Celdas Fotovoltaicas y Pilas de Hidrógeno.

Estudio a fondo de celda fotovoltaica y pila de hidrogeno
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 módulos 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 módulos experimentales de Si-a superan el 10% de eficiencia, en los
módulos comerciales se alcanza un rango entre el 5-7%. Usado en productos de consumo, el Sia es la gran promesa para la construcción de sistemas integrados, reemplazando los vidrios
tintados con módulos semi-transparentes.
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
módulos 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 previene 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 módulos
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 2vías, 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 óxidos
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 luminosidad. 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 certificadas 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 más 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 aeroespacial, 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 está
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 está 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 líneas 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, así 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
solares. 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.
Más 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 20032004. 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 (70210°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
Principio de la celda de combustible
(3)
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 PtRu 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°C-1100°C)
Entre las celdas de este tipo están:
(i)
CC con electrolito sólido de sales fundidas de carbonato("molten carbonate
fuel cell",
MCFC) y
(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 Daimler-Chrysler, así como a las
petroleras ARCO, Shell y Texaco, los 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 vehiculares tendrán su primera aplicación
masiva en el transporte público. Por otro lado, la implantación masiva del transporte público
con H2 a bordo podría representar una amenaza para las compañías petroleras, más 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).
Organización Autolibre - 2008