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).