Pilas de combustible:

Un paseo por las pilas de combustible
La principal ventaja de este tipo de pilas reside en que funciona con combustible a
diferencia de las pilas químicas y no deja de proporcionar energía hasta consumirlo.
El combustible más utilizado en las pilas es el hidrógeno que, en combinación con el
oxígeno, produce una reacción electroquímica de la que se extrae energía.
El elemento mas abundante del universo, por increíble que parezca es el hidrógeno
(incluyendo nuestro planeta), por lo que hay combustible de sobra, aunque hay
extraerlo de terceros compuestos como puede ser las moléculas del agua, gas natural,
petróleo, etc...
Diagrama de una celda de combustible
Aplicación para PC de pila de combustible
¿Cómo obtener el hidrógeno?
Existen multitud de formas y técnicas para sintetizar el hidrógeno, desde la más
ecológica a la más contaminante.
Se puede obtener mediante electrólisis del agua con energía eléctrica procedente por
ejemplo de placas solares. También, mediante la descomposición del gas natural, la
descomposición del aluminio, procesos con hidrocarburos, tratamiento de biomasa,
descomposición de metano, aprovechamiento de procesos exotérmicos en centrales
de refinado de crudo, etc…
De entre todas, la más limpia es mediante electrólisis siempre que para, producir la
energía se utilicen fuentes limpias como por ejemplo la energía solar o la eólica.
Electrolizador industrial
Electrolizador básico
¿Para qué sirve una pila de combustible?
El campo de utilización de las pilas de combustible es muy amplio, desde alimentar un
PC portátil hasta la regulación del flujo eléctrico en centrales eléctricas.
Hay otros métodos de almacenar energía, ¿por qué utilizar entonces las pilas de
combustible?
Pese a que hay otros sistemas para generar energía, una de las propiedades de la
tecnología del hidrógeno, es que es una fuente inagotable y limpia de energía cuyo
único residuo es el agua, además tan solo se necesita agua para producir hidrógeno y
éste se puede almacenar, por lo que se abre la posibilidad de prescindir del petróleo, al
haber agua en todas partes del mundo, se permite el acceso a disponer de este recurso
a todas las poblaciones del mundo, zonas en las que en la actualidad no hay desarrollo
industrial ni social a causa de la falta de energía. Por poner un ejemplo, una zona
aislada que disponga de agua y luz solar situada en cualquier parte planeta, puede
generar su propio hidrógeno para gestionar su energía sin depender de los intereses
energéticos y económicos de países terceros, por lo que puede desarrollar una
industria, puede construir vehículos eléctricos y con ellos una red de transporte que
permita fomentar el comercio, distribución de corriente eléctrica y en definitiva,
desarrollarse.
Es necesaria la síntesis del hidrógeno de manera limpia para evitar emisiones de CO2
a la atmósfera y frenar el efecto invernadero.
Campo eólico
Gráfica de velocidad y dirección del viento
Otro motivo para la utilización del recurso es que las centrales fotovoltaicas, y eólicas
no tienen un flujo constante de energía, por lo que hace falta un dispositivo que pueda
aportar energía en los momentos en los que la central no es capaz de suministrarlo por
medios propios divido a las condiciones meteorológicas, como por ejemplo en un
campo solar un día nublado o falta de flujo de aire en un campo eólico.
Por otra parte desde el punto de vista del consumo, no siempre se exige la misma
demanda. (No es lo mismo el consumo de una población en primavera a las 4 de la
mañana que el consumo de esa misma población a las 22:00 en Noche Buena).
Para suplir esos picos de demanda, se pueden utilizar pilas de combustible, y para
regular la intensidad que generan dichas pilas se puede regular la concentración de
hidrógeno por centímetro cuadrado en las pilas de combustible, o bien combinando
distintas bancadas de pilas de combustible. Durante el tiempo que se está generando
energía y hay recurso energético de sobra, como por ejemplo el viento que sopla por la
noche a primera hora de la mañana en el caso de una central eólica, se puede utilizar
el excedente de energía para producir hidrógeno mediante electrólisis y proceder a su
almacenaje para compensar mas tarde una falta de flujo eólico, gracias a pilas de
combustible estacionarias, esto por el momento se hace con la ayuda de volantes de
inercia para aguantar el pico de consumo y grupos electrógenos de gasoil para
compensar y mantener el flujo eléctrico requerido, al utilizar gasoil para los
generadores se producen una serie de contaminantes, que se podrían evitar utilizando
la tecnología del hidrógeno.
Depósitos de hidrógeno para la automoción
¿Es viable introducir una pila de combustible en un vehículo eléctrico?
La pila de combustible, se puede introducir en un vehículo eléctrico, el problema es la
gestión del combustible. Para ello por el momento lo más factible es el aire a presión,
(almacenar hidrógeno a 700 Bar). Parece que, tras las pruebas que se han realizado en
el mundo de la automoción, se da como seguro que el vehículo eléctrico utilizará pilas
de combustible, de hecho, las empresas más importantes del sector han desarrollado
modelos de hidrógeno.
Países como Japón, Estados Unidos e Islandia han construido a modo experimental
hidrogeneras que utilizan el sistema de presión de gas para efectuar el repostado de
los vehículos de hidrógeno y estos proyectos se están extendiendo a otros países.
¿Cómo gestionar el hidrógeno?
Sintetizar hidrógeno no sirve de mucho si no se puede gestionar, para poder
gestionarlo de manera eficaz, por el momento la tecnología más desarrollada es el
almacenaje en tanques de hidrogeno comprimido para su posterior transporte y
distribución, utilizando bombonas a presión. Pero de ésta manera se pierde gran parte
del volumen de transporte en el espacio que ocupan las bombonas, además del
espacio que se desaprovecha al no poder comprimir al 100% el hidrógeno, otro
problema añadido es la energía utilizada al comprimir el gas. Aunque por el momento
es el más desarrollado, necesita mejorar.
Otro método es transportarlo mediante tuberías de gas natural, pero hay un par de
inconvenientes importantes: el hidrógeno, al ser un gas más ligero y menos denso que
el gas natural, por lo que se requiere para transportar la misma cantidad de hidrogeno
que se gas natural, mover mayor volumen aumentando la velocidad de envío o bien
mover un menor volumen pero a mayor presión, con el fin de transportar la misma
carga energética en el mismo tiempo.
Analizando desde el punto de vista energético, la energía del hidrógeno por unidad de
masa es mucho mayor que la del gas natural, pero el volumen del hidrógeno por mol,
es mucho mayor que el del gas natural, por lo que para transportar la misma masa es
necesario transportar mayor volumen, por lo que o se aumenta la presión o se acelera
la velocidad del gas dentro de las tuberías.
Otro problema es la incompatibilidad de materiales respecto a las actuales tuberías de
gas natural, por lo que el transporte en la actualidad requiere una inversión
multimillonaria por lo que sigue siendo caro.
Si llegara a emplearse en un futuro el hidrógeno de manera doméstica, es seguro que
se modificarán las redes troncales de gas natural.
Almacenaje mediante adsorción
Se están investigando otras formas de almacenar hidrógeno mediante procesos de
adsorción, utilizando para ello nanotubos de carbono y otros materiales como
aerogeles y nanofibras.
Por el momento la capacidad de adsorción no es muy elevada. Actualmente la
cantidad máxima de hidrógeno almacenada es en torno al 3% en peso a temperaturas
de 77K aunque se pretende alcanzar el 6% a medio plazo, a largo plazo podría llegar al
10% a temperatura ambiente. La técnica consiste en utilizar materiales formados
únicamente por carbono enrollado en forma de cilindro, formando tubos con un
diámetro del orden de nanómetros. La capacidad de almacenaje depende
directamente de la superficie total del carbono utilizado.
Almacenaje mediante absorción
Otra línea de investigación se basa en la absorción de hidrógeno por parte de
materiales tales como hidruros metálicos NaH, BeH2, CaH2, LiH, siendo los principales
candidatos al almacenamiento de hidrógeno son los siguientes:
TiFe-H2, LaNi-H6 y Mg2Ni-H4.
El almacenamiento se produce de la siguiente manera:
Al principio el metal está libre de hidrógeno.
A una temperatura dada el hidrógeno se disuelve en la fase metálica aumentando la
presión.
Conforme aumenta la presión el hidrógeno va siendo absorbido por el material hasta
que queda totalmente cargado.
Para recuperar el hidrógeno, tan solo hay que aplicar calor.
En el caso del Mg-H2 (Hidruro de magnesio) permite absorber un 7,6% en peso, pero
se necesitan temperaturas de 300ºC para extraer e introducir el hidrógeno, lo que
implica un consumo energético.
Para reducir la temperatura se preparan láminas de magnesio de unas pocas decenas
de nanómetros de espesor “Corte transversal lámina de magnesio 100nm sobre vidrio”. La
reducción a escala manométrica de los granos que forman las películas produce una
aceleración de los procesos de absorción y desorción del hidrógeno (menores
distancias de difusión del hidrógeno en el interior del magnesio, por ejemplo) así como
una menor estabilidad del compuesto (debido a la elevada superficie existente) y,
como consecuencia, una reducción de la temperatura necesaria para extraer e
introducir el hidrógeno.
Para hacer viable el almacenamiento del hidrógeno en este tipo de nano estructuras,
es necesario sintetizar una mayor cantidad de material sin perder el carácter de nano
estructura, esto es, en forma de nano partículas.
Corte transversal lámina de magnesio 100nm sobre vidrio
nano partículas de magnesio 5nm
¿Cuáles son las mejores pilas de combustible?, aplicaciones.
Depende del uso que se les vaya a dar, para las aplicaciones domesticas las mejores
son las PEMFC, ya que son compactas y pequeño tamaño, en este tipo de pilas, la
corriente que son capaces de suministrar es directamente a la superficie de la MEA de
cada una de las células del stack mientras que la tensión o diferencia de potencial la
marca el número de células que forman el stack, la pila permite aportar mayor energía
aumentando la presión del combustible y el comburente pero el límite lo marca la
presión que es capaz de soportar la MEA (Protón Exchange Membrane o membrana
intercambiadora de protones), actualmente hasta un máximo de 4Bar ya que por
encima de esta presión se produce deterioro de la membrana.
Está previsto que se comercialice en breve una gama de pilas de consumo doméstico.
Para los vehículos, también son una buena opción las PEMFC ya que solo requieren
hidrógeno para funcionar, tomando el oxígeno del aire de la atmosfera. La pila, genera
una temperatura de entre 80 y 90ºC, por lo que la gestión del calor residual es sencilla
(en un vehículo), puede utilizarse como calefacción aunque ha de ir acompañado de
otros sistemas de regulación de temperatura, ya que es insuficiente en países fríos.
Respecto a los países más calurosos es necesario un sistema de aire acondicionado, lo
que suma el consumo de hidrógeno por tanto la autonomía del vehículo. El consumo
de un vehículo eléctrico está entre 10 y 16 Kw.
Pueden ofrecer una eficacia energética del 60% mientras que los motores de explosión
actuales consiguen un 25%.
Para las centrales estacionarias, las mejores pilas por el momento son las de ácido
fosfórico (PAFC), carbonato fundido (MCFC) y de óxido sólido (SOFC), ya que permiten
mayores cantidades de consumo en un espacio relativamente pequeño, además
pueden tolerar una fuente de hidrógeno contaminada siendo posible la utilización de
gas natural no reformado, gasoil o gasolina. El calor generado puede utilizarse para
mover turbinas mediante vapor de agua.
Para aplicaciones militares se usan pilas de combustible alcalinas, éstas requieren que
tanto el oxigeno como el hidrógeno sea puro, pero a cambio, ofrecen una buena
respuesta energética. Como nota curiosa, decir que estas son las pilas que se utilizaron
para suministrar energía a las naves del proyecto Apollo, que por cierto en el Apollo 13
se produjo un accidente debido al comportamiento del oxígeno en un ambiente
ingrávido, provocando una explosión que puso en jaque durante un as horas a los
astronautas de la nave, el agua que bebían era la producida por la reacción
electroquímica de la pila de combustible, mezclada con una serie de sales minerales.
Otra de las posibles aplicaciones esta en los sistemas de backup de energía, por
ejemplo en las estaciones de telefonía móvil, quirófanos servidores informáticos, etc…
Como se ha comentado anteriormente, mientras hay hidrógeno hay energía, tan solo
ha de haber un buen deposito de hidrogeno.
Para que el sistema de pila de combustible funcione correctamente es aconsejable
utilizar sistemas anexos a la propia pila de combustible, tales como sistema
distribuidor de energía, sistema de baterías, compresores , lógica de control y
seguridad, tarjetas interfaces etc…
Ejemplo de pila de combustible en centro aislado:
Supongamos una estación repetidora de vigilancia forestal en la que los equipos que
hay instalados en su interior funcionan con un nivel de tensión de 48Vcc. La estación
alberga equipos de telecomunicaciónes, un sistema de aire acondicionado diseñado
para funcionar con un nivel de tensión de 48Vcc y una unidad de control de alarmas
del centro que indica al centro de vigilancia y gestión el estado del centro.
La estación repetidora se encuentra en un lugar aislado, por ejemplo en lo alto de un
monte de difícil acceso (muy frecuente en los pirineos en invierno), por lo que si se
produce una avería en el suministro de energía de red, el técnico va a tardar cerca de 5
horas en llegar, además se da el caso de que si falla la línea eléctrica, el suministrador
tardará un plazo de 48horas en solucionar el problema.
Por lo que el sistema ha de tener una gran autonomía.
En este caso la solución más común pasa por instalar un grupo electrógeno que se
pone en marcha cuando falla la tensión de red. Aún así supone un inconveniente ya
que se encuentra en un paraje protegido y se ha de evitar la contaminación acústica.
Los sistemas con baterías duran unas pocas horas, por lo que es aconsejable un
sistema que no haga ruido, que no contamine y que mantenga la energía en el centro.
Para lograr este fin se puede instalar una pila de combustible diseñada para la tensión
estándar de 48Vcc y alimentarla con el hidrógeno almacenado en bombonas a alta
presión.
De tal manera que, si falla la energía, entra en funcionamiento el sistema de baterías
(sin producir corte en el servicio) y cuando las baterías bajen de un nivel determinado
de tensión, entrará en funcionamiento el sistema de hidrógeno hasta que la red
eléctrica se reponga.
Un añadido a la instalación puede ser un aerogenerador y un sistema de placas solares,
que en el caso de estar funcionando el sistema de red eléctrica, suministre energía a la
propia red (esto se haría, meramente por motivos económicos ya que se paga mejor la
energía suministrada de lo que vale la energía cobrada) y durante el tiempo que la red
falle los sistemas de placa solar y aerogenerador suministren la energía de
funcionamiento del centro, directamente a las baterías. Si en un futuro se desea y los
estudios de intensidad de luz y viento lo permiten, se puede incluso prescindir del
contrato con la compañía eléctrica.
Centro aislado
Nota: Para entregas energía a la red eléctrica hay primero que convertirla o adaptarla a
las características que nos indique el suministrador utilizando para ello sistemas tales
como un transformador y un ondulador de la potencia requerida. La carga de las
baterías se realiza directamente desde el sistema de energía alternativo en el caso de
fallo de red.
Con el ejemplo anteriormente citado se cubre la necesidad de energía en un centro,
utilizando la energía sobrante para su venta o llegado el caso para generar y comprimir
más hidrógeno. De la misma manera se puede adaptar el sistema para la alimentación
de una vivienda o incluso de una urbanización de chalets, centralizando los equipos de
producción y distribución en un local comunitario reduciendo de esta manera el gasto
individual de cada uno de los propietarios o vecinos.