La pila de combustible una central ecológica

Las pilas de combustible generan electricidad combinando hidrógeno y oxígeno. Los únicos subproductos de esta reacción son agua y calor. Es difícil imaginar una fuente de energía más ecológica. ¿Cómo pueden utilizarse las pilas de combustible para ayudar al mundo en su búsqueda de la neutralidad de carbono y qué retos se esperan?

Por Mahesh Vaze y Mikko Kajava

El aumento de la urbanización está incrementando la demanda mundial de energía, una demanda que a menudo se satisface con combustibles fósiles como petróleo, gas y carbón. En los países en desarrollo, por ejemplo, a pesar del uso creciente de fuentes de energía renovables, alrededor del 70 por ciento sigue abasteciéndose de combustibles fósiles no renovables. Las fuentes de estos combustibles son limitadas y su extracción es cada vez más difícil y cara. Y no sólo eso, sino que su uso aumenta los niveles de gases de efecto invernadero (GEI), el agotamiento de la capa de ozono, los daños por lluvia ácida, la contaminación atmosférica y el cambio climático. Además, la propia cadena de suministro de los combustibles fósiles puede tener también efectos adversos, como la contaminación del aire y el agua y otros peligros que pueden derivarse de la extracción, el transporte y el procesamiento de combustibles.

PEMFC/PEFC Pila de combustible de membrana de intercambio de protones o de electrolito polimérico. Aplicaciones: energía estacionaria, calor y electricidad combinadas, transporte

Una forma de generar energía sin emisiones de CO, CO2, SOx, NOx o partículas es con una pila de combustible.

¿Qué es? Una pila de combustible es un reactor de flujo que convierte directamente la energía química de un combustible en energía eléctrica a través de reacciones electroquímicas. Mientras que un motor de combustión sigue un proceso de varios pasos (desde el químico hasta el térmico, pasando por el mecánico y el eléctrico) para convertir la energía química de un combustible en electricidad, la pila de combustible sólo necesita un paso para oxidar su combustible hidrógeno y convertirlo en energía eléctrica. Los productos de esta conversión son electricidad, agua y calor.

Pila de combustible de ácido fosfórico. Aplicaciones: generación de energía estacionaria y cogeneración (principalmente en hospitales debido a la temperatura de salida del agua utilizada para el proceso de esterilización)

El agua y el calor se eliminan para mejorar el funcionamiento de la pila de combustible. El oxígeno puede obtenerse del aire ambiente y, si se utiliza hidrógeno procedente de fuentes sostenibles, no se producen gases de efecto invernadero. No se emiten contaminantes y, por lo tanto, no existe riesgo de incumplimiento de las normativas medioambientales y de salud pública.

Las pilas de combustible se inventaron en 1839 por Sir William Robert Grove, un físico galés, y posteriormente la NASA las utilizó para el suministro de agua potable y electricidad en los vehículos espaciales. Si bien los primeros accidentes con hidrógeno (como el desastre de Hindenburg) dificultaron el desarrollo de la pila de combustible durante algún tiempo, los recientes avances técnicos han dado lugar a una tecnología de pila de combustible fiable, segura y ampliamente aceptada por los sectores público y privado.

Hay muchos tipos de pilas de combustible. Debido a la modularidad inherente de esta tecnología, se le vaticina un brillante futuro en aplicaciones estacionarias, portátiles y de transporte.

Pila de combustible alcalina. Aplicaciones: espacio y ambiente submarino, menos la utilizada en automóviles, agua potable

Aplicaciones estacionarias
Las plantas de pilas de combustible estacionarias proporcionan una energía distribuida limpia, eficiente y fiable. La continua reducción del coste de las pilas de combustible y la mejora de su eficiencia constituyen un binomio favorable para el ahorro y la sostenibilidad, como confirma el aumento de estas plantas en los últimos años.

Actualmente, el parque de pilas de combustible más grande del mundo, construido por FuelCell Energy, Inc. en 2014, cuenta con 59 MW y da soporte a la ciudad de Hwaseong, Corea del Sur. Esta planta funciona con hidrógeno obtenido del suministro de gas natural al sistema local de calefacción urbana.

Otra implementación con éxito de la pila de combustible es un sistema de 300 kW en Fenchurch Street, Londres. El reto aquí era la integración del sistema de pila de combustible en un edificio establecido con espacio limitado. Así, la pila de combustible se integró en la configuración de refrigeración, calefacción y electricidad del edificio.

Pila de combustible de carbonato fundido. Aplicaciones: generación de energía estacionaria, centrales híbridas con turbina de gas y combinadas de calor y electricidad, industrial y militar

Con esta instalación se consigue una reducción de emisiones de 18 mil Kg de contaminantes y 1 mil 800 toneladas de CO2 en comparación con un sistema equivalente de generación de energía basado en combustión convencional.

Las pilas de combustible están ahora ampliamente aceptadas como una fuente de energía alternativa en las regiones rurales donde el suministro energético no es fiable o no existe. Por ejemplo, el Poelano High School de Goedgevonden, Ventersdorp, una región rural de Sudáfrica, ha implantado con éxito la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno para suministrar 2.5 kW para cubrir las necesidades de información, comunicación y tecnología e iluminación del instituto. La solución es fiable, eficiente, segura y silenciosa.

Estas configuraciones de pilas de combustible en miniredes pueden aliviar o expandir las redes nacionales y proporcionar beneficios sociales, políticos y económicos en regiones remotas o con problemas de abastecimiento en todo el mundo.

Pila de combustible de óxido sólido. Aplicaciones: energía estacionaria, potencia auxiliar en vehículos, calor y electricidad combinados

Aplicaciones de transporte
Para combatir la toxicidad del aire y la disminución de las reservas de combustibles fósiles, muchos países están desplegando infraestructuras de abastecimiento de hidrógeno para dar servicio a los vehículos de pila de combustible. Las autoridades municipales también están reaccionando.

Por ejemplo, el Ayuntamiento de Aberdeen ha introducido la mayor flota europea de autobuses de pila de combustible de hidrógeno. El primer año, la flota tuvo más de 1 mil 600 eventos de repostaje. El repostaje sólo tarda entre cinco y siete minutos. La fiabilidad y disponibilidad de la estación de abastecimiento de hidrógeno fueron extremas (99.99 por ciento) y suministró 35 mil kg de hidrógeno.

Los planificadores urbanos están planteándose ahora ampliar la flota, sobre todo porque este exitoso ejercicio les hizo merecedores del premio del Low Carbon Championship de 2016 a la iniciativa de transporte del año. En otras ciudades del mundo se han implantado con éxito autobuses de pilas de combustible similares.

Los operadores marítimos, que representan entre el 3 y el 5 por ciento del CO2 mundial y más del 5 por ciento de las emisiones globales de SOx, también utilizan pilas de combustible y, por lo tanto, han llevado a cabo una serie de proyectos de investigación en este ámbito.

Con un suministro de 59 MW, Hwaseong, Corea, alberga la planta de pilas de combustible más grande

Desafíos
Si bien el hidrógeno se dispersa muy rápidamente en el aire, cayendo por debajo del nivel de inflamabilidad, no tiene mucha “capacidad explosiva” por volumen en comparación con otros combustibles comunes, y su rapidísimo ritmo de combustión hace que la exposición al calor o a las llamas sea extremadamente breve, por lo que se debe tener cuidado al manipularlo. De hecho, actualmente existen varias normas que rigen la instalación de pilas de combustible (en algunas partes del mundo / nota del editor). Sin embargo, el panorama de la pila de combustible plantea retos en otros ámbitos:

  • Producción, almacenamiento y distribución de hidrógeno seguros y eficaces
  • Coste, principalmente debido a catalizadores caros. Actualmente, el coste constituye el principal obstáculo de las pilas de combustible
  • Los stacks de pilas de combustible, construidos para generar más tensión y potencia, deben optimizarse en términos de producción, eficiencia, coste y tamaño. Sin embargo, la degradación del rendimiento a lo largo de la vida útil, un parámetro clave del rendimiento, no se conoce totalmente (se considera que las causas de la degradación son la pérdida cinética, la pérdida óhmica, la pérdida por transporte de masa y la pérdida por reformado). Además, deben explorarse y modelizarse con precisión los efectos de la congelación, la descongelación y las impurezas de los stacks, así como la mitigación de los peligros de inundación o ausencia de agua en los stacks de pilas. La dinámica de fluidos computacional multifísica (MCFD) y las técnicas de modelos de orden reducido (ROM) pueden aprovecharse para modelizar la electroquímica de la pila de combustible, la transferencia de calor y la mecánica de fluidos para establecer curvas de las características operativas y de control e investigar el ajuste fino y la optimización. Estas curvas de características operativas son útiles para diseñar los sistemas de control y protección y la electrónica de potencia necesarios para integrar las pilas de combustible en la red principal.

A pesar de las dificultades que persisten, la tecnología de pila de combustible ha tenido una amplia aceptación entre el público y las empresas. Como central eléctrica ecológica, la pila de combustible no tiene rival. ¿Qué otra fuente de energía puede proporcionar no sólo una fuente de energía eléctrica limpia, sino también calor para el hogar o el lugar de trabajo y agua pura que puede procesarse para su consumo?
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Fuente: Mahesh Vaze / ABB Corporate Research Bangalore, India
Mikko Kajava / ABB Marine & Ports Helsinki, Finlandia
*Artículo tomado de la ABB Review

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