Energías Alternativas

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1 Energías Alternativas Documento obtenido del Portal del Ingeniero Ambiental Hidrógeno y Celdas de Combustible 1

2 Hidrógeno y Celdas de Combustible Introducción La celda de combustible fue inventada por Sir William Grove, un juez Gales, profesor del The Royal Institute en Londres. Él creó la primera celda de combustible, y a pesar de no haber podido lograr un óptimo desempeño en ésta, dedicó el resto de su vida a buscar componentes que fueran capaces de entregar una corriente más regular. Sin embargo, aunque no obtuvo muchos resultados satisfactorios, pudo prever la gran importancia que las celdas de combustibles tenían en lo referido a la generación estacionaria de energía. No fue hasta la década de los 60 cuando el programa espacial de la NASA eligió las celdas de combustible por encima de sistemas nucleares (los cuales implican mayor riesgo) y sistemas solares (mayores costos) para proveer de energía a las naves. De esta forma las celdas de combustible han provisto de energía y agua a las misiones espaciales hasta la fecha. Hasta hace pocos años atrás las celdas de combustible estaban limitadas al uso experimental en laboratorios, o en aplicaciones no convencionales como la industria aerospacial, pero recientemente se ha desarrollado un creciente interés en las celdas de combustible, y en sus aplicaciones en la generación de energía estacionaria así como también en el área automovilística. Especialmente en esta última sus aplicaciones son muy llamativas por ser una fuente de energía 100% limpia, lo que en un futuro desplazaría a los motores de combustión interna, debido a que estos son cada vez mas exigidos en el control de emisiones. Desafortunadamente 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. Qué es una celda de combustible? Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico cuyo concepto es similar al de una batería. Consiste en la producción de electricidad mediante el uso de químicos, que usualmente son hidrógeno y oxígeno, donde el hidrógeno actúa como elemento combustible, y el oxígeno puede ser obtenido directamente del aire. También pueden ser usados otros tipos de combustibles que contengan hidrógeno en su molécula, tales como el gas metano, metanol, etanol, gasolina o diesel entre otros. Una diferencia importante entre una batería y una celda de combustible es que esta última no se gasta, es decir, no dejará de producir energía mientras se le esté suministrando el combustible necesario para producirla, a diferencia de una batería, la cual tiene una vida útil determinada. 2

3 Debido a que la generación de energía eléctrica es directa, la eficiencia que alcanza una celda de combustible puede ser muy elevada, además al no tener partes en movimiento son muy silenciosas. Sumado a todo esto hay que agregar que la celda de combustible no usa la combustión como mecanismo de generación de energía, lo que la hace prácticamente libre de contaminación. Las celdas de combustible individuales pueden combinarse para producir motores más potentes impulsados por ejemplo a hidrógeno. La sumatoria del voltaje producido por cada una de las celdas individuales determinará el voltaje total (V) del motor. Asimismo, la sumatoria de las corrientes individuales determinará la corriente total (I) del motor. Multiplicando el voltaje total (V) por la corriente total (I) se determina la potencia total del motor (P). Las celdas de combustible pueden ser fabricadas de distintos tamaños y para distintas aplicaciones que van desde su uso en telefonía celular, hasta el uso de éstas para impulsar automóviles. De todos los tipos de celdas de combustibles (ver pag. 4 ), las más comunes son las que utilizan hidrógeno como combustible. Ventajas de la utilización del hidrógeno como combustible No produce contaminación ni consume recursos naturales. El hidrógeno se toma del agua, se oxida y luego vuelve a formar agua. No hay productos secundarios ni tóxicos de ningún tipo que puedan producirse en este proceso. Seguridad. Los sistemas de hidrógeno tienen una historia de seguridad muy impresionante. En muchos casos el hidrógeno es mucho mas seguro que el combustible que esta siendo reemplazado. Además de dispersarse rápidamente en la atmósfera, si se fuga, el hidrógeno no es tóxico en absoluto en contraste con otros combustibles. Alta eficiencia. Las celdas de combustible convierten la energía química directamente en electricidad con mayor eficiencia que ningún otro sistema de energía. Funcionamiento silencioso. Al no tener partes móviles los artefactos impulsados por celdas de combustible casi no generan ruidos. Larga vida y poco mantenimiento. Aunque todavía no se ha comprobado la extensión de su vida útil, se prevé que tendrán una durabilidad significativamente mayor a la de las máquinas que reemplazan. Modularidad. Se pueden elaborar celdas de combustible en cualquier tamaño: tan pequeñas como para ser utilizadas en telefonía celular o tan grandes como para generar energía para abastecer a una comunidad entera. Esta modularidad permite aumentar la energía de los sistemas según los crecimientos de la demanda energética reduciendo drásticamente los costos iniciales. Funcionamiento El funcionamiento de una celda de combustible consiste básicamente en la oxidación del hidrógeno en agua, generando energía eléctrica y calor directamente, sin pasar por generadores u otros artefactos. Toda celda de combustible está compuesta por un ánodo, un cátodo y electrolitos. Sin embargo, siendo la oxidación del hidrógeno igual para todos los tipos de celdas de combustible, los materiales usados en éstas son muy variados. La reacción producida da lugar a la formación de electricidad, calor y agua. Esto se logra alimentando el hidrógeno en el ánodo de la celda y el oxigeno en el cátodo, los cuales están separados por una membrana electrolítica. 3

4 La reacción se produce dentro de la celda misma. La producción de agua toma lugar en distintas partes de la celda dependiendo del electrolito utilizado. El hidrógeno fluye hacia el ánodo de la celda, donde una cubierta de platino ayuda a quitar los electrones a los átomos de hidrógeno dejándolo ionizado, o sea, en forma de protones ( H + ). La membrana electrolítica permite el paso solo de los protones hacia el cátodo. Debido a que los electrones no pueden pasar a través de la membrana, se ven forzados a salir del ánodo por un circuito externo como forma de corriente eléctrica, ésta es la corriente eléctrica que se utiliza para hacer funcionar los artefactos. Luego, a medida que el cátodo deja fluir a través de él al oxígeno, éste se combina con los protones y los electrones anteriormente citados para formar agua. Como esta reacción naturalmente está desplazada hacia la formación de agua, cuando se produce, se libera energía en forma de calor. Esta una reacción positiva y por lo tanto exotérmica. El proceso químico que se lleva a cabo es el siguiente: Ánodo: 2H 2 4H + + 4e - Cátodo: 4e - + 4H + + O 2 2H 2 O Reacción completa: 2H 2 + O 2 2H 2 O Esta operación se puede hacer de manera contínua si los suministros de componentes se hacen en forma constante y a un régimen de flujo estable. En este tipo de operación, al hacerce en forma isotérmica, las limitaciones termodinámica para el rendimiento no existen (Ciclo de Carnot). Gráfico esquemático del funcionamiento de una celda de combustible Tipos de celdas de combustible Ácido Fosfórico (PAFC) Temperatura de operación: ~ 220 C 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, hospitales, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas eléctricas y una terminal aeroportuaria. Las celdas de combustible de ácido fosfórico generan electricidad 4

5 a mas 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. Este tipo de celdas puede ser usado en vehículos grandes como autobuses y locomotoras. Existen en producción comercial unidades de alrededor de 200kw. Polímero Sólido(PEM) Temperatura de operación: C Tienen una densidad de potencia alta, pueden variar su salida para satisfacer cambios en la demanda de potencia y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una demanda inicial de energía bastante importante, 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 otras aplicaciones mucho más pequeñas tales como baterías recargables para videocámaras por ejemplo. Carbonato Fundido(MCFC) Temperatura de operación: ~ 600 C Las celdas de combustible de carbonato fundido prometen altas eficiencias combustible-electricidad y la habilidad para consumir combustibles a base de carbón. En este tipo de celdas es aprovechada la electricidad y el calor generado. 5

6 Oxido Sólido(SOFC) Temperatura de operación: C Es una celda de combustible altamente prometedora, podría ser utilizada 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 éstas en vehículos motores. Las unidades que se abrigan van desde 25 hasta 100kw de potencia. Un sistema de óxido sólido normalmente utiliza un material duro cerámico en lugar de un electrolito liquido permitiendo que la temperatura de operación sea muy elevada. Las eficiencias de generación de potencia pueden alcanzar un 60%. Alcalinas Temperatura de operación: C Utilizadas desde hace mucho tiempo por la NASA en misiones espaciales, este tipo de celdas pueden alcanzar eficiencias de generación eléctrica de hasta un 70%. Estas celdas utilizan hidróxido de potasio como electrolito. Hasta hace poco tiempo eran demasiado costosas para aplicaciones comerciales pero varias compañías están examinando la forma de reducir los costos y mejorar la flexibilidad en su operación. Emisiones Si se comparan las emisiones de las celdas de combustible con las emisiones generadas por los mecanismos tradicionales de combustión para la obtención de energía se puede afirmar que: Utilizando celdas de combustible se eliminan (por año) al aire Kg. menos de contaminantes causantes de smog y lluvia ácida. El uso de celdas de combustible reduce las emisiones de CO 2 en mas de Kg. por año. 6

7 Eficiencias Las celdas de combustible convierten en promedio un 40% del combustible disponible en electricidad. Este valor se traduce a un 80% de eficiencia si se utiliza el calor producido durante el proceso. Reduce los costos en combustibles y conserva los recursos naturales. Aplicaciones de las celdas de combustible Como fuente de energía totalmente limpia las celdas de combustible tienen muchas aplicaciones en la industria, transporte, generación de electricidad para consumo domestico, para comunicaciones, etc.. Dentro de las más importantes se pueden citar las siguientes: 7

8 Recuperación de energía a partir de residuos orgánicos. La empresa norteamericana UTC (International Fuel Cells) ha desarrollado una celda de combustible que se alimenta de biogas, esto es, gas proveniente de la descomposición de la fracción orgánica de los residuos domiciliarios, residuos de poda, rastrojos, etc. Medios de transporte terrestre. En esta aplicación existe un gran desarrollo por parte de las empresas automotrices. Los primeros prototipos fueron producidos por la empresa Daimler. Los prototipos son el Necar 2 y el Necar 4. El Necar 2 fue el primer producto de Daimler, y tenía como velocidad máxima 68 mph (108.8 Km/h). El actual modelo Necar 4 alcanza las 90 mph (144 Km/h). Otras empresas como Toyota y GM están creando nuevos prototipos en base a celdas de combustible. Es importante recalcar que la mayoría de los científicos aseguran que la tecnología de la celda de combustible está lista, lo único que se está tratando es de abaratar los costos de producción. La idea es que estos autos tengan un valor de aproximadamente US$ Area espacial. En los años 60 el programa espacial de los EEUU eligió las celdas de combustible por encima de sistemas nucleares y sistemas solares para proveer a las naves de energía. Así, las cedas de combustible han provisto de energía y agua pura a las misiones Géminis, Apolo y aún ahora al transbordados espacial. Actualmente se está trabajando en una celda de combustible regenerativa que facilitará los viajes espaciales a lugares mas lejanos. Generación de electricidad para uso doméstico. Varias residencias en la ciudad de Bend, en Oregon, serán desconectadas de la red eléctrica convencional para poder usar modelos experimentales de generador eléctrico basados en celdas de combustible. A partir del año 2001 diferentes empresas ofrecen equipos en forma comercial como el Homogen 700, el cual funciona con gas natural. 8

9 Comunicaciones. Cabe la posibilidad de que en el futuro los teléfonos celulares tengan una batería a base de celdas de combustible. Esta celda utilizaría como combustible al metanol y recargaría una batería a base de Litio, por lo que solo tendríamos que insertarle cápsulas de metanol al teléfono celular para poder cargarlo. Otros usos. La celda de combustible es extraordinariamente flexible a al hora de ver sus aplicaciones. Entra otras que se pueden nombrar tenemos: Submarinos (Siemens) Turbinas Cohetes (NASA) Barcos (Hawaii inc.) Producción de hidrógeno El hidrógeno a ser utilizado en las celdas de combustible puede obtenerse a partir de varias formas, utilizando diversos equipamientos y combustibles. Producción de hidrógeno a partir de energía solar. En el ciclo del hidrógeno solar la electricidad producida por los módulos solares opera un equipo de electrólisis que divide el agua en sus dos componentes elementales, hidrógeno (H 2 ) y oxígeno (O 2 ). El oxígeno se libera al aire y el hidrógeno se bombea a los tanques, donde es almacenado en el lugar de producción. 9

10 Producción de hidrógeno a partir de metano (CH 4 ). Cuando la cantidad de energía requerida es importante, como por ejemplo para abastecer una industria, edificios, etc, lo mas conveniente es adoptar un sistema alimentado a gas natural o metano. Este sistema se basa en la oxidación del metano produciendo dióxido de carbono e hidrógeno, el cual pasa a alimentar las celdas de combustible. Generalmente las celdas de combustible tienen una eficiencia del 40%, por otro lado un procesador de combustible tiene una eficiencia de aproximadamente el 80%. Por lo tanto la eficiencia total del sistema procesador + celda de combustible es de alrededor del 30%. La producción de hidrógeno a partir de metano se basa en la siguiente reacción química: CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 CO + H 2 O CO 2 + H 2 CH 4 + 2H 2 O 4H 2 + CO 2 Otros combustibles alternativos para las celdas de combustible Una variedad importante de combustibles pueden ser usados en éstas, tales como hidrógeno, metano, etano, gas natural y gas licuado (LPG). La energía también puede ser provista por biomasa, sistemas eólicos y solares. Precios y costos de las celdas de combustible. Algunas compañías ofrecen celdas de combustible por cerca de dólares por kilowatt. Con estos precios la energía producida a partir de las celdas es rentable en lugares donde la energía eléctrica es cara y el gas natural es barato. De todas formas se calcula que las celdas de combustible comenzarán a ser atractivas cuando se reduzca su costo hasta no más de dólares por kilowatt. Con respecto a los costos operativos, estos se traducen en el costo del hidrógeno envasado para alimentar la celda o en el costo del gas natural, propano, metano o cualquier otro combustible con el que se alimente la celda. Los costos de mantenimiento son mínimos o nulos, no se les puede asignar un monto. Conclusiones Es sabido que las actuales formas de obtener energía no son óptimas desde el punto de vista ambiental ni desde el punto de vista energético. 10

11 En lo que a lo ambiental se refiere, los recursos energéticos hasta hoy explotados contribuyen al cambio climático y al adelgazamiento de la capa de ozono con las consecuencias ambientales que esto acarrea. La obtención de energía por medio de represas hidroeléctricas ha ocasionado la pérdida irreparable de suelos y espacies ya sea por anegamiento aguas arriba, como por sequías aguas debajo de las mismas. La explotación indiscriminada de bosques está acabando con especies animales y vegetales aún desconocidas, con lo cual nosotros mismos nos estamos quitando la oportunidad de encontrar la cura a nuestras enfermedades. Varias son las características que hacen que las celdas de combustible se consideren una de las formas alternativas más ventajosas para la obtención de energía. Sus altas eficiencias rozan el 80% cuando además de electricidad se recupera calor. Este valor supera ampliamente las eficiencias de otros sistemas convencionales. Además, la energía producida es 100% limpia, ya que el único producto que se obtiene es agua o vapor de agua dependiendo de la temperatura de operación del dispositivo. Otra de sus ventajas es que pueden conectarse en paralelo para suplir cualquier requerimiento energético. Las celdas de combustible adosadas a un procesador permiten obtener energía a partir de combustibles corrientes como alcoholes, gas natural y combustibles de origen fósil, así como también a partir de biomasa o de la fracción orgánica recuperada de residuos sólidos domiciliarios. De todas formas, el combustible mas conveniente termina siendo el hidrógeno, ya que es el que más energía entrega por unidad de masa (141 mj/kg). Además, el hidrógeno puede obtenerse fácilmente por electrólisis del agua. Estos equipos de electrólisis se pueden alimentar de energía eléctrica obtenida por paneles fotovoltáicos o aerogeneradores. La Patagonia Argentina es muy apta para el emplazamiento de estos últimos con ese fin. El aspecto económico también es de gran relevancia, los precios de las celdas de combustible no son altos cuando se los compara con los gastos anuales de electricidad y gas natural, con lo que su compra se amortiza en pocos meses. Con respecto a los costos de mantenimiento, éstos se consideran mínimos o casi nulos. Además de todo esto, no debe dejarse de lado la importancia de la independencia energética que brinda la instalación y uso de celdas de combustible. Por último, cabe aclarar que las celdas de combustible prometen seguir mejorando en todos sus aspectos y ampliar cada vez más el mercado, así lo demuestran las estadísticas. 11