¿Pilas de combustible alternativas a la era del petróleo?

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

• Energia berriztagarriak

Las pilas de combustible, en principio, funcionan como las baterías. Generan electricidad a partir de hidrógeno y oxígeno. La reacción es electroquímica, es decir, no es combustión, donde la energía química se transforma en electricidad y calor. El único residuo o subproducto que se genera es el vapor de agua. Por lo tanto, producen energía eléctrica de la misma manera que las baterías, pero la mayoría de las baterías se recargan con electricidad (tanto con el motor en marcha como conectado a la red eléctrica). Las pilas de combustible, sin embargo, oxidan el combustible exterior, es decir, al igual que los motores de combustión, deben incorporarse cada cierto tiempo.

En los sistemas de combustión convencionales se realizan tres pasos para la generación de electricidad a partir del combustible: primero la energía química (combustible) se transforma en calor por combustión, luego la energía calorífica se transforma en energía mecánica (en la máquina térmica) por la presión que genera la arena y, finalmente, la energía mecánica se transforma en energía eléctrica en los generadores. Sin embargo, en las pilas de combustible, el paso es único y, por tanto, el rendimiento es mejor. El rendimiento de las mejores máquinas de combustión oscila entre el 30 y el 40% en potencias de alrededor de 1 MW. En potencias pequeñas, además, el rendimiento disminuye considerablemente. Sin embargo, el rendimiento de las pilas de combustible es superior al 30%, incluso en potencias de unos pocos vatios.

Las pilas de combustible se conectan en serie. Cada pila de la serie consta de dos electrodos (ánodo y cátodo) y electrolito entre ambos. El ánodo es un electrodo negativo donde se oxida el hidrógeno mediante la liberación de los electrones. En el electrodo positivo, es decir, en el cátodo, el oxígeno se reduce tomando los electrones liberados en el ánodo. Los dos electrodos son estriados para que el hidrógeno y el oxígeno lleguen a todo el ánodo y se facilite la reacción. La función del electrolito es que las cargas positivas van del ánodo al cátodo o las negativas del cátodo al ánodo.

En teoría el combustible es hidrógeno, pero es difícil de obtener, acumular y distribuir hidrógeno puro y, por tanto, caro. Aunque lo ideal para que la energía sea realmente renovable es el desarrollo de una tecnología que permita obtener hidrógeno sin contaminación, fácil y barato, en muchos casos se utilizan combustibles fósiles (principalmente metano) como fuente de hidrógeno. Cuando se hace así, el hidrógeno utilizado no es puro, por lo que se reduce la eficiencia de las células de combustible y se produce cierta contaminación.

Tipos de pilas de combustible

Se ha comentado cuál es la función del electrolito, pero se diferencian en función del electrolito que contiene las pilas de combustible.

Alcalinos (AFC)

Es uno de los modelos más antiguos. Solución de hidróxido potásico (KOH) como electrolito. Es muy sensible a la contaminación, por lo que funciona mucho mejor con hidrógeno y oxígeno puro. Ya en la década de 1960 fue utilizada en misiones espaciales de EEUU, tanto para la obtención de electricidad como para el acceso al agua potable. Es el espacio y los usos militares donde más se utiliza.

De polímero de cationes (PEMFC o SPFC)

Es el tipo de pilas de combustible que más se está desarrollando en la actualidad, ya que varias compañías están investigando y fabricando pilas de combustible de polímero de cationes. El electrolito es una membrana de intercambio iónico (fluorosulfopolímero). Los combustibles del ánodo pueden ser hidrógeno puro, gas natural y metano, aunque lo mejor es hidrógeno puro. El comburente del cátodo es el oxígeno del aire. Se puede utilizar en vehículos de transporte, generación de potencia y sistemas portátiles. Varias empresas automovilísticas han realizado sus prototipos con esta pila.

Ácido fosfórico (PAFC)

También es una de las más antiguas e investigadas. Los japoneses son los más avanzados en la investigación y uso de este tipo de pilas. Utiliza ácido fosfórico como electrolito. Puede usar metano como combustible, ya que del metano se puede obtener hidrógeno. El comburente es el oxígeno del aire. El calor que genera, unos 200 ¡C, puede utilizarse para calentar el aire o el agua. También puede utilizar como combustible alcoholes metanol y etanol. En cualquier caso, debe evitarse que el monóxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno generados en la reforma de las tres lleguen al ánodo para evitar una disminución del rendimiento. Debido al tiempo que tarda en alcanzar esta temperatura de funcionamiento, no es adecuado para su uso en vehículos.

Carbonatos fundidos (MCFC)

Utiliza como electrolito la mezcla de carbonatos alcalinos (Li, Na y K). Los combustibles de ánodo pueden ser un gas de síntesis o un gas natural reformado generado en la gasificación del carbono. El comburente del cátodo es el oxígeno del aire. En el proceso se genera calor, utilizable en cogeneración (unos 650 ¡C), y vapor de agua, empleado en la propia regeneración del metano. Muchos ven este tipo de pilas como sistemas adecuados para las generaciones centrales.

Óxido sólido (SOFC):

Contienen en el electrolito óxido de itrio y circonio estable (YSZ). Su temperatura de funcionamiento es muy alta (700-1000 ¡C) y el vapor generado se puede utilizar para generar más electricidad. Trabaja con diferentes combustibles (hidrógeno puro, metano, monóxido de carbono...). El vertido resultante dependerá del combustible utilizado. El combustible del cátodo es el oxígeno del aire. Se utiliza para centrales de generación y cogeneración.

Por lo tanto, cada tipo de pila de combustible es adecuado para diferentes usos. Por otro lado, a pesar de que en casi todas ellas el combustible ideal es hidrógeno puro, se utilizan otros combustibles para obtener hidrógeno (en detrimento de la eficiencia y el medio ambiente), lo que pone en duda la naturaleza de la energía o tecnología renovable. Sin embargo, esta tecnología contamina menos que los motores de combustión actuales.