Piles de combustible alternatives a l'era del petroli?

2000/11/01 Imaz Amiano, Eneko - Elhuyar Zientziaren Komunikazioa Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia berriztagarriak

Les piles de combustible, en principi, funcionen com les bateries. Generen electricitat a partir d'hidrogen i oxigen. La reacció és electroquímica, és a dir, no és combustió, on l'energia química es transforma en electricitat i calor. L'únic residu o subproducte que es genera és el vapor d'aigua. Per tant, produeixen energia elèctrica de la mateixa manera que les bateries, però la majoria de les bateries es recarreguen amb electricitat (tant amb el motor en marxa com connectat a la xarxa elèctrica). Les piles de combustible, no obstant això, oxiden el combustible exterior, és a dir, igual que els motors de combustió, han d'incorporar-se cada cert temps.

En els sistemes de combustió convencionals es realitzen tres passos per a la generació d'electricitat a partir del combustible: primer l'energia química (combustible) es transforma en calor per combustió, després l'energia calorífica es transforma en energia mecànica (en la màquina tèrmica) per la pressió que genera la sorra i, finalment, l'energia mecànica es transforma en energia elèctrica en els generadors. No obstant això, en les piles de combustible, el pas és únic i, per tant, el rendiment és millor. El rendiment de les millors màquines de combustió oscil·la entre el 30 i el 40% en potències d'al voltant d'1 MW. En potències petites, a més, el rendiment disminueix considerablement. No obstant això, el rendiment de les piles de combustible és superior al 30%, fins i tot en potències d'uns pocs watts.

Les piles de combustible es connecten en sèrie. Cada pila de la sèrie consta de dos elèctrodes (ànode i càtode) i electròlit entre tots dos. L'ànode és un elèctrode negatiu on s'oxida l'hidrogen mitjançant l'alliberament dels electrons. En l'elèctrode positiu, és a dir, en el càtode, l'oxigen es redueix prenent els electrons alliberats en l'ànode. Els dos elèctrodes són estriats perquè l'hidrogen i l'oxigen arribin a tot l'ànode i es faciliti la reacció. La funció de l'electròlit és que les càrregues positives van de l'ànode al càtode o les negatives del càtode a l'ànode.

En teoria el combustible és hidrogen, però és difícil d'obtenir, acumular i distribuir hidrogen pur i, per tant, car. Encara que l'ideal perquè l'energia sigui realment renovable és el desenvolupament d'una tecnologia que permeti obtenir hidrogen sense contaminació, fàcil i barat, en molts casos s'utilitzen combustibles fòssils (principalment metà) com a font d'hidrogen. Quan es fa així, l'hidrogen utilitzat no és pur, per la qual cosa es redueix l'eficiència de les cèl·lules de combustible i es produeix certa contaminació.

Tipus de piles de combustible

S'ha comentat quina és la funció de l'electròlit, però es diferencien en funció de l'electròlit que conté les piles de combustible.

Alcalins (AFC)

És un dels models més antics. Solució d'hidròxid potàssic (KOH) com a electròlit. És molt sensible a la contaminació, per la qual cosa funciona molt millor amb hidrogen i oxigen pur. Ja en la dècada de 1960 va ser utilitzada en missions espacials dels EUA, tant per a l'obtenció d'electricitat com per a l'accés a l'aigua potable. És l'espai i els usos militars on més s'utilitza.

De polímer de cations (PEMFC o SPFC)

És el tipus de piles de combustible que més s'està desenvolupant en l'actualitat, ja que diverses companyies estan investigant i fabricant piles de combustible de polímer de cations. L'electròlit és una membrana d'intercanvi iònic (fluorosulfopolímero). Els combustibles de l'ànode poden ser hidrogen pur, gas natural i metà, encara que el millor és hidrogen pur. El comburent del càtode és l'oxigen de l'aire. Es pot utilitzar en vehicles de transport, generació de potència i sistemes portàtils. Diverses empreses automobilístiques han realitzat els seus prototips amb aquesta pila.

Àcid fosfòric (PAFC)

També és una de les més antigues i investigades. Els japonesos són els més avançats en la recerca i ús d'aquesta mena de piles. Utilitza àcid fosfòric com a electròlit. Pot usar metà com a combustible, ja que del metà es pot obtenir hidrogen. El comburent és l'oxigen de l'aire. La calor que genera, uns 200 C, pot utilitzar-se per a escalfar l'aire o l'aigua. També pot utilitzar com a combustible alcohols metanol i etanol. En qualsevol cas, ha d'evitar-se que el monòxid de carboni i el sulfur d'hidrogen generats en la reforma de les tres arribin a l'ànode per a evitar una disminució del rendiment. Degut al mateix temps que triga a aconseguir aquesta temperatura de funcionament, no és adequat per al seu ús en vehicles.

Carbonats fosos (MCFC)

Utilitza com a electròlit la mescla de carbonats alcalins (Li, Na i K). Els combustibles d'ànode poden ser un gas de síntesi o un gas natural reformat generat en la gasificació del carboni. El comburent del càtode és l'oxigen de l'aire. En el procés es genera calor, utilitzable en cogeneració (uns 650 C), i vapor d'aigua, emprat en la pròpia regeneració del metà. Molts veuen aquest tipus de piles com a sistemes adequats per a les generacions centrals.

Òxid sòlid (SOFC):

Contenen en l'electròlit òxid d'itri i zirconi estable (YSZ). La seva temperatura de funcionament és molt alta (700-1000 C) i el vapor generat es pot utilitzar per a generar més electricitat. Treballa amb diferents combustibles (hidrogen pur, metà, monòxid de carboni...). L'abocament resultant dependrà del combustible utilitzat. El combustible del càtode és l'oxigen de l'aire. S'utilitza per a centrals de generació i cogeneració.

Per tant, cada tipus de pila de combustible és adequat per a diferents usos. D'altra banda, a pesar que en gairebé totes elles el combustible ideal és hidrogen pur, s'utilitzen altres combustibles per a obtenir hidrogen (en detriment de l'eficiència i el medi ambient), la qual cosa posa en dubte la naturalesa de l'energia o tecnologia renovable. No obstant això, aquesta tecnologia contamina menys que els motors de combustió actuals.