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El futuro de los sistemas de Hidrógeno y Pilas de combustible
G. Alcalde1, C.Fúnez2, G. Manjavacas3, J.J. Martín4, B. Nieto5, F. Romero-Nieva6, M. Sánchez7, G. Urbano8
1. Centro Nacional del Hidrógeno, C/Aduana, 10 planta 1ª – 13500 Puertollano (Ciudad Real), [email protected]
2. Centro Nacional del Hidrógeno, C/Aduana, 10 planta 1ª – 13500 Puertollano (Ciudad Real), [email protected]
3. Centro Nacional del Hidrógeno, C/Aduana, 10 planta 1ª – 13500 Puertollano (Ciudad Real), [email protected]
4. Centro Nacional del Hidrógeno, C/Aduana, 10 planta 1ª – 13500 Puertollano (Ciudad Real), [email protected]
5. Centro Nacional del Hidrógeno, C/Aduana, 10 planta 1ª – 13500 Puertollano (Ciudad Real), [email protected]
6. Centro Nacional del Hidrógeno, C/Aduana, 10 planta 1ª – 13500 Puertollano (Ciudad Real), francisco. [email protected]
7. Centro Nacional del Hidrógeno, C/Aduana, 10 planta 1ª – 13500 Puertollano (Ciudad Real), [email protected]
8. Centro Nacional del Hidrógeno, C/Aduana, 10 planta 1ª – 13500 Puertollano (Ciudad Real), [email protected]
Resumen
La sociedad de hoy en día es consciente de que los incrementos tan intensos del consumo de petróleo
provocarán, en un plazo no muy lejano, dificultades en su disponibilidad debido al incremento de la
demanda y a las limitaciones de la capacidad de extracción. A esto se le suma, el impacto tan negativo
que las tecnologías energéticas actuales están teniendo sobre el medio ambiente y que podrían tener
efectos críticos sobre nuestro entorno en un futuro. Por todo esto, es preciso encontrar fuentes de energía
alternativas que permitan mantener el nivel de desarrollo actual sin comprometer las necesidades del
mañana. El hidrógeno es en este sentido una de las tecnologías más prometedoras debido a su eficiencia,
disponibilidad y reducción de emisiones.
Palabras clave: Hidrógeno, pila de combustible, vector energético, eficiencia energética
Área Temática: Eficiencia Eléctrica en el sector Industrial.
1.
INTRODUCCIÓN
Durante el siglo XX, la disponibilidad de los combustibles de origen fósil, ha sido el gran motor del
desarrollo. El petróleo, por su facilidad de extracción, transporte y almacenamiento, ha sido la base
de nuestra sociedad a lo largo de las últimas décadas. El uso del petróleo en cantidades tan
importantes como se manejan en la actualidad ha supuesto un impacto negativo en nuestro medio
ambiente, provocando un incremento exponencial de los gases de efecto invernadero que hoy en día
vemos cómo amenazan al medioambiente.
En el panorama energético actual, la energía es un factor sociopolítico fundamental. La
competitividad y la productividad de la economía y, por lo tanto, el crecimiento y el bienestar
dependen de la energía. El momento económico actual se caracteriza por necesidades energéticas
crecientes, precios elevados de las materias primas, responsabilidad medioambiental y tendencia a
la globalización.
El análisis particular del modelo energético en España desvela una tendencia creciente de la
demanda energética con una elevada dependencia exterior, cercana al 82%. Esta fuerte dependencia
supera a muchos países de la Unión Europea y al mismo tiempo genera una fuerte debilidad
económica. El abastecimiento energético está basado predominantemente en los combustibles
fósiles, llegando a ser el consumo de petróleo casi un 50 % respecto al consumo de energía final
(con una dependencia exterior del 99,6%) y el consumo de gas natural, que ha sufrido un notable
ascenso en los últimos años, de un 23,7 % en la actualidad. Si a este panorama le sumamos la
reticencia que existe a diversas tecnologías como son la nuclear por cuestiones sociales y las
energías renovables por su carácter aleatorio junto con la previsible falta a medio plazo de un
suministro fiable y a precios asequibles de los combustibles, se podría llegar en un futuro no muy
lejano a una situación crítica debido a un modelo energético no sostenible por la clara falta de los
tres pilares básicos: Competitividad, Medioambiente y Seguridad de abastecimiento.
Figura 1. Evolución de la dependencia energética española. Compromisos internacionales y planificación indicativa
de generación, 2010. Fuente. Secretaría de Estado de Energía, Ministerio de Industria, Turismo y Comercio
Sin embargo, dentro de este marco poco alentador, hay que decir que España tiene una amplia
capacidad de respuesta al problema energético que se presenta. Entre ellas, se encuentra el gran
potencial existente para la inclusión de energías renovables, debido a una situación geográfica
privilegiada respecto a otros países de la Unión Europea y a un avanzado desarrollo de estas
tecnologías especialmente en el sector de la energía solar y eólica. Se debe por lo tanto dirigir los
esfuerzos nacionales en conseguir una penetración de las energías renovables dentro del sistema
energético español de forma intensa y competitiva sin tomar referencias externas y pensando en la
exportación de esta nueva cultura energética a otros países.
El camino hacia este cambio ha comenzado ya, de manera que en los últimos 10 años, ha habido
una evolución de las energías renovables lenta pero ascendente, duplicando su producción en los
últimos cinco años hasta representar en el 2009 un 9,3 % del consumo global de energía habiéndose
establecido en los objetivos oficiales de la política energética española que aporten un 12,1 % en el
2010, es decir, está a un nivel muy cercano al previsto. Por otro lado, hay que tener en cuenta que el
sistema energético español actualmente no está diseñado para la entrada masiva de estas fuentes de
energía, ya que el aumento en el uso de energías renovables trae ventajas pero también ciertos retos
a solucionar. Entre ellas, la propiedad aleatoria en la generación de energía, que dificulta su ajuste,
requiriendo el empleo de sistemas de almacenamiento energético más potentes y flexibles de los
disponibles en la actualidad, de manera que se hace cada vez más necesario el desarrollo de
sistemas que garanticen el suministro y aumenten la fiabilidad de estas energías renovables con el
objetivo de que puedan integrarse en el sistema energético español.
2.
OBJETIVO
La transición desde el diseño actual al previsible futuro de utilización de las energías renovables,
requiere un cambio fundamental de mentalidad y un desarrollo e innovación de nuevas tecnologías,
para poder pasar a un sistema energético de generación distribuida, más próxima al usuario final,
basado en el ahorro y la eficiencia energética y con una reducción de las emisiones de efecto
invernadero. Es precisamente aquí donde el hidrógeno, en su papel de vector energético, puede
llegar a jugar un papel fundamental en el contexto energético español, marcando una nueva cultura
económico-energética y tomando iniciativa frente a otros países.
3.
HIDRÓGENO COMO VECTOR ENERGÉTICO
El hidrógeno es el elemento que en estos momentos se considera podría asumir en las próximas
décadas una función similar a la que durante el pasado siglo cumplieron los combustibles fósiles.
Cuando se utiliza el hidrógeno para obtener energía, no se producen emisiones de productos
contaminantes, sino que el subproducto que se obtiene es, de nuevo, agua pura utilizando como
combustible hidrógeno puro. Si somos capaces de integrar en este ciclo la energía eléctrica
procedente de fuentes renovables, como la solar fotovoltaica, la eólica o biomasa, se dispondrá de
un vector energético inagotable, limpio, abundante, y con reducido impacto ambiental.
La producción de hidrógeno a partir de renovables es uno de los grandes desafíos del futuro. No
sólo reducirá el volumen de emisiones, sino que además reducirá la dependencia de los
combustibles fósiles y podrá ser usado como forma de almacenamiento de electricidad procedente
de fuentes de energía renovable intermitentes, resolviendo así este problema y ofreciendo la
posibilidad de almacenar y transportar esa energía.
El hidrógeno permite así, una flexibilidad en el balance de la energía eléctrica centralizada y
descentralizada, dirigiendo el escenario eléctrico hacia el diseño de redes inteligentes y distribuidas
para poder abastecer de energía a zonas alejadas o aisladas (islas y montañas) y para la explotación
de grandes recursos renovables que están muy lejos de los puntos de consumo final (Ball &
Wietschel, 2009).
No hay que olvidar que el potencial del hidrógeno como vector energético se debe en gran parte al
importante desarrollo tecnológico que han sufrido en los últimos años las pilas de combustible,
cuyo interés radica principalmente en su capacidad de reducir el impacto ambiental y la garantía de
una mayor eficiencia energética.
4.
EFICIENCIA DEL HIDRÓGENO Y PILAS DE COMBUSTIBLE
Como se ha comentado anteriormente, las pilas de combustible son la base de la utilización del
hidrógeno como portador de energía siendo una de sus características más sobresalientes su elevada
eficiencia energética. Esta eficiencia intrínseca elevada de las pilas de combustible radica en que se
tratan de dispositivos electroquímicos que producen energía eléctrica mediante la combinación de
hidrógeno y oxígeno y su conversión en vapor de agua, sin ninguna combustión como paso
intermedio.
La corriente surgida en estos últimos años hacia una producción de energía más limpia y eficiente
ha desembocado en un cambio respecto a la consideración de que las máquinas térmicas sean una
de las bases de la producción de energía, prestando un interés renovado en equipos alternativos
como son las pilas de combustible.
En el caso de las primeras, la energía química de un combustible se transforma en energía
mecánica, y ésta, a su vez, en energía eléctrica, con la ayuda de un generador. Cuando el
combustible es quemado, se produce un incremento de la temperatura del sistema, al ser la
combustión un proceso exotérmico provocando una expansión de los gases formados, lo que
permite el movimiento de las partes móviles de la máquina térmica (U.S. Department of Energy
Office of Fossil Energy, 2004).
En el caso de las pilas de combustible, la energía química de un combustible es transformada
directamente en energía eléctrica. En condiciones ideales, las pilas de combustible operan de forma
isoterma, de modo que la energía química de la reacción no se emplea en elevar la temperatura del
sistema, como en las máquinas térmicas, sino en la producción directa de electricidad. Como
consecuencia, la expresión de la eficiencia para el ciclo de Carnot deja de tener validez, y el trabajo
útil que produce el sistema puede equipararse a la energía libre de Gibbs de la reacción (∆G), ya
que esta energía será íntegramente empleada en producir energía eléctrica.
Teniendo en cuenta todo lo anterior se puede concluir que los procesos electroquímicos presentan
una mayor eficiencia en comparación con los procesos térmicos. Para disponer de algunos valores
teóricos, se va a comparar el rendimiento teórico de una máquina térmica y una pila de combustible.
La eficiencia de cualquier sistema (Ɛt) viene definida por la relación entre el cambio de entalpía
(-∆H), y la fracción de la misma que puede ser transformada en energía útil (W) (Hoogers, 2003)
En las máquinas térmicas, la máxima eficiencia que se podría obtener es la que correspondería si la
máquina trabajase en régimen de ciclo de Carnot, es decir, en condiciones reversibles. La expresión
de la eficiencia de este ciclo (Ɛtc) depende de las temperaturas de los focos frío (Tf) y caliente (Tc), y
viene dada por la ecuación siguiente, donde Wr es el trabajo reversible realizado por la máquina.
Dado que, generalmente, la temperatura del foco frío es la temperatura ambiente, la eficiencia de
esta máquina será tanto mayor cuanta más elevada sea la temperatura del foco caliente. En el mejor
de los casos, correspondiente a las turbinas de vapor, se llegan a alcanzar eficiencias del 50 %. En
base a las características comentadas anteriormente, correspondientes a las pilas de combustible, la
eficiencia teórica en el caso de las pilas de combustible (Ɛtp) se puede calcular mediante la ecuación:
En el caso concreto de que la pila operase con hidrógeno como combustible, y con oxígeno como
comburente, se podría obtener una eficiencia máxima de un 83 %.
5.
EL HIDROGENO EN EL CONTEXTO NACIONAL
Aunque la economía basada en el hidrógeno, es hoy por hoy una economía de futuro que requiere
de una fuerte evolución y la superación de una serie de barreras tecnológicas, económicas y
políticas, cada vez es mayor el interés nacional y las iniciativas tanto públicas como privadas hacia
el desarrollo y penetración de esta tecnología y cada vez son más los grupos de investigación y las
entidades dedicados a alguno de los aspectos del desarrollo de estas tecnologías del hidrógeno.
Actualmente existen más de 120 entidades incluyendo, Administración, empresas privadas,
Organismos Públicos de Investigación, Universidades y Centros tecnológicos.
Figura 2. Estructura de las entidades dedicadas a las tecnologías del hidrógeno. Fuente: PTEHPC (2007)
Destaca, la formación, en el año del 2005, de la PTEHPC (Plataforma Tecnológica Española del
Hidrógeno y Pilas de Combustible), respaldada por los, entonces ministerios vigentes, Ministerios
de Educación y Ciencia y de Industria, Turismo y Comercio que nace para estructurar y orientar el
sector así como conectarlo con las actividades y ritmo Europeo, definiendo las actividades
estratégicas de I+D y acelerando el desarrollo y utilización de sistemas basados en pilas de
combustible e hidrógeno, para su aplicación en el transporte, el sector estacionario y el portátil.
Hasta el presente, las actividades científicas y tecnológicas en hidrógeno y pilas de combustible se
han ido abordando de forma espontánea según iban surgiendo aproximaciones científicas o
tecnológicas y a medida que iba creciendo el interés socioeconómico por esta tecnología pero no
existen a escala nacional equipos de investigación con el tamaño y la capacidad tecnológica
suficiente para integrar los diferentes conocimientos y producir un salto cualitativo en el avance y
desarrollo de estas tecnologías.
Por otro lado, aunque en España existe un buen nivel de investigación, y una destacada presencia de
proyectos de demostración, el desarrollo de productos, salvo en casos muy concretos, sigue estando
en manos de empresas extranjeras, lo que dificulta un futuro liderazgo de empresas españolas en
estas tecnologías siendo escaso el número de empresas dedicadas en exclusividad al desarrollo y
producción de estas tecnologías.
Ante dicha situación se hace necesaria la creación de una instalación completamente dedicada al
desarrollo de las tecnologías del hidrógeno, que aproveche los impulsos existentes hasta ahora
potenciándolos de forma que permitan un progreso adecuado para llegar a tiempo en el momento de
la plena industrialización de estas tecnologías con un cierto liderazgo.
En este sentido se ha concebido el Centro Nacional de Experimentación de las Tecnologías del
Hidrógeno y Pilas del Combustible (CNH2), el cual va a estar dedicado a la investigación científica
y tecnológica en todos los aspectos relativos a las tecnologías del hidrógeno y las pilas de
combustible con el objetivo de facilitar la integración del hidrógeno como un portador energético
acompañante de las energías renovables amortiguando su carácter productivo alternante.
El CNH2 es una de las 24 nuevas Instalaciones Científicas y Tecnológicas Singulares (ICTS) del
Ministerio de Ciencia e Innovación dentro de la iniciativa Ingenio 2000 y en el que participa
activamente la Junta de Comunidades de Castilla-La Mancha con sede en Puertollano (Ciudad
Real), www.cnethpc.es. Se tratará de una instalación flexible y evolutiva que permita la
incorporación progresiva de todos los desarrollos posibles generados por la comunidad científica, al
mismo tiempo que se proporciona acceso a los investigadores que deseen ampliar la escala de sus
avances. Se dispondrán de las infraestructuras experimentales necesarias para facilitar la
transferencia de conocimientos desde la comunidad científica al entorno productivo, sirviendo así
de nexo de unión y laboratorio de encuentro entre el sector productivo demandante de tecnologías
explotables y el sector científico tecnológico suministrador de nuevos conocimientos.
6.
CONCLUSIONES
El hidrógeno no se encuentra en la naturaleza en forma libre, lo que obliga a la necesidad de
emplear energía para producirlo, por lo que hay que catalogarlo no como una fuente energética sino
como un vector energético. Por esta razón, no va a competir con el carbón, gas natural, petróleo,
energía nuclear o energías renovables, va a competir con la electricidad, la gasolina o los gasóleos:
es un nuevo vector energético.
La producción de hidrógeno a partir de energías renovables lo capacita para utilizarse como
complemento a la electricidad. Aquí es donde radica una de sus ventajas, es decir, la posibilidad de
servir como almacén energético que garantice el suministro y aumente la fiabilidad de las energías
renovables, dándole de esta forma un valor añadido y contribuyendo en su desarrollo futuro.
La posterior transformación de ese hidrógeno a través de las pilas de combustible, convirtiendo la
energía química de forma directa en electricidad a través de una reacción electroquímica, es la vía
más eficiente de producción de electricidad y la que menos emisiones genera.
De esta forma, el hidrógeno como vector energético en el que se puede almacenar la energía
producida a partir de fuentes renovables, junto con el aprovechamiento de su contenido energético a
través de la pila de combustible constituirán los pilares de la economía y del suministro energético.
A nivel nacional, aunque son muchos los esfuerzos que se están realizando en el desarrollo de esta
tecnología debido a su gran potencial de combinación con energías renovables, todavía queda
mucho camino por recorrer y son muchas las acciones que acometer, para ello se ha creado el
Centro Nacional de Experimentación de las Tecnologías del Hidrógeno y las Pilas de Combustible
de manera que sirva de apoyo a toda la comunidad científica, unificando el conocimiento generado,
liderando la estrategia nacional, promoviendo la creación de empresas y en definitiva impulsando la
tecnología del hidrógeno hacia la plena industrialización con un cierto liderazgo español.
7.
BIBLIOGRAFIA
Ball, M., & Wietschel, M. (2009). The future of hydrogen - opportunities and challenges. International
Journal of hydrogen energy , 34, 625-627.
Centro Nacional de Experimetación en Tecnologías del Hidrógeno y Pilas de Combustible. (s.f.). Obtenido de
www.cnethpc.es
DE LOYOLA, I. (2008). "Evolución de la situación energética de España en el marco del cambio climático:
pasado, presente y escenarios futuros".
Hoogers, G. (2003). Fuel Cell Technology Hanbook, Vol 11.
OTERO DE BECERRA, J. e. (2010). " Hidrógeno y pilas de combustible: estado actual y perspectiva
inmediata".
Plataforma Tecnológica Española del Hidrógeno y Pilas de Combustible. (s.f.). Obtenido de www.ptehpc.es
U.S. Department of Energy Office of Fossil Energy, N. E. (2004). Fuel Cell handbook (7th edition).
Morgantown (West Virginia).