Gracias a la invención de la dinamo (por su importancia se le llamó la 2ª Revolución Industrial), se consiguió producir y conducir la electricidad aunque no almacenarla.

Dos nuevas tecnologías, ya en uso, pueden constituir un verdadero salto tecnológico, parecido al anterior, al poder pasar de la era de los hidrocarburos a la era solar, pues resuelven el problema planteado hasta la fecha del almacenamiento de la energía eléctrica y, a la vez, el de la inactividad de las centrales solares, eólicas etc. cuando faltan los elementos productores, sol, aire… Una es la producción de hidrógeno por medio de la electrólisis del agua, consistente en la ruptura de sus moléculas en presencia de un catalizador, con lo que se separa el hidrógeno del oxígeno y otra es el proceso inverso que se basa en la recombinación de estos dos elementos, por medio de las llamadas celdas de combustible (pilas de hidrógeno), para generar electricidad.

EL HIDRÓGENO

El hidrógeno es el gas más simple y ligero de la Tierra. Está formado por sólo un protón con carga positiva que constituye su núcleo y un electrón orbital negativo. Incoloro, inodoro e insípido, se licua a una temperatura aproximada de -253˚C. Durante la generación de electricidad, el hidrógeno se une al oxígeno para formar agua, lo que implica que no haya emisiones de CO2. A diferencia de éste, el hidrógeno no absorbe la radiación infrarroja y por lo tanto no tiene efectos sobre el calentamiento global.

Se ha utilizado como vector energético durante décadas y existe una gran cantidad de experiencia acumulada para manipularlo de forma segura en los laboratorios, por lo que puede ser igual de seguro que cualquier otro combustible empleado en la actualidad.

Para que una tecnología sostenible contribuya de verdad con el Medio Ambiente, tiene que usarse de forma generalizada.

ECONOMÍA DEL HIDRÓGENO

La sociedad o economía del hidrógeno implica utilizar éste como energía sin carbono y como fuente energética que puede sustituir a los combustibles fósiles convencionales. El hidrógeno es interesante porque se puede almacenar, transportar y transformar en energía (electricidad y calor) emitiendo únicamente vapor de agua.

El hidrógeno, no se encuentra de forma pura en la Naturaleza, por lo tanto hay que producirlo y para ello se necesita gastar energía de otros compuestos como el agua, el gas natural o la biomasa, siendo más preciso describirlo como medio de almacenamiento que como fuente de energía.

CELDA O CÉLULA UNITARIA

La celda unitaria o mono-pila es el elemento básico de un sistema basado en pilas de combustible. Una pila es un conjunto de celdas de combustible asociadas para producir energía. La pila de combustible es parecida a una batería, pues se basa en la transformación de energía química en electricidad. A diferencia de las baterías sus electrodos son relativamente estables y catalíticos y puede tener alimentación continua. Los reactivos que contiene son el combustible que es el hidrógeno y el comburente, normalmente oxígeno. La pila funcionará siempre que no le falten estos reactivos.

ELEMENTOS ESENCIALES DE LA CÉLULA DE COMBUSTIBLE

Electrolito es el que se encarga de separar los gases permitiendo el paso de iones de H₊ al cátodo y apartando los electrones e-. Es a la vez conductor iónico, aislante eléctrico y separador del ánodo y el cátodo. Atendiendo al estado de agregación en que se encuentre el electrolito, podemos encontrarnos con dos tipos de pilas de combustible:

– De electrolito líquido. En éste, los electrodos son porosos y el electrolito está en contacto con éstos, empapando pequeñas zonas. Los reactivos gaseosos se difunden a través de una delgada capa de electrolito y reaccionan electroquímicamente en las superficies de los electrodos. La cantidad de electrolito que puede contener el electrodo es limitada. Por tanto, un exceso de líquido podría impedir el transporte de las especies gaseosas y también las reacciones necesarias para la obtención de energía.

De electrolito sólido. Este tipo contiene un elevado número de catalizadores en la interfaz, que deben estar eléctrica e iónicamente conectados a los electrodos y al electrolito respectivamente, y que además, están eficientemente expuestos a los reactivos gaseosos.

Electrodos. Las reacciones electroquímicas tienen lugar en la superficie de los electrodos. El combustible se oxida en el ánodo y el oxígeno se reduce en el cátodo. Los electrodos suelen ser porosos, para permitir la difusión gaseosa. De esta forma, puede establecerse un buen contacto entre las tres fases que participan en la reacción (la sólida del electrodo, la gaseosa del combustible y la líquida o sólida del electrolito).Las funciones principales de los electrodos son:

  • Despejar o conducir los iones de la interfaz ternaria.

  • Hacer que los gases reactivos se distribuyan uniformemente en el electrolito.

  • Procurar que los productos de la reacción pasen de manera eficiente a la forma gaseosa.

Los electrodos de una pila están formados por el ánodo donde es reducido el H y el cátodo, donde reacciona el H y O₂.

Ánodo: En las pilas de combustibles, el ánodo separa los protones y electrones del combustible de hidrógeno mandando los protones al cátodo a través de la membrana al estar aislada eléctricamente, a la vez que obliga a los electrones a circular por un circuito externo produciendo energía. La reacción que se produce en el ánodo es la siguiente: H 2H + 2e-. Existen membranas de una fibra sintética muy resistente, conocida por deportistas y alpinistas (Goretex) que es un polímero que deja transpirar y a la vez conserva el calor. Esta membrana está revestida con una capa de un plástico superconductor finísima (de apenas 0,4 micrones, es decir, unas 100 veces más delgada que un cabello humano) que atrae oxígeno hacia esta celda facilitando el funcionamiento.

Cátodo: En el catalizador del cátodo, los electrones que circulan por un circuito externo y los protones reaccionan con las moléculas de oxígeno, produciendo agua o vapor de agua. La reacción en el cátodo es esta: ½ O + 2H + 2e- HO.

Placas bipolares: éstas separan las celdas, “conducen” los gases y evacúan el HO. La reacción global sería: H2 + ½ O2 H2O.

TIPOS DE PILAS DE HIDRÓGENO

La tecnología de las pilas de hidrógeno, por regla general, consiste en la síntesis de energía eléctrica a demanda, basada en la existencia de un reservorio de hidrógeno que se suele generar previamente mediante electrólisis del agua. Para ello se requiere de una energía que sea capaz de romper los enlaces que unen las moléculas de oxígeno e hidrógeno, es decir, aplicar el potencial de voltaje capaz de romperlos. La energía para este proceso se puede obtener de cualquiera de las energías renovables disponibles actualmente: solar, fotovoltaica, mare-motriz, biomasa, eólica, geotérmica, micro-algas…o de la nuclear o fósiles, mientras están activas.

Las importantes investigaciones en este campo están desarrollando muchos tipos de pilas, generalmente diferenciadas por el tipo de catalizador usado, como pueden ser:

AFC: Su electrolito es hidróxido de potasio y agua. Como catalizador puede usar una gran variedad de metales. Trabaja entre 40 y 80º C. Eficiencia 50 %. Tiene una reacción muy rápida y es el más utilizado para vehículos.

PEMFC Tiene una membrana de intercambio protónico y su reacción en el cátodo de platino es rápida. Temperatura de operación entre 50 y 95º C. Eficiencia ± 65% Es cara por el platino. Por su gran rendimiento se utilizan en la exploración espacial utilizando el hidrógeno como combustible ya que puede proporcionar agua potable y electricidad.

DMFC: Membrana y catalizador igual a la anterior. Transforma el metanol en hidrógeno. Eficiencia ± 45 %. Por su baja temperatura, entre 50 y 120º C, se emplean para móviles, cargadores de baterías, pcs portátiles…

PAFC: Su electrolito es ácido fosfórico y el catalizador de platino. Temperatura de trabajo entre los 190 y 240º C. Su eficiencia alrededor del 40 %. Se emplean en cogeneración con gas natural para producir electricidad y calor o frio a edificios de alta demanda energética.

MCFC: Su electrolito es carbonato fundido. Trabaja a muy altas temperaturas ± 650º C y su eficiencia está alrededor del 60 %. Su alta temperatura permite la producción de hidrógeno en el mismo lugar, utilizándose en aplicaciones estacionarias por cogeneración, proveyendo toda energía a edificios públicos o privados.

SOFC: El electrolito es un sólido cerámico. Trabaja a temperaturas muy altas entre 800 y 1000º C y su eficiencia no llega al 60 %.

MOTOR DE HIDRÓGENO

Ya se están fabricando vehículos que funcionan con hidrógeno, bien en botellas o con pilas y cada día se avanza más en este campo, pues parece ser el futuro previsible a corto plazo.

Una de las ideas originales es la instalación de una placa solar en el techo del coche. Ya hay placas que se pueden adaptar con distintas formas y pueden pintarse con lo que, mientras está parado o estacionado podría crear el hidrógeno necesario para cargar la pila de combustible y utilizar la energía generada para su funcionamiento. 

Esta tecnología en poco tiempo podrá usarse también a gran escala para barcos y aviones en combinación con otros combustibles.

El problema que existía hasta hace poco era el de la autonomía, pero ya se puede cargar un vehículo con 400 kv en ½ hora y conseguir una autonomía de 1000 Km con lo que esto es ya no es problema,

Aplicado al mundo de la automoción, el hidrógeno puede resultar una revolución, pero, al igual que los vehículos convencionales precisan de una red de estaciones de servicio, los vehículos de combustible requieren también de una adecuada infraestructura de repostaje de hidrógeno. El hidrógeno podría producirse en estaciones autónomas en la misma estación por medio de queroseno, gas natural o biogás, o mediante un electrolizador alimentado por energía eólica o paneles solares. Al ser tan explosivo el hidrógeno, se estudia la posibilidad de almacenar el agua y liberar el hidrógeno mediante una reacción química en el instante preciso, evitando así posibles explosiones por su almacenaje.

COGENERACIÓN E HIDRÓGENO

Una célula de combustible convierte normalmente la energía química de combustible en electricidad con un rendimiento aproximado del 50%. Las células de combustible no pueden almacenar energía como una batería sino que, en algunos usos, como centrales eléctricas independientes basadas en fuentes “discontinuas” (solares, energía del viento), se combinan con electrolizadores y sistemas de almacenaje para formar un conjunto y poder almacenar esta energía.

El rendimiento del proceso reversible (de electricidad al hidrógeno y de nuevo a electricidad) de tales plantas se encuentra entre el 30 y el 40%.

En “usos combinados de calor y de energía” (cogeneración), cuyas aplicaciones también requieren energía calorífica, se acepta un rendimiento más bajo de la conversión de combustible a electricidad (típicamente 15-20%), porque la mayoría de la energía no convertida en electricidad se utiliza como calor. Se pierde algo de calor con los gases que salen de la célula como ocurre en cualquier caldera convencional, por lo que, si se aplica una producción combinada de energía térmica y de energía eléctrica, la eficacia puede aumentar hasta el 80%.

Aumentarían su eficacia maximizando la producción de electricidad generada para hacer funcionar una bomba de calor. Para generar electricidad puede utilizarse por sí solo o mezclado con gas natural, incluso de baja calidad de vertederos o de plantas de tratamiento de aguas residuales, purín etc. reduciendo las emisiones de metano a la Atmósfera. Los sistemas combinados (CHP) de pilas de combustible para producir por cogeneración calor/frio y electricidad, incluyendo los microsistemas combinados de calor y energía (MicroCHP), generan energía eléctrica constante a hogares, edificios de oficinas y fábricas (vendiendo el exceso a la red cuando no se consume).

Los sistemas de cogeneración pueden alcanzar un rendimiento del 85% (40-60 % eléctrico y el resto térmico). Las pilas de ácido fosfórico (PAFC) son las más eficaces para esto.

FUTURO

El impacto medioambiental del uso del hidrógeno depende, pues, de la huella de carbono durante su producción.

Debido al tamaño de las pilas que va desde las muy pequeñas, utilizadas para aparatos electrónicos de todo tipo, hasta las enormes que proporcionan energía limpia a hospitales, aeropuertos, bases militares o lugares remotos, hace que se puedan utilizar para producir energía limpia en cualquier sitio, reduciendo el consumo de energías fósiles, evitando los gases de efecto invernadero que producen el calentamiento global, la destrucción de la capa de ozono y el smog que tantos problemas da en las grandes ciudades, ya que éstas sólo desprenden agua o vapor de agua.

Esta tecnología no puede estar reñida con la tecnología aplicada a la producción de energía eléctrica por medio de las fuentes renovables, eternas y limpias de la Naturaleza, sino que debería ser un complemento de éstas, ya que las pilas y botellas de hidrógeno son un sistema de almacenaje de energía, las otras un sistema de producción.

Las centrales nucleares y de combustibles fósiles, produciendo hidrógeno en los periodos de paro o baja demanda energética, abastecerían de pilas a las renovables solar y eólica, cuando no están activos estos elementos, imponiéndose el consumo de pilas de combustible para los demás usos, con lo que estas mismas reducirían, progresivamente y de forma poco traumática, su producción de electricidad hasta su completa reconversión.

CONCLUSIÓNES

El almacenamiento del superávit energético, por medio de pilas de combustible u otro medio no contaminante, además de reducir la dependencia económica es una magnífica solución al problema del cambio climático.

Importantes investigaciones en este campo por países muy desarrollados hacen pensar que en pocos años a aparecerán nuevas tecnologías y materiales más ecológicos y económicos reemplazando definitivamente a las baterías.

Sería importante un apoyo institucional a este tipo de almacenamiento de energía que, además de ser limpia y respetuosa con el Medio Ambiente, puede aplicarse en todos los campos.

Con el uso generalizado de las pilas de combustible, el problema de almacenaje de electricidad, planteado hace dos siglos, quedaría resuelto.

Referencias

Instituto para la diversificación y ahorro de la energía (IDEA) www.idae.es

Pilas de combustible: una alternativa limpia de producción de energía Ricardo Escudero-Cid, Enrique Fatás, Juan Carlos Pérez-Flores y Pilar Ocón,2013

Fundamentos de transferencia de calor, Frank P.Incropera, David P. DeWitt, Pearson Educación, 1999

Manual de la técnica del automóvil. Escrito por Robert Bosch GmbH. pág 732. books.google.es

Enciclopedia de los niños. Printer Latinoamérica, LTDA. 1990. ISBN 958-28-0193-X (Colección) / ISBN 958-28-0195-6 (Tomo 2).

 

Primer firmante: Guillermo Herráez Arribas, Ingeniero Industrial Mecánico

Segundo firmante: Adolfo de Juan Herráez, Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos