Estudio a fondo de celda fotovoltaica y pila de hidrogeno Celda fotovoltaica

Transcripción

1 Estudio a fondo de celda fotovoltaica y pila de hidrogeno Celda fotovoltaica La palabra fotovoltaica se compone de dos términos: Foto = Luz, Voltaica =Electricidad. Es un dispositivo que convierte directamente la luz solar en electricidad. La celda fotovoltaica es la conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico. Algunos materiales resentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. El primero en notar el efecto fotoeléctrico fué el físico francés Edmundo Bequerel, en Él encontró que ciertos materiales producían pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando eran expuestos a la luz. En 1905, Albert Einstein describió la naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico, en el cual está basada la tecnología fotovoltaica. Por este trabajo, se le otorgó más tarde el premio Nobel de física. El primer módulo fotovoltaico fue construido en los Laboratorios Bell en Fue descrito como una batería solar y era más que nada una curiosidad, ya que resultaba demasiado costoso como para justificar su utilización a gran escala. En la década de los 60's, la industria espacial comenzó por primera vez a hacer uso de esta tecnología para proveer la energía eléctrica a bordo de las naves espaciales. A través de los programas espaciales, la tecnología avanzó, alcanzó un alto grado de confiabilidad y se redujo su costo. Durante la crisis de energía en la década de los 70's, la tecnología fotovoltaica empezó a ganar reconocimiento como una fuente de energía para aplicaciones no relacionadas con el espacio. Un arreglo de varias celdas solares conectadas eléctricamente unas con otras y montadas en una estructura de apoyo o un marco, se llama módulo fotovoltaico. Los módulos están diseñados para proveer un cierto nivel de voltaje, como por ejemplo el de un sistema común de 12 voltios. La corriente producida depende directamente de cuánta luz llega hasta el módulo. Varios módulos pueden ser conectados unos con otros para formar un arreglo. En general, cúanto más grande es el área de un módulo o arreglo, más electricidad será producida. Los módulos y arreglos fotovoltaicos producen corriente directa (CC). Estos arreglos pueden ser conectados tanto en seriecomo en paralelo para producir cualquier cantidad de voltaje o corriente que se requiera.

2 Las celdas fotovoltaicas están hechas de materiales especiales llamados semiconductores tales como el silicio, que es el material más usado. Cuando la luz solar choca en la celda una cierta porción de ella es absorbida dentro del material semiconductor. Esto significa que la energía de la luz absorbida es transferida al semiconductor. La energía golpea los electrones libres permitiéndoles fluir libremente. Todas celdas fv tienen uno o más campos eléctricos que actúan para forzar a los electrones liberados por la acción de la luz para fluir en una cierta dirección. Este flujo de electrones es una corriente y poniendo los contactos de metal en la parte superior e inferior de la celda fv podemos dibujar la corriente para usarla externamente. Esta corriente junto con el voltaje de celda, define la potencia que puede entregar la celda solar. El diagrama ilustra la operación de una celda fotovoltáica, llamada también celda solar. Las celdas solares están hechas de la misma clase de materiales semiconductores, tales como el silicio, que se usan en la industria microelectrónica. Para las celdas solares, una delgada rejilla semiconductora es especialmente tratada para formar un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando la energía luminosa llega hasta la celda solar, los electrones son golpeados y sacados de los átomos del material semiconductor. Si ponemos conductores eléctricos tanto del lado positivo como del negativo de la rejilla, formando un circuito eléctrico, los electrones pueden ser capturados en forma de una corriente eléctrica -- es decir, en electricidad. La electricidad puede entonces ser usada para suministrar potencia a una carga, por ejemplo para encender una luz o energizar una herramienta. El silicio tiene algunas propiedades químicas especiales, sobre todo en su forma cristalina. Un átomo de silicio tiene 14 electrones dispuestos en tres capas diferentes. Las primeras dos capas, las más cercanas al centro están completamente llenas. La capa exterior sólo está semi llena, por cuanto tiene sólo cuatro electrones. Un átomo de silicio siempre buscará llenar su última capa

3 con 8 electrones. Para hacer esto compartirá cuatro electrones de su átomo vecino. Este proceso forma la estructura cristalina y esta estructura resulta ser importante para este tipo de celdas fv. Este silicio puro no sirve como conductor, por eso se utiliza silicio con impurezas. Normalmente se utilizan estructuras de silicio con fósforo ya que este al tener 5 electrones, deja uno libre no atado a la estructura. Al aplicar energía, por ejemplo en forma de calor, este electrón es liberado de su posición más fácilmente que en una estructura de silicio puro. Este proceso de agregar impurezas al silicio, se denomina Dopping. Cuando al silicio se le hace doping con fósforo resulta un silicio llamado tipo-n, porque prevalecen los electrones libres. El silicio tipo-n es mucho mejor conductor que el silicio puro. Cuando al silicio se le hace doping con boro, el cual tiene 3 electrones en la última capa, se denomina silicio tipo-p. El silicio tipo-p, en lugar de tener electrones libres tiene huecos libres. Los huecos son ausencia de electrones, llevando así carga opuesta a la del electrón, es decir carga positiva. Estos se mueven igual como lo hacen los electrones. Las celdas fv sin un campo eléctrico no funcionarían. Este campo eléctrico lo podemos formar al poner en contacto un silicio tipo-n y un silicio tipo-p. En la juntura se produce una barrera que hace dificil que los electrones del lado N crucen hacia el lado P, tenemos un campo electrico que separa los 2 lados. Este campo actúa como un diodo permitiendo con ayuda de la aplicación de energía externa los electrones fluyan desde el lado P al N. Cuando la luz en forma de fotón choca con nuestra celda, libera pares de electrón-hueco. Cada fotón liberará exactamente un electrón dejando un agujero libre. Si esto sucede lo bastante cerca del campo eléctrico, este hará que se envie un electrón al lado N y un hueco al lado P. Esto provoca la ruptura de la neutralidad eléctrica. Si además se le proporciona un camino externo, los electrones fluirán hacia su lado original (Lado tipo-p) para unirse con los agujeros. Los electrones que fluyen constituyen la corriente y el campo electrico de la celda constituye el voltaje. Con la corriente y voltaje tenemos la potencia de la celda. Energía solar que absorbe la celda fv La mayoría de las celdas pueden absorber alrededor del 25% y con mayor probabilidad 15% o menos. Esto es porque la luz visible es sólo una parte del espectro electromagnético. Y la radiación electromagnética no es monocromática. La luz puede ser separada en diferentes longitudes de onda.

4 La luz que golpea tiene fotones con una gran variedad de energía, resulta que algunos no tienen la energía suficiente para formar el par electrón hueco. Mientras que otros fotones tienen mucho más energía. Sólo se requiere una cierta cantidad de energía medida en electrón-volt para golpear un electrón libre (para el caso del silicio cristalino se requiere 1.1 ev). A esto se le llama banda de intervalo de energía de un material.(band gap energy) La banda óptima de intervalo de energía es 1.4 ev para una celda hecha de un material simple. Existen otras pérdidas, como lo es la resistencia interna de la celda llamada resistencia serie. Para minimizar estas pérdidas la celda es cubierta por un a grilla metálica, sobre la grilla se coloca una cubierta antireflectiva y sobre esta una cubierta de vidrio como protección. Esto reduce las pérdidas en un 5%. Otros Materiales Hoy en día, los dispositivos fotovoltaicos (FV) más comunes usan una sola juntura o interfase para crear un campo eléctrico dentro de un semiconductor, como por ejemplo una celda FV. En una celda FV de una sola juntura, solamente aquellos fotones cuya energía sea igual o mayor a la del espacio interbanda del material de la celda, pueden liberar un electrón para ser usado en un circuito eléctrico. En otras palabras, la reacción fotovoltaica de las celdas de una sola juntura está limitada a la porción del espectro solar cuya energía esté por encima del espacio interbanda del material absorbente, y por tanto aquellos fotones con energías más bajas no son utilizados. Una manera de sortear esta limitación es usando dos (o más) celdas diferentes, con más de un espacio de banda y más de una juntura, para generar un voltaje. Este tipo de celdas son conocidas como celdas "multijuntura" (también llamadas celdas "de cascada" o "tandem"). Los dispositivos multijuntura pueden lograr una mayor eficiencia de conversión total porque puedenconvertir una fracción más grande del espectro luminoso en electricidad. Como se muestra, un dispositivo multijuntura es un conjunto de celdas individuales de una sola juntura, colocadas en orden descendente de acuerdo a su espacio de banda (Eg). La celda más alta captura los fotones de alta energía y deja pasar el resto de los fotones hacia abajo para ser absorbidos por las celdas con espacios de bandas más bajos.

5 Muchas de las investigaciones que se realizan en la actualidad sobre celdas multijuntura están enfocadas al uso del arseniuro de galio en uno (o en todos) de los componentes de las celdas. Tales celdas han alcanzado eficiencias de alrededor del 35% bajo luz solar concentrada. Otros materiales estudiados para su uso en dispositivos multijuntura son por ejemplo, el silicio amorfo y el diseleniuro de indio con cobre. Como ejemplo de esto, el dispositivo multijuntura que se muestra abajo, utiliza una celda superior de fosfato de indio con galio, una juntura "de túnel" para facilitar el flujo de electrones entre las celdas, y una celda inferior de arseniuro de galio. Materiales densamente cristalinos Simple silicio cristalino--rebanado desde simple cristal de silicio crecido, estas celdas tienen un grosor de 200 micrones. La celda investigada ha alcanzado un 24% de eficiencia, los módulos comerciales exceden el 15%. Silicio Policritalino--Rebanado de bloques del molde de silicio, estas celdas son menos caras para fabricar y menos eficientes que las celdas de simples de cristal de silicio. Las celdas investigadas alcanzan un 18% de eficiencia y los módulos comerciales alcanzan un 14%. Redes Dendriticas--Una película de cristales simples de silicio sacado desde Silicio fundido, como una burbuja de jabón, entre dos cristales dendríticos. Arseniuro Galio (GaAs) Un material semiconductor III-V desde los cuales hacen celdas FV de gran eficiencia, son usados en sistemas de concentradores y en sistemas de potencia espacial. Investigaciones dicen que alcanzan 25% de eficiencia bajo luz solar y 28% bajo luz solar concentrada. Las celdas de multijuntura están basadas en GaAs y relacionadas con aleaciones III-V han excedido el 30% de eficiencia. Materiales de película delgada Silicio Amorfo (a-si) El silicio amorfo que es una estructura no cristalina. Primer uso en materiales FV en En 1996, el silicio amorfo constituyó más del 15% de la producción mundial de FV. Pequeños módulos experimentales de Si-a superan el 10% de eficiencia, en los módulos comerciales se alcanza un rango entre el 5-7%. Usado en productos de consumo, el Sia es la gran promesa para la construcción de sistemas integrados, reemplazando los vidrios tintados con módulos semi-transparentes. Telururo de Cadmio (CdTe) Una delgada película de material policristalino, depositado por electrodeposición. Pequeños laboratorios se han acercado al 16% de eficiencia, y con un modulo comercial de tamaño (7200-cm2) midieron 8.34% de eficiencia, y producción de módulos de 7%.

6 Diseleniuro de Cobre Indio(CuInSe2, or CIS) Una película de material policristalino, el cual alcanza una eficiencia de 17.7%, en 1996, con un prototipo modulo de potencia alcanza los 10.2%. La dificultad en tomar esta tecnología es la dificultad de evitar la formación de defectos durante la deposición que previene la formación de capas uniformes. Concentradores El sistema de concentradores usa lentes para focalizar la luz dentro de las celdas solares. Los Lentes, con un radio de concentración de 10x to 500x, típicamente focos lineales o puntuales. Las celdas son usualmente de silicio. Las celdas GaAs y otros materiales tienen alta eficiencia conversión a altas temperaturas, pero ellos son muy caros. La eficiencia de los módulos supera el 17%, y concentradores están diseñados para una eficiencia de conversión que supera el 30%. Los Reflectores pueden ser usados para aumentar la salida de potencia, aumentando la intensidad de la luz en los módulos, o prolongar su tiempo. Sistema de Concentradores: Las lentes no pueden centrar la luz dispersada, limitando su uso de áreas, como áreas del desierto, con un número substancial de días despejados en el año. Novedades y aplicaciones Siemens Solar Revela la Próxima Generación de Tecnología Fotovoltaica El Grupo Siemens Solar, el fabricante más grande en el mundo de celdas y módulos solares, anunció hoy la producción de una nueva familia de módulos solares basados en la tecnología de capa delgada de diseleniuro de cobre indio (CIS copper indium diselenide). Esta tecnología tiene claras ventajas sobre sus competidores en términos de salida, eficiencia y confiabilidad. Los primeros productos en ser mercadeados por Siemens Solar son módulos de 5 vatios (ST5) y 10 vatios (ST10). Al poner los módulos ST5 y ST10 en producción, Siemens Solar ha alcanzado un importante hito en sus planes de manufactura. La producción y experiencia de campo con estos productos formarán las bases para futura producción en volumen de módulos solares (40 vatios de energía pico) basados en tecnología CIS. Con estos módulos relativamente pequeños, la tecnología CIS de Siemens Solar ofrece una ventaja particular: el voltaje en circuito abierto de 18 a 25 voltios (comúnmente requerido para los módulos) puede ser obtenido a ningún costo adicional a través del proceso de manufactura.

7 En contraste, la tecnología convencional de silicio cristalino envuelve el caro proceso de corte y soldadura de celdas solares de modo que 36 celdas solares son creadas para entregar el voltaje de circuito abierto necesario. Siemens Solar ha estado trabajando por varios años en sus laboratorios alemanes y estadounidenses en el desarrollo de una tecnología de capa delgada que ahorre materiales y costos. La compañía ha concentrado sus esfuerzos en CIS ya que esta tecnología entrega alta eficiencia al mismo tiempo ahorra en costos de manufactura. La confiabilidad de CIS ha sido satisfactoriamente probada en pruebas de campo por más de ocho años conducidas por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) en Golden, Colorado. El costo de una celda fotovoltaica, la cual convierte luz solar directamente en electricidad, depende grandemente de los materiales usados en su construcción. Hasta el presente, la industria solar ha usado casi exclusivamente celdas solares basadas en obleas de silicio, las cuales son cortadas de lingotes de silicio cristalino. Este método de manufactura, usado por muchos años para producción en masa, es altamente material y consumidor de energía. Además, el precio del silicio grado solar, la materia prima usada por la industria fotovoltaica, se ha multiplicado más del triple desde 1995 y continúa incrementándose. A pesar de los esfuerzos para producir silicio grado solar barato, una solución a largo plazo al problema de la materia prima requiere de una tecnología que minimize el consumo de material. Con los años, los investigadores en toda la industria fotovoltaica han enfocado sus esfuerzos en desarrollar técnicas de manufactura de capa delgada que reduzcan la cantidad de material semiconductor consumido en un factor de 50 a 100. No obstante, este reto se ha tornado considerablemente más difícil y consumidor de tiempo que lo que se asumió originalmente. Aplicaciones Siemens Solar brinda sistemas y módulos que están específicamente diseñados para las necesidades críticas de la misión de las compañías de telecomunicaciones. Siemens y sus asociados tienen experiencia con una gran variedad de sistemas de telecomunicaciones, incluyendo microondas, redes locales inalámbricas, celulares/pcs, buscapersonas, redes, VSAT, UHF/VHF de 2- vías, fibra óptica y repetidoras de señales y comunicaciones móviles.

8 Módulo Solar SM10 Tecnología PowerMax Siemens es la propietaria de la tecnología PowerMax, la cual optimiza la producciónde energía de las celdas individuales y de los módulos solares para todo tipo de ambientes y condiciones. PowerMax es un proceso de optimización el cual incluye una técnica especial de refinación para los lingotes de silicio, y un cuarto esterilizado para la producción de semiconductores para el proceso de optimización en varias fases llamado TOPS (Texture Optimized Piramidal Surface). El proceso TOPS incorpora la formación de superficies con textura piramidal en las celdas solares. Esta pirámides son luego tratadas con óxidos especiales para pasivar la superficie de las celdas y poder optimizar las propiedades ópticas para obtener una máxima absorción de fotones de luz directa o indirecta. Esto da como resultado una alta absorción de luz solar, inclusive a muy bajos niveles de luminosidad. Las celdas Siemens PowerMax suministran el máximo de energía a lo largo del día. Alta Calidad Siemens Solar ha establecido altos estándares de calidad y como resultado nuestras principales plantas de producción están certificadas por el ISO Revisiones e inspecciones constantes garantizan una alta y uniforme calidad. Cada módulo que sale de la línea de producción está sujeto a minuciosas inspecciones visuales, así como también a pruebas mecánicas y eléctricas.

9 La hoja de datos del SM10 Celdas de combustible De dónde vinieron las Celdas de Combustible? La celda de combustible fue inventada por un juez Galés, Sir William Grove, profesor de the Royal Institution en Londres. El creo la primera celda de combustible, pero lamentablemente no logró una consistencia en el desempeño de esta, se dedicó a buscar los componentes de la celda que entregaran una corriente más regular (ver el funcionamiento de la celda de combustible), sin embargo, aunque no tuvo muchos resultados satisfactorios, se dio cuenta de la importancia de la celda de combustible para la generación estacionaria de energía. Si lo hubiesen tomado en serio, a estas horas la historia de la humanidad habría sido totalmente distinta, posiblemente la tecnología habría avanzado a paso más acelerado e incluso es posible

10 que los temas políticos económicos y sociales asociados al petróleo, habrían sido bastante diferentes. No fue hasta la década de los 60 s cuando el programa espacial de la NASA eligió las celdas de combustible por encima de sistemas nucleares (mayor riesgo) y sistemas solares (mayor costo) para proveer a las naves de energía. Así las celdas de combustible han provisto de energía y agua a las misiones espaciales hasta la fecha. Hasta hace pocos años atrás la celda de combustible estaba limitada al uso experimental en laboratorios, o en aplicaciones no convencionales como la industria aeroespacial, pero recientemente se ha desarrollado un creciente interés en las celdas de combustible, y en sus aplicaciones en la generación de energía estacionaria y en el área automovilística. Especialmente en esta ultima sus posibles aplicaciones son muy llamativas, por ser una fuente de energía 100% limpia, lo que desplazaría a los motores de combustión interna, debido a que estos son cada vez más exigidos en el control de emisiones. Lamentablemente habrá que esperar que los autos impulsados por celdas de combustible sean económicamente competitivos con el automóvil de combustión interna. Para lograr esto, se está desarrollando la tecnología necesaria a lo largo de todo el mundo. Específicamente, lo que hace que el desarrollo de la celda de combustible sea tan importante es: - La producción de dióxido de carbono y otros gases está llevando al calentamiento global, lo que podría llevar a catastróficas consecuencias. - La combustión de combustible fósil produce una cantidad de gases tóxicos para la salud, cosa que la celda de combustible no produce. - La producción de petróleo será en el futuro cada vez más escasa a escala mundial, dejando a pocos países ricos en este bien, como los únicos productores, lo que podría repercutir en el precio de este. Las Celdas de Combustible están hoy más cerca que nunca y están llamadas a crear un mejor ambiente para la humanidad en los próximos años. Algún día no muy lejano, estaremos en posibilidad de poner la basura y desperdicios en el generador de metanol de nuestro auto y seguir nuestro viaje. Las celdas de combustible no queman el combustible, simplemente aprovechan el contenido de hidrógeno para llevar a cabo un proceso de electrólisis invertida, generando una corriente eléctrica con gran eficiencia. No más gasolina de alto octanaje, ni motor de arranque o sistema de encendido, tampoco radiador ni combustión. Baja temperatura y prácticamente ninguna emisión... bueno, si, las celdas de combustible producen una sola emisión: agua pura.

11 El Ministerio Japonés de Comercio Internacional e Industria ha dado fondos al NEDO, Organización para el Desarrollo de Nueva Energía y Tecnología Industrial para que establezca un consorcio que desarrolle celdas de combustible de metanol directo. El primer año la inversión ha sido de 4.4 millones y el proyecto es a seis años. Involucrados en este consorcio se hallan grandes empresarios de: Nissan, Suzuki, y Mitsubishi entre otros. Hiroshi Okuda, alto ejecutivo de Toyota ha informado a los periodistas que su empresa estará poniendo en el mercado el primer vehículo de ese tipo tan pronto como en 2003, un año antes que sus competidores norteamericanos Daimler-Chrysler, Ford y General Motors. La Honda ha dicho que al menos 300 vehículos de esta nueva generación saldrán de sus líneas de producción en Estos autos serán basados en el auto eléctrico EV Plus que recientemente descontinuaron, usarán metanol como combustible. La infraestructura existente de gasolineras facilitará el abasto a estas unidades. Varias residencias en la ciudad de Bend, Oregon serán desconectadas de la red eléctrica convencional en los próximos meses para poder usar modelos experimentales de generador eléctrico basados en celdas de combustible. Un grupo de importantes empresas incluido un fabricante europeo de metanol, están desarrollando estos experimentos de tipo residencial. Avista, una compaña ubicada en Spokane, Washington, se encuentra ya en una etapa de producción masiva y han recibido importante apoyo oficial. No es remoto que pronto usted y yo tengamos en casa uno de esos sistemas como alternativa al abasto de energía y agua pura. Muchos vehículos experimentales ya han estado siendo probados en varias partes del mundo. Entre ellos una camioneta de pasajeros Mazda, que ya lleva cientos de miles de kilómetros en su odómetro, muchos autobuses, algunos en Chicago y Canadá, así como una creciente flota de transporte urbano ordenada por algunos municipios de Londres, Inglaterra. Hace poco, una empresa fabricante de montacargas industriales de Pensilvania presentó un vehículo de esta nueva generación con planta de poder de 4 Kw. desarrollada por la empresa aeroespacial Allied Signal. Algo muy importante es sin duda el hecho de que esta nueva tendencia, usa diversidad de energéticos, básicamente hidrógeno, el elemento más abundante en la Tierra y que seguramente muy pronto será usado en forma directa. Las celdas pueden consumir cualquier producto que contenga hidrógeno, incluyendo: metanol, etanol, gas natural, gasolina o diesel. Estos combustibles requieren el uso de un "reformador" que extrae el hidrógeno. Qué es una celda de combustible? 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.

12 Una celda de combustible consiste en dos electrodos separados por un electrólito. Oxígeno pasa sobre un electrodo e hidrógeno sobre el otro. Cuando el hidrógeno es ionizado pierde un electrón y al ocurrir esto ambos (hidrógeno y electrón) toman diferentes caminos hacia el segundo electrodo. El hidrógeno migra hacia el otro electrodo a través del electrólito mientras que el electrón lo hace a través de un material conductor. Este proceso producirá agua, corriente eléctrica y calor útil. Para generar cantidades utilizables de corriente las celdas de combustibles son "amontonadas" en un emparedado de varias capas. Las celdas de combustible son una familia de tecnologías que usan diferentes electrólitos y que operan a diferentes temperaturas. Cada miembro de esa familia tiende a ser más apropiada para ciertas aplicaciones. Por ejemplo, las celdas de combustible de membrana eléctrica polimérica han demostrado ser apropiadas para su aplicación en autos, mientras que las celdas de combustible de carbonatos fundidos parecen ser más apropiadas para uso con turbinas a gas. Qué tipo de combustibles pueden usarse en Celdas de Combustible? Las celdas de combustible permiten promover una diversidad de energía y una transición hacia fuentes de energía renovables. Así, una variedad de distintos combustibles pueden ser usados en éstas, combustibles tales como hidrógeno, metano, etano, gas natural así como gas licuado (LPG). La energía también podría ser provista a partir de biomasa, sistemas eólicos ó bien solares. Actualmente las hay que funcionan con gas producido en los rellenos sanitarios (tiraderos de basura de las ciudades), plantas de tratamiento de aguas negras, etc.

13 Más en detalle: 1. Al ánodo las moléculas de hidrógeno pierden sus electrones y forman iones de hidrógeno, un proceso que se hace posible por medio de catalizadores de platino. 2. Los electrones se traspasan al cátodo a través de un circuito externo que produce electricidad al pasar por un motor (u otro mecanismo eléctrico). 3. Los iones de hidrógeno pasan al cátodo por la membrana de intercambio protónico, donde se unen con las moléculas de oxígeno y electrones para producir agua. 4. De esta manera, se utiliza el proceso natural de producción de agua por medio de la oxigenación de hidrógeno, para producir electricidad y trabajo útil. 5. No se produce ninguna contaminación y los únicos desechos son agua y calor. 6. El proceso químico es: Ánodo: 2H 2 --> 4H + + 4e - Cátodo: 4e - + 4H + + O 2 --> 2H 2 O Reacción Completa: 2H 2 + O 2 --> 2H 2 O La necesidad de diseñar dispositivos para producir energía de forma más eficiente y, en consecuencia, menos contaminantes, ha impulsado el desarrollo de nuevas tecnologías o la implantación de tecnologías existentes. La generación de energía con mayor eficiencia (sin limitaciones del ciclo de Carnot), la mejor adaptación

14 para proteger el medio ambiente y mayor flexibilidad en el uso y consumo de combustibles; hacen de las celdas de combustible dispositivos cada vez más competitivos con las tecnologías convencionales de producción de energía. Se prevé que se usen estos dispositivos no sólo en estaciones generadoras de potencia, sino también en aplicaciones para vehículos y como dispositivos para reemplazar las baterías. En la actualidad, las compañías automotrices en conjunto con las encargadas de fabricar y comercializar celdas de combustible realizan importantes desarrollos para colocar este tipo de vehículos en el mercado para el los años Se espera que la comercialización masiva de este tipo de vehículos comenzará a partir del período Por otro lado, las características propias de las celdas de combustible las convierten en dispositivos altamente ventajosos en la producción combinada de potencia y calor para aplicaciones estacionarias. Se estima que para el año 2020 el consumo de energía en el mundo representará tres veces el consumo de energía del año 1970 [1]. Este incremento energético producirá un impacto importante desde el punto de vista ambiental. La implantación de los acuerdos establecidos en Kyoto sobre regulaciones ambientales puede afectar el crecimiento energético de los países industrializados. Por lo tanto, se ha planteado la necesidad de desarrollar dispositivos para producir energía de forma más eficiente y, como consecuencia, menos contaminante. Dentro de éstos se encuentran las celdas de combustible (CC), las cuales son dispositivos electroquímicos que normalmente convierten la energía química de las reacciones de oxidación de un combustible y de reducción de un oxidante en energía eléctrica (corriente directa) y calor. A diferencia de las baterías, una CC no se agota ni requiere recarga, producirá energía en forma de electricidad (altas densidades de potencia y largos tiempos de duración) y calor mientras se le provea de combustible. La generación de electricidad es producto de una reacción catódica (reducción del oxígeno) y una reacción anódica (normalmente oxidación del hidrógeno). En este caso, el único subproducto que se genera es agua 100% pura como se muestra en las reacciones (1), (2) y (3). Existen diferentes tipos de celdas de combustible, las cuales operan a bajas temperaturas ( C) y altas temperaturas ( C), y se prevé que se usen, no sólo en estaciones generadoras de potencia, sino también en aplicaciones para vehículos y como dispositivos para reemplazar las baterías. Reacción anódica: H2 2H+ + 2e- (1) Reacción catódica: 1/2O2 + 2e- + 2H+ H2O (2) Reacción global: H2 + 1/2O2 H2O (3) Principio de la celda de combustible

15 Los elementos básicos de una celda de combustible se muestran en la Fig. 1. Esta consta de un electrolito (conductor iónico), el cual puede ser sólido o líquido (membrana polimérica protónica, solución de KOH o solución de H3PO4), íntimamente en contacto con un ánodo poroso (electrodo negativo) y un cátodo poroso (electrodo positivo, normalmente referido como electrodo de aire o electrodo de oxígeno). Los gases combustibles y oxidantes fluyen a través del ánodo y cátodo, respectivamente, y reaccionan electroquímicamente en la región límite donde se encuentran las tres fases, gas/electrolito/interfase electrodo poroso. Existen diversas razones que han impulsado la implantación de las celdas de combustible, entre las cuales podemos citar las siguientes: (i) altas eficiencias en vista de que no existen limitaciones termodinámicas del ciclo de Carnot, (ii) bajas emisiones de contaminantes, lo que se traduce en una ventaja desde el punto de vista ambiental, (iii) componentes con larga duración y bajos costos de mantenimiento (materiales reciclables), (iv) beneficios en la generación de energía y en el transporte automotor (muy bajas fluctuaciones de voltaje), (v) amplios intervalos de energía (pocos vatios hasta cientos de megavatios) y (vi) diversificación del suministro de energía global.

16 Consideraciones termodinámicas Para el caso de un convertidor electroquímico trabajando idealmente, se ha demostrado que la energía química de la reacción puede ser convertida totalmente en energía eléctrica en un solo paso. La eficiencia termodinámica de un convertidor electroquímico se puede calcular a partir de la relación entre la energía libre (DG) y la entalpía (DH). En términos generales, los valores de eficiencias termodinámicas se encuentran muy cercanos al 100%, inclusive este valor podría ser en algunos casos igual o superior al 100%. Esto en vista del tipo de cálculo que se realiza. Al mismo tiempo, se observa que las eficiencias teóricas (termodinámicas) para las celdas de combustible de H2 como combustible y O2 como oxidante son altas, inclusive a bajas temperaturas. En máquinas de combustión interna, las eficiencias son muy bajas inclusive a altas temperaturas y es necesario aumentar las temperaturas considerablemente para obtener, desde el punto de vista termodinámico, eficiencias razonables (del orden del 40%). Por ello, desde una visión termodinámica, las CC son mucho más eficientes que las máquinas de combustión interna. La eficiencia total o real de las CC es superior a cualquier otro sistema de combustión interna. Esta eficiencia se puede obtener experimentalmente dependiendo de su diseño. En general, se observa que las celdas de combustible presentan eficiencias superiores al resto de los dispositivos electroquímicos. Consideraciones ambientales Las presiones de grupos ambientalistas, eventos internacionales, gobiernos, y la opinión pública sobre emisiones generadas por combustibles fósiles y su relación con el efecto invernadero sobre el calentamiento global del planeta, están influenciando notablemente la generación de nuevas líneas de investigación y desarrollo (I y D) en tecnologías para generar energía limpia y más eficiente. La Conferencia de Kyoto celebrada en 1997 en Japón marcó una pauta en la reducción de emisiones, y en ella se estableció para 2010 una reducción de un 26% con respecto a lo esperado para ese año, según la tendencia actual. Este nuevo escenario demanda nuevas tecnologías que produzcan energía eficiente para poder reducir las emisiones. La reducción en la emisión de contaminantes en relación con la cantidad de energía (MWh) producida oscila entre 30-50%, lo que convierte a la celda de combustible en el dispositivo electroquímico adecuado para las nuevas exigencias energéticas y ambientales. La posición de la compañía Mobil en un informe publicado sobre cambios climáticos y reducción de emisiones de CO2, expone claramente cuáles son las tecnologías utilizadas en el sector del transporte terrestre. En la Fig. 2 se visualizan las eficiencias actuales y futuras consideradas en todas las etapas del proceso, en la que se resalta la ventaja de la CC sobre otros desarrollos.

17 Definitivamente, en términos de emisiones, las CC representan ventajas competitivas para aplicaciones estacionarias y vehiculares. Clasificación de las celdas de combustible Existen por lo menos cinco tipos de celdas de combustible diferentes, según el tipo de electrolito empleado y la temperatura de operación. Desde el punto de vista de la temperatura, podemos clasificarlas en celdas de bajas y altas temperaturas. Celdas de combustible que operan a bajas temperaturas (70 C-210 C) Dentro de las celdas que operan a bajas temperaturas (70 C-210 C) se distinguen fundamentalmente cuatro tipos de celdas: (i) (ii) (iii) (iv) CC con electrolito sólido de membrana protónica ("solid polymer fuel cell", SPFC o "protonic exchange membrane", PEM), CC con electrolito acuoso básico ("alkaline fuel cell",afc), CC de ácido fosfórico ("phosphoric acid fuel fell",pafc) y CC de metanol ("direct methanol fuel cell", DMFC).

18 Existe una CC que opera a bajas temperaturas, pero que emplea una solución de metanol/agua como combustible (DMFC). El principio es básicamente el mismo al descrito en la Fig. 1 para las CC del tipo SPFC. Sin embargo, en este caso el metanol se oxida en presencia de un electrocatalizador apropiado (normalmente de Pt-Ru) para producir CO2 y átomos de hidrógeno cargados positivamente (H+) (reacción (4)), los cuales difunden a través de la membrana polimérica para reaccionar con el oxígeno y producir H2O (ecuación (5)). En la reacción global (reacción (6)), se observa que los productos de reacción son CO2 y H2O. Reacción anódica: CH3OH + H2O 6H+ + 6e- + CO2 (4) Reacción catódica: 3/2O2 + 6e- + 6H+ 3H2O (5) Reacción global: CH3OH + 3/2O2 2H2O + CO2 (6) Sin embargo, la celda de combustible que emplea H3PO4 como electrolito alcanza una temperatura de operación que oscila entre 180 C y 210 C. En términos generales, los electrodos están constituidos de un material electrocatalítico (normalmente platino) disperso en matrices conductoras como carbón y con especies hidrofóbicas como Nafión para evitar la acumulación de agua. Los catalizadores de Pt- Ru evitan el envenenamiento en presencia del CO, característica que ha permitido su uso actualmente. Las membranas protónicas desarrolladas por Dupont (Nafion) han sido las más empleadas hasta la fecha, aunque se ha demostrado que no son las más eficientes. La Tabla 1 señala que el aumento en las presiones de operación (oscilan entre 1 y 10 atmósferas) no influye sobre la eficiencia o rendimiento de estas celdas. En el caso particular de celdas con membranas (SPFC), se recomienda emplear presiones cercanas a las atmosféricas. Adicionalmente, las del tipo AFC presentan las mayores eficiencias eléctricas. A excepción de la DMFC, la cual emplea metanol como combustible, todas las celdas que operan a bajas temperaturas emplean H2 como combustible. Celdas de combustible que operan a altas temperaturas (550 C-1100 C)

19 Entre las celdas de este tipo están: (i) (ii) CC con electrolito sólido de sales fundidas de carbonato("molten carbonate fuel cell", MCFC) y CC con electrolito sólido de óxidos ("solid oxide fuel cell", SOFC). En celda de combustible de alta temperatura con electrolito sólido de sales fundidas de carbonato (MCFC), el funcionamiento de la celda difiere de las que operan a bajas temperaturas, descritas anteriormente. Aquí, el oxidante, generalmente O2, es introducido en el compartimiento catódico donde se hace reaccionar con el CO2 en presencia de electrocatalizadores apropiados para producir iones CO3= (reacción (7)), los cuales migran a través del electrolito (sales fundidas de carbonato) hacia el compartimiento anódico para reaccionar con los combustibles H2 o CO (reacciones (8) y (9)), también en presencia de electrocatalizadores apropiados. En cuanto a que el combustible sea un hidrocarburo gaseoso como el CH4, éste puede ser reformado internamente en la celda, por las altas temperaturas y en presencia de catalizadores apropiados, para producir el H2 necesario y reaccionar con el CO3= proveniente del cátodo. Por supuesto que la eficiencia para la generación de electricidad es mucho mayor cuando se reforma el combustible (internamente en la CC (aprovechamiento de calor)). En las reacciones (10) y (11), se muestra que los principales productos obtenidos son CO2 o H2O, lo cual dependerá del combustible empleado. Reacción catódica: O2 + 2CO2 + 4e- 2CO3= (7) Reacciones anódicas: 2H2 + 2CO3= 2H2O + 2CO2 + 4e- (8) 2CO + 2CO3= 4CO2 + 4e- (9) Reacciones globales: 2H2 + O2= 2H2O (10) 2CO + O2 = 2CO2 (11) Tipos de celdas de combustible Ácido fosfórico (PAFCs). Este es el tipo de celda de combustible más desarrollado a nivel comercial y ya se encuentra en uso en aplicaciones tan diversas como clínicas y hospitales, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas eléctricas y una terminal aeroportuaria. Las Celdas de Combustible de ácido fosfórico generan electricidad a más del 40% de eficiencia y cerca del 85% si el vapor que ésta produce es empleado en cogeneración comparado con el 30% de la más eficiente máquina de combustión interna. Las temperaturas de operación se encuentran en el rango de los 400F. Este tipo de celdas pueden ser usadas en vehículos grandes tales como autobuses y locomotoras. Polímero Sólido ó Membrana de Intercambio Protónico (PEM). Estas celdas operan a relativamente bajas temperaturas (unos 200F), tienen una densidad de potencia alta, pueden variar su salida rápidamente para satisfacer cambios en la demanda de potencia y son adecuadas

20 para aplicaciones donde se requiere una demanda inicial rápida, tal como en el caso de automóviles. De acuerdo con el Departamento de Energía de los Estados Unidos, "son los principales candidatos para vehículos ligeros, edificios, y potencialmente para otras aplicaciones mucho más pequeñas como el reemplazamiento de baterías recargables en vídeo cámaras". Carbonato Fundido (MCFCs). Las Celdas de Combustible de Carbonato Fundido prometen altas eficiencias combustible-electricidad y la habilidad para consumir combustibles base carbón. Esta celda opera a temperaturas del orden de los 1,200F. La primera pila de carbonato fundido a gran escala ha sido ya probada y algunas unidades para demostración están siendo terminadas para su prueba en California en Óxido Sólido (SOFCs). Otra Celda de Combustible altamente prometedora, la Celda de Combustible de Óxido Sólido, podría ser usada en aplicaciones grandes de alta potencia incluyendo estaciones de generación de energía eléctrica a gran escala e industrial. Algunas organizaciones que desarrollan este tipo de celdas de combustible también prevén el uso de estas en vehículos motores. Una prueba de 100kW está siendo terminada en Europa mientras que dos pequeñas unidades de 25kW se encuentran ya en línea en Japón. Un sistema de Óxido Sólido normalmente utiliza un material duro cerámico en lugar de un electrólito líquido permitiendo que la temperatura de operación alcance los 1,800 grados F. Las eficiencias de generación de potencia pueden alcanzar un 60%. Un tipo de Celda de Combustible de Óxido Sólido utiliza un arreglo de tubos de un metro de longitud mientras que otras variaciones incluyen un disco comprimido semejando la parte superior de una lata de sopa. Alcalinas. Utilizadas desde hace mucho tiempo por la NASA en misiones espaciales, este tipo de celdas pueden alcanzar eficiencias de generación eléctrica de hasta 70%. Estas celdas utilizan hidróxido de potasio como electrólito. Hasta hace poco tiempo eran demasiado costosas para aplicaciones comerciales pero varias compañías están examinando formas de reducir estos costos y mejorar la flexibilidad en su operación. Otras Celdas de Combustible. Nuevos miembros de la familia de Celdas de Combustible, tales como las de Metanol Directo, pueden surgir como resultado del presente trabajo llevado a cabo en laboratorios privados y gubernamentales.

21 Las tipo AFC han demostrado ser muy exitosas principalmente para aplicaciones espaciales y militares, sin embargo, sus elevados costos y el uso del electrolito alcalino han limitado su uso. Recientemente, la National Aeronautics and Space Administration (NASA) trabaja para utilizar las tipo SPFC en sus programas espaciales. Las características de las celdas de combustible las convierten en dispositivos altamente ventajosos en la producción combinada de potencia y calor para aplicaciones estacionarias. La selección de la celda apropiada dependerá de los niveles de potencia y calor que se requieran. Para aplicaciones residenciales, donde los requerimientos de un hogar en horas picos son de 5 kw de potencia, las celdas del tipo SPFC, PAFC y SOFC se presentan como las idóneas en vista de que pueden suministrar electricidad, agua caliente y el calor necesario para satisfacer los requerimientos generales de una residencia, restaurantes y algunos hoteles (2-50 kw) con eficiencias totales de hasta un 90%. Las

22 MCFC no aplican para pequeñas instalaciones debido a la complejidad de los equipos que necesitan para recircular el CO2. Se prevé la utilización de celdas de combustible a muy corto plazo en la producción combinada de potencia y calor en aplicaciones estacionarias de gran escala en sectores comerciales, industriales y públicos. Para estas aplicaciones a gran escala, las del tipo SPFC, PAFC, MCFC y SOFC se visualizan como ideales. Sin embargo, las tipo SPFC están limitadas por sus bajas temperaturas de operación. Las PAFC presentan mayores aplicaciones comerciales en las que se requieren bajas temperaturas de calentamiento (agua caliente y vapor). Por su parte, las celdas de alta temperatura, MCFC y SOFC, son ideales para aplicaciones industriales que necesiten altas temperaturas. En general, se observa que las celdas de combustible compiten bastante bien con las tecnologías de máquina Diesel y turbina a gas para aplicaciones comerciales a gran escala y con turbinas a gas para aplicaciones industriales. Aplicaciones Las aplicaciones se ven condicionadas por el tipo de combustible que ha de ser utilizado por la celda, siendo el H2 el combustible preferido. Esta condición requiere una infraestructura de distribución y suministro, la cual no existe y cuyo desarrollo necesita una inversión importante de capital y tiempo. El H2 puede obtenerse fundamentalmente de la reformación de combustibles que contienen átomos de hidrógeno (CH4, gasolinas, metanol, querosén y Diesel), o a partir de la electrólisis del agua. La diversidad en los diferentes tipos de celdas que operan a altas y bajas temperaturas, nos permite pensar en cualquier posibilidad, ya sea empleando directamente combustibles como H2, metanol, gas natural (CH4) y CO, o empleando reformadores para la generación de H2 suficientemente puro a partir de combustibles como CH4, gasolinas, metanol, querosén y Diesel. Transporte terrestre Las regulaciones ambientales han fomentado la formación de alianzas estratégicas entre compañías dedicadas a la fabricación de vehículos, centros de investigación reconocidos, compañías dedicadas a la fabricación de celdas de combustible y compañías petroleras. Las diferentes alianzas conformadas han impulsado el desarrollo en celdas de combustible donde también se ha observado la participación importante de corporaciones petroleras. La compañía Ballard, mayor fabricante de celdas de combustible tipo SPFC para aplicaciones vehiculares, ha conformado un esquema estratégico de comercialización, el cual involucra a las compañías Ford Motor Company y Daimler-Chrysler, fabricantes de vehículos automotores. Los estados de California e Illinois en los Estados Unidos de América y British Columbia en Canadá han sido pioneros en programas orientados a probar vehículos

23 con CC. California requiere que la industria automotriz esté lista para sustituir el 10% del parque automotor con vehículos eléctricos con cero emisión. De no lograrse dicha meta, los fabricantes de vehículos automotores serán penalizados con $5.000 por vehículo que no cumpla la meta. Es inminente que en el caso de que el combustible empleado en el Estado de California sea el metanol, se requerirá una producción masiva de este combustible y el desarrollo de una infraestructura adecuada. Para alcanzar las metas Daimler-Chrysler y Ford se asociaron con Shell y productores de metanol de California. Toyota para competir con esta alianza, se asoció con General Motors, Exxon y Mobil. Las compañías fabricantes de vehículos automotores Honda y Volkswagen anunciaron recientemente acompañar a Ford y Daimler-Chrysler, así como a las petroleras ARCO, Shell y Texaco, los fabricantes de celdas de combustible Ballard Power Systems y el Estado de California de los EE.UU. (California Air Resources Board y California Energy Commision) en el consorcio California Fuel Cell Partnership. El principal objetivo de este consorcio es un programa de colaboración, que probará vehículos con CC bajo condiciones reales de manejo. Para este objetivo se emplean CC de hidrógeno del tipo SPFC. El programa tiene previsto colocar alrededor de 50 vehículos de celdas de combustible en las calles de California durante los años 2000 y Al mismo tiempo, el consorcio evaluará la infraestructura y la tecnología para el empleo de gasolina como fuente de hidrógeno que alimente la celda de combustible. La mayor contribución de Shell en este consorcio será a través del uso de su tecnología de oxidación parcial catalítica, la cual ha demostrado convertir combustibles líquidos en un gas rico en hidrógeno. Las celdas de combustible para aplicaciones vehiculares tendrán su primera aplicación masiva en el transporte público. Por otro lado, la implantación masiva del transporte público con H2 a bordo podría representar una amenaza para las compañías petroleras, más aun cuando el H2 podría estar produciéndose electroquímicamente a partir de soluciones acuosas. Daimler-Chrysler exhibió un nuevo prototipo de vehículo de pasajero (NECAR V, New Electric Car) en EE.UU. considerado como la última innovación en vehículos con celda de combustible. La compañía anunció haber gastado MMM$1,4 para tener una versión del Mercedes-Benz clase A con celda de combustible disponible para su producción comercial en Este vehículo de cinco puestos está conformado por una celda de combustible del tipo SPFC de 70 kw de potencia, fabricada por Ballard Power Systems.

24 Desarrollo de vehículos hasta el 1999 Ejemplo de vehículo fabricado NECAR 5: el Coche con Celda de Combustible más Moderno en el Mundo. Coche que utiliza una Celda de Combustible Metanol adecuado para el uso normal. Casi logra casi eliminar la emisión de contaminantes a la atmósfera. Sistema Híbrido, que combina diferentes tecnologías para obtener mejores beneficios.

25 Se ofrece movilidad con bajo impacto ambiental vehículos de a base de Celdas de Combustible Incremento de potencia por 50 % Berlín - NECAR 5 es un vehículo accionado por una celda de combustible a base de metanol, adecuado para el uso normal. DaimlerChrysler lo usa para demostrar la viabilidad técnica de esta tecnología. El atractivo vehículo alcanza velocidades de más de 150 kilómetros por hora. El sistema entero de la la celda de combustible ha sido instalado por primera vez en en interior de un Mercedes Benz KlaSse A. El vehículo por lo tanto proporciona tanto espacio como un Mercedes Benz Klasse A convencional. "La celda del combustible puede asegurar la movilidad de sostenible, Dice el Profesor Dr. Ferdinand Panik, el director del Proyecto de la Celda del Combustible en DaimlerChrysler. "Eso significa una clase nueva de la movilidad independiente de petróleo, basado en fuentes renovables de energía en el a largo plazo, y altamente compatible con el ambiente. Con NECAR 5, hemos logrado un paso substancial que nos acerca a nuestra meta de desarrollar un coche con celda del combustible adecuado para el transporte diario. El nuevo sistema a base de metanol -- más pequeño y más poderoso. NECAR 5 es la evolución tecnológica de NECAR 3. En 1997, DaimlerChrysler usó NECAR 3 en mostrar por primera vez que el hidrógeno para la celda del combustible se puede producir abordo del vehículo por medio de metanol (que es un medio de almacenamiento de hidrógeno en forma líquida), o para ponerle otra manera, con hidrógeno (MH2) "metanolizado. Metanol es una manera ideal de almacenar hidrógeno: es líquido en temperaturas normales de ambiente, así que se puede manejar y distribuir de un modo similar que la gasolina o el diesel. En la celda del combustible, el hidrógeno "metanolizado se combina con oxígeno en una reacción que produce energía eléctrica, que se utiliza para alimentar un motor eléctrico. De allí viene el termino de tecnología híbrida, al combinar ambos sistemas. En el NECAR 3, el sistema de propulsión -- inclusive el convertidor de metanol a hidrógeno -- era todavía muy voluminoso. En apenas tres años, los ingenieros han triunfado al reducir el tamaño del sistema a la mitad y adaptarlo abajo del piso de de un Mercedes Benz Klasse A. De la misma manera se ha logrado reducir el peso del sistema, y por lo tanto el peso del coche, por abajo de 300 kilogramos. Esta reducción en el peso mejora ambos la dinámica del manejo y la aceleración, que se beneficia también por el motor mejorado. El sistema de propulsión del NECAR 5 no sólo es más compacta pero también 50% más poderoso que su precursor. Mientras NECAR 3 requiriere dos grupos de la celdas de combustible para generar 50 kilovatios de energía eléctrica, ahora en el NECAR 5 una sola celda de combustible ahora genera 75 kilovatios. Aunque el NECAR 5 es un vehículo experimental más pesado que un coche convencional, utiliza la energía de su combustible 25 % más eficientemente. Los ingenieros de desarrollo han usado también las materiales más económicos.