CAPITULO 1

1. JUSTIFICACIÓN DE LA NECESIDAD DEL PROYECTO 1.1. INTRODUCCIÓN A día de hoy, las pilas de combustible, son una tecnología en desarrollo sin embargo las naves Apolo, que llevaron al hombre a la Luna, ya las utilizaron. En automoción, esta tecnología también está en vías de desarrollo y expansión, lo cual, llevará su tiempo. No obstante, Hyundai afirma que tendrá un modelo de producción en 2012, luego serán de los primeros en introducirse en el mercado. [1] El hidrógeno es un gas a temperatura ambiente, que no se encuentra libre en la naturaleza por su tendencia a asociarse con otros gases. De “hidro” y “genesis” tenemos su nombre, toda molécula de agua tiene dos átomos de hidrógeno. El 70% del Planeta Tierra está compuesto por agua. El gas hidrógeno es el más sencillo de todos los elementos. Es un gas incoloro, inodoro y no tóxico. El átomo de hidrógeno está formado sólo por un protón y un electrón. Como no tiene neutrones –las partículas sin carga pero con masa que mantienen unidos los protones en el núcleo– es también el elemento más ligero de todos, casi 15 veces más que el aire. Figura 1. Características del hidrógeno. [1] http://www.motorpasion.com/coches‐hibridos‐alternativos/pila‐de‐combustible‐ alternativa‐al‐
coche‐eléctrico 10
En el mundo se producen cada año alrededor de 50 millones de toneladas de hidrógeno. Sin embargo, sólo una mínima parte de ese hidrógeno se utiliza para producir energía, principalmente en aplicaciones espaciales. Casi la mitad del hidrógeno producido se emplea para elaborar fertilizantes basados en amoníaco. También se utiliza hidrógeno en la fabricación de metanol y el agua oxigenada, así como para "hidrogenar" los aceites orgánicos comestibles derivados de la soja, los cacahuetes, los cereales y el pescado, además de para refrigerar motores y generadores. La industria petroquímica lleva años utilizándolo como materia prima de una amplia gama de productos derivados del petróleo y para reducir la cantidad de partículas, aromáticos y sobre todo azufre presentes en la gasolina y el gasóleo. La utilización del hidrógeno como combustible abre a la industria del petróleo las puertas de un nuevo mercado, en el que, junto a las empresas especializadas en la producción y el suministro de gases, ocuparán un lugar privilegiado. Es un vector energético, es decir, de él podemos sacar energía, pero no sin transformarlo. Se puede obtener el hidrógeno extrayéndoselo a otros compuestos (como gas natural) o mediante electrólisis, rotura de moléculas de agua con mucha electricidad. Además de en el agua –de la que forma parte en una proporción del 11,19 % en peso– y de otros muchos compuestos químicos, como los ácidos o los alcoholes, el hidrógeno, forma parte de toda la materia orgánica, incluidas las personas. Hay hidrógeno, por tanto, en la biomasa y el biogás; pero, sobre todo, en la biomasa y el biogás. Rompiendo los enlaces de las moléculas que lo contienen mediante diferentes tecnologías, se consigue producir hidrógeno y, una vez almacenado y transportado, utilizarlo como combustible o en otras aplicaciones. Una de las ventajas del hidrógeno es que puede sacarse de cualquier parte, por lo que puede independizar energéticamente a las naciones. Dependiendo del proceso de obtención será más o menos ecológico, y más o menos económicamente viable. 11
¿CÓMO SE PRODUCE? Desde el siglo XIX el hombre sabe cómo separar el hidrógeno y el oxígeno que forman el agua aplicando una corriente eléctrica. El proceso se llama, electrólisis y se trata de una tecnología conocida y tan sencilla que forma parte de los experimentos que se realizan en los colegios. La electrólisis, además, es limpia y produce un hidrógeno de gran pureza. Aun así, hoy por hoy sólo el 4% [2] de los 45 millones de toneladas de hidrógeno que se consumen en el mundo cada año se produce a partir del agua, la gran reserva de hidrógeno de la Tierra. La opción más barata a día de hoy es producir hidrógeno a partir de gas natural mediante el reformado con vapor, que consiste en romper las moléculas de gas con vapor de agua en presencia de un catalizador. Por eso es el método más utilizado: el 48% del hidrógeno se produce hoy de esta manera. Como, además, es también la opción menos contaminante a partir de combustibles fósiles con la tecnología actual, el gas natural parece el candidato en mejor posición para liderar la producción de hidrógeno en un futuro próximo. Convertir el carbón en gas calentándolo hasta 900ºC es la forma más antigua de producir hidrógeno: así es como se obtenía el gas ciudad, que contenía hasta un 60% de hidrógeno. La gasificación de carbón representa hoy el 18% de la producción mundial; y, como el carbón es un recurso abundante en muchas partes del mundo, podría seguir siendo una alternativa si se desarrollan tecnologías limpias. Y, en general, el reformado de todos los hidrocarburos y alcoholes: el 30% del hidrógeno que se consume en el mundo procede de la gasolina. Pero el hidrógeno producido a partir de fuentes fósiles será siempre poco limpio –en su elaboración se emitirá, cuanto menos,CO2– y nada renovable, por lo que todos los sistemas basados en ellas serán, como mucho, tecnologías de transición. ¿CÓMO SE PRODUCIRÁ? Se producirá con agua y electricidad de origen renovable, coinciden los expertos. Pero también se investigan otras alternativas. Una posibilidad es la fotoelectrólisis, que básicamente consiste en sumergir en el agua una célula fotovoltaica fabricada con un material semiconductor que hace las veces de electrolizador. Combinando en uno los dos pasos de la electrólisis tradicional, se eliminan costes y se consiguen eficiencias un poco mayores. [2] http://www.fenercom.com/pdf/publicaciones/cuadernos‐energias‐renovables‐para‐todos‐
hidrogeno‐y‐pila‐de‐combustible.pdf. 12
El problema es que la electrólisis requiere un aporte considerable de electricidad. Existen, sin embargo, dos tecnologías de producción de hidrógeno a partir de fuentes renovables que no incluyen electricidad, cuyo coste y, por tanto, viabilidad podrían ser interesantes a medio plazo. La primera incluye la gasificación de biomasa, un poco más cara que el reformado de gas, pero rentable donde la biomasa sea abundante y barata; y diferentes tratamientos de los análogos "bio" de los hidrocarburos y alcoholes: biodiesel, biogás y bioetanol. La segunda opción es utilizar energía térmica de alta temperatura. Por eso también tiene muchas esperanzas puestas en el hidrógeno la industria nuclear, que trabaja en el desarrollo de nuevos reactores de alta temperatura con los que realizar lo que se conoce como hidrólisis térmica. Porque para separar el agua en hidrógeno y oxígeno sólo con calor hacen falta temperaturas de al menos 2.000 ºC, difíciles de alcanzar con energía solar y casi imposibles de manejar. Sin embargo, insertando una cadena de reacciones intermedias, la temperatura se rebajaría a unos 850 ºC. Se han propuesto otras formas de obtener hidrógeno desde la producción biológica por medio de microorganismos hasta la llamada electrólisis gravitacional, pero de momento sus resultados son puramente teóricos. 13
1.2. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE Una pila de combustible es un dispositivo capaz de transformar la energía química almacenada en un combustible mediante una reacción química en energía eléctrica. El combustible que es suministrado desde el exterior es capaz de suministrar energía eléctrica de forma continua mientras se mantenga el aporte de este combustible. Uno de los reactivos de la pila es siempre el oxígeno, que actúa como oxidante en el cátodo y que, dada su disponibilidad en el aire, generalmente no es necesario almacenar. El combustible propiamente dicho es habitualmente el hidrógeno, que –suministrado de forma directa o a partir del reformado de un primer combustible (metanol o etanol, por ejemplo)– alimenta la pila. Parte de sus catalizadores (materiales que facilitan las reacciones químicas) son muy escasos y caros, motivo por el cual las pilas suelen ser caras (cierto contenido de platino) . Es uno de los desafíos de diseño que se intentan resolver. La mayoría de las pilas de combustible son, en realidad, una suma de pilas individuales, que reciben el nombre de células o celdas de combustible. Se entiende por FC el conjunto formado por el STACK y todos los elementos necesarios para el funcionamiento como: sistemas de refrigeración, preparación del combustible, eliminación del agua… Una célula de combustible de intercambio protónico (PEMFC) consta de dos electrodos porosos, ánodo (‐) y cátodo (+) separados por un electrolito sólido o líquido. El combustible pasa a través del ánodo, y el oxidante a través del cátodo. En uno de los tipos más conocidos y sencillo de pila, al que corresponde este esquema (ver Figura 2), el electrolito es una membrana. En el ánodo se produce la reacción del hidrógeno, que se disocia en 2 protones y 2 electrones. Los protones o iones positivos de hidrógeno circulan a través de la membrana hasta el cátodo, mientras los electrones, que no pueden atravesar la membrana, se escapan por un circuito eléctrico que conecta los dos electrodos. Este flujo de electrones es la corriente eléctrica que alimentará, por ejemplo, el motor eléctrico de un coche. Una vez atravesado el circuito, los electrones entran en el cátodo, donde se combinan con los protones y el oxígeno del aire para formar agua. Figura 2. Esquema de una pila de combustible. 14
Como la pila de combustible produce electricidad, será consumida por un motor eléctrico, como los coches eléctricos puros. Figura 3. Vehiculo movido por pilas de combustible. Una pila de combustible debe usar hidrógeno puro. Hay pilas que utilizan combustibles ricos en hidrógeno, pero con otros componentes que han de desecharse. Luego para que no existan emisiones a secas, el hidrógeno debe venir exclusivamente de fuentes renovables. TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE Aunque el funcionamiento de todas las pilas de combustible responde al mismo principio fundamental, entre ellas existen notables diferencias de diseño, características de operación y potencia. Así, se pueden encontrar desde pilas de 1w que funcionan a temperatura ambiente hasta módulos de 250 kW que operan a 1.000 ºC de temperatura. La clasificación habitual de las pilas de combustible está basada en el tipo de electrolito que utilizan, ya que éste determina características fundamentales de la pila, y, en consecuencia, sus posibles campos de aplicación. 15
Existen diferentes tipos de pilas de combustible dependiendo del electrolito usado, que a su vez, hace que la temperatura de funcionamiento y resto de elementos necesarios para el stack (agrupación de celdas individuales) sean diferentes. Tipo Electrolito Combustible Tª de Densidad Aplicaciones funcionamiento de corriente PEMFC Membrana H2 70 – 80 ºC Alta Espacial, Generación estacionaria, Aplicaciones móviles … AFC Alcalino H2 70 –100ºC Alta Espacial, Generación estacionaria, Aplicaciones móviles … MCFC Carbonatos H2 , CH4 600 – 650ºC Moderada Producción fundidos Eléctrica base, Cogeneración SOFC Óxidos H2 , CH4 , CO2 800 – 1000ºC Alta Producción Sólidos Eléctrica base, Cogeneración DMFC Membrana CH3OH 70 – 80 ºC Moderada Generación estacionaria, Aplicaciones móviles … Tabla 1. Tipología de Pilas de Combustible. Las pilas tipo PEM (Pila de Combustible de Intercambio de Protónico) son las que ofrecen mayor flexibilidad y versatilidad para el sector transporte. Sus aplicaciones van desde la alimentación de pequeños aparatos portátiles, como radios y ordenadores, con potencias de 1 a 100 w, hasta sistemas de generación doméstica (1 a 5 kW) o residencial (200 kW), pasando por la alimentación del vehículo eléctrico. Las MCFC (Pila de Combustible de Carbonatos Fundidos ) y SOFC (Pila de Combustible de Óxidos Sólidos ) tienen un enorme futuro como generadores de electricidad o de electricidad y calor, aunque su nivel de desarrollo, especialmente el de estas últimas, es mucho menor. Como podemos observar, para un vehículo de hidrógeno la pila a usar sería PEM. 16
1.3. PILA DE COMBUSTIBLE VERSUS BATERIAS El paradigma de repostaje de los vehículos movidos por pilas de combustible se asemeja más al de los coches actuales. Se puede recargar un depósito en muy poco tiempo, en vez de horas, en casa o en puntos de recarga. Otra opción, es la creación de una infraestructura de hidrogeneras que lo sirvan. Figura 4. Infraestructura de una hidrogenera La autonomía que proporciona un vehículo movido por pilas de combustible es superior al de las baterías eléctricas a igualdad de tamaño y peso. Es más económico crear una infraestructura de coches eléctricos que de coches movidos a hidrógeno. No solo está el problema de generar el hidrógeno, también está el del almacenamiento en las hidrogeneras y dentro del propio vehículo. La pila de combustible, de momento, es más interesante para vehículos de gran tamaño, como camiones y autobuses. Ahí podemos almacenar mucho hidrógeno en volumen sin que suponga un gran incremento de peso en masa. En un turismo pequeño eso es más difícil: a 200‐350 bares de presión, 1 Kg. de hidrógeno ocupa 60 litros de volumen. A la presión atmosférica, para almacenar 1 Kg. de hidrógeno necesitamos 11.000 litros de capacidad. Orientativamente, 1 Kg. de hidrógeno proporciona energía para hacer unos 100 ‐150 km en un turismo. A igualdad de masa, el hidrógeno es insuperable. 17
Tenemos otro aspecto, el de la seguridad. En entornos abiertos, el hidrógeno es muy seguro, porque desaparece con rapidez en el ambiente. En cuanto a la oferta comercial: no hay. Algunas marcas están probando prototipos para ver su viabilidad, como General Motors, Honda, Mercedes, Ford, etc. En autobuses y camiones hay pruebas piloto en marcha con resultados muy satisfactorios, sin ir muy lejos, en Madrid han operado algunos autobuses con pilas de hidrógeno. En cuanto al precio, el hidrógeno no es competitivo con los combustibles fósiles porque se necesita energía para transformarlo. 18
1.4. VENTAJAS DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE Reduce la dependencia energética y puede reducir el balance de emisiones, por ejemplo, generándolo con excedentes de electricidad. La pareja hidrógeno‐pila de combustible es una gran aliada de la naturaleza. La oxidación del hidrógeno –sea en un motor de explosión, sea a través de una pila– no genera emisiones de SO2, hidrocarburos no quemados y, sobre todo,CO2. Por el tubo de escape de un coche a pila sólo sale vapor de agua. Las altas temperaturas que se generan en el interior de un motor térmico provocan la formación de óxidos de nitrógeno (NOx), que, sin embargo, pueden reducirse con ayuda de catalizadores que disminuyan la temperatura del proceso. La eficiencia de la pila permite también reducir el número de emisiones de CO2 y otras sustancias aunque se empleen combustibles menos limpios que el hidrógeno: como, para el mismo número de kilómetros, un coche a pila necesita menos combustible que uno con un motor tradicional, en su recorrido habrá emitido menos contaminantes18 Como la tracción es eléctrica, en este sentido son como los coches eléctricos: silenciosos, con mucho par a bajas revoluciones, rendimiento muy elevado, emisiones locales bajas o nulas, alta fiabilidad… El talón de Aquiles de la fiabilidad de la pila de combustible es la propia pila de combustible. Se espera que hasta mediados de 2030 el hidrógeno siga siendo originario de fuentes no renovables o combustibles fósiles. Son muchos los desafíos que superar, pero lo que espera es realmente atractivo: combinar las ventajas del coche clásico, con el coche eléctrico, y sin depender de motores de combustión interna (como los híbridos). Varios coches con esta tecnología ya están rodando por el Mundo como parte de pruebas piloto. A lo largo de esta década irán apareciendo modelos para consumo masivo, a más tardar, en la década de 2020. 19