Células de combustible para producir energía limpia

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La disponibilidad de combustibles alternativos a los derivados del petróleo permite generar energías limpias y respetuosas con el medio ambiente

Una célula de combustible es un dispositivo que genera electricidad mediante un proceso electroquímico, por el cual la energía almacenada en un combustible se convierte directamente en energía eléctrica, en forma de corriente continua.

En este proceso también se produce calor, pudiendo obtener su aprovechamiento energético. En función del tipo de célula empleada, los fluidos de escape se emiten en una temperatura entre los 60 y los 1.000 ºC (figura 1).

El principio de funcionamiento de una célula de combustible es el inverso al proceso desarrollado en la electrólisis del agua (figura 2). En este proceso, se dispone de un tanque con una disolución salina en el cual se encuentran inmersos dos electrodos. Haciendo pasar a través de estos electrodos una corriente, se produce la disociación de la molécula de agua en sus iones, H+ y O-2. En una célula de combustible se dispone de dos electrodos y de una membrana, de distintos materiales, que hace las funciones de la disolución acuosa salina. Al pasar el hidrógeno y el oxígeno a través de los electrodos se genera una corriente continua.

El rendimiento de una célula de combustible es más elevado que el de un sistema de generación de energía eléctrica tradicional, debido a que se reduce el número de transformaciones de la energía (figura 3). En un sistema tradicional, mediante proceso de combustión, la energía química se transforma en térmica, y luego se transforma en energía mecánica y a través de un generador en energía eléctrica. En una célula de combustible la energía eléctrica se obtiene de la energía química contenida en el combustible. Es un proceso electroquímico. No hay proceso de combustión.

Los tipos de células son muy variados y se pueden clasificar atendiendo a estos dos criterios básicos: temperatura de operación y tipo de electrolito. Según la temperatura de operación se agrupan en células de baja y alta temperatura. Las primeras operan hasta unos 200 ºC, mientras que las de alta temperatura pueden llegar hasta los 1.100 ºC.

En cuanto al tipo de electrolito utilizado, las células de combustible se clasifican así (figura 4):

– PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

– DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)

– PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)

– AFC (Alkaline Fuel Cell)

– MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)

– SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).

Según la temperatura de operación, las aplicaciones pueden ser distintas. En el caso de las células de baja temperatura, las aplicaciones más relevantes corresponden a sistemas de propulsión para vehículos, embarcaciones, equipamiento electrónico y lanzaderas espaciales.

En el caso de las células de alta temperatura, destacan las aplicaciones de generación y poligeneración estacionarias.

Antecedentes

Las células de combustible datan del siglo XIX y su aparición es anterior a la de los motores de combustión interna.

En 1839, el británico William Grove, jurista de profesión y físico de vocación, publicó un experimento que demostraba la posibilidad de generar corriente eléctrica a partir de la reacción electroquímica entre hidrógeno y oxígeno. Su original experimento consistió en unir en serie cuatro celdas electroquímicas, cada una de las cuales estaba compuesta por un electrodo con hidrógeno y otro con oxígeno, separados por un electrolito. Grove comprobó que la reacción de oxidación del hidrógeno en el electrodo negativo, combinada con la reducción del oxígeno en el positivo, generaba una corriente eléctrica que se podía usar a su vez para generar hidrógeno y oxígeno.

Su desarrollo cayó en el olvido hasta 1960. Esta tecnología se utilizó en los programas espaciales Geminis y Apollo de la NASA, para producción de energía eléctrica y agua a bordo, en ausencia de sol.

Este retraso se debió, principalmente, a la relativamente fácil disponibilidad de los combustibles fósiles, y a la escasa conciencia medioambiental que no propiciaba el fomento de tecnologías limpias.

El impulso actual al desarrollo de las células de combustible, podemos encontrarlo en estos factores:

– Crecimiento de la demanda de energía eléctrica.

En los próximos treinta años, se prevé que se duplique el consumo energético mundial (figura 5).

La sociedad actual depende de la disponibilidad ininterrumpida de combustibles fósiles asequibles, que se irán concentrando progresivamente en un corto número de países, con el consiguiente riesgo de inestabilidad geopolítica y económica. El hidrógeno se puede obtener de una amplia gama de fuentes de energía primarias, incluyendo los combustibles fósiles, y cada vez en mayor medida, de las fuentes de energía renovables. El uso del hidrógeno permitirá conseguir un cierto equilibrio entre la energía centralizada y la descentralizada, sobre la base de redes inteligentes gestionadas, y la distribución de energía en ubicaciones apartadas.

– Contaminación creciente. Las emisiones de compuestos contaminantes con efectos perjudiciales para el medio ambiente, como el efecto invernadero o la reducción de la capa de ozono, hacen necesario llevar a cabo actuaciones que reduzcan las emisiones de estos compuestos. El nivel de emisiones de CO2 y su previsión para los próximos años alcanza cotas extremadamente peligrosas, debidas principalmente al desarrollo industrial de países como China, India y los países del sureste asiático (figura 6).

– Necesidad de utilización de combustibles alternativos. Las reservas de petróleo están disminuyendo paulatinamente, y se estima que en unos cincuenta años, hayan desaparecido, tal y como las entendemos hoy. Por ello, la búsqueda de combustibles alternativos para la producción de energía, es uno de los retos planteados a la sociedad del bienestar. Dentro de los combustibles alternativos, el hidrógeno, bien como combustible, bien como vector energético, se perfila como la base del presente y futuro sistema energético (figura 7).

– Incremento de la conciencia medioambiental. Debido al incremento de los problemas medioambientales, se ha desarrollado un aumento en la conciencia medioambiental en todos los organismos, empresas, instituciones y sociedad civil en general. Por ello se están elaborando políticas, en torno a tratados internacionales, como el protocolo de Kyoto, en virtud de las cuales, se pretende reducir las emisiones de CO2 por parte de los países industrializados.

Célula de combustible IZAR-MTU HM-300

Izar, en una clara apuesta por el desarrollo sostenible, y por los sistemas limpios de generación de energía eléctrica, construyó y puso en valor en su planta de Cartagena, durante 2002, el Izar Fuel Cell Focus Centre, al amparo del V Programa Marco de la Unión Europea, y en alianza tecnológica con el fabricante alemán MTU CFC.

En él está instalada una célula de combustible IZAR-MTU HM-300, tecnología carbonatos fundidos, (figuras 8 y 9), con capacidad de generación eléctrica de 250 kW y aprovechamiento térmico del fluido de escape de 170 kW.

Para conseguir esta potencia eléctrica se han “apilado” en serie, 350 celdas o parejas de ánodos-cátodos.

En esta aplicación, el hidrógeno necesario para el proceso de generación eléctrica, se obtiene del gas natural mediante un proceso de reformado con agua.

El oxígeno, igualmente necesario para el proceso, se obtiene directamente del aire.

Aunque, como se ve posteriormente, es posible la utilización de otros combustibles alternativos, se ha optado inicialmente por la utilización de gas natural, debido al alto desarrollo de su logística y su fácil disponibilidad.

En este centro se desarrollan labores de operación, parametrización, investigación e innovación. En abril de 2004 se superaron las 10.000 horas de operación con unos resultados excelentes.

Los rendimientos eléctricos obtenidos son muy elevados, incluso a cargas parciales. El rendimiento en corriente continua alcanza valores del 53%, y en alterna del 48%. Si añadimos el aprovechamiento energético contenido en el fluido de escape, se supera el 80% como rendimiento global, con una fiabilidad por encima del 95%.

Además, y a efectos de demostrar la capacidad industrial de este equipamiento, la célula de combustible es la base de un sistema de trigeneración.

Se obtiene agua caliente sanitaria y frío y calor para climatización de edificios a partir de los fluidos de escape que se emiten en el entorno de los 400 ºC, (figura 10).

Se han generado más de 1.200.000 kW eléctricos y 420.000 kW térmicos.

Los buenos resultados obtenidos, han animado a IZAR a industrializar y comercializar este tipo de unidades en España.

En una primera fase se contemplan instalaciones de generación eléctrica/poligeneración, dedicadas a proyectos de demostración tecnológica.

Entre las aplicaciones que ya resultan adecuadas, conforme a los excelentes resultados obtenidos, cabe destacar las siguientes:

– Aplicaciones donde se requiere cogeneración:

• Hospitales

• Industria textil

• Cerámicas

• Madera

• Industria agroalimentaria

• Industria petroquímica.

– Aplicaciones donde se generan gases de proceso ricos en hidrógeno:

• Gasificación de carbón.

– Aplicaciones donde se requiere con-sumo de corriente continua, o elevada calidad y fiabilidad del suministro de la corriente eléctrica:

• Empresas de telefonía/telecomunicaciones

• Centros de proceso de datos

• Instalaciones militares.

– Aplicaciones en localizaciones aisladas:

• Residencial.

– Aplicaciones con biogás:

• Residuos urbanos

• Aguas residuales

• Origen animal y/o vegetal.

– Aplicaciones con bioalcoholes:

• Metanol

• Etanol.

El equipo está compuesto por tres módulos (figura 11):

– Módulo de suministro o Media Supply

– Módulo de potencia o Hot Module

– Módulo de acondicionamiento eléctrico.

En el módulo de suministro se trata el combustible para, mediante un proceso de reformado con agua, obtener el hidrógeno necesario.

Previamente se realiza un proceso de desulfuración del combustible.

En el módulo de potencia están contenidos las agrupaciones de ánodos-cátodos y tiene lugar el proceso electroquímico por el cual la energía química contenida en el combustible se transforma en energía eléctrica. También aquí se continúa reformando el combustible.

Se mide continuamente, bien por mediciones directas, a través de un cromatógrafo de gases, o bien por medio de mediciones indirectas (sonda de óxido de zirconio) la concentración de hidrógeno existente en diversos puntos del sistema.

Finalmente, en el módulo de acondicionamiento se transforma la energía eléctrica obtenida, en corriente continua en el proceso anterior, a las condiciones de utilización deseadas.

Esta célula de combustible es respetuosa con el medio ambiente. No se detectan trazas de NOx y SOx, y no hay presencia de partículas en los fluidos de escape.

Las emisiones de CO2, originadas en el proceso de reformado del gas natural, se reducen entre un 30 y 40 % respecto a los motores de combustión interna, y es de reseñar la posibilidad de utilización de otros combustibles “limpios”, como son los bioalcoholes, biometanol y bioetanol, los biogases procedentes del tratamiento de residuos urbanos y de aguas residuales, y los gases procedentes de la biomasa de origen animal y vegetal.

Debido a que no hay partes o mecanismos en movimiento, los niveles de ruido son mínimos, estando por debajo de los 75 db y no siendo necesario, por tanto, protección auditiva. Esta ausencia de contaminación sonora simplifica las instalaciones en entornos urbanos y residenciales.

Apuesta europea

Finalmente, reseñar el impulso que la Unión Europea está aplicando, para posibilitar el desarrollo de las tecnologías del hidrógeno y las pilas o células de combustible, destinando fondos económicos importantes para la financiación de proyectos de investigación y de demostración tecnológica.

Para ello ha desarrollado la hoja de ruta europea del hidrógeno y las células de combustible, estableciendo etapas a corto y medio plazo (hasta 2010), a medio plazo (hasta 2020), y a medio y largo plazo (después de 2020).

Como acciones a corto plazo, relacionadas directamente con las células de combustible, están las encaminadas a introducirlas con prontitud en nichos de Figura 9. El camino hacia la sociedad del hidrógeno. Fuente: “The Economist” (Marzo 2001). mercado relevantes, con el fin de estimular el mercado, la aceptación por la población y la experiencia, a través de la demostración.

A nivel legislativo, las células de combustible aparecen por primera vez, como Aire

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