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N° 42 - Agosto 2004
  ENERGíA SOSTENIBLE  -  Las pilas de combustible

Las investigaciones sobre las múltiples tecnologías de pilas de combustible están en pleno auge. Esta diversificación abre la vía a numerosas posibilidades de energía no contaminante, que van desde vehículos hasta centrales eléctricas, pasando por aplicaciones portátiles.

Descubierto en 1839, el principio de la pila de combustible es extremadamente simple. Dos electrodos conectados externamente por un circuito eléctrico y separados por un electrolito son alimentados, en presencia de un catalizador, la una por hidrógeno (que hace las veces de combustible), la otra por oxígeno atmosférico. El átomo de hidrógeno anódico se disocia formando un protón o ión H+, cargado positivamente y un electrón.El ión se mueve a través del electrolito hacia el cátodo, donde se combina con el oxígeno para formar agua (y un desprendimiento de calor), mientras que el electrón recorre el circuito eléctrico originando una corriente.No obstante, su aplicación varía mucho según la forma del hidrógeno llevado hasta el ánodo (pueden ser elementos químicos que contienen hidrógeno) y la naturaleza de los electrólitos.
Descubierto en 1839, el principio de la pila de combustible es extremadamente simple. Dos electrodos conectados externamente por un circuito eléctrico y separados por un electrolito son alimentados, en presencia de un catalizador, la una por hidrógeno (que hace las veces de combustible), la otra por oxígeno atmosférico. El átomo de hidrógeno anódico se disocia formando un protón o ión H+ , cargado positivamente y un electrón.El ión se mueve a través del electrolito hacia el cátodo, donde se combina con el oxígeno para formar agua (y un desprendimiento de calor), mientras que el electrón recorre el circuito eléctrico originando una corriente.No obstante, su aplicación varía mucho según la forma del hidrógeno llevado hasta el ánodo (pueden ser elementos químicos que contienen hidrógeno) y la naturaleza de los electrólitos.
Las pilas de combustible son una “innovación muy antigua”. El principio de base de su funcionamiento, que es muy simple, fue descubierto y demostrado en 1839 por el físico inglés William Grove (véase el esquema). No obstante, durante más de un siglo, la primacía del desarrollo de las máquinas térmicas y de los acumuladores eléctricos eclipsó este invento, que no fue estudiado en profundidad, excepto en algunos trabajos de laboratorio, sin mucha repercusión.

Impulso del Espacio
La investigación espacial fue la primera en volver a impulsar la utilización contemporánea de las pilas de combustible. En los años 60 la NASA decidió utilizar generadores de este tipo para equipar los artefactos de los programas Gemini y Apollo. El desarrollo de las tecnologías específicas de las pilas de combustible utilizadas en el Espacio no ha dejado de aumentar y de aplicarse desde entonces.

A partir de la década de los setenta y de los ochenta, esta demostración espacial llevó, sobre todo al otro lado del Atlántico y Japón, a un aumento del interés por este sector, especialmente en el mundo del automóvil y por diversas aplicaciones denominadas “estacionarias”. Estas investigaciones favorecieron una gran diversificación de las opciones tecnológicas. Además de la alimentación clásica de las primeras pilas que necesitaban hidrógeno puro (obtenido a través de la electrólisis), se desarrollaron pilas de combustible que funcionaban con hidrógeno producido por medio del reformado de hidrocarburos (gasolina, gas natural, etanol) pero también a partir de metanol proveniente de la biomasa y del gas carbónico. Es evidente que esta ampliación de la gama de combustibles disminuye la “limpieza” del procedimiento, volviendo a provocar emisiones de carbono, pero sin que se puedan comparar con las molestias de los motores de combustión interna. En cambio, el reformado ha aumentado considerablemente el interés por las pilas de combustible, haciendo posible que se desarrollen procedimientos de producción de hidrógeno, los cuales se han difundido y controlado ampliamente a nivel industrial.

Una familia numerosa
Además, la diversificación trata de los tipos de electrólitos a través de los cuales transitan los iones H+ u O-, en función del tipo de pila de combustible. Encontramos así pilas de potasio alcalino (desarrolladas principalmente en el sector espacial), de ácido fosfórico (la tecnología más “madura” actualmente, pero limitada en sus aplicaciones), de membrana polímera, de carbonatos fundidos o de óxido sólido. Cada categoría presenta propiedades específicas desde el punto de vista de la alimentación en combustible, de las temperaturas de funcionamiento y de las aplicaciones que se derivan de la misma.  

Los avances más prometedores (sobre los que se han concentrado los programas europeos (véase el cuadro)), se refieren en primer lugar a la familia de las membranas polímeras (denominadas PEMFC*). Este tipo de pila de combustible puede ser alimentado con hidrógeno puro o reformado, con temperaturas de funcionamiento comprendidas entre los 80 y los 100 grados centígrados. Funciona en particular en los principales prototipos automóviles esperados próximamente en el mercado, así como en las aplicaciones estacionarias de pequeña potencia, sobre todo en el sector residencial.

Tecnología de las pilas de combustibleParte superior: combustibles y tipos de pilas – Parte inferior: aplicaciones
Tecnología de las pilas de combustible
Parte superior: combustibles y tipos de pilas – Parte inferior: aplicaciones


Una segunda categoría de pilas de membrana polímera, cuyo combustible es el metanol (DMFC*), interesa más especialmente a las aplicaciones “portátiles” de potencia débil (telefonía móvil, informática, etc.). No obstante, actualmente, su desarrollo se tropieza con una serie de obstáculos tecnológicos.

Las pilas de combustible de carbonato (MCFC*) y de óxido sólido (SOFC*) funcionan a temperaturas mucho más elevadas (600 a 1.000ºC) y están en competencia en lo que concierne al desarrollo de unidades de fuerte potencia que hagan posible la cogeneración de electricidad y de calor, así como en las aplicaciones marítimas. Presentan rendimientos elevados y pueden ser alimentadas con combustibles variados (metano, metanol, biogás, carbón gasificado).

 

* Léxico de las pilas de combustible (Fuel Cell- FC)

  • AFC (Alkalin): Alcalina (sobre todo en el sector espacial)
  • PEMFC (Polymer Exchange Membran): con membrana polímera de intercambio de protones
  • DMFC (Direct Methanol): con metanol directo
  • PAFC (Phosphoric Acid): con ácido fosfórico
  • MCFC (Molten Carbonate): con carbonatos fundidos
  • SOFC (Solid Oxyd): con óxido sólido
  Aumento de las investigaciones europeas  
  Desde hace unos diez años, Europa invierte cada vez más en las pilas de combustible. En el ámbito de la Unión Europea, numerosos proyectos de I+D y de demostración estuvieron dedicados a las mismas en el cuarto programa marco (1994-1998), apoyados con una ayuda financiera de 54 millones de euros.

Este impulso siguió en el programa siguiente (1998-2002), en el que se aportaron unos 150 millones de euros en apoyo a unos 70 proyectos destinados a las pilas de combustible y al hidrógeno. La mayoría de los proyectos sobre las pilas de combustible estaban específicamente destinados a la tecnología de los electrólitos de membrana polímera, que es actualmente la más prometedora en términos de mercado. Lo que se pretende es poner a punto pilas de membrana (PEMFC y DMFC) que funcionen a temperaturas más elevadas (de 80 a 180º) que las pilas de combustible desarrolladas hasta la fecha, lo que mejoraría los resultados a la vez que disminuiría los costos.

El proyecto Fuero reúne a los principales constructores automóviles europeos (Fiat, Peugeot-Citroën, Renault, Volvo y Volkswagen).
El proyecto Fuero reúne a los principales constructores automóviles europeos (Fiat, Peugeot-Citroën, Renault, Volvo y Volkswagen).


Para optimizar al máximo los trabajos en estos numerosos proyectos, a menudo muy específicos, los programas europeos apoyan particularmente a las agrupaciones y a las redes que busquen integrar los diferentes enfoques y sus resultados. Estas nuevas sinergias deberían hacer posibles nuevos desarrollos que se puedan comercializar. Así, en el proyecto Fuero, un consorcio que reúne a los principales constructores automóviles europeos (Fiat, Peugeot-Citroën, Renault, Volvo y Volkswagen) se esfuerza por evaluar y sacar partido de las investigaciones de una agrupación de nueve proyectos que trabajan sobre las pilas de combustible, realizar a pruebas, aclarar las especificaciones en términos de prestaciones y desarrollar herramientas de modelización. Asimismo, la red SOFCnet, dedicada a la coordinación de las investigaciones y de las aplicaciones en el campo de las pilas de óxido sólido reúne, desde 2003, a unos cincuenta organismos de investigación y de utilizadores industriales.

Estas pilas SOFC tienen una importancia cada vez mayor para las aplicaciones estacionarias de alta temperatura en razón de su elevado rendimiento, que puede llegar al 70%. Están en el centro del nuevo proyecto integrado Real SOFC, que recibe una ayuda europea de 9 millones de euros dentro del marco de la primera selección de propuestas de investigación sobre las pilas de combustible del sexto programa marco (2003-2006). Esta selección ha incluido a otros tres proyectos integrados relacionados con las pilas sólidas de polímero, que tendrán una financiación de cerca de 15 millones de euros. Se trata de los proyectos Hytran, Furium y Morepower.

  

  Hacia el Internet de la energía  
  La iniciativa de demostración Virtual FC Power Plant, agrupa a nueve socios europeos y la lleva a cabo el industrial alemán de la calefacción Vaillant Gmbh. Pretende probar la factibilidad de las microcentrales de pilas de combustible. Estas deben poder proporcionar electricidad, calor y aire acondicionado en una red interconectada de inmuebles residenciales, PYMEs y edificios públicos. El proyecto, con un coste de 8,5 millones de euros, está subvencionado por la Unión Europea en unos 3,1 millones de euros.

“En mayo de 2004, teníamos ya 29 microcentrales en servicio en Alemania, los Países Bajos, España y Portugal”, destaca Alexander Dauensteiner, su coordinador. “Han producido globalmente 160 MWh de electricidad y más de 300 MWh de calor”.

Proyecto Virtual FC Power Plant:presentación a la prensa de la microcentral de pilas de combustible de un edificio residencial en Remscheid (Alemania).
Proyecto Virtual FC Power Plant:presentación a la prensa de la microcentral de pilas de combustible de un edificio residencial en Remscheid (Alemania).

Esta experiencia es especialmente interesante ya que representa una prefiguración de un tipo de Internet de la Energía. Estas instalaciones descentralizadas, equipadas con un sistema de gestión común, satisfacen sus propias necesidades, pero también pueden compensar entre ellas los picos más altos de demanda energética, e incluso ofrecer el excedente a las redes públicas.