EnergíaSituación actual y expectativas de los generadores electroquímicos M. Montes Ponce de León OCI-CIEMAT 1. Introducción El siglo XX ha estado marcado por un continuo desarrollo tecnológico, propiciando una evolución social que ha cambiado las costumbres en las sociedades desarrolladas. La energía ha sido uno de los elementos que ha permitido tal evolución, pero su uso no ha sido el más adecuado, y ha dejado al final del siglo una serie de retos que, durante los primeros años del siglo XXI, deberán solucionarse: la contaminación atmosférica, el exceso de producción de gases de efecto invernadero, la baja eficiencia en la generación y las grandes cantidades de productos residuales. Se inicia el siglo XXI con una necesidad de cambio estratégico en el mundo de la energía. Las energías renovables pueden ayudar, pero no solucionan de forma integral los problemas. La energía nuclear, aparte de su problemática con la percepción social, tiene también que solucionar el problema de los residuos de alta actividad, y los combustibles fósiles: gas natural, petróleo y carbón, además de sus reservas limitadas, deberán superar su grave problema de eficiencia energética. La tecnología ha hecho, hasta el momento, uso del ciclo natural del carbono con fines energéticos, pero, sin embargo, no ha hecho uso del ciclo del hidrógeno, cuya presencia en el agua le sitúa como uno de los elementos químicos más abundantes en la naturaleza. Las pilas de combustible o generadores electroquímicos son los sistemas más eficientes para aprovechar su alto contenido energético. 2. Necesidad de cambio en la generación energética El crecimiento continuado del consumo energético, como consecuencia del desarrollo tecnológico y del aumento demográfico, conduce no sólo al agotamiento de las reservas de las fuentes energéticas, sino también a un crecimiento paulatino de la producción de CO2, con sus efectos sobre la eliminación de la capa de ozono y sobre el calentamiento global. De acuerdo con el informe que presentó el Programa de la Agencia Internacional de la Energía sobre gases de efecto invernadero, titulado “Evaluación inicial de las pilas de combustible” [1], la fuente primaria de contaminantes del aire es el consumo de combustibles fósiles en el transporte y en la producción de calor y energía. El carbón, el petróleo, el gas natural y todos los derivados de ellos producen unos efectos adversos al ecosistema. Estos, no sólo se producen por los gases y partículas liberados en las chimeneas y tubos de escape, sino también mediante contaminantes secundarios formados por interacciones químicas complejas entre los gases emitidos y los constituyentes atmosféricos en una escala de tiempo relativamente larga. En contraste a otras tecnologías de generación energética para producir electricidad o en transporte, el impacto de los sistemas de las pilas de combustible sobre el medio ambiente es mínimo: a) Son sistemas que emplean procesos catalíticos que requieren un La contribución actual de los combustibles fósiles en la generación de energía primaria a escala mundial supera el 80%. El aumento demográfico y el desarrollo tecnológico pueden suponer para el año 2020 un incremento superior al 20% en el consumo de energía primaria con respecto al presente. En la Cumbre Internacional de Kioto se fijaron unas previsiones de reducción de las emisiones de CO2, que para la Unión Europea suponen un 8% de disminución en el horizonte del 2010 con respecto al producido en 1990. Para el cumplimiento de estos compromisos, será necesario disminuir la demanda de los combustibles fósiles, aumentar la eficiencia y desarrollar nuevas tecnologías. En este contexto, aparecen las pilas de combustible o generadores electroquímicos, que pueden contribuir a satisfacer estos requerimientos. En el presente artículo se resume el funcionamiento y características de los diferentes tipos de generadores electroquímicos y se analizan el estado actual de esta tecnología y las expectativas de sus principales aplicaciones. mayo 00 175 las dimensiones geométricas. La estrategia actual de conseguir vehículos con emisión cero conduce necesariamente al empleo de motores eléctricos. No obstante. por ejemplo. aumenten la eficiencia de los sistemas actuales de generación energética a partir de combustibles fósiles o se cambie la percepción social sobre la energía nuclear. uno de los objetivos tecnológicos actuales en el desarrollo de las pilas de combustible es reducir aun más las emisiones de NOx en los procesos de acondicionamiento de los gases de alimentación. Son precisamente los motores de combustión interna los sistemas de transformación energética de menor eficiencia (17-23%).INGENIERIA QUIMICA combustible limpio para que el reformado o las reacciones anódicas funcionen correctamente. Una tercera parte del consumo energético se debe al sector transporte. Finalmente. la electricidad y el gas. las condiciones termodinámicas de operación y las características de los reactantes van a influir en el proceso. donde se hace un uso intensivo de los combustibles fósiles. A medio plazo. cuando se llegue a un desarrollo económico del hidrógeno. que además separa las dos corrientes de gases. con una contribución que merodea el 80% del consumo de la energía total. Consta de dos electrodos. que deben llevar acanaladuras que permitan conducir el 176 . generan menores cantidades de NOx. El combustible oxidado en el ánodo libera electrones que fluyen por el circuito externo hasta el cátodo. su eficiencia influiría considerablemente en la reducción de las emisiones de CO2. La generación de electricidad centralizada o distribuida y el sector industrial pasan por los sistemas que utilizan los ciclos térmicos con unas eficiencias limitadas. Además. En el sector doméstico. A largo plazo. La combustión electroquímica Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte directamente la energía química en electricidad y calor. El calor generado puede emplearse directamente como un coproducto en el procesador del combustible o para producir residualmente más electricidad. y sus emisiones serán las más benignas que existan [3]. el ánodo y el cátodo. Este azufre puede eliminarse por varias técnicas. la separación entre electrodos y su superficie van a determinar el potencial de celda y la energía producida. las pilas de combustible serán los sistemas de generación energética lógicos. A corto plazo. el electrolito. Las celdas se apilan y se conectan en serie o en paralelo para suministrar la tensión eléctrica y potencias deseados. Según sea el electrolito utilizado. Si se utiliza biomasa es importante la extracción de los mercaptanos. Con hidrógeno. La estructura íntima de los electrodos. b) En lo referente al azufre. lo que ayudaría a reducir el calentamiento global [2]. Esto se consigue con un diseño adecuado de las placas separadoras. 3. se obtiene la ecuación de Nernst. como funcionan a temperaturas menores que los equipos termomecánicos. los reformadores ya requieren su eliminación previa. hidrodesulfuración. la sustitución de las plantas de combustibles fósiles por pilas de combustible puede ayudar a reducir la contaminación ambiental. Los gases alimentados deberán distribuirse adecuadamente en toda la superficie de los electrodos para garantizar al máximo la eficacia de reacción. Todos estos procesos de eliminación conducen a la formación de azufre libre. se sigue produciendo un aumento en el consumo de combustibles fósiles. Las recomendaciones de la Cumbre de Kioto de reducción de la producción de CO2 en los países desarrollados únicamente pueden llegar a ser posibles con desarrollos tecnológicos que: aceleren la introducción de las energías renovables. Con independencia del aumento progresivo de la participación de las energías renovables y de la conflictiva contribución de la energía nuclear. el sector industrial y el de servicios inciden nuevamente en la electricidad y en los combustibles fósiles para satisfacer la demanda creciente que el desarrollo continuo exige. las eficiencias serán más altas que con cualquier sistema en competencia. se consume otra tercera parte de la energía primaria. que rige el potencial en cada una de las pilas individuales: Erev = E0 + RT/2F ln (PH2 x PO2 1/2/ PH2O) Se observa la influencia que las condiciones de operación (presión y temperatura) tienen sobre el potencial y finalmente sobe la energía producida. El circuito se completa con el flujo de iones en el electrolito. así serán los electrodos que se empleen y las condiciones de operación de las celdas. En una celda de combustible se produce la reacción genérica de combustión de hidrógeno y la formación de agua por vía electroquímica (reacción inversa a la electrólisis del agua): H2 + 1/2O2 → H2O + Energía Como resultado del cálculo del potencial eléctrico [4] a partir de la energía transportada en el movimiento de cargas de los iones en el electrolito. fundamentalmente de los hidrocarburos derivados del petróleo. pasando de los 20 ppm a 1-5 ppm. cuya eficiencia es incomparablemente más alta y cuyas pérdidas pueden encontrarse en los procesos previos de generación eléctrica o en su almacenamiento. En las pilas de combustible se combina el oxígeno del aire con el hidrógeno para generar la corriente eléctrica continua. bien con la implantación cada vez mayor del gas natural o a base de gases derivados del petróleo o con la electrificación de los hogares. combustible y oxidante. Con independencia de las características particulares de cada caso. Los tipos de pilas de combustible se caracterizan por su electrolito. con una tendencia en los próximos años a seguir aumentando. separados por un electrolito en forma de sandwich. Finalmente. esta alimentación de gases tiene que distribuirse adecuadamente entre todas las celdas. Procesamiento de combustibles líquidos Los combustibles líquidos. pero algunos diseños de pilas de combustible llevan un reformador interno. debe extraerse con sistemas complementarios a la salida de gases. en un reactor de reformado con vapor de agua. extracción del calor. por lo que supone de influencia en la distribución de gases y en la separación de compartimentos. el proceso generalmente se realiza a presiones de 20-40 atm. la reacción de oxidación parcial del pentano sería: C5H12 + 5/2 O2 ↔ 5CO + 6H2 La reacción general es exotérmica y fuertemente independiente de la presión. formada por las pilas de combustible y los dispositivos de alimentación. gasóleo y otros combustibles pesados. adyacentes a las placas de las celdas de combustible y en buen contacto con su ánodo. Adicionalmente. garantizando la continuidad de celda a celda y el adecuado aislamiento entre ambas conexiones electródicas. Procesamiento del gas natural Por regla general. Al mismo tiempo. y por otro lado. que debe ser eliminado antes de alimentarse a de las pilas de combustible por ser un veneno para la mayoría de los catalizadores químicos. En los tres casos se utiliza vapor y aire u oxígeno para la oxidación parcial del carbón y obtener el gas producto. por lo que las celdas deben llevar incorporado un sistema de refrigeración. dependiendo del tipo de pila de combustible. pueden reformarse por oxidación parcial. A continuación.Energía gas desde el exterior a todos los puntos de la superficie de los electrodos. el catalizador se encuentra en placas reformadoras separadas. por lo que se requiere un sistema de distribución de gases entre celdas. El electrolito deberá mojar de forma uniforme los electrodos y tener las condiciones mínimas necesarias para garantizar la mejor conductividad iónica y una fluidez adecuada para permitir a los gases reactantes y productos difundirse con facilidad hacia la superficie de los electrodos y desde ella hacia el exterior. recirculación. es necesario un sistema de acondicionamiento eléctrico para la conversión de la corriente continua producida en la corriente alterna necesaria para su acoplamiento a la red. las fugas al exterior. con temperaturas de llama de 1. pero pueden clasificarse en tres tipos básicos: de lecho móvil. se acopla la sección de generación eléctrica. pueden ir sistemas de cogeneración. que normalmente se instala cada cierto número de ellas. el catalizador está incluido en la cámara anódica. La temperatura de reformado está entre 760-980°C.300 a 1. que puede ir dentro del recinto que contenga el conjunto de celdas o fuera de él. mayo 00 177 . el gas natural liberado del azufre se convierte en hidrógeno y CO. Posteriormente. Procesamiento de carbón Hoy en día hay disponibles numerosos sistemas de gasificación del carbón[18]. El reformado interno aumenta la eficacia en comparación con el externo. el gas natural contiene azufre. como destilados. Generalmente se tiene que realizar una hidrodesulfuración mediante óxido de cinc a temperaturas de 350-400°C. Los combustibles fósiles en la generación de hidrógeno El procesador de combustible depende del combustible utilizado y del tipo de tecnología de pila de combustible que se emplee. En el primero de los casos. Hay que resaltar el papel importante que tienen las placas separadoras. Un sistema de generación basado en pilas de combustible consta ge- néricamente de un procesador de combustible que permite obtener el hidrógeno necesario como combustible principal (este procesador sería innecesario en el caso de las pilas de combustible de hidrógeno o de metanol directo). El tipo de tecnología determina los constituyentes que son deseables y aceptables en el combustible procesado. 4. Complementariamente integrado al sistema de extracción de calor o a la salida de los gases de reacción. llamado reformador.500°C. de la corriente eléctrica y de los productos de reacción. A título de ejemplo. la salida de gases debe permitir un flujo perfectamente distribuido desde todas las celdas hacia el exterior y por separado entre ambos compartimentos electródicos. El acondicionador de energía es un término genérico que incluye el sistema general de acondicionamiento eléctrico y el inversor de corriente para transformar la corriente continua en alterna. siendo la reacción genérica la siguiente: CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 CO + H2O ↔ CO2 + H2 Esta reacción es fuertemente endotérmica y necesita grandes aportaciones de calor. tiene que facilitarse la conexión eléctrica de los electrodos. directo o indirecto. de lecho fluidizado y de lecho fijo. El calor generado en la reacción electroquímica. de forma equivalente para garantizar una distribución homogénea de la reacción electroquímica. Normalmente se emplea un reformador externo. empleando reactores no catalíticos alimentados con oxígeno en presencia de vapor de agua. mientras que en el segundo. Lo mismo que en la entrada de gases. nafta. al mismo tiempo que tiene que garantizarse el adecuado cierre para evitar la comunicación de ambas corrientes. así como el liberado por efecto Joule por el movimiento de los iones en el electrolito. Con el fin de reducir el tamaño de los equipos. que generalmente se suministra por la combustión de los gases productos de las pilas de combustible. En el caso del lecho fluidizado. que contiene productos de la desvolatilización del carbón como metano y otros hidrocarburos ligeros.6 Grafito <100 2 <130 3 20 2. ya que la reacción fundamental de gasificación es: 2C + 1/2O2 + H2O ↔ H2 + 2CO Pudiéndose dar también la reacción: 2C + O2 + 2H2O ↔ 2H2 + 2CO2 En ausencia de oxígeno. la composición del gas producido depende de la cantidad de oxidante y vapor que se alimente. por lo tanto.000/5.000 25 .000 20. la gasificación es exotérmica.INGENIERIA QUIMICA Tabla I.2 mg/cm2) como catalizador disperso impregnado de materiales de la membrana solubilizados Carbón poroso con platino Gas rico en hidrógeno con poco CO Polímeros Agua/metanol Aire/oxígeno Anodo Níquel de doble porosidad en dos capas Catalizador con alta carga de platino (4 mg/cm2) Cátodo Estructura de óxido de níquel litiada porosa Platino negro Placa bipolar Temperatura (°C) Presión (bares) Densidad de energía (kW/kg) Densidad de potencia (kW/m2) Densidad de corriente (mA/cm2) Horas de operación alcanzadas Eficiencia (%) Aplicaciones Usos militares de corta duración y proyectos espaciales H2 + 2OH+ ↔ 2H2O + 2e1/2O2 + H2O + 2e. con un contenido en agua del 28% Metanol directo Electrolito Hidróxido potásico 6-12N Metanol líquido o gaseoso Matriz del electrolito Combustible Oxidante Matriz porosa de asbestos Hidrógeno muy puro Oxígeno de alto grado de pureza (CO2<50 ppm) Carbón poroso con platino (0.↔ H2O CH3OH + H2O ↔ CO2 + 6H+ + 6e3/2O2 + 6H+ + 6e.↔ 3H2O Los gasificadores de lecho móvil producen un gas a baja temperatura (425-650°C). la temperatura del gas es intermedia (925- 1.1.040°C).000 50 Transporte 6 100/800 1.↔ 2OH420 . lo que permite utilizar el calor residual en calderas.08 .000 3. La temperatura y. En general.000 Transporte Reacción anódica Reacción catódica H2 ↔ 2H+ 2e2H+ + 1/2O2 + 2e. Los gasificadores de lecho fijo producen un gas a alta temperatura (>1260ºC) exento de estos gases de desvolatilización. El calor necesario para la gasificación se suministra esencialmente por la oxidación parcial del carbón. puede llegar a dar la reacción: 4C + 3H2O ↔ H2 + 3CO + CH4 178 .120 2 0. Características de los diferentes tipos de pilas de combustible a temperatura baja Características Alcalinas Membrana de polímero sólido Acido sulfónico fluorado Incorporado en una membrana polimérica conductora de protones. 3 170 .↔ 2H2O + 4eO2 + 4e. el volumen de tuberías.8 mm de espesor Acero inoxidable de 0.000 3.50 Cogeneración en unidades de 200 kWe Comercialización H2 ↔ 2H+ + 2e2H+ 1/2O2 + 2e.000 2-3 40 . Por ello. Características de los diferentes tipos de pilas de combustible de temperatura alta Características Acido fosfórico Carbonatos fundidos Mezcla de carbonatos de litio.8 .2 300 40.000h) Eficacia energética (%) Aplicaciones Cogeneración y producción centralizada de electricidad (>1mW) Situación tecnológica Reacción anódica Reacción catódica Plantas de demostración H2 + CO32.8 .4-0.300 20.1 .↔ H2O + CO2 + 2e1/2O2 + CO2 + 2e.↔ 2O2- mayo 00 179 .4-0.1.1.55 Requisitos especiales Sistema de reposición de electrolito 0.6 mm 650 Hidrógeno con CO y CO2 Oxidos sólidos Electrolito Acido fosfórico Oxido de circonio estabilizado con ytria Matriz del electrolito Carburo de silicio teflonado Combustible Eliminación del azufre de los gases de alimentación Oxidante Aire seco Aire Anodo Carbón poroso dopado con platino (5kg/MWe) Material compuesto poroso (cerámico-metálico) de óxido de níquel y circonio estabilizado con ytra Manganito de lantano dopado con estroncio Cromito de lantano dopado 850 .9.5 50 . potasio.↔ CO32- Plantas piloto 2H2 + 2O2.0 mm Oxido de níquel litiado de 0. sodio y metales alcalinotérreos Polvo cerámico en forma de baldosas o matriz de aluminato de litio Se vienen a utilizar relaciones 4/1 de moles de H2/CO2 Se requiere una composición superior a 2 moles de CO2 por cada mol de O2 Polvo de níquel sinterizado con pequeñas cantidades de cromo o aluminio en espesores de 0.8 .Energía 5. dispone de varios subsistemas dependientes del tipo de pila.400 40.1.000 Cátodo Carbón poroso dopado con platino (5kg/MWe) Grafito 190 8 Placa bipolar Temperatura (°C) Presión (bares) Variable de diseño Necesidad de recirculación del gas anódico para reponer carbonatos 0.000 7 50 (hasta 60 en ciclos combinados) Densidad de potencia (kW/m2) Densidad de corriente (mA/cm2) Horas de operación alcanzadas Velocidad de degradación (mV/1. pero que en general sus funciones son: a) Presurizador Para reducir el área de celda. aislamiento y pérdidas de calor frente al coste Tabla II.↔ H2O Adecuados contactos sólido-sólido 16 350 . Los generadores electroquímicos Este sistema lo constituyen las pi- las de combustible y todo su proceso. En las Tablas I y II se presentan las características de los diferentes tipos de generadores electroquímicos según la temperatura de operación. siempre se requiere una presión por encima de la atmosférica.1. el comportamiento general mejora debido a la transferencia de masa y a la reducción de pérdidas óhmicas. debido a la gran dificultad existente para encontrar unos sistemas que garantizasen el proceso con una cierta viabilidad técnica y económica. El parámetro determinante para su utilización es la temperatura y el otro factor determinante es el combustible empleado. una mejora sensible de la eficiencia del conjunto. etc. depuración y acondicionamiento del combustible. que va a depender del sistema electroquímico propio de las pilas de combustible que se emplee. que para este fin se recomienda que se empleen diseños de alta temperatura como son las pilas de carbonatos fundidos y las de óxi- Aunque el voltaje de circuito abierto disminuye con la temperatura. Aplicaciones ––––––––––––––––––––––––––––––– Figura 1. la dificultad tecnológica que se presenta para llegar a ella. c) Recirculación de combustible y oxidante Dado que el grado de utilización del combustible y del oxidante que se desea es el máximo posible a fin de aumentar la eficiencia del proceso. por supuesto. por otro lado. Plantas para generación centralizada de electricidad Estos generadores electroquímicos están constituidos por una primera sección de producción. su puesta en práctica no ha llegado hasta la década de los 60. los sistemas de mantenimiento de electrolitos en ácido fosfórico y carbonatos fundidos. 5. pero. b) Temperatura combustible no son máquinas térmicas. Teniendo en cuenta que el combustible básico es el hidrógeno. que será más adecuada en sistemas grandes que en sistemas pequeños. La segunda sección es la correspondiente al proceso electroquímico. según el cual obliga a diferentes materiales para los electrodos y. 180 . En general.INGENIERIA QUIMICA Las diferencias esenciales entre los distintos tipos se deben al electrolito empleado. la presión acompleja el proceso y no introduce mayores beneficios al sistema de generación. diferentes condiciones de operación. La temperatura es un factor completamente ligado a cada uno de los tipos de pilas de combustible. con independencia del aprovechamiento para el calentamiento del propio proceso. Como fruto de este desarrollo se han promovido varios tipos de pilas de combustible. que en el momento presente pueden ofrecer distintas opciones comerciales.2. Al ser sistemas en desarrollo. lo que finalmente se traduce en diferentes posibilidades de utilización[4]. su agotamiento puede llegar a ser perjudicial para las condiciones de proceso. debe ser extraído y. el calor producido. quedando limitado su rango a pequeñas variaciones. con su aprovechamiento. Esquema general simplificado de una planta de generación eléctrica con pilas de combustible añadido del compresor y su equipamiento relacionado. como la humidificación/ deshumidificación necesaria en las pilas de membranas. no obstante. Para hacer un análisis de las distintas aplicaciones se va a utilizar el parámetro diferenciador de la temperatura. su grado de avance determina el interés de esa aplicación y.2. por lo que se requiere un equilibrio que obliga en la mayoría de los casos a la recirculación de los gases de ambos electrodos y su mezcla con la corriente de gases nuevos. e) Otros sistemas Los distintos diseños conceptuales de las pilas de combustible determinan su aplicación potencial. Tipos de pilas de combustible ––––––––––––––––––––––––––––––– Aunque la reacción electroquímica de oxidación del hidrógeno para la producción de electricidad es conocida desde que en 1839 Grove consiguió demostrar el proceso. siempre hay un excedente de calor que puede permitir. d) Recuperación del calor Aunque en general las pilas de Dependiendo del tipo de célula de combustible que se emplee. que en algunos casos es grande. 5.1. el futuro de las pilas de combustible va a estar directamente relacionado con las distintas fuentes y tecnologías de producción de este gas. sobre todo en sistemas pequeños. 5. pero pasando por una transición de adaptación a las fuentes energéticas en uso. pueden existir otros sistemas complementarios necesarios. Esquema simplificado de un sistema de pilas de combustible con alimentación de metanol o de hidrógeno directamente para transporte mayo 00 181 . La optimización del proceso electroquímico recomienda una utilización parcial del combustible con el fin de aumentar el rendimiento del sistema. y los usuarios más frecuentes son las compañías de gas y sus clientes más imporEn ambos casos. a la que perte- Figura 3. la Asociación para la Nueva Generación de Vehículos. puede alimentarse a una turbina de gas o a cualquier sistema de combustión.Energía dos sólidos. en el caso de las plantas distribuidas para cogeneración de electricidad y agua caliente y o vapor. 5. Sistemas de baja potencia para uso doméstico o transporte En el párrafo anterior se mencionaba la introducción de unidades de pilas de membrana polimérica en usos de cogeneración. en subestaciones como unidades dispersas o distribuidas y en aquellos casos en los que se disponga de gases residuales a bajo precio. en el segundo. empleando hidrocarburos reformados y. aunque la eficiencia es baja. la energía térmica directamente. se han identificado ciertos valores importantes para facilitar su entrada en el mercado. como es el caso de instalaciones con alto contenido electrónico. Sistemas de cogeneración de tamaño intermedio En este tamaño. El calor liberado se emplea para agua caliente sanitaria. su utilidad es importante cuando se trata de suministrar corriente continua. sobre todo. formadas por los tres ciclos. Esquema general simplificado de una planta de cogeneración con pilas de combustible tantes. pero dado el avance que se está consiguiendo como consecuencia de la modularidad de esta tecnología. en el primer caso.2. calor ambiental. vapor de baja presión y posiblemente para refrigeración por absorción. por su mayor eficiencia. para generación del vapor. el electroquímico. El calor liberado en el sistema que acompaña a los gases producidos en ambos compartimentos y el extraído a través del sistema de refrigeración puede emplearse para producir vapor que se alimentaría a una turbina de vapor. y.2. son muy atractivas para el uso en unidades móviles en tamaños entre los 5200 kW en transporte terrestre (Fig. En el presente se emplean motores diesel y turbinas de combustión por encima de 1 MWe. Así como la demostración de plantas de generación eléctrica centralizada se ha retrasado hasta el momento. aprovechando. 3). Con ambas turbinas se generaría electricidad complementaria que servirá para aumentar la eficiencia global del sistema [6] (Fig. 2). unido a los productos de reacción anódicos. se va a producir una liberación de gases con un alto contenido calorífico basándose en hidrógeno y monóxido de carbono. llegando a 20 MW. debido a su alta eficiencia que llega a un 80%con respecto al poder calorífico superior. Figura 2. bien en la cogeneración o bien en generación distribuida. las pilas de ácido fosfórico presentan fuertes ventajas. gas natural. hay un amplio plan de instalaciones de demostración que cubren las tres tecnologías de ácido fosfórico. 5. presentarían una opción competitiva tecnológicamente con las tecnologías avanzadas y mejoraría bastante el aspecto medioambiental. lo que redundaría en una disminución de emisiones de CO2. por eliminarse el inversor de corriente y con ello reducir el coste de la instalación.3. El rango de capacidad de estas plantas se encuentra entre los 200 kW y 1 MW . el de gas y el de vapor. La tercera sección de las plantas corresponde a los ciclos complementarios.2. Incluso las pilas de carbonatos fundidos podían ser de interés en estos niveles. 1). Este gas combustible. como son su aplicación en áreas medio ambientalmente restringidas. Como consecuencia de ello. carbonatos fundidos y óxidos sólidos [7] (Fig. Estas plantas. También se están haciendo pruebas de utilización de las pilas de membrana polimérica para uso estacionario. En cualquiera de los casos. En Estados Unidos. además de la electricidad.INGENIERIA QUIMICA necen las principales empresas como Chrysler. el agua caliente sanitaria [10].000 horas [13]. dando paso cada vez más al vehículo totalmente eléctrico. Pero este aumento de producción es excesivamente prematuro. tienen menor nivel de ruidos y vibraciones y producen emisiones extremadamente bajas o casi nulas cuando se llegue a utilizar directamente el hidrógeno. se encuentra la evolución de los combustibles. bien se obtenga utilizando los combustibles fósiles o a partir del agua. Además. presentan un alto grado de flexibilidad de combustibles. y finalmente del hidrógeno. la descentralización y la reducción del impacto ambiental. que podrán llegar a movilizar numerosas industrias de distintos sectores y. Por el contrario.3. o del propio gas natural. En paralelo a la electrificación de los vehículos. gas natural y combustible a base de hidrocarburos más altos. Por eso. El hidrógeno como sistema de almacenamiento energético El hidrógeno es uno de los elementos químicos más abundantes en la naturaleza por formar parte del agua y encontrarse en la totalidad de las moléculas orgánicas. dado que en la actualidad la mayoría de las tecnologías están en fases de desarrollo. Por el contrario. lo que la hace más rápida y de costes reducidos. Por otro lado. Ford y General Motors han identificado las pilas de combustible como uno de los tres sistemas de propulsión primarios que son capaces de triplicar la eficiencia de los sistemas actualmente en uso [8]. Situación tecnológica ––––––––––––––––––––––––––––––– da de diseño que se pretende lleva a sustituciones cada cuatro o cinco años. ya que pueden operar con hidrógeno. la liberalización del mercado. ya que cada vez es más cuestionada la influencia de la contaminación atmosférica producida por los motores de combustión interna y su fuerte influencia en los gases de invernadero como consecuencia de los bajos rendimientos de estos motores (<23%). empezando por situaciones híbridas con una combinación de batería y motor de combustión interna. facilitando. 6. la seguridad de suministro. pero su situación tecnológica en el presente las coloca en una posición de riesgo técnico y financiero frente a su comercialización [12]. sustituyendo el motor de combustión interna por el eléctrico alimentado por generadores electroquímicos. En estos momentos. La producción del hidrógeno siempre requiere un consumo energético. que pueden llegar a ofrecer mayor autonomía y mejores prestaciones dinámicas que las baterías. Para que se llegue a una situación comercial óptima se necesita reducir los costes de fabricación a base de aumentar las unidades fabricadas. Este uso es muy próximo al doméstico. y conseguir unos ciclos de vida no inferiores a las 40. para poder disponer de la energía necesaria para poder mantener en movimiento todos los sistemas La demanda creciente de electricidad. considerando que los vehículos con pilas de combustible irán apoyados por baterías. facilita la producción automatizada. será una evolución importante en el sector del transporte. 5. el empleo del metanol. como pueden ser los cambios de escala a potencias mayores por interconexión de módulos. el hidrógeno molecular tiene un alto contenido energético fácilmente liberable. merced a la energía fotónica o térmica del sol. Observando la naturaleza. España ha realizado su esfuerzo mayor mediante la Agrupación de Interés Económico “Programa Español de Pilas de Combustible” (PEP) [15]. como consecuencia de la complejidad de estas tecnologías. entre otros. los seres vivos sintetizan en sus moléculas. Por otro lado y en paralelo. se ofrecen varias oportunidades de negocio en el proceso de fabricación de los diferentes componentes de estas instalaciones. Estados Unidos y Japón tienen una considerable ventaja sobre Europa que en 1995 le llevó a plantearse una estrategia a diez años [14]. lo que supone una oportunidad complementaria para la amortización de las instalaciones de fabricación. aprendiendo de ella. teniendo en cuenta que la vi- 182 . pueden introducirse las pilas de combustible. la tecnología tendrá que reproducir los procesos naturales . permitiéndoles adaptarse aun mejor a la demanda. puesto que la mayoría de los diseños conceptuales tienden hacia unidades modulares de montaje en fábrica. y las pilas de combustible pueden llegar a ocupar una posición significativa en pocos años [9]. El nece- sario paso a combustibles menos contaminantes y a motores de mayor eficiencia abre las puertas a la introducción en el mercado de otros combustibles y de otros sistemas de generación más eficientes. llegándose sólo en un caso a la fase de demostración. etanol. metanol. el carbono y el hidrógeno. su penetración en el mercado puede hacerse al amparo de los vehículos eléctricos. frente al 23% de los vehículos convencionales de hoy. El carácter modular de los sistemas de pilas de combustible completamente independiente unos de otros incorpora ventajas adicionales. por lo que se puede considerar al hidrógeno como un buen almacén de energía. ya que el hidrógeno no es un combustible natural. La utilización de las tecnologías de membrana polimérica o de metanol directo va a depender de la infraestructura que se disponga para entrar a sustituir al sistema actual de motores de combustión interna. Las pilas de combustible tienen varias ventajas que las hacen atractivas para la propulsión de vehículos: Su eficiencia puede llegar hasta el 50-55%. podrían dar origen a numerosos puestos de trabajo. Las pilas de combustible pueden ser una opción adecuada para entrar a competir con otras alternativas. son oportunidades para el desarrollo de nuevas tecnologías de generación eléctrica [11]. Con el tiempo. y habrá una evolución que podrá ir en dos líneas diferenciadas: por un lado. A Handbook (Revision 3)” DOE/METC-94/1006. Los fabricantes de automóviles han visto en las pilas de baja temperatura con membranas poliméricas alimentadas con hidrógeno. y col. J. J. con el almacenamiento en forma de hidrógeno y el posterior uso de combustores. Una aproximación con los conocimientos actuales puede ser la generación del hidrógeno por electrólisis utilizando durante el día grandes campos fotovoltáicos para generar la electricidad necesaria para ello. 97-104. las de carbonatos fundidos. [2] Walsh. 1-6 (1996). con la correspondiente reducción del consumo de combustible. D. development and demonstration strategy for Europe” European Commision (1995). [14] “A ten year fuel cell research. B. [15] Albadalejo. Almacenar durante el día el hidrógeno producido y consumir nocturnamente el hidrógeno por combustión o mediante los generadores electroquímicos. 15-20 (1996). sistemas más económicos y duraderos y la captación de usuarios específicos que permitan aumentar la producción de unidades y con ello reducir los costes de fabricación. [12] Bos. y otros “Hydrogen and fuel cellsthe clean energy system” Journal of Power Sources 37. 21-31 (1996). su almacenamiento puede ser sencillo. Conclusiones El consumo creciente de energía y en particular de electricidad.A Japanesse view” Journal of Power Sources 37.H. y Gegúndez. “Assessment of strategic approaches to the commercilization of fuel cells” Journal of Power Sources 61. La generación dispersa mediante sistemas de cogeneración y autogeneración es una de las primeras vías en las que las pilas de combustible están haciendo sus más intensos esfuerzos para llegar a situarse en el mercado. “Advanced power generation from fuel cells. 7-13 (1996). enero (1994). “Fuel cell co-generation: the future of co-generation” Journal of Power Sources 61.Implications for coal” IEACR/59. al igual que su transporte. 279-292 (1992). T. [13] Nurdin. En la actualidad. “The market for utlilityscale fuel cell plants” Journal of Power Sources 61. “Fuel cells for transport: can the promise be fullfilled? Technical requirements and demands from customers” Journal of Power Sources 61. mayo 00 183 . [3] Rohland. julio (1993). 8. diciembre (1995). “The importance of fuel cells to adress the global warming problem” Journal of Power Sources. pero que ante su cualidad modular. 53-59. con eficiencias energéticas que pueden llegar a triplicar la eficiencia de los motores actuales.P. 29. desarrollo. [9] Klaiber. han entrado en una línea de competir con otras tecnologías a base de aumentar el número de unidades fabricadas al mismo tiempo que se depura la tecnología buscando sistemas cada vez más baratos y duraderos. “Fuel cell. la preocupación mayor por el medio ambiente y la limitación de existencias de combustibles fósiles. S. En ambos casos. en forma molecular es un gas ligero y puede servir como almacén energético. iniciando su fase comercial de demostración. M. G. T. y col. [4] Hirshenhofer. B. marzo (1997). 7-13 (1996). o de momento con metanol. recomiendan una evolución hacia las fuentes energéticas renovables. [6] Watanabe. [7] Van der Does. el interés de las pilas de combustible ha llevado a los países tecnológicos a potenciar planes de investigación. “The changing nature of the power generation market. aunque aún se necesita profundizar más en la tecnología del hidrógeno. constituyente molecular del agua. en unos momentos en los que los precios de éstos tienden a subir progresivamente. [11] Cragg. Ya en fase comercial. El aprovechamiento de las energías renovables es limitado como consecuencia de su variabilidad. produciéndose por electrólisis del agua mediante los excedentes energéticos diurnos y posteriormente puede liberar la energía almacenada por cualquier sistema de combustión o en las pilas de combustible. [10] Satomi. Dadas las propiedades físico-químicas del hidrógeno. 49-51 (1996). es un subproducto de la industria electroquímica. [5] Scott. Desde la estrategia energética actual al futuro de las energías renovables. conducentes a encontrar materiales más idóneos. Y. Bibliografía [1] “Initial assessment of fuel cell” Report number PH2/1. T. empleando soluciones intermedias con una incorporación paulatina de las nuevas tecnologías y estrategias de generación energética diferentes. IEA Greenhouse Gas R&D. aumentando la potencia de generación de algunas de las plantas actuales. y col. Por consiguiente. demostración y comercialización intensos para los próximos años. es decir. y se necesitan sistemas de almacenamiento que garanticen la continuidad del servicio. 13-28 (1990). 271-277 (1992). turbinas o pilas de combustible. las pilas de ácido fosfórico e.H. 7. C. (1996). M. T. dará como único producto residual agua.Energía electrónicos o mecánicos. Programme. “The new generation of vehicles: market opportunities for fuel cells” Journal of Power Sources 61. [8] Chalk. como sistemas complementarios. “Situación actual de las pilas de combustible” INGENIERIA QUIMICA. que sería un sistema de almacenamiento completamente renovable. J. que cada vez se usan más. “Commercializing fuel cells: managing risks” Journal of Power Sources 61. El hidrógeno es un elemento abundante en la naturaleza.does it create opportunities for fuel cells?” Journal of Power Sources 61. Es quizás en la generación centralizada donde existen menos expectativas a corto plazo. hay una evolución que sin duda pasa por la continuación en el uso cada vez menor de las fuentes energéticas fósiles o la energía nuclear. las pilas de combustible se introducirán paulatinamente. “Fuel cells and the city of the future. una opción alternativa al motor de combustión interna.