Una energía eficiente y limpia para las Telecomunicaciones

Una energía eficiente y limpia para las Telecomunicaciones
J.R. Jurado, E. Chinarro y B. Moreno
Tribuna
Conozca en este artículo los fundamentos y las propiedades y aplicaciones de una fuente de energía eficiente y limpia para el sector de las telecomunicaciones: las pilas
de combustible.
Descargar archivo de audio (12:17 min / 2,81 Mb) Introducción Hace centenares de millones de años nuestro planeta generó los actuales yacimientos de petróleo y gas
natural, una valiosa y magnífica herencia que estamos despilfarrando con una eficacia rayana en la perfección. Este proceso se verá ampliado ostensiblemente cuando
China y la India empiecen a consumir con la misma alegría que lo hacemos los países llamados desarrollados y avanzados. Si esta situación no se cambia rigurosamente
con prontitud, las consecuencias serán irreversibles. La situación no hará más que empeorar a medida que nos acerquemos a un pico de consumo mundial de petróleo
calculado para el periodo 2010-2040. El problema energético en nuestro planeta es de tal envergadura que los gobiernos comienzan a ser conscientes de la necesidad del
ahorro, generación y almacenamiento de la energía eléctrica. Por otro lado, se están montando con cierta e inusitada diligencia empresas para la construcción de sistemas
de generación de energía eléctrica no contaminantes, las llamadas Fuentes de Energía Renovables, antes denostadas por su "escasa rentabilidad". Entre las más conocidas
e importantes destacan, dependiendo de la fuente de producción: solar/fotovoltaica, eólica/viento y biomasa. Se tiene la idea generalizada de intentar el ensamblaje más
operativo, consistente en la integración de los diversos sistemas. Los planes, proyectos, y programas de Integración se han planteado de forma prioritaria en los VI y VII
Programas Marco de la UE. Los sistemas convencionales, carbón, petróleo y fisión nuclear, ya han demostrado sus capacidades y tienen los años contados, sobre todo
cuando en los costes totales se incorpore el coste, en euros, relativo al deterioro del medio ambiente. Además, hay que tener en cuenta que en función del tiempo, las
legislaciones que regulan las emisiones contaminantes se irán endureciendo, de tal forma que podría llegar a ser inviable el uso de los motores actuales de explosión
(véanse los protocolos de Kioto y Montreal). En un excelente artículo publicado en El País (Viernes 7 de enero de 2005), Jeremy Rifkin demuestra la necesidad de
construir sistemas de estaciones de telecomunicación remotas, que si hubieran estado disponibles durante el desastre del último Tsunami, habrían salvado centenares de
miles de vidas. Este autor establece las siguientes conclusiones en su artículo: 1: ¿Por qué no se avisó a la población con tiempo suficiente para que pudieran huir
rápidamente a terrenos más elevados? Esta simple comunicación no se pudo realizar, entre otros motivos, por falta de energía eléctrica. 2.- La oficina de las Naciones
Unidas Para la Reducción de los Desastres Naturales, calculó que el tsunami necesitó una hora para alcanzar la costa de Indonesia, dos horas más para llegar a Tailandia
y Sri Lanka y casi seis horas para llegar a África. Tiempo más que suficiente para comunicar del inminente peligro. 3:- El principal fallo fue que no existe una red
mundial de comunicaciones efectiva y que una tercera parte de la humanidad no tiene acceso a la electricidad. 4:- Ni siquiera en el 2050 sería posible proporcionar
electricidad a 100 millones de personas de dichas regiones. No hay infraestructura disponible y además el costo sería de 1,7 billones de dólares entre 2005 y 2030, gasto
imposible para regiones tan pobres. 5:- Proporcionar suficiente electricidad para que todo ser humano pueda estar conectado a una red mundial de comunicaciones
necesitará un cambio completo en nuestro régimen y mentalidad en el gasto energético mundial. 6:- Una alternativa cada vez más necesaria es el uso de las energías
renovables y por ende la transición hacia la Sociedad y Economía del HIDRÓGENO, siendo las Pilas de Combustible (Fuel Cell, FC) el método de mejor y más eficaz
rendimiento de dicha economía. 7:- Como colofón, Rifkin señala la necesidad de "ampliar la red de comunicaciones para incluir a todos los seres humanos y darle uso
como sistema de advertencia temprana para detectar y responder a desastres naturales sería un gigantesco primer paso hacia la creación de un vínculo común de
solidaridad para la humanidad". Desde esta perspectiva, este artículo tiene como objetivo exponer brevemente qué son las pilas de combustible y su posible aplicación en
sistemas de telecomunicación móviles. Las telecomunicaciones, móviles o fijas, no son ajenas a estas circunstancias y están inmersas también en la problemática
energética. Una fuente de energía eficiente y limpia como las pilas de combustible para las estaciones de comunicaciones remotas y los cotidianos, ya ampliamente y
socialmente aceptados, teléfonos móviles, puede ser beneficiosa para las compañías de telecomunicación. En este artículo se revisan los fundamentos y propiedades de
las pilas de combustible así como las diferentes aplicaciones de esta fuente de energía eficiente y limpia en el sector de las Telecomunicaciones. Pilas de combustible 1.
Fundamentos Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico capaz de transformar la energía química almacenada en un combustible, como hidrógeno o un
alcohol, en energía eléctrica. La virtud más importante de la pila de combustible es que genera potencia limpia, directa y eficientemente, produciendo solamente desechos
no contaminantes (agua). Por ejemplo, las pilas de combustible de Membrana de Intercambio Protónico (PEMFC, Protonic Exchange Membrane Fuel Cell) son células
electroquímicas alimentadas con hidrógeno, que es oxidado en el ánodo, los protones producidos en esta oxidación se transportan a través de una membrana de
intercambio protónico hacia el cátodo, allí reaccionan con el oxígeno del aire que ha sido previamente reducido, permitiendo en la reacción global la formación de agua.
Los electrones liberados en todo el proceso se acumulan a través de un dispositivo eléctrico generando una corriente eléctrica. Las ventajas de una pila de combustible
sobre otros sistemas de producción de energía eléctrica, son las siguientes: · Mayor rendimiento (cerca del 60%) y gran ahorro energético. · Energía no contaminante.
Emisión cero. · No origina ruidos. · Reversiblemente es capaz de producir H2 (hidrógeno) y O2 (oxígeno) a partir de la electrólisis del H2O (agua). · Construcción
modular y facilidad de cambio de escala. · Versatilidad en su funcionamiento, ya que no solo sirve como generador de energía eléctrica sino que también es capaz de
almacenar energía. Siendo, de alguna forma, una batería. Permitiendo su utilización como sistema de almacenamiento de otras energías alternativas como la solar, la
eólica y la biomasa. · Es también versátil en la utilización de diversos combustibles. Actualmente se han desarrollado diferentes tipos de pilas de combustible, entre las
más interesantes están las Pilas de Intercambio Protónico (PEMFC) de baja temperatura (20-150 ºC), y las de Óxidos Sólidos o Cerámicas (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)
de alta temperatura que operan entre 500ºC y 1000 ºC. Una variante de las Pilas PEMFC son las Pilas de Metanol/Etanol Directo (DMFC, Direct Metanol/Ethanol Fuel
Cell) en ellas el combustible es un alcohol. 2. Aplicaciones: Las principales aplicaciones que abarcan estos dos tipos de pilas se describen en la Figura 1. Las pilas de
combustible de Óxidos Sólidos o Cerámicas (SOFC) son una buena alternativa para la generación de electricidad en centrales eléctricas, mientras que las de Membranas
de Intercambio Protónico (PEMFC) y de Metanol/Etanol Directo (DMFC), pueden aplicarse en transporte, y en aplicaciones para sistemas móviles (estaciones remotas y
teléfonos móviles).
Figura 1. Intervalo de aplicación de las PEMFC, DMFC/DEFC y SOFC. 2.1. Las aplicaciones en
estaciones remotas para telecomunicación. Una nación moderna tiene que considerar como un
constituyente crucial en sus infraestructuras sociales la tecnología de la información y de la comunicación
(ICT, Information and Communication Technology ). Por ejemplo, para que los pueblos situados en áreas
remotas puedan acceder a sistemas ICT deben ser establecidas dos propiedades importantes, 1) la
expansión de la red de telecomunicaciones e Internet a un precio razonable y 2) el suministro de potencia
eléctrica para la infraestructura de ICT, así como también los sistemas auxiliares necesarios para los
usuarios finales en los telecentros. El uso de tecnologías de la información y comunicación promueven en
general la utilización de energía solar, eólica, biomasa y fuentes convencionales como son el petróleo o
gas natural, siendo las baterías los actuales sistemas de almacenamiento. Demostrando que entre los
sistemas de potencia actual tienen una gran aceptación los sistemas híbridos batería-motor eléctrico. En
este sentido, aparecen las pilas de combustible como un extraordinario y prometedor competidor con
respecto a estos últimos. Pero además de ser un excelente y no contaminante generador de energía
eléctrica, pueden perfectamente sustituir a las baterías, como un adecuado acumulador para el
almacenamiento de la energía eléctrica producida. Un ejemplo podría ser una estación de
telecomunicación remota (ver Figura 2) con pilas de combustible y/o un sistema híbrido alimentado con
fuentes de energía renovables y pilas de combustible para el almacenamiento de la energía eléctrica
generada.
Figura 2. Estación Remota de Telecomunicación con Energías Renovables y Pilas de Combustible.
(Referencia 4) 2.2. Las aplicaciones en teléfonos móviles. Varta y Motorola han diseñado nuevos
sistemas de pilas de combustible como dispositivos para utilizarlos en sistemas portables como teléfonos
móviles y portátiles. Se utilizan fundamentalmente sistemas de micropilas empleando la aproximación
microelectrónica con potencias que van desde 1 watio hasta 50 watios. El combustible más utilizado es
alcohol diluido en agua y se emplea el sistema DMFC como fuente eléctrica del dispositivo. El principal
problema de este tipo de pilas en esta fase de innovación es el tiempo de respuesta inicial, que es de uno o
dos minutos. Para resolver este problema se están construyendo sistemas híbridos que usan baterías de
estado sólido tradicionales y DMFC. No obstante los esfuerzos en investigación actualmente están
focalizados en la optimización de la reacción anódica de las pilas con objeto de eliminar este retardo y así
utilizar en un futuro próximo dispositivos basados únicamente en MFC/DEFC. Otra posibilidad es la
utilización de hidruros metálicos como combustible para sustituir las DMFC/DEFC por PEMFC, ya que
presentan una respuesta notablemente más rápida. En cualquier caso, la ventaja principal e indiscutible de
las pilas de combustible frente a las baterías tradicionales es que pueden estar funcionando sin
interrupción durante 72 horas. Además, se evita el proceso de carga de la batería, sustituyéndolo por un
simple cambio del depósito del combustible. Por lo que respecta al tamaño, la dimensión total de la pila
está actualmente en torno a 4 cm 2 . En un futuro próximo se pretende incluso reducir significativamente
estas dimensiones. Otra de las aplicaciones de las pilas de combustible en el campo de las
telecomunicaciones ya implementada y en fase de comercialización e introducción en el mercado es la de
su utilización en los sistemas UPS ( Uninterruptible Power Supply ), los cuales consisten en un suministro
de potencia que incluye una batería para mantener el suministro eléctrico en caso de un corte de energía.
3. Precio: En estos momentos, al ser las pilas de combustible una fuente de energía emergente y en
proceso de innovación, se trata de una energía cara, entre 500 y 700 euros por kilowatio generado. Sin
embargo, al igual que ocurrió en su día con la energía nuclear, este precio bajará a medida que aumente la
demanda y, como consecuencia, se optimicen y estandaricen los procesos de producción de la misma (hoy
en día su fabricación es bajo pedido). El precio objetivo que se ha marcado para que esta energía sea
competitiva, está situado entre los 50 y 70 euros por kilowatio, valores que se podrán alcanzar cuando la
demanda de las pilas de combustible aumente. Conclusiones 1. En telecomunicación, como en otros
campos donde la energía eléctrica es la base de su funcionamiento, la sociedad del hidrógeno y por ende
las pilas de combustible irán progresivamente adquiriendo mayor relevancia, hasta convertirse
probablemente en la fuente de energía eléctrica más eficaz para los sistemas de telecomunicación. 2. El
advenimiento de una sociedad de estas características no tiene sentido si no va acompañado de ahorro y
control estratégico de las fuentes de energía y la necesidad social de una concienciación hacia el consumo
responsable (frugalidad). 3. Para las empresas de telecomunicación, especialmente en el campo de las
estaciones remotas, se abre un extenso proyecto de negocio y mercado de indiscutibles beneficios
económicos, y lo que es más importante, esta proyección irá acompañada de un relevante impacto social y
humanitario. 4. Aunque hoy en día se trata de una fuente de energía cara, en la medida en que aumente la
dureza de la legislación internacional contra las emisiones (emisión cero de contaminantes) y, como
consecuencia, aumente la demanda de este tipo de energías, el precio irá bajando progresivamente. J.R.
Jurado, E. Chinarro, B. Moreno.Consejo Superior de Investigaciones Científicas. Agradecimientos
Los autores agradecen a Rosa Navidad, Myriam Carrasco, Maria de Carmen Fernández y Domingo
Guinea García-Alegre su valioso apoyo y participación en los proyectos sobre FC. Bibliografía para
consultar [1]. J. Rifkin, "La economía del Hidrógeno, la creación de la red energética mundial y la
redistribución del poder en la tierra." Ed. Paidos Iberica, 2002. [2]. Tesis Doctoral "Síntesis y
caracterización de materiales cerámicos y/o metálicos y desarrollo de ensamblajes de
electrodo-membrana, para aplicaciones electroquímicas y electrocatalíticas", E. Chinarro, Ed. Universidad
Autónoma de Madrid, (2003). [3]. Tesis Doctoral "Sintesis por combustión y caracterización de
materiales electrocatalíticos para PEMFC", B. Moreno, Ed. Universidad Autónoma de Madrid (2005). [4].
M. Pipattanasomporn, S. Rahamam, Internacional Procceding (2002) The Internacional Conference on
Electrical and Computing Engineering (ICECE) Dhaka, Bangladesh. Diciembre 2002. [5]. C. M. Martin,
J.L. Martin, Fuel Cells Seminar , Miami Beach, Noviembre 3-7, 2003. [6]. L.P. Harvis, T.B. Atwater, E.J.
Plichta, P.J. Cygan, Journal Power Sources , 70 (1998) 253-257. [7]. M. Lin, Y. Cheng, M. Lin, S. Yen.
Journal Power Sources , 140 (2005) 346-349. Descargar archivo de audio (12:17 min / 2,81 Mb)