Celdas de combustible como alternativa energética Por Simeon Muñoz y Luis Ernesto Buitrago

Las celdas de combustible prometen ser una solución en el futuro cercano para la producción de energía eléctrica a partir del elemento más abundante en el Universo: el hidrógeno. 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. El único subproducto que se genera es agua 100% pura. Quien desarrolle su tecnología de forma económica tendrá la llave para la siguiente generación de producción de energía. A continuación se presentan sus beneficios así como sus desventajas

VENTAJAS

Beneficios medioambientales

a) Altas eficiencias en la utilización del combustible. El hecho de la conversión directa del combustible a energía a través de una reacción electroquímica, hace que las celdas de combustible puedan producir más energía con la misma cantidad de combustible si lo comparamos con una combustión tradicional. El proceso directo hace que las eficiencias puedan alcanzar entre 30% y 90%, dependiendo del sistema de celda de combustible, y además se puede emplear el calor adicional producido. En dicho proceso se evitan pérdidas térmicas por combustión y mecánicas por fricción (al no existir elementos móviles) que disminuyen la eficiencia global del sistema.

b) Emisión cero de contaminantes. Cuando el combustible es hidrógeno, los productos obtenidos en la reacción electroquímica en la celda de combustible entre el hidrógeno y el oxígeno son agua, calor y electricidad, en lugar de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y otras partículas inherentes a la combustión de combustibles fósiles. Para extraer hidrógeno puro, los combustibles fósiles deben pasar primero por un reformador. En este proceso las emisiones de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y otros contaminantes, son solamente una fracción de aquellos producidos en la combustión de la misma cantidad de combustible.

c) Reducción del peligro medioambiental inherente de las industrias. Las celdas de combustible no producen el deterioro ambiental asociado a la extracción de combustibles fósiles de la Tierra cuando el hidrógeno es producido a partir de fuentes renovables. Si se produce un escape de hidrógeno, éste se evaporará de forma instantánea debido a que es más ligero que el aire.

d) Funcionamiento silencioso. Al carecer de partes móviles, se ha estimado que el nivel de ruido a 30 metros de una pila de combustible de tamaño medio es únicamente de 55 decibelios. Es por ello que podrían usarse celdas de combustible en recintos urbanos.

Beneficios en la ingeniería de celdas de combustible

a) Admisión de diversos combustibles. Cualquier combustible si incluye hidrógeno en su composición puede ser reformado. Pueden emplearse para este proceso por ejemplo gas natural, carbón gasificado, gasolina o metanol.

b) Altas densidades energéticas. La cantidad de energía que puede generar una celda de combustible con un volumen determinado es normalmente dada en kWh/litro. Estos números continúan aumentando conforme se realizan nuevas investigaciones y desarrollos asociados de los productos respectivos.

c) Bajas temperaturas y presiones de operación. Las celdas de combustible dependiendo del tipo de éstas, operan desde 80 ºC a más de 1000 ºC. Estos números parecen ser altos, pero tenemos que pensar que la temperatura dentro de los vehículos con motores de combustión interna pueden alcanzar más de 2.300 ºC.

d) Flexibilidad de desplazamiento. Las celdas de combustible, con su inherente operatividad sin ruidos, emisión cero y requerimientos mínimos, pueden ser instaladas en multitud de lugares, de interior o exterior, residenciales, industriales o comerciales.

e) Capacidad de cogeneración. Cuando se captura el calor residual generado por la reacción electroquímica de la celda de combustible, éste puede emplearse por ejemplo para calentar agua o en aplicaciones espaciales para calentar la nave. Con las capacidades de cogeneración, la eficiencia de una celda de combustible puede alcanzar el 90 %.

f) Rápida respuesta a variaciones de carga. Para recibir energía adicional de la celda de combustible, se debe introducir más combustible en el sistema. La respuesta de la carga en la celda es análoga a la presión que realicemos en el acelerador de nuestro vehículo, a más combustible, más energía.

g) Carácter modular. La construcción modular supone una menor dependencia de la economía de escala. La disponibilidad de las celdas de combustible como módulos independientes supone una ventaja adicional, ya que un cambio de escala en la potencia requerida se consigue fácilmente mediante la interconexión de módulos

h) Simplicidad del dispositivo. Las celdas de combustible carecen de partes móviles. La falta de movimiento permite un diseño más simple, una mayor fiabilidad y operatividad y un sistema que es menos propenso a estropearse.

Seguridad energética

- El hidrógeno usado como combustible en las celdas de combustible puede ser producido a nivel doméstico a través del reformado de gas natural, electrólisis del agua o fuentes renovables como eólica o fotovoltaica. La generación de energía a este nivel evita la dependencia de fuentes extranjeras que pueden localizarse en regiones inestables del mundo.

- El rápido consumo de los combustibles fósiles que la sociedad moderna requiere para el estado de vida actual está acabando con un recurso limitado. La utilización del hidrógeno, el elemento más abundante en el Universo, es ilimitada. La transición hacia una economía del hidrógeno es posible y evitaría los problemas asociados al agotamiento del petróleo.

Independencia de la red de suministro de energía

Un sistema de celdas de combustible residencial, permite una independencia a sus habitantes respecto a la red de suministro de energía eléctrica, la cual puede tener irregularidades. Una de éstas, serían los cortes de energía que pueden causar daños importantes a sistemas informáticos, a equipos electrónicos y en general a la calidad de vida de las personas.

Celdas de Combustible frente a baterías tradicionales

Las celdas de combustible ofrecen una reducción en el peso y en el tamaño para la misma cantidad de energía disponible respecto a las baterías tradicionales. Para incrementar la energía en una celda de combustible, simplemente debe introducirse más cantidad de combustible en el dispositivo. Para aumentar la energía de una batería, se deben adicionar más baterías viéndose incrementado el costo, el peso y la complejidad del sistema. Una celda de combustible nunca se agota; mientras haya combustible continúa produciendo electricidad. Cuando una batería se agota debe experimentar un largo e inconveniente tiempo de recarga para reemplazar la electricidad gastada.

DESVENTAJAS

- La producción del hidrógeno resulta muy costosa al no ser éste una fuente primaria de energía.

- La obtención del hidrógeno puro supone un precio elevado comparado con los combustibles convencionales.

- Alto costo de los sistemas de almacenamiento y suministro (de hidrógeno, metanol o gas natural).

- Alto peso de celdas de combustible para los prototipos actuales.

- Elevado gasto energético para reformar el hidrógeno.

- La producción de algunos componentes, al no efectuarse a gran escala, implica un costo elevado. Se estima que un vehículo con celda de combustible tiene un costo 30 % más que uno de gasolina o diesel con prestaciones similares debido a la tecnología.

- Tecnología emergente. Determinados problemas aún no resueltos afectan al funcionamiento de las celdas de combustible, especialmente en lo que respecta a su vida útil, lo que repercute en su comercialización.

- Al tratarse de una tecnología en desarrollo y contar todavía con una baja demanda de unidades, su precio no puede, hoy en día, competir con el de las tecnologías convencionales. El costo aproximado de instalación por kW mediante celdas de combustible corresponde a $3.000 US/kW, en tecnología de carbón $1.300 US/kW y en tecnología a gas $600 US/kW. Es de esperar que, conforme la demanda se incremente, los precios se vayan equiparando.

- Sensibilidad hacia los venenos catalíticos. Los electrodos empleados incorporan catalizadores para favorecer el desarrollo de las reacciones electroquímicas. El contacto de estas sustancias con los llamados venenos catalíticos, tales como el monóxido de azufre u otros compuestos de azufre, o el monóxido de carbono provocan su inactivación irreversible. En la actualidad se está estudiando la sustitución de estos catalizadores por materiales más resistentes.

Fuentes:

www.fuelcellstore.com

www.ciemat.es

http://science.howstuffworks.com/fuel-cell1.htm