania
presentó un vehículo de esta nueva generación con planta de poder de 4 Kw.
desarrollada por la empresa aeroespacial Allied Signal. Algo muy importante
es sin duda el hecho de que esta nueva tendencia, usa diversidad de
energéticos, básicamente hidrógeno, el elemento más abundante en la Tierra y
que seguramente muy pronto será usado en forma directa.
Las celdas pueden consumir cualquier producto que contenga hidrógeno,
incluyendo: metanol, etanol, gas natural, gasolina o diesel. Estos combustibles
requieren el uso de un "reformador" que extrae el hidrógeno.
¿Qué es una celda de combustible?
En principio, una celda de combustible opera como una batería. Genera
electricidad combinando hidrógeno y oxígeno electroquímicamente sin
ninguna combustión. A diferencia de las baterías, una celda de combustible no
se agota ni requiere recarga. Producirá energía en forma de electricidad y calor
mientras se le provea de combustible.
Una celda de combustible consiste en dos electrodos separados por un
electrólito. Oxígeno pasa sobre un electrodo e hidrógeno sobre el otro. Cuando
el hidrógeno es ionizado pierde un electrón y al ocurrir esto ambos (hidrógeno
y electrón) toman diferentes caminos hacia el segundo electrodo. El hidrógeno
migra hacia el otro electrodo a través del electrólito mientras que el electrón lo
hace a través de un material conductor. Este proceso producirá agua, corriente
eléctrica y calor útil. Para generar cantidades utilizables de corriente las celdas
de combustibles son "amontonadas" en un emparedado de varias capas.
Las celdas de combustible son una familia de tecnologías que usan diferentes
electrólitos y que operan a diferentes temperaturas. Cada miembro de esa
familia tiende a ser más apropiada para ciertas aplicaciones. Por ejemplo, las
celdas de combustible de membrana eléctrica polimérica han demostrado ser
apropiadas para su aplicación en autos, mientras que las celdas de combustible
de carbonatos fundidos parecen ser más apropiadas para uso con turbinas a
gas.
¿Qué tipo de combustibles pueden usarse en Celdas de Combustible?
Las celdas de combustible permiten promover una diversidad de energía y una
transición hacia fuentes de energía renovables. Así, una variedad de distintos
combustibles pueden ser usados en éstas, combustibles tales como hidrógeno,
metano, etano, gas natural así como gas licuado (LPG). La energía también
podría ser provista a partir de biomasa, sistemas eólicos ó bien solar.
Actualmente las hay que funcionan con gas producido en los rellenos
sanitarios (tiraderos de basura de las ciudades), plantas de tratamiento de
aguas negras, etc.
Mas en detalle:
1. Al ánodo las moléculas de
hidrógeno pierden sus electrones y
forman iones de hidrógeno, un
proceso que se hace posible por
medio de catalizadores de platino.
2. Los electrones se traspasan al
cátodo a través de un circuito
externo que produce electricidad al
pasar por un motor (u otro
mecanismo eléctrico).
3. Los iones de hidrógeno pasan al
cátodo por la membrana de
intercambio protónico, donde se
unen con las moléculas de oxígeno
y electrones para producir agua.
4. De esta manera, se utiliza el
proceso natural de producción de
agua por medio de la oxigenación
de hidrógeno, para producir
electricidad y trabajo útil.
5. No se produce ninguna
contaminación y los únicos
desechos son agua y calor.
6. El proceso químico es:
Ánodo: 2H2 --> 4H+ + 4eCátodo: 4e- + 4H+ + O2 --> 2H2O
Reacción Completa: 2H2 + O2 --> 2H2O
La necesidad de diseñar dispositivos para producir energía de
forma más eficiente y, en consecuencia, menos contaminantes, ha
impulsado el desarrollo de nuevas tecnologías o la implantación de
tecnologías existentes. La generación de energía con mayor eficiencia
(sin limitaciones del ciclo de Carnot), la mejor adaptación para
proteger el medio ambiente y mayor flexibilidad en el uso y consumo
de combustibles; hacen de las celdas de combustible dispositivos cada
vez más competitivos con las tecnologías convencionales de
producción de energía. Se prevé que se usen estos dispositivos no
sólo en estaciones generadoras de potencia, sino también en
aplicaciones para vehículos y como dispositivos para reemplazar las
baterías. En la actualidad, las compañías automotrices en conjunto
con las encargadas de fabricar y comercializar celdas de combustible
realizan importantes desarrollos para colocar este tipo de vehículos en
el mercado para el los años 2003-2004. Se espera que la
comercialización masiva de este tipo de vehículos comenzará a partir
del período 2006-2008.
Por otro lado, las características propias de las celdas de
combustible las convierten en dispositivos altamente ventajosos en la
producción combinada de potencia y calor para aplicaciones
estacionarias.
Se estima que para el año 2020 el consumo de energía en el
mundo representará tres veces el consumo de energía del año 1970
[1]. Este incremento energético producirá un impacto importante desde
el punto de vista ambiental. La implantación de los acuerdos
establecidos en Kyoto sobre regulaciones ambientales puede afectar
el crecimiento energético de los países industrializados. Por lo tanto,
se ha planteado la necesidad de desarrollar dispositivos para producir
energía de forma más eficiente y, como consecuencia, menos
contaminante. Dentro de éstos se encuentran las celdas de
combustible (CC), las cuales son dispositivos electroquímicos que
normalmente convierten la energía química de las reacciones de
oxidación de un combustible y de reducción de un oxidante en energía
eléctrica (corriente directa) y calor.
A diferencia de las baterías, una CC no se agota ni requiere
recarga, producirá energía en forma de electricidad (altas densidades
de potencia y largos tiempos de duración) y calor mientras se le
provea de combustible. La generación de electricidad es producto de
una reacción catódica (reducción del oxígeno) y una reacción anódica
(normalmente oxidación del hidrógeno). En este caso, el único
subproducto que se genera es agua 100% pura como se muestra en
las reacciones (1), (2) y (3). Existen diferentes tipos de celdas de
combustible, las cuales operan a bajas temperaturas (70-210°C) y
altas temperaturas (550-1100°C), y se prevé que se usen, no sólo en
estaciones generadoras de potencia, sino también en aplicaciones
para vehículos y como dispositivos para reemplazar las baterías.
Reacción anódica: H2 2H+ + 2e-
(1)
Reacción catódica: 1/2O2 + 2e- + 2H+ H2O
(2)
Reacción global: H2 + 1/2O2 H2O
(3)
Principio de la celda de combustible
Los elementos básicos de una celda de combustible se muestran
en la Fig. 1. Esta consta de un electrolito (conductor iónico), el cual
puede ser sólido o líquido (membrana polimérica protónica, solución
de KOH o solución de H3PO4), íntimamente en contacto con un ánodo
poroso (electrodo negativo) y un cátodo poroso (electrodo positivo,
normalmente referido como electrodo de aire o electrodo de oxígeno).
Los gases combustibles y oxidantes fluyen a través del ánodo y
cátodo, respectivamente, y reaccionan electroquímicamente en la
región
límite
donde
se
encuentran
las
tres
fases,
gas/electrolito/interfase electrodo poroso.
Existen diversas razones que han impulsado la implantación de las
celdas de combustible, entre las cuales podemos citar las siguientes:
(i)
altas eficiencias en vista de que no existen limitaciones
termodinámicas del ciclo de Carnot,
(ii) bajas emisiones de contaminantes, lo que se traduce en una
ventaja desde el punto de vista ambiental,
(iii) componentes con larga duración y bajos costos de
mantenimiento (materiales reciclables),
(iv) beneficios en la generación de energía y en el transporte
automotor (muy bajas fluctuaciones de voltaje),
(v) amplios intervalos de energía (pocos vatios hasta cientos de
megavatios) y
(vi) diversificación del suministro de energía global.
Consideraciones termodinámicas
Para el caso de un convertidor electroquímico trabajando
idealmente, se ha demostrado que la energía química de la reacción
puede ser convertida totalmente en energía eléctrica en un solo paso.
La eficiencia termodinámica de un convertidor electroquímico se
puede calcular a partir de la relación entre la energía libre (DG) y la
entalpía (DH).
En términos generales, los valores de eficiencias termodinámicas
se encuentran muy cercanos al 100%, inclusive este valor podría ser
en algunos casos igual o superior al 100%. Esto en vista del tipo de
cálculo que se realiza. Al mismo tiempo, se observa que las eficiencias
teóricas (termodinámicas) para las celdas de combustible de H2 como
combustible y O2 como oxidante son altas, inclusive a bajas
temperaturas. En máquinas de combustión interna, las eficiencias son
muy bajas inclusive a altas temperaturas y es necesario aumentar las
temperaturas considerablemente para obtener, desde el punto de vista
termodinámico, eficiencias razonables (del orden del 40%). Por ello,
desde una visión termodinámica, las CC son mucho más eficientes
que las máquinas de combustión interna.
La eficiencia total o real de las CC es superior a cualquier otro
sistema de combustión interna.
Esta eficiencia se puede obtener experimentalmente
dependiendo de su diseño. En general, se observa que las celdas de
combustible presentan eficiencias superiores al resto de los
dispositivos electroquímicos .
Consideraciones ambientales
Las presiones de grupos ambientalistas, eventos internacionales,
gobiernos, y la opinión pública sobre emisiones generadas por
combustibles fósiles y su relación con el efecto invernadero sobre el
calentamiento global del planeta, están influenciando notablemente la
generación de nuevas líneas de investigación y desarrollo (I y D) en
tecnologías para generar energía limpia y más eficiente.
La Conferencia de Kyoto celebrada en 1997 en Japón marcó una
pauta en la reducción de emisiones, y en ella se estableció para 2010
una reducción de un 26% con respecto a lo esperado para ese año,
según la tendencia actual . Este nuevo escenario demanda nuevas
tecnologías que produzcan energía eficiente para poder reducir las
emisiones. La reducción en la emisión de contaminantes en relación
con la cantidad de energía (MWh) producida oscila entre 30-50%, lo
que convierte a la celda de combustible en el dispositivo
electroquímico adecuado para las nuevas exigencias energéticas y
ambientales.
La posición de la compañía Mobil en un informe publicado sobre
cambios climáticos y reducción de emisiones de CO2, expone
claramente cuáles son las tecnologías utilizadas en el sector del
transporte terrestre . En la Fig. 2 se visualizan las eficiencias actuales
y futuras consideradas en todas las etapas del proceso, en la que se
resalta la ventaja de la CC sobre otros desarrollos.
Definitivamente, en términos de emisiones, las CC representan
ventajas competitivas para aplicaciones estacionarias y vehiculares.
Clasificación de las celdas de combustible
Existen por lo menos cinco tipos de celdas de combustible
diferentes, según el tipo de electrolito empleado y la temperatura de
operación. Desde el punto de vista de la temperatura, podemos
clasificarlas en celdas de bajas y altas temperaturas.
Celdas de combustible que operan a bajas temperaturas (70°C-210°C)
Dentro de las celdas que operan a bajas temperaturas (70°C-210°C)
se distinguen fundamentalmente cuatro tipos de celdas:
(i)
CC con electrolito sólido de membrana protónica ("solid
polymer fuel cell", SPFC o "protonic exchange membrane",
PEM),
(ii)
CC con electrolito acuoso básico ("alkaline fuel cell",AFC),
(iii)
CC de ácido fosfórico ("phosphoric acid fuel fell",PAFC) y
(iv)
CC de metanol ("direct methanol fuel cell", DMFC).
Existe una CC que opera a bajas temperaturas, pero que emplea
una solución de metanol/agua como combustible (DMFC). El principio
es básicamente el mismo al descrito en la Fig. 1 para las CC del tipo
SPFC. Sin embargo, en este caso el metanol se oxida en presencia de
un electrocatalizador apropiado (normalmente de Pt-Ru) para producir
CO2 y átomos de hidrógeno cargados positivamente (H+) (reacción
(4)), los cuales difunden a través de la membrana polimérica para
reaccionar con el oxígeno y producir H2O (ecuación (5)). En la
reacción global (reacción (6)), se observa que los productos de
reacción son CO2 y H2O.
Reacción anódica:
CH3OH + H2O 6H+ + 6e- + CO2
(4)
Reacción catódica:
3/2O2 + 6e- + 6H+ 3H2O
(5)
Reacción global:
CH3OH + 3/2O2 2H2O + CO2
(6)
Sin embargo, la celda de combustible que emplea H3PO4 como
electrolito alcanza una temperatura de operación que oscila entre
180°C y 210°C. En términos generales, los electrodos están
constituidos de un material electrocatalítico (normalmente platino)
disperso en matrices conductoras como carbón y con especies
hidrofóbicas como Nafión para evitar la acumulación de agua. Los
catalizadores de Pt-Ru evitan el envenenamiento en presencia del CO,
característica que ha permitido su uso actualmente . Las membranas
protónicas desarrolladas por Dupont (Nafion) han sido las más
empleadas hasta la fecha, aunque se ha demostrado que no son las
más eficientes.
La Tabla 1 señala que el aumento en las presiones de operación
(oscilan entre 1 y 10 atmósferas) no influye sobre la eficiencia o
rendimiento de estas celdas. En el caso particular de celdas con
membranas (SPFC), se recomienda emplear presiones cercanas a las
atmosféricas. Adicionalmente, las del tipo AFC presentan las mayores
eficiencias eléctricas. A excepción de la DMFC, la cual emplea
metanol como combustible, todas las celdas que operan a bajas
temperaturas emplean H2 como combustible.
Celdas de combustible que operan a altas temperaturas (550°C1100°C)
Entre las celdas de este tipo están:
(i)
CC con electrolito sólido de sales fundidas
carbonato("molten carbonate fuel cell",
MCFC) y
de
(ii)
CC con electrolito sólido de óxidos ("solid oxide fuel cell",
SOFC).
En celda de combustible de alta temperatura con electrolito sólido
de sales fundidas de carbonato (MCFC), el funcionamiento de la celda
difiere de las que operan a bajas temperaturas, descritas
anteriormente. Aquí, el oxidante, generalmente O2, es introducido en
el compartimiento catódico donde se hace reaccionar con el CO2 en
presencia de electrocatalizadores apropiados para producir iones
CO3= (reacción (7)), los cuales migran a través del electrolito (sales
fundidas de carbonato) hacia el compartimiento anódico para
reaccionar con los combustibles H2 o CO (reacciones (8) y (9)),
también en presencia de electrocatalizadores apropiados. En cuanto a
que el combustible sea un hidrocarburo gaseoso como el CH4, éste
puede ser reformado internamente en la celda, por las altas
temperaturas y en presencia de catalizadores apropiados, para
producir el H2 necesario y reaccionar con el CO3= proveniente del
cátodo. Por supuesto que la eficiencia para la generación de
electricidad es mucho mayor cuando se reforma el combustible
(internamente en la CC (aprovechamiento de calor)). En las
reacciones (10) y (11), se muestra que los principales productos
obtenidos son CO2 o H2O, lo cual dependerá del combustible
empleado.
Reacción catódica:
O2 + 2CO2 + 4e- 2CO3=
(7)
Reacciones anódicas:
2H2 + 2CO3= 2H2O + 2CO2 + 4e2CO + 2CO3= 4CO2 + 4e-
(8)
(9)
Reacciones globales:
2H2 + O2= 2H2O
2CO + O2 = 2CO2
(10)
(11)
Tipos de celdas de combustible
Ácido fosfórico (PAFCs). Este es el tipo de celda de combustible más
desarrollado a nivel comercial y ya se encuentra en uso en aplicaciones tan
diversas como clínicas y hospitales, hoteles, edificios de oficinas, escuelas,
plantas eléctricas y una terminal aeroportuaria. Las Celdas de Combustible de
ácido fosfórico generan electricidad a más del 40% de eficiencia – y cerca del
85% si el vapor que ésta produce es empleado en cogeneración – comparado
con el 30% de la más eficiente máquina de combustión interna. Las
temperaturas de operación se encuentran en el rango de los 400F. Este tipo de
celdas pueden ser usadas en vehículos grandes tales como autobuses y
locomotoras.
Polímero Sólido ó Membrana de Intercambio Protónico (PEM). Estas
celdas operan a relativamente bajas temperaturas (unos 200F), tienen una
densidad de potencia alta, pueden variar su salida rápidamente para satisfacer
cambios en la demanda de potencia y son adecuadas para aplicaciones donde
se requiere una demanda inicial rápida, tal como en el caso de automóviles.
De acuerdo con el Departamento de Energía de los Estados Unidos, "son los
principales candidatos para vehículos ligeros, edificios, y potencialmente para
otras aplicaciones mucho más pequeñas como el reemplazamiento de baterías
recargables en vídeo cámaras".
Carbonato Fundido (MCFCs). Las Celdas de Combustible de Carbonato
Fundido prometen altas eficiencias combustible-electricidad y la habilidad
para consumir combustibles base carbón. Esta celda opera a temperaturas del
orden de los 1,200F. La primera pila de carbonato fundido a gran escala ha
sido ya probada y algunas unidades para demostración están siendo
terminadas para su prueba en California en 1996.
Óxido Sólido (SOFCs). Otra Celda de Combustible altamente prometedora,
la Celda de Combustible de Óxido Sólido, podría ser usada en aplicaciones
grandes de alta potencia incluyendo estaciones de generación de energía
eléctrica a gran escala e industrial. Algunas organizaciones que desarrollan
este tipo de celdas de combustible también prevén el uso de estas en vehículos
motores. Una prueba de 100kW está siendo terminada en Europa mientras que
dos pequeñas unidades de 25kW se encuentran ya en línea en Japón. Un
sistema de Óxido Sólido normalmente utiliza un material duro cerámico en
lugar de un electrólito líquido permitiendo que la temperatura de operación
alcance los 1,800 grados F. Las eficiencias de generación de potencia pueden
alcanzar un 60%. Un tipo de Celda de Combustible de Óxido Sólido utiliza un
arreglo de tubos de un metro de longitud mientras que otras variaciones
incluyen un disco comprimido semejando la parte superior de una lata de
sopa.
Alcalinas. Utilizadas desde hace mucho tiempo por la NASA en misiones
espaciales, este tipo de celdas pueden alcanzar eficiencias de generación
eléctrica de hasta 70%. Estas celdas utilizan hidróxido de potasio como
electrólito. Hasta hace poco tiempo eran demasiado costosas para aplicaciones
comerciales pero varias compañías están examinando formas de reducir estos
costos y mejorar la flexibilidad en su operación.
Otras Celdas de Combustible. Nuevos miembros de la familia de Celdas de
Combustible, tales como las de Metanol Directo, pueden surgir como
resultado del presente trabajo llevado a cabo en laboratorios privados y
gubernamentales.
Las tipo AFC han demostrado ser muy exitosas principalmente
para aplicaciones espaciales y militares, sin embargo, sus elevados
costos y el uso del electrolito alcalino han limitado su uso.
Recientemente, la National Aeronautics and Space Administration
(NASA) trabaja para utilizar las tipo SPFC en sus programas
espaciales.
Las características de las celdas de combustible las convierten en
dispositivos altamente ventajosos en la producción combinada de potencia y
calor para aplicaciones estacionarias. La selección de la celda apropiada
dependerá de los niveles de potencia y calor que se requieran.
Para aplicaciones residenciales, donde los requerimientos de un
hogar en horas picos son de 5 kW de potencia, las celdas del tipo
SPFC, PAFC y SOFC se presentan como las idóneas en vista de que
pueden suministrar electricidad, agua caliente y el calor necesario para
satisfacer los requerimientos generales de una residencia,
restaurantes y algunos hoteles (2-50 kW) con eficiencias totales de
hasta un 90%. Las MCFC no aplican para pequeñas instalaciones
debido a la complejidad de los equipos que necesitan para recircular el
CO2.
Se prevé la utilización de celdas de combustible a muy corto
plazo en la producción combinada de potencia y calor en aplicaciones
estacionarias de gran escala en sectores
comerciales, industriales y públicos. Para estas aplicaciones a gran
escala, las del tipo SPFC, PAFC, MCFC y SOFC se visualizan como
ideales. Sin embargo, las tipo SPFC están limitadas por sus bajas
temperaturas de operación. Las PAFC presentan mayores
aplicaciones comerciales en las que se requieren bajas temperaturas
de calentamiento (agua caliente y vapor).
Por su parte, las celdas de alta temperatura, MCFC y SOFC, son
ideales para aplicaciones industriales que necesiten altas
temperaturas. En general, se observa que las celdas de combustible
compiten bastante bien con las tecnologías de máquina Diesel y
turbina a gas para aplicaciones comerciales a gran escala y con
turbinas a gas para aplicaciones industriales.
Aplicaciones
Las aplicaciones se ven condicionadas por el tipo de combustible
que ha de ser utilizado por la celda, siendo el H2 el combustible
preferido. Esta condición requiere una infraestructura de distribución y
suministro, la cual no existe y cuyo desarrollo necesita una inversión
importante de capital y tiempo. El H2 puede obtenerse
fundamentalmente de la reformación de combustibles que contienen
átomos de hidrógeno (CH4, gasolinas, metanol, querosén y Diesel), o
a partir de la electrólisis del agua . La diversidad en los diferentes tipos
de celdas que operan a altas y bajas temperaturas, nos permite
pensar en cualquier posibilidad, ya sea empleando directamente
combustibles como H2, metanol, gas natural (CH4) y CO, o
empleando reformadores para la generación de H2 suficientemente
puro a partir de combustibles como CH4, gasolinas, metanol, querosén
y Diesel.
Transporte terrestre
Las regulaciones ambientales han fomentado la formación de
alianzas estratégicas entre compañías dedicadas a la fabricación de
vehículos, centros de investigación reconocidos, compañías dedicadas
a la fabricación de celdas de combustible y compañías petroleras. Las
diferentes alianzas conformadas han impulsado el desarrollo en celdas
de combustible donde también se ha observado la participación
importante de corporaciones petroleras.
La compañía Ballard, mayor fabricante de celdas de combustible
tipo SPFC para aplicaciones vehiculares, ha conformado un esquema
estratégico de comercialización, el cual involucra a las compañías
Ford Motor Company y Daimler-Chrysler, fabricantes de vehículos
automotores.
Los estados de California e Illinois en los Estados Unidos de
América y British Columbia en Canadá han sido pioneros en
programas orientados a probar vehículos con CC. California requiere
que la industria automotriz esté lista para sustituir el 10% del parque
automotor con vehículos eléctricos con cero emisión.
De no lograrse dicha meta, los fabricantes de vehículos
automotores serán penalizados con $5.000 por vehículo que no
cumpla la meta. Es inminente que en el caso de que el combustible
empleado en el Estado de California sea el metanol, se requerirá una
producción masiva de este combustible y el desarrollo de una
infraestructura adecuada. Para alcanzar las metas Daimler-Chrysler y
Ford se asociaron con Shell y productores de metanol de California.
Toyota para competir con esta alianza, se asoció con General Motors,
Exxon y Mobil.
Las compañías fabricantes de vehículos automotores Honda y
Volkswagen anunciaron recientemente acompañar a Ford y DaimlerChrysler, así como a las petroleras ARCO, Shell y Texaco, la
fabricantes de celdas de combustible Ballard Power Systems y el
Estado de California de los EE.UU. (California Air Resources Board y
California Energy Commision) en el consorcio California Fuel Cell
Partnership. El principal objetivo de este consorcio es un programa de
colaboración, que probará vehículos con CC bajo condiciones reales
de manejo. Para este objetivo se emplean CC de hidrógeno del tipo
SPFC.
El programa tiene previsto colocar alrededor de 50 vehículos de
celdas de combustible en las calles de California durante los años
2000 y 2003. Al mismo tiempo, el consorcio evaluará la infraestructura
y la tecnología para el empleo de gasolina como fuente de hidrógeno
que alimente la celda de combustible. La mayor contribución de Shell
en este consorcio será a través del uso de su tecnología de oxidación
parcial catalítica, la cual ha demostrado convertir combustibles líquidos
en un gas rico en hidrógeno.
Las celdas de combustible para aplicaciones vehicularestendrán su
primera aplicación masiva en el transportepúblico. Por otro lado, la
implantación masiva del transporte público con H2 a bordo podría representar
una amenaza para las compañías petroleras, mas aun cuando el H2 podría
estar produciéndose electroquímicamente a partir de soluciones acuosas.
Daimler-Chrysler exhibió un nuevo prototipo de vehículo de
pasajero (NECAR V, New Electric Car) en EE.UU. considerado como
la última innovación en vehículos con celda de combustible . La
compañía anunció haber gastado MMM$1,4 para tener una versión del
Mercedes-Benz clase A con celda de combustible disponible para su
producción comercial en 2004. Este vehículo de cinco puestos está
conformado por una celda de combustible del tipo SPFC de 70 kW de
potencia, fabricada por Ballard Power Systems.
Desarrollo de vehículos hasta el 1999
Ejemplo de vehículo fabricado
NECAR 5: el Coche con Celda de Combustible más Moderno en el Mundo.
 Coche que utiliza una Celda de Combustible Metanol adecuado para el
uso normal.
 Casi logra casi eliminar la emisión de contaminantes a la atmósfera.
 Sistema Híbrido, que combina diferentes tecnologías para obtener
mejores beneficios.
Se ofrece movilidad con bajo impacto ambiental vehículos de a base de Celdas
de Combustible
Incremento de potencia por 50 %
Berlín - NECAR 5 es un vehículo accionado por una celda de combustible a
base de metanol, adecuado para el uso normal. DaimlerChrysler lo usa para
demostrar la viabilidad técnica de esta tecnología. El atractivo vehículo
alcanza velocidades de más de 150 kilómetros por hora. El sistema entero de
la la celda de combustible ha sido instalado por primera vez en en interior de
un Mercedes Benz KlaSse A. El vehículo por lo tanto proporciona tanto
espacio como un Mercedes Benz Klasse A convencional.
"La celda del combustible puede asegurar la movilidad de sostenible,” Dice el
Profesor Dr. Ferdinand Panik, el director del Proyecto de la Celda del
Combustible en DaimlerChrysler. "Eso significa una clase nueva de la
movilidad independiente de petróleo, basado en fuentes renovables de energía
en el a largo plazo, y altamente compatible con el ambiente. Con NECAR 5,
hemos logrado un paso substancial que nos acerca a nuestra meta de
desarrollar un coche con celda del combustible adecuado para el transporte
diario.”
El nuevo sistema a base de metanol -- más pequeño y más poderoso.
NECAR 5 es la evolución tecnológica de NECAR 3. En 1997,
DaimlerChrysler usó NECAR 3 en mostrar por primera vez que el hidrógeno
para la celda del combustible se puede producir abordo del vehículo por medio
de metanol (que es un medio de almacenamiento de hidrógeno en forma
líquida), o para ponerle otra manera, con hidrógeno (MH2) "metanolizado”.
Metanol es una manera ideal de almacenar hidrógeno: es líquido en
temperaturas normales de ambiente, así que se puede manejar y distribuir de
un modo similar que la gasolina o el diesel. En la celda del combustible, el
hidrógeno "metanolizado” se combina con oxígeno en una reacción que
produce energía eléctrica, que se utiliza para alimentar un motor eléctrico. De
allí viene el termino de tecnología híbrida, al combinar ambos sistemas.
En el NECAR 3, el sistema de propulsión -- inclusive el convertidor de
metanol a hidrógeno -- era todavía muy voluminoso. En apenas tres años, los
ingenieros han triunfado al reducir el tamaño del sistema a la mitad y
adaptarlo abajo del piso de de un Mercedes Benz Klasse A. De la misma
manera se ha logrado reducir el peso del sistema, y por lo tanto el peso del
coche, por abajo de 300 kilogramos.
Esta reducción en el peso mejora ambos la dinámica del manejo y la
aceleración, que se beneficia también por el motor mejorado. El sistema de
propulsión del NECAR 5 no sólo es más compacta pero también 50% más
poderoso que su precursor. Mientras NECAR 3 requiriere dos grupos de la
celdas de combustible para generar 50 kilovatios de energía eléctrica, ahora en
el NECAR 5 una sola celda de combustible ahora genera 75 kilovatios.
Aunque el NECAR 5 es un vehículo experimental más pesado que un coche
convencional, utiliza la energía de su combustible 25 % más eficientemente.
Los ingenieros de desarrollo han usado también las materiales más
económicos.
Como coche eléctrico, NECAR 5 tiene algunas ventajas inherentes y
convenientes: se maneja muy silenciosamente y responde bien, no necesita
palanca para el cambio de velocidades, y los cambios de aceite son una cosa
del pasado.
Dependiendo del tipo de combustible que utilicen, los vehículos de celda de
combustible son o extremadamente bajos en emisiones atmosféricas o emisión
liberta. Si el vehículo funciona a base de hidrógeno contenido en un tanque en
su interior, la única emisión al ambiente es vapor de agua. Pero almacenar el
hidrógeno en su forma gaseosa ocupa mucho espacio y presenta riesgos, por lo
que desarrollar la infraestructura necesaria sería mucho mas costoso. El
hidrógeno directamente como combustible resulta mejor alternativa para flotas
de vehículos, tal como autobuses o vehículos de servicios de entrega, que
reciban mantenimiento en ubicaciones centralizadas.
Para transporte personal o individual DaimlerChrysler considera como mejor
alternativa el hidrógeno "metanolizado”. Metanol se podría vender y
distribuir por una red de estaciones de combustible similar a las que usamos
hoy día para gas o gasolina. Las emisiones del escape de vehículos
"metanolizados” a base de celda de combustible de hidrógeno son mucho
menores que los mas eficientes motores de combustión interna.
El uso de vehículos que utilizan la celda de combustible a base de metanol
podría reducir las emisiones del bióxido de carbono (CO2) a menos de un
tercio y las emisiones responsables de la formación de "smog" o
contaminación atmosférica urbana a casi cero.
Metanol se puede producir como una fuente renovable de energía de la
biomasa o del gas natural, que a menudo se quema como un producto de
desecho de la producción de petróleo y es todavía disponible en muchas
regiones alrededor del mundo.
Los ingenieros de desarrollo ahora conducirán las pruebas extensas con
NECAR 5 para reunir los datos para la optimización adicional del vehículo.
¿A dónde nos lleva todo este esfuerzo? El Dr. Panik responde: "El sistema de
propulsión de la celda del combustible todavía está en la etapa del desarrollo.
Sin embargo, en unos pocos años tendrá que ser capaz de competir en todos
aspectos con el motor interno convencional de la combustión interna -- e
incluso ser superior en términos de comodidad, eficiencia y protección al
medio ambiente".
Otros ejemplos:
Especificaciones:
Combustible..................................................................Membrana de Intercambio Protónico
Potencia de la Celda de Combustible........................9.0 kW @ 600mV/celda (12.2 caballos)
Cantidad
de
Celdas..........................................................................................96
Temperatura Operativa de la Celda de Combustible............................50-65° C (120-150° F)
Presión de Almacenaje de Gas...............................................................................21,000 kPa
Volumen del Tanque de Hidrógeno.........................................................................31.1 litros
Alcance...............................................................................................................48 kilómetros
Tiempo Requerido para Rellenar el Tanque............................................................2 minutos
Potencia del Motor Eléctrico..................................................................7.5 kW (10 caballos)
Velocidad Máxima..............................................................................56 kilómetros por hora
Fabricante Original del Vehículo Convertido......................................Kewet (de Dinamarca)
GENERAL MOTORS PRESENTA LA GEN III
GM presentó la primera celda de combustible que extrae hidrógeno de la
gasolina. Este avance puede acelerar la implementación de este tipo de autos
eléctricos. General Motors develó el día de hoy, martes, la primera celda de
combustible que funciona con gasolina. Montada en una pickup S-10, la celda
de nombre Gen III, procesa la gasolina para obtener el hidrógeno necesario
para generar la electricidad que impulsa a este tipo de autos. Larry Burns,
vicepresidente de investigación y desarrollo de GM, comentó al respecto que
“el año pasado prometimos que en un año tendríamos un procesador de
gasolina sumamente eficiente y pequeño. Hoy, al usarlo con nuestra celda de
combustible, logramos una eficacia en la obtención de energía del 40 por
ciento, lo que representa una mejora del 50% en comparación a los motores
convencionales de combustión interna”. La gran diferencia con el resto de las
celdas de combustible es que para funcionar, éstas necesitan que se les
suministre hidrógeno puro u obtener este elemento del metanol, algo que ya
no es necesario gracias al procesador de gasolina. Y la gran ventaja, en
palabras de Burns, es que “actualmente no encuentras metanol o hidrógeno en
cualquier gasolinería. Crear una infraestructura así costaría miles de millones
de dólares”. Esto reduce enormemente los costos de implementación de esta
nueva tecnología, uno de los principales problemas de los avances
tecnológicos; de tal modo que podríamos verla funcionando en esta década.
La celda de combustible montada en la S-10 produce 25 kW, algo así como 33
HP.
Zafira Opel, la marca europea de GM
El vehículo Hydrogen 1 está basado en el modelo Zafira, el monovolumen
compacto de gran éxito de Opel, la marca europea de General Motors.
Internacional del Automóvil de Detroit, la Corporación General Motors
presentó su vehículo Hydrogen 1. Basado en el modelo Zafira, el
monovolumen compacto de gran éxito de Opel, la marca europea de GM. Este
vehículo de Celda de Combustible Hydrogen 1 es un auto de diseño avanzado,
para uso en carretera, que muestra el progreso realizado hasta ahora en la
tecnología de la Celda de Combustible. Este cinco plazas va propulsado por
un motor eléctrico trifásico de 75CV/55KW. La corriente eléctrica la genera
un bloque de celda de combustible que consume hidrógeno puro. GM
considera la transformación a bordo de la gasolina como la etapa intermedia
más viable en el camino hacia vehículos de celda de combustible totalmente
desarrollados. La celda de combustible Hydrogen 1 produce emisiones que de
ninguna forma resultan contaminantes. Fue desarrollada por el Centro Global
de Propulsiones Alternativas de GM, centro formado en 1998 que actualmente
emplea a casi 300 personas en Alemania y Estados Unidos. El Hydrogen 1 fue
sometido a un programa de evaluación muy severo en el centro de prueba de
Opel, en Dudenhofen, Alemania y fue utilizado como auto para marcar el
ritmo en la carretera de maratón en los Juegos Olímpicos de Sydney. Su
bloque de celda de combustible resulta tan compacto como un motor
convencional de gasolina o diesel. Su potencia continua es de 109CV y la
potencia máxima alcanza a los 163 CV. Los equipos de investigación de GM
han efectuado, asimismo, un descubrimiento decisivo en lo que respecta a la
puesta en marcha a baja temperatura: en ensayos especiales, se ha demostrado
repetidamente que el bloque de celda de combustible era capaz de poner el
vehículo en marcha a temperaturas de hasta 40 grados centígrados bajo cero.
Los hitos técnicos incluyen un mayor tiempo de circulación del vehículo antes
de necesitar una recarga (ahora es de 400 km) y el potencial de rendimiento de
la pila de celdas de combustible. La pila consiste de 200 celdas individuales
dispuestas en serie y que sólo miden 590 x 270 x 500 milímetros (largo x
ancho x altura), haciéndola tan compacta como un motor convencional naftero
o diesel. Su potencia continua es de 80 kW (1 09 HP) y su potencia máxima es
de 120 kW (163 HP).