Hidrógeno como portador de energía. Las pilas de combustible

9

El hidrógeno como combustible, principalmente, tiene dos aplicaciones: las pilas de combustible y los motores de combustión interna alternativos. En ambas aplicaciones este combustible se combina con el oxígeno, generando electricidad en el caso de las pilas de combustible y energía mecánica en el caso de los motores térmicos, emitiendo a la atmósfera en ambos casos únicamente vapor de agua, lo que implica grandes beneficios medioambientales.

Sin embargo, el proceso de fabricación del H2 no está exento de emisiones contaminantes. Este puede realizarse mediante diversas tecnologías, como son la electrolisis del agua, el reformado de hidrocarburos, la gasificación de biomasa y de hidrocarburos y otras tecnologías en fase de investigación. La única tecnología hasta ahora sostenible y respetuosa con el medio ambiente es la de electrolisis del agua a partir de electricidad generada mediante fuentes renovables.

Procesos de obtención del hidrógeno. Clasificación

  • Tipos de células de combustible

Hay distintos tipos de pilas de combustible, pudiendo clasificarse atendiendo a distintos criterios, como son el tipo de combustible y oxidante que utilizan; el lugar donde se lleva a cabo el procesado del combustible, dentro o fuera de la celda; el tipo de electrolito; la temperatura de operación; el sistema de alimentación de los reactivos, etc. Sin embargo, la clasificación comúnmente utilizada es según el tipo de electrolito que utilizan y por el cual son denominadas.

Las pilas de membrana de intercambio protónico (PEMFC) son muy adecuadas para su aplicación en transporte porque son capaces de trabajar a altas densidades de corriente, con una rápida respuesta a demandas de potencia variable, además de tener una alta densidad de potencia y una temperatura de funcionamiento relativamente baja.

  • Funcionamiento de las células de combustible

Una celda o pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de reacción directamente en energía eléctrica y en calor, mientras se suministre combustible y oxidante a sus electrodos, sin más limitaciones que los procesos de degradación o mal funcionamiento de los componentes. Como resultado de la reacción electroquímica se produce agua y electricidad. El agua abandona la pila de combustible a través de los electrodos y la corriente eléctrica pasa a un circuito externo.

En principio, cualquier sustancia susceptible de oxidación química, que pueda suministrarse de forma continua a la pila, puede utilizarse como combustible. Del mismo modo, cualquier sustancia que se reduzca químicamente de forma suficientemente rápida puede servir como oxidante. Hidrógeno y oxígeno gaseosos son el combustible y oxidantes elegidos en la mayoría de las aplicaciones de las pilas de combustible.

Una pila de combustible consta de un ánodo y de un cátodo con un electrolito entre ambos. El electrolito tiene la propiedad peculiar de permitir que los iones puedan atravesarlo, pero no así las moléculas (neutras) o los electrones (con carga negativa).

En el caso de las pilas de membrana de intercambio protónico (PEMFC), que se utilizan en aplicaciones de transporte, se proporcionan moléculas de hidrógeno al ánodo de la pila, donde en presencia de un catalizador, normalmente de platino, esta molécula se separa en dos protones (2H+) y dos electrones (2e-). Los protones pasan libremente a través del electrolito para combinarse con moléculas de oxígeno en el cátodo y los electrones circulan por un circuito exterior desde el ánodo al cátodo, donde se suman a los protones y a las moléculas de oxígeno para formar agua. Esta circulación de electrones por el circuito exterior constituye una corriente eléctrica continua de muy baja tensión, pero que puede aumentarse hasta el voltaje requerido, interconectando en serie varias de estas celdas.

Estas pilas de combustible necesitan un suministro continuo de hidrógeno y oxígeno cuando están funcionando, proviniendo este último del aire atmosférico.

Principio de funcionamiento de una pila de combustible

  • Aplicación al transporte. Opciones de repostado

Uno de los aspectos clave en el desarrollo de los vehículos de pila de combustible es el almacenamiento y transporte del hidrógeno en ellos, existiendo diversas tecnologías con sus ventajas e inconvenientes.

Una de ellas consiste en repostar y almacenar en el vehículo un compuesto que contenga una alta proporción de hidrógeno, como por ejemplo metanol o gas natural, para ser reformado a bordo. El inconveniente que tiene es que el hidrógeno así generado puede contener algunas impurezas que haga necesario una limpieza del gas para poder ser utilizado en las pila PEMFC, ya que este tipo de pila requiere hidrógeno de alta pureza.

Otra opción es el empleo del hidrógeno como gas comprimido a 200 bar, pero en este caso la densidad energética es muy baja y los recipientes a presión son voluminosos y pesados. El almacenamiento a muy alta presión (700 bar) está aún en fase de desarrollo

Prestaciones desde el punto de vista ambiental

Los vehículos de pila de combustible alimentados con hidrógeno no producen más emisiones en el punto de utilización que vapor de agua, lo que supone grandes ventajas medioambientales. Actualmente, la mayor parte del hidrógeno se produce a partir de gas natural mediante un proceso de reformado con vapor de agua que genera CO2. Este proceso es mucho más eficiente que el proceso de electrolisis del agua a partir de electricidad generada con combustibles fósiles. Sin embargo, a largo plazo, se espera y se desea que la producción de hidrógeno se base fundamentalmente en el uso y aprovechamiento de energías renovables.

Motores de combustión interna de hidrógeno

El hidrógeno también puede emplearse como carburante en motores de combustión interna alternativos de encendido provocado (como los de gasolina), y aunque esta alternativa es más ineficiente energéticamente que las pilas de combustible, se trata de una tecnología ya sobradamente probada.

Algunos fabricantes de vehículos piensan que los motores térmicos de hidrógeno ayudarán a dar el salto hacia un futuro, dominado por las pilas de combustible al crearse una demanda de hidrógeno como combustible y, por consiguiente, el desarrollo de una infraestructura de estaciones de suministro.

Economía

Casi todos los fabricantes de vehículos tienen programas de I+D+i en células de combustible, pues en el medio y largo plazo constituyen una de las mejores alternativas a los motores de combustión interna.

La viabilidad económica de estos vehículos está ligada a la reducción de los costes de producción de las pilas de combustible, a la mejora del almacenaje del hidrógeno en los vehículos y al desarrollo de una infraestructura de estaciones de repostaje.

El pensamiento general del sector es que, en el futuro a largo plazo, se impondrán las pilas de combustible sobre los motores térmicos de hidrógeno, básicamente porque los primeros son más eficientes que los segundos.

marcos

View all contributions by marcos