Pilas de combustible. Funcionamiento, tipos y perspectivas.

 

Pilas de combustible. Funcionamiento, tipos

y perspectivas.

 

Toyota Mirai FCEV: El vehículo a hidrógeno de Toyota

Los FCEV (Fuel Cell Electric Vehicles) son, como indica su nombre, vehículos eléctricos. Es decir que lo que impulsa a las ruedas es un motor eléctrico. La diferencia con los BEVs es que la energía eléctrica que utilizan no está almacenada en una batería que fue cargada desde una fuente externa sino que produce su propia electricidad. Utiliza dos componentes: el hidrógeno, almacenado en dos tanques de alta presión, y el oxígeno que obtiene del aire exterior.

 

 

Alstom, tren impulsado por hidrógeno

Alstom, cuenta con los primeros trenes de hidrógeno del mundo, los Coradia iLint, que se utilizan en la operación de pasajeros desde 2022 en Alemania. Este tren solo emite vapor y agua condensada mientras opera con un bajo nivel de ruido.

Los 14 vehículos con propulsión de pilas de combustible pertenecen a Landesnahverkehrsgesellschaft Niedersachsen (LNVG), que ya había comenzado a buscar alternativas a los trenes diésel en 2012 y, por lo tanto, proporcionó impulso para el desarrollo de los trenes en Alemania. En la ruta entre Cuxhaven, Bremerhaven, Bremervörde y Buxtehude, operan 14 trenes regionales Alstom impulsados por hidrógeno.

 

Descripción de la pila de combustible

Una pila de combustible es un dispositivo que genera electricidad a través de una reacción electroquímica, no de combustión. En una pila de combustible, el hidrógeno y el oxígeno se combinan para generar electricidad, calor y agua. Las pilas de combustible se utilizan hoy en día en una gama de aplicaciones, desde proporcionar energía a hogares y negocios, mantener instalaciones críticas como hospitales, tiendas de comestibles y centros de datos en funcionamiento, y mover una variedad de vehículos, incluyendo autos, autobuses, camiones, montacargas, trenes y más.

Los sistemas de pila de combustible son una fuente de energía limpia, eficiente, confiable y tranquila. Las pilas de combustible no necesitan ser recargadas periódicamente como baterías, sino seguir produciendo electricidad mientras se proporcione una fuente de combustible.

 Una pila de combustible se compone de un ánodo, un cátodo y una membrana electrolítica. Una pila de combustible típica funciona pasando hidrógeno a través del ánodo de una pila de combustible y oxígeno a través del cátodo. En el sitio de ánodo, un catalizador divide las moléculas de hidrógeno en electrones y protones. Los protones pasan a través de la membrana  porosa, mientras que los electrones son forzados a través de un circuito, generando una corriente eléctrica y un exceso de calor. En el cátodo, los protones, electrones y oxígeno se combinan para producir moléculas de agua.  Como no hay partes móviles, las pilas de combustible funcionan en silencio y con una fiabilidad extremadamente alta.

 Las pilas de combustible también son escalables. Esto significa que las pilas de combustible individuales se pueden unir entre sí para formar pilas. A su vez, estas pilas se pueden combinar en sistemas más grandes. Los sistemas de pila de combustible varían mucho en tamaño y potencia, desde reemplazos de motores de combustión para vehículos eléctricos hasta instalaciones a gran escala de varios megavatios que proporcionan electricidad directamente a la red de servicios públicos.

 

 Tipos de pilas de combustible

Aunque las operaciones básicas de todas las pilas de combustible son las mismas, se han desarrollado variedades especiales para aprovechar diferentes electrolitos y atender a diferentes necesidades de aplicación. El combustible y las especies cargadas que migran a través del electrolitos pueden ser diferentes, pero el principio es el mismo. Una oxidación ocurre en el ánodo, mientras que una reducción ocurre en el cátodo. Las dos reacciones están conectadas por una especie cargada que migra a través del electrolito y electrones que fluye a través del circuito externo.

 

Pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico

Las células combustibles de la membrana de electrolitos de polímero (PEM), también llamadas células de combustible de membrana de intercambio de protones, utilizan una membrana de polímero que conduce el protón como electrolizado. El hidrógeno se utiliza típicamente como combustible. Estas células operan a temperaturas relativamente bajas y pueden variar rápidamente su producción para satisfacer las demandas de energía cambiante. Las pilas de combustible PEM son las mejores candidatas para alimentar automóviles. También pueden ser utilizados para la producción de energía fija. Sin embargo, debido a su baja temperatura de funcionamiento, no pueden utilizar directamente combustibles de hidrocarburos, como gas natural, gas natural licuado o etanol. Estos combustibles deben convertirse en hidrógeno en un reformador de combustible para poder ser utilizados por una pila de combustible PEM.

 

Pilas de combustible de metanol directo

La pila de combustible de metanol (también conocido como alcohol de madera, alcohol metílico o raramente alcohol de quemar) directo (DMFC) es similar a la célula PEM en el sentido de que utiliza una membrana de polímero que conduce protones como electrolito. Sin embargo, los DMFC usan metanol directamente en el ánodo, lo que elimina la necesidad de un reformador de combustible. Los DMFC son de interés para alimentar dispositivos electrónicos portátiles, como computadoras portátiles y recargadores de baterías. El metanol proporciona una mayor densidad de energía que el hidrógeno, lo que lo convierte en un combustible atractivo para dispositivos portátiles.

 

Pilas de combustible alcalinas

Las pilas de combustible alcalinas utilizan un electrolito alcalino como hidróxido de potasio o una membrana alcalina que conduce iones de hidróxido en lugar de protones. Utilizadas originalmente por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) en misiones espaciales, las pilas de combustible alcalinas están ahora encontrando nuevas aplicaciones, como en potencia portátil.

 

Células de combustible de ácido fosfórico

Las pilas de combustible de ácido fosfórico utilizan un electrolito de ácido fosfórico que conduce protones mantenidos dentro de una matriz porosa, y operan a unos 200ºC. Se utilizan típicamente en módulos de 400 kW o más y se utilizan para la producción de energía estacionaria en hoteles, hospitales, tiendas de comestibles y edificios de oficinas, donde también se puede utilizar calor residual. El ácido fósforico también se puede inmovilizar en las membranas de polímero, y las pilas de combustible que utilizan estas membranas son de interés para una variedad de aplicaciones de energía estacionaria.

 

Células de combustible de carbonato fundido

Las células de combustible de carbonato fundido utilizan una sal de carbonato fundida inmovilizado en una matriz porosa que conduce los iones de carbonato como su electrolito. Ya se están utilizando en una variedad de aplicaciones estacionarias de mediana a gran escala, donde su alta eficiencia produce un ahorro neto de energía. Su operación de alta temperatura (aproximadamente 600ºC) les permite reformar internamente combustibles como el gas natural y el biogás.

 

Pilas de combustible de óxido sólidos

Las pilas de combustible de óxido sólido utilizan una capa delgada de cerámica como electrolito sólido que conduce iones de óxido. Se están desarrollando para su uso en una variedad de aplicaciones de energía fija, así como en dispositivos de alimentación auxiliar para camiones pesados. Operando a 700ºC con electrolitos basados en zirconio, y tan bajo como 500ºC con electrolitos a base de cerio (metal maleable con aplicaciones industriales. Elemento de la familia de las tierras raras. Tiene por símbolo atómico Ce, número atómico 58), estas pilas de combustible pueden reformar internamente el gas natural y el biogás, y pueden combinarse con una turbina de gas para producir eficiencias eléctricas de hasta el 75%.

 

Perspectiva de Bloomberg (BNEF’s) sobre generación y uso del H2

BNEF espera que el suministro de H2 limpio se dispare 30 veces hasta 16,4 millones de toneladas métricas por año para 2030, impulsado por una política de apoyo y una cartera de proyectos en proceso de maduración. Aun así, esto no es suficiente para cumplir con la mayoría de los objetivos gubernamentales. Menos de un tercio de los 1.600 proyectos anunciados hasta la fecha se materializan en el análisis ascendente de BNEF y, a menudo, más tarde de lo previsto.

 

A partir de 0,5 millones de toneladas métricas (Mt) de capacidad en funcionamiento hoy en día, el suministro anual de hidrógeno con bajas emisiones de carbono podría multiplicarse por 30 para 2030. Es probable que solo se construya alrededor del 30% de todo el suministro actualmente anunciado para su puesta en servicio a finales de la década: un total de 477 proyectos. Más de la mitad del suministro en 2030 procederá de la electrólisis, pero el H2 azul desempeña un papel importante (Figura 1). La mayoría de las políticas favorecen la producción de H2 verde, pero la economía, la demanda de Asia y una cartera de proyectos madura también respaldarán grandes volúmenes de H2 azul.

 

 Se espera que Estados Unidos se convierta en el mayor productor de H2 limpio para 2030, representando casi el 37% del suministro mundial. Estados Unidos alberga la cartera de proyectos más madura del mundo, dominada por grandes proyectos azules H2 que probablemente se beneficiarán de créditos fiscales.

China, Europa y Estados Unidos podrían representar más del 80% del suministro de H2 limpio para finales de la década, impulsado por políticas de apoyo y una cartera de proyectos avanzados.

Esto significa que otras regiones con grandes proyectos en cartera pero menos apoyo político, como América Latina y Australia, pueden desempeñar solo un papel menor en el suministro global de H2 limpio hasta 2030. Es probable que los gobiernos no alcancen sus objetivos de demanda agregada en el segundo semestre para 2030 en casi dos tercios debido a plazos más prolongados para la finalización de los proyectos y a un apoyo político insuficiente.

 

 

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                        2024.-