Celdas de combustible (II)

Transcripción

1 Celdas de combustible (II) Juan José Domínguez Sánchez Ingeniero Industrial ICAI, prom Autor de varios artículos y libros sobre Sistemas de Comunicaciones y Fibra Óptica.Actualmente trabaja en la División de Componentes Alcatel España. Ventajas de las celdas de combustible Beneficios medioambientales Las celdas de combustible se consideran una excelente alternativa como fuente de energía desde un punto de vista medio ambiental. Son silenciosas y producen insignificantes emisiones de contaminantes. Son un candidato ideal para utilizarlos como generadores donde no es posible utilizar generadores que perjudican el medio ambiente. Las celdas de combustible podrían reducir de manera significativa la contaminación del aire urbano, y a la vez reducir las importaciones de combustibles sólidos. El Departamento de Energía de los EE.UU. considera que si un 10% de los automóviles de ese país estuvieran movidos por celdas de combustible los contaminantes (bajo regulación) del aire se verían reducidos en un millón de toneladas al año y que 60 millones de toneladas de dióxido de carbono (uno de los gases causantes del efecto invernadero) se eliminarían completamente. Con estas mismas consideraciones se reducirían alrededor de un 13% las importaciones de petóleo. Eficiencia Al no tratarse de una máquina térmica, la celda de combustible no está limitada por el ciclo de Carnot, ofrece la posibilidad de lograr eficacias de conversión mayores que las que pueden conseguir los generadores térmicos. Los diferentes tipos de celdas tienen variadas eficiencias. Dependiendo del tipo y del diseño varían del 40% al 60%. La eficacia de la celda de combustible es aproximadamente constante en el intervalo del 25 a 100% de su potencia energética. Las celdas alcalinas pueden llegar al 70% y las de óxido sólido (SOFC) pueden alcanzar el 80% cuando el calor sobrante se utiliza para calentar agua y se combina con sistemas de cogeneración. Disponibilidad de combustible La fuente primaria de combustible de una celda es el hidrógeno, que se puede obtener de carbón, metanol, etanol, gas natural, gas licuado (LPG) y otros carburantes que contengan hidrocarburos. Las celdas de combustible permiten promover una diversidad de energía y una transición hacia fuentes de energía renovables. La energía también podría ser provista a partir de biomasa, sistemas eólicos ó bien energía solar. Bajo nivel de emisiones La celda de combustible produce energía mediante un proceso electroquímico y no por combustión, con lo que las únicas emisiones distintas de aire y agua serán las procedentes del tratamiento del combustible. Las centrales energéticas de celdas de combustible que operan con combustibles procedentes del petróleo o carbón producirán emisiones de dióxido de azufre y oxido nitroso de menos de 0,045 y 90 gramos respectivamente por un millón de Btu. Las emisiones de azufre son bajas porque las centrales energéticas de celdas de combustible no toleran bien los compuestos de azufre; y así, estos compuestos se separan mediante un subsistema especial en la planta de tratamiento de combustible. Las otras emisiones son bajas debido a la limpieza inherente de los procesos electroquímicos. Una central de celdas de combustible opera silenciosamente y no requiere aportación de agua a una temperatura inferior a 35ºC para su refrigeración. Debido a estas características se puede instalar una central de celda de combustible en la misma zona urbana a la que alimenta. Distribuyendo estas centrales la compañía de suministro puede evitar inversiones en nuevas líneas para la transmisión y distribución de la energía, pudiéndo así reducirse las pérdidas producidas por la resistencia de los conductores de distribución. Otro aspecto interesante es que su configuración es modular, de forma que podemos tener la posibilidad de tener la potencia que sea necesaria para la aplicación que vayamos a usar. Nuevos Mercados De acuerdo con los últimos estudios el mercado para Celdas de Combustible aplicadas a la generación de potencia podría ser mayor de $3 billones de USD en todo el 22 anales de mecánica y electricidad. Mayo-Junio 2002

2 mundo para el año Otro estudio reciente pronostica una demanda global de Celdas de Combustible para el año 2007 de $9 billones USD. Figura 9. Funcionamiento de una pila de combustible Combustible CO 2 Seguridad Energética La dependencia energética de algunos de los países más industrializados, como por ejemplo los EE.UU., es más alta ahora que durante la crisis el petróleo de los años 70; además las importaciones de crudo están creciendo. Contando únicamente los vehículos de pasajeros se consumen 6 millones de barriles diarios de petróleo en EE.UU. Si un 20% de automóviles utilizaran usaran celdas de combustible, los EE.UU. reducirían sus importaciones de petróleo en 1.5 millones de barriles al día. Ánodo Cátodo H 2 2H++ H 2 O O2+2H+ 2e- 2e- El reformado para pilas de combustible El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido que se encuentra en estado libre en la naturaleza en pequeña cantidad (la atmósfera contiene menos de una parte por millón de hidrógeno en sus capas inferiores). También se puede encontrar en gases volcánicos o absorbido en metales como el platino, el hierro, el cobalto o el níquel. En estado combinado, sin embargo, el hidrógeno es un elemento más frecuente ya que está presente en los alimentos, en los tejidos de los seres vivos, en los gases combustibles naturales, en todos los ácidos y en los derivados del petróleo y, por supuesto en el agua. El hidrógeno es muy poco soluble en el agua y es además la sustancia más ligera conocida (catorce veces menos pesado que el aire). Al proceso de obtención de hidrógeno a partir de un compuesto químico se le denomina reformado. Una pila puede ser alimentada directamente a partir del hidrógeno almacenado, en estado líquido o gaseoso, pero por razones de seguridad y facilidad suele ser más interesante transportar el hidrógeno en algún compuesto e ir reformando dicho compuesto para obtener hidrógeno a medida que este vaya siendo consumido por la pila. Este proceso requiere unas cantidades elevadas de H 2 en un estado suficientemente puro. El grado de pureza de H 2 que requieren las pilas de combustible depende del tipo de electrolito y catalizador que emplee cada pila. El hidrógeno puede obtenerse por alguno de los siguientes métodos: Por electrólisis del agua Haciendo pasar una corriente eléctrica continua a través del agua en la que previamente se haya disuelto una pequeña cantidad de sales. 2H 2 O 2H 2 + O 2 A partir del agua, mediante desplazamiento Poniendo en contacto con el agua algunos metales como el sodio o el potasio estos son capaces de desplazar, a temperatura ambiente, el hidrógeno del agua. 2Na + 2H 2 O 2NaOH + H 2 Mediante vapor de agua Poniendo en contacto metales como el zinc o el hierro con vapor de agua a una elevada temperatura se obtiene el óxido del metal con el consiguiente desprendimiento de hidrógeno. 3Fe + 4 H 2 O (vapor) Fe 3 O H 2 A partir de los ácidos, mediante desplazamiento Poniendo algunos metales, como el hierro, en contacto con una disolución de ácido el hidrógeno del ácido puede ser desplazado. Fe + H 2 SO 4 Fe SO 4 + H 2 H 2 O, N 2 O 2 Celdas de combustible (II) 23

3 A partir de hidróxidos solubles Mediante la reacción que producen ciertos metales como el Zinc en hidróxido sódico. Zn + 2NaOH Na 2 ZnO 2 + H2 Mediante gas natural A partir de los gases de las refinerías de petróleo o del gas natural puede obtenerse hidrógeno si se combinan adecuadamente con vapor de agua y se hacen pasar por un catalizador (por ejemplo una mezcla de cobalto y níquel). Este catalizador, a elevadas temperaturas (cerca de 900ºC), hace que el metano presente en esos gases se transforme en hidrógeno y monóxido de carbono. CH 4 + H 2 O = 3 H 2 + CO CO + H 2 O = H 2 + CO 2 Celdas de combustible en vehículos Los automóviles movidos mediante celdas de combustibles se encuentran en una etapa de desarrollo temprana comparados con los automóviles eléctricos movidos con baterías, pero se consideran como una alternativa muy atractiva. Los primeros ofrecen las ventajas de un automóvil eléctrico provisto de baterías, pero pueden ser reabastecidos de combustible muy rápidamente y su autonomía es mayor que los que utilizan baterías. Además, los automóviles con celdas de combustible producirían menos emisiones de gases que producen efecto invernadero. Informes de Daimler-Benz y General Motors concluyen que pueden resolverse los problemas técnicos fundamentales asociados al uso de celdas de combustible y que este tipo de motores podrían construirse casi por mismo precio que los de combustión interna. Como ventajas del uso de celdas de combustible en vehículos se pueden citar: un sistema de transporte más limpio, motores más eficientes que los convencionales de combustión interna y posibilidad de recorrer más distancia sin repostar. Las desventajas del uso de celdas de combustible en vehículos son: Necesidad de algunos minutos de calentamiento para obtener suficiente potencia mientras que con los motores de combustión no es necesario. Los compresores pueden hacer que los coches sean más ruidosos. Necesidad de crear una enorme infraestructura debido a que ahora mismo no existe un lugar donde repostar. El hidrógeno tiene un punto de ebullición muy bajo y es extremadamente explosivo. El platino usado en la fabricación de celdas de combustible es muy costoso. Para el automóvil un problema fundamental es el tipo de combustible a utilizar y su almacenamiento. Se están considerando principalmente tres combustibles: hidrógeno, metanol y gasolina. Actualmente no se considera un combustible único como en el caso de los motores de combustión interna sino que dependerá de la región geográfica. Las emisiones van depender del tipo de combustible y del sistema de reformado. Si se utiliza hidrógeno directamente como combustible es el sistema que menor contaminación produce pero en cambio requiere el almacenamiento de este producto a bordo de los vehículos. Es la opción más factible por los expertos en este momento y donde se han de hacer los mayores esfuerzos en investigación y desarrollo. Uno de los problemas del almacenamiento del hidrógeno es que ocupa un espacio significativo. Para solventar este problema podemos almacenar el gas a alta presión. Por otro lado si se considera el uso de hidrógeno de forma directa este ha de almacenarse en las estaciones de servicio o poseer estas fabricas de electrólisis para producir el hidrógeno. Descomponiendo sustancias para obtener el hidrógeno no es necesario llevar éste en los vehículos de forma que este sistema de propulsión se hace más seguro. El uso de otros combustibles requiere pequeñas plantas de reformado en el vehículo que conlleva espacio y peso. Las compañías que fabrican celdas de combustible junto con las compañías petroleras están tratando de desarrollar formas de descomponer sustancias como metanol para obtener el hidrógeno necesario para hacer funcionar los automóviles. Los vehículos que utilizan metanol en vez de hidrógeno puro no se pueden considerar de emisión cero debido a que liberan pequeñas cantidades de CO y CO 2. Existe una gran oposición a la utilización de este gas por cuestiones de seguridad. De todas formas podría cubrir el intervalo hasta que se construyera una red de distribución de hidrógeno. 24 anales de mecánica y electricidad. Mayo-Junio 2002

4 Si se obtiene el hidrógeno en el propio vehículo a partir de gasolina la transición sería mucho más suave ya que únicamente sería necesario hacer algunos cambios en la infraestructura actual y no habría que montar una infraestructura de metano que quedaría obsoleta en algunos años. La gasolina no podría ser la misma que se utiliza actualmente ya ésta tiene algunos aditivos que habría que eliminar. Una de las complicaciones principales del reformado de la gasolina es que es un proceso complicado ya que ha de hacerse a temperaturas entre 850º-1000ºC. El utilizar reformadores en los coches también significa que la eficiencia de estos elementos baja de un 90% a un 80 o 85%. Otra alternativa es la utilización de materiales que absorban hidrógeno en su estructura cristalina (Metal Hydrides) o incorporarlo químicamente (Chemical Hydrides) para tener el combustible cuando se necesite.también se estudia el uso de nanoestructuras de carbono. Uno de los problemas a resolver en los sistemas de celdas de combustible en los vehículos es la necesidad de tener un radiador mucho más grande que para un motor de combustión interna. Esto se debe a que más de un 80% del calor generado debe ser evacuado a través del radiador (un 33% en el caso de un motor de C.I.) Sobre el precio, en este momento una celda de combustible tipo PEM cuesta unos 500$ por kw lo que significa que un motor para automoción sale por unos $, esto es unas 7 veces el coste de un motor convencional de combustión interna (3.500 $). Existen en este momento diferentes proyectos de los fabricantes de automóviles donde podemos destacar los siguientes: Renault Desarrolla un vehículo de investigación, denominado Fever (llamado así por sus siglas en inglés Fuel Cell Electric Vehicle for Efficiency and Range ), equipado con una pila de combustible tipo PEM que funciona con hidrógeno líquido almacenado. Desarrollado dentro del programa europeo para la racionalización de la energía, el Fever ha sido construido sobre la base de un Laguna Break y dispone de una autonomía de 500 kilómetros. convirtiendo metanol en hidrógeno y CO 2, tras ser mezclado con agua. El hidrógeno reacciona con el oxígeno del aire creando una energía eléctrica y formando nuevamente agua. No es exactamente un motor de cero emisiones. Para la aceleración usa un sistema híbrido basado en baterías. Chrysler Ha contratado a Delphi Automotive Systems para desarrollar un sistema para automóviles a base de celda de combustible. A principios de 1997, Chrysler reveló un modelo a escala real de un vehículo movido a base de un sistema de celdas de combustible que podría emplear gasolina. Chrysler expresó la intención realizar la comercialización de celdas de combustible en automóviles de tamaño mediano para el año Ford Motor Corporation Ha establecido su programa P2000 para producir un sedán familiar ligero altamente avanzado. El concepto del automóvil P2000 actuará como plataforma para varios sistemas de motores avanzados incluyendo celdas de combustible. Ford ha trabajado con Ballard, International Cells y con Mechanical Technology Incorporated en este proyecto. General Motors GM está trabajando con Delphi y Ballard para desarrollar motores a base de celdas de combustible.tienen intención de tener un vehículo listo para producción para el año Vapor de agua Compuestos ligeros Figura 10. Reformado de hidrógeno a partir de gas natural Hidrógeno Compresor Reformador Dioxido de carbono Monoxido de carbono Vapor de agua Metano Toyota Ha creado el FCEV, un coche sobre la base del RAV4. La electricidad se consigue Limpieza Eliminador de CO Celdas de combustible (II) 25

5 SOFC MCFC PAFC Figura 11. Características principales de las celdas de combustible Eficiencia Densidad de Rango de Tiempo de (%) Potencia Temperatura puesta en (kw/m 2 ) (º) marcha (stk) (sys) Horas < 74 (cmb) (sys) (cmb) Horas (stk) 41 (sys) Horas PEMFC (stk) Seg - min AFC (stk) Min DMFC 40 (stk) Stk: pilas Sys: sistemas Cmb: ciclo combinado Figura 2. Subsistemas de celdas de combustible para vehículos Entrada de combustible Almacenamiento de hidrógeno Compresor de aire Entrada de aire Evacuación de calor Celda de combustible Convertidor boost Cargador de batería exterior Batería Daimler-Benz DC/DC Conv Sistema eléctrico Entrada de electricidad Motor Ha desarrollado el Necar4, que está basado en un Mercedes clase A. Puede alcanzar una velocidad de 140 km./h y tiene una autonomía de 450 km. Junto con Ballard ha creado una nueva compañía de motores de celda de combustible. Daimler-Benz dio a conocer un autobús en mayo de 1997 movido por celdas de combustible que opera con hidrógeno almacenado y tiene una autonomía de 250 km. Espera tener un vehículo a base de celdas de combustible comercialmente viable hacia finales de 1999 y planean producir unos 100,000 motores al año para el Peugeot/Citroën Peugeot/Citroën está involucrado en un programa de investigación conjunto europeo de celdas de combustible tipo PEM para reducir tanto el peso de este sistema como su coste. Volkswagen/Volvo En un proyecto conjunto,volkswagen y Volvo han anunciado sus planes para tener en funcionamiento en 1999 un auto tipo Golf híbrido a base de una celda de combustible PEM alimentada con metanol. Uso doméstico e industrial Para uso doméstico las celdas de combustible pueden utilizarse no solo para producir electricidad sino también para calefacción, dado que únicamente entre un 40 y un 45% del combustible se convierte en electricidad y el resto se convierte en calor. Compañías como la Hydrogen Burner Technology of Long Beach, CA, están trabajando en celdas de combustible a partir de gas natural, fuel-oil, o gasolina para producir electricidad. Las unidades actuales producen de 2 a 10 kilovatios y generan el suficiente calor para calefacción y agua caliente. Estas unidades no contienen partes móviles y no requieren mantenimiento.tienen una eficiencia global del 90%. Estos sistemas de celdas de combustible se espera que estén disponibles comercialmente en el año 2003 con un coste entre 3600 y El coste de combustible es de unos 0.9 por kilovatio usando gas natural. En la industria, la New York Power Authority (NYPA) está utilizando una celda de combustible para proveer de energía la Comisaría de Policía de esa ciudad. Utiliza gas natural como combustible. El sistema se utiliza para generar electricidad y calor y también carga los coches patrulla eléctricos. Actualmente también se está trabajando en el desarrollo de celdas de combustible suficientemente pequeñas para utilizarlas en teléfonos móviles u ordenadores portátiles. Estas nuevas celdas tendrán una capacidad de energía unas 50 veces mayor que las actuales baterías de NiCd. Esto significa que un teléfono móvil podría permanecer en Stanby hasta 40 días o en conversación más de 200 horas. Para la recarga de estas unidades bastaría con inyectar metanol dentro de la celda. La vida útil de las baterías sería de 4 años. Otro campo donde se están probando las celdas de combustible es en el terreno militar. 26 anales de mecánica y electricidad. Mayo-Junio 2002

6 El Departamento de Defensa Americano las está utilizando para proveer de calor y energía a algunas de sus bases. Por otro lado las celdas de combustible son interesantes para su uso en vehículos militares debido a que son silenciosas, flexibles, y operan a bajas temperaturas.también están siendo desarrolladas para submarinos, barcos, y otros usos militares. Principales compañías en el desarrollo de celdas de combustible Ballard Power Systems Inc Es una de las principales compañías a nivel mundial en el suministro de celdas de combustible. Está situada en South Burnaby, una ciudad a las afueras de Vancouver BC, Canadá. En el campo del automóvil suministra celdas de combustible a seis de las 10 mayores compañías del mundo, entre ellas a Daimler- Chrysler y Ford Motor.También suministra equipos para autobuses y vehículos pesados, generadores de alta potencia y pequeñas celdas para equipos portátiles. El primer vehículo de demostración real que empleó tecnología moderna de celdas de combustible fue un autobús de 10 metros en el año Un autobús de segunda generación se encuentra bajo pruebas ya en las calles en Canadá y los Estados Unidos. En Chicago (Illinois) se encuentran operando 3 de estos vehículos en fase experimental. International Fuel Cells Es una compañía subsidiaria de United Technologies of Hartford, Connecticut. Han realizado las celdas utilizadas en las misiones Apollo y las lanzaderas Shuttle.También fabrica celdas de hasta 200kW para plantas de energía eléctrica para edificios comerciales. International Fuel Cells (IFC) ha hecho demostraciones con mucho éxito con un sistema a base de celdas de combustible tipo PEM de 50kW usando hidrógeno más aire del ambiente. El sistema es altamente compacto, unos 9 pies cúbicos de espacio, y será muy apropiado para automóviles. También trabajando para desarrollar una celda de combustible PAFC de 100kW para un autobús. Energy Partners (EP) Está situada en West Palm Beach, Florida. Están trabajando en un modelo de celda impulsada por hidrógeno para el mercado de la automoción y en celdas con electrodos de grafito. Ha anunciado el primer automóvil para pasajeros movido por celdas de combustible denominado el auto verde. Energy Partners se ha unido a John Deere Corporation en un proyecto para desarrollar vehículos con celdas de combustible de usos múltiples basado en el vehículo de Deere llamado Gator. En octubre de 1997 los vehículos comenzaron a hacer demostraciones en el aeropuerto Regional de Palm Springs transportando principalmente personal, equipo de mantenimiento y cargas pequeñas dentro de las instalaciones del aeropuerto. Energy Research Corporation (ERC) Compañía situada en Danbury, Connecticut. Está centrada en celdas de carbonato sódico utilizando metano como combustible y NaCO 3 como electrólito. El rango de funcionamiento de estas celdas va desde unos cientos de Kilovatios hasta 50 Megavatios. Su finalidad es reemplazar turbinas de gas y sistemas diesel de sistemas suplementarios. MC Power Pertenece a Molten Carbonate Westinghouse Electric Corp-Pittsburgh, Pennsylvania. Está centrada en celdas de óxido sólido (ZrO 2 ). Como combustible emplean carbón pulverizado y tienen una potencia entre 200 y 500 MW. ElectroChem, Inc Fabrica pequeñas celdas de W. Espera comenzar pronto a fabricar celdas de 500W. H-Power Fabrica celdas de combustible tipo PEM para una variedad de aplicaciones. Plug Power, L.L.C. Es una inversión conjunta entre un subsidiario de DTE Energy Co., y el Mechanical Technology Inc. de Latham, Nueva York. Junto con Arthur D. Little Inc., y Los Alamos National Laboratory, Plug Power ha fabricado una celda de combustible empleando un producto reformado de gasolina. Este grupo se encuentra ahora concentrado en integrar este sistema a un vehículo. Dicho sistema se espera sea el doble de eficiente que un motor a gasolina de combustión interna con alrededor de 90% menos emisiones. Celdas de combustible (II) 27