Pila de hidrógeno y micro-red: dos proyectos de innovación.
-¿Y qué se quemará en vez de carbón?
-¡Agua! -respondió Ciro Smith.
Agua descompuesta sin duda por la electricidad y que llegará a ser entonces una fuerza poderosa y manejable.
Sí, amigos míos, creo que el agua se usará un día como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizados aislada y simultáneamente, producirán una fuente de calor y de luz inagotable y de una intensidad mucho mayor que la de la hulla. El agua es el carbón del porvenir.
Julio Verne (La isla misteriosa, 1875)
Es casi obligado comenzar cualquier artículo que trate sobre el uso del hidrógeno como combustible citando este ejemplo de la extraordinaria visión de futuro y conocimiento de la tecnología de su tiempo del escritor francés.
Como puede verse, la idea del uso del hidrógeno como combustible viene de lejos, aunque por diversas causas no termina de despegar (paradójicamente, la pila de hidrógeno tuvo un papel fundamental en las misiones del programa Apolo con el que se llegó a la luna).
Las pilas de hidrógeno presentan una serie de ventajas frente al uso de otras tecnologías:
• Se utiliza un combustible limpio ya que el único producto de su combustión es agua.
• Al no ser una máquina térmica no tiene las limitaciones termodinámicas de éstas debidas al ciclo de Carnot. Para un motor térmico, que trabaja siguiendo un ciclo de Carnot entre dos temperaturas dadas T2 y T1, expresadas en grados Kelvin, la máxima eficiencia posible viene dada por:
ηteor =
Las turbinas de vapor de los generadores accionadas por gas caliente que hay en las plantas de energía pueden alcanzar un rendimiento máximo en torno al 51% (el rendimiento real es del 40 % aproximadamente). Los motores de los coches actuales tienen eficiencias de un 20 %, siendo su límite de Carnot de un 37 %.
• Se elimina la dependencia energética de combustibles fósiles (petróleo y gas natural). El hidrógeno es el elemento más abundante, aunque no se encuentra libre en la naturaleza sino combinado con otros elementos.
• Es un vector energético, es decir se puede producir en un lugar, transportarlo y ser utilizado en otro sitio. Permite transportar la energía de un lugar a otro.
• Es un ciclo cerrado: el hidrógeno se puede producir a partir del agua y después de su combustión el único residuo vuelve a ser agua.
Pero también tienen tiene desventajas, que suponen que por el momento no compita en igualdad con los combustibles fósiles:
• Al ser una molécula con tan baja masa, la energía por unidad de volumen es muy pequeña. Es necesario utilizar grandes compresiones. Se utilizan presiones de 200 bar en usos residenciales y de 350 hasta 700 bar para transporte. Los tanques de almacenamiento tiene grandes espesores de pared para aguantar esas presiones.
• El proceso de producción de hidrógeno por electrolisis requiere de una gran cantidad de energía.
• El catalizador que se utiliza en las pilas de combustible es platino y hace que se encarezca mucho su precio.
• El hidrógeno que se utiliza en las pilas debe ser de una gran pureza, >99,9999%, para evitar el envenenamiento del platino que actúa como catalizador.
¿Cómo es una pila de combustible?
Las pilas de combustible pueden ser de distintos tipos aunque las más habituales son las pilas de membrana de electrolito polimérico (PEM).
En la pila tipo PEM la celda elemental se denomina MEA, que es una acrónimo de su descripción en inglés (membrane electrode assembly). Se compone básicamente de una membrana electrolítica, dos electrodos (ánodo y cátodo), catalizadores y capas de difusión de gases. Estas celdas se cierran mediante dos placas bipolares por donde se introducen los gases.
Su funcionamiento comienza cuando se suministra hidrógeno al ánodo y oxígeno (proveniente del aire) al cátodo. Ambos gases penetran por los canales de las placas bipolares de sus respectivos electrodos, y se distribuyen a lo largo de toda su superficie a través de las capas de difusión de gas.
Una vez que los gases reactivos han atravesado la capa de difusión, se encuentran con el catalizador, que en el caso de las pilas PEM esta formado por aleaciones metálicas basadas en el platino. Esta capa de catalizador esta situada entre la capa de difusión de gases y el electrolito, y en el caso del ánodo tiene como misión disociar la molécula de hidrógeno en protones y electrones.
Cuando se ha disociado la molécula de H2, los protones atraviesan la membrana polimérica hasta llegar al cátodo, mientras que los electrones recorren un circuito eléctrico externo hasta llegar a la carga que se desea alimentar.
El catalizador situado entre la membrana polimérica y el cátodo se encarga de combinar los iones provenientes del electrolito con el oxigeno del aire y los electrones del circuito exterior para dar agua como resultado.
Las reacciones que tienen lugar son las siguientes:
Reacción en el ánodo: H2 → 2H+ + 2e-
Reacción en el cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2e-→ H2O
Reacción global de la pila: H2 + ½ O2 → H2O
Los proyectos sobre tecnologías del hidrógeno en nuestro centro.
El IEFPS USURBIL ha desarrollado dos proyectos de innovación en relación con las tecnologías del hidrógeno.
El primer proyecto “El hidrógeno: vector energético” se encuadra dentro de la convocatoria del MEC para proyectos de innovación aplicada y transferencia del conocimiento. Se ha llevado a cabo en colaboración con un Instituto de Galicia, el IES Universidade Laboral y el centro tecnológico CIDETEC que junto con CEGASA investigan y desarrollan pilas de combustible del tipo PEM.
Este proyecto ha consistido en la adquisición de una pila de combustible de 1 kW comercial, pero preparada para una labor didáctica y en la elaboración un curso semipresencial dividido en unas unidades didácticas on line y prácticas in situ con la pila de hidrógeno.
Este curso se añade a la oferta on line sobre energías renovables del Instituto.
El segundo proyecto “integración de energía solar fotovoltaíca y de pila de hidrógeno en una micro-red” es un proyecto financiado por la Diputación Foral de Gipuzkoa. Se ha llevado a cabo con CIDETEC y consiste en la integración de la energía fotovoltaíca y de la pila de hidrógeno para el suministro de electricidad a una micro-red. Para ello se dispone de un campo de captadores fotovoltaícos de 7 kW y un stack de pilas de hidrógeno de 2 kW. El conjunto se completa con una batería de ión-litio que actúa como estabilizador del sistema. Se ha creado un Scada que permite ensayar diferentes estrategias de trabajo.
El 14 de marzo de 2013 se llevó a cabo una jornada de presentación en el Instituto que contó con la presencia del Viceconsejero de Formación Profesional, Jorge Arévalo, de la Directora de medio ambiente de la Diputación Foral de Gipuzkoa, Ainhoa Iraola, del Director de TKnika, Iñaki Mujika y del Director del Instituto, Patxi Vaquerizo.
La jornada consistió en una explicación de los fundamentos de las pilas de hidrógeno y sus campos de utilización y una demostración práctica de ambos proyectos.