Hoy en día, el mundo avanza a paso firme hacia un futuro de energía sostenible. Aunque se desconoce quién será el ganador, el hidrógeno se ha consolidado como un claro favorito, ofreciendo numerosas posibilidades para la producción, distribución y aplicación de energía. Para desentrañar las ventajas de las pilas de combustible, comencemos por qué son y qué tipos existen, y luego descubriremos sus ventajas y desventajas.
Las pilas de combustible existen desde hace más de 150 años y proporcionan una fuente de energía inagotable, ecológicamente segura y de disponibilidad constante. Entonces, ¿por qué no se utilizan aún en todas partes? Hasta hace poco, se debía a su coste. Fabricarlas era prohibitivamente caro. Ya no es así.
¿Qué es una pila de combustible?
Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química en corriente eléctrica utilizable . Cada pila de combustible tiene dos electrodos, conocidos como ánodo y cátodo. En los electrodos se producen las reacciones que generan electricidad.
Cada pila de combustible también cuenta con un electrolito, que transporta partículas cargadas eléctricamente de un electrodo al siguiente, así como un catalizador, que acelera las reacciones en los electrodos. Si bien el hidrógeno es el combustible más básico, las pilas de combustible también requieren oxígeno. Uno de los aspectos más atractivos de las pilas de combustible es que producen muy poca contaminación: gran parte del hidrógeno y el oxígeno necesarios para generar energía se mezclan para formar un subproducto inocuo, principalmente agua.
Una sola celda de combustible produce una cantidad insignificante de electricidad de corriente continua (CC). En la práctica, se suelen apilar varias celdas de combustible. Los conceptos son los mismos, ya sea en una celda o en un conjunto. A continuación, exploraremos las ventajas y desventajas de las celdas de combustible.
4 ventajas y desventajas de las pilas de combustible
Sir William Robert Grove, juez, inventor y científico galés, inventó la primera pila de combustible en 1839. Logró generar electricidad y agua combinando hidrógeno y oxígeno en presencia de un electrolito. Esta innovación, posteriormente conocida como pila de combustible, no generaba suficiente electricidad para ser útil. Por lo tanto, analicemos algunas de las ventajas y desventajas de las pilas de combustible.
Ventajas
1. No necesita recarga
Una pila de combustible no necesita recargarse. Puede replicar energía hasta que se le abastezca de combustible.
2. Sin problemas de salud
Las pilas de combustible no son peligrosas y no causan problemas de salud porque no producen humo ni smog mientras funcionan.
3. Eficiente
Las pilas de combustible son extremadamente eficientes porque pueden transformar la energía química directamente en energía eléctrica. En comparación con otras alternativas disponibles en el mercado, son un 60 % más eficientes.
4. Libre de contaminación
Las pilas de combustible no tienen un impacto negativo en la contaminación atmosférica. Esta es una de sus ventajas más notables. Al no tener componentes mecánicos, son completamente silenciosas y, por lo tanto, no generan contaminación acústica.
Si se utiliza hidrógeno como combustible de entrada, los únicos subproductos que se observan son agua, calor y electricidad, lo que da como resultado una máxima eficiencia y ninguna emisión de materiales nocivos.
Desventajas
1. Caro y de corta duración
Al igual que las ventajas de las pilas de combustible, también presentan desventajas. Por ejemplo, son bastante caras y tienen una vida útil más corta.
2. Difícil de almacenar
Las pilas de combustible son difíciles de almacenar debido a que el combustible utilizado en ellas debe mantenerse a una temperatura y un nivel de presión específicos.
3. Inseguro y peligroso
El hidrógeno es un combustible muy inflamable, lo que plantea evidentes problemas de seguridad. En el aire, el hidrógeno gaseoso arde en concentraciones que oscilan entre el 4 % y el 75 %.
4. Difícil de extraer
A pesar de ser el elemento más abundante del universo, el hidrógeno no existe por sí solo, por lo que debe obtenerse del agua mediante electrólisis o aislarse de combustibles fósiles basados en carbono. Ambos métodos requieren una cantidad considerable de energía para completarse.
Esta energía puede ser más cara que la obtenida del propio hidrógeno. Además, en ausencia de CCS, esta extracción suele requerir el uso de combustibles fósiles, lo que socava las credenciales ecológicas del hidrógeno.
¿Cuáles son los distintos tipos de pilas de combustible?
Tras conocer las ventajas y desventajas de las pilas de combustible, veamos también los distintos tipos que existen. La principal diferencia entre las pilas de combustible radica en el tipo de electrolito utilizado . Esta clasificación define el tipo de:
- Procesos electroquímicos que ocurren en la célula
- El tipo de catalizadores necesarios
- El rango de temperatura en el que funciona la célula.
- El combustible requerido y otros criterios.
Estas propiedades, a su vez, influyen en las aplicaciones para las que estas celdas son más adecuadas. Actualmente se están desarrollando diversos tipos de celdas de combustible, cada una con sus propias ventajas, limitaciones y posibles aplicaciones. Conozca más sobre los tipos de celdas de combustible a continuación.
1. Pilas de combustible de polímero con membrana electrolítica
Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM), también conocidas como pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, ofrecen una alta densidad de potencia y un peso y volumen reducidos en comparación con las pilas de combustible convencionales. El electrolito de las pilas de combustible PEM es un polímero sólido , y los electrodos son de carbono poroso con un catalizador de platino o aleación de platino. Para su funcionamiento, solo requieren hidrógeno, oxígeno del aire y agua. Generalmente, se alimentan con hidrógeno puro suministrado por tanques de almacenamiento o reformadores.
Las pilas de combustible PEM funcionan a bajas temperaturas , generalmente alrededor de 80 °C (176 °F). Su funcionamiento a baja temperatura permite un arranque rápido (con un tiempo de calentamiento reducido) y reduce el desgaste de los componentes del sistema, lo que se traduce en una mayor durabilidad. Sin embargo, esto requiere el uso de un catalizador de metal noble (normalmente platino) para separar los electrones y protones del hidrógeno, lo que incrementa el coste del sistema. Dado que el catalizador de platino es particularmente sensible a la intoxicación por monóxido de carbono, se requiere un reactor adicional para eliminarlo del gas combustible si el hidrógeno se produce a partir de un combustible de hidrocarburos. Este reactor también es costoso.
Las pilas de combustible PEM se emplean principalmente en el transporte y en algunas aplicaciones estacionarias. Son especialmente adecuadas para su uso en vehículos como automóviles, autobuses y camiones pesados.
2. Celdas para combustible directo de metanol
La mayoría de las pilas de combustible funcionan con hidrógeno, que puede suministrarse directamente al sistema o generarse dentro del mismo mediante el reformado de combustibles ricos en hidrógeno como el metanol, el etanol y los hidrocarburos. Sin embargo, las pilas de combustible de metanol directo (DMFC) se alimentan con metanol puro , que normalmente se combina con agua y se suministra directamente al ánodo de la pila de combustible.
Debido a que el metanol tiene una densidad energética mayor que el hidrógeno, aunque menor que la gasolina o el diésel, las pilas de combustible de metanol directo evitan muchos de los problemas de almacenamiento de combustible que afectan a algunos sistemas de pilas de combustible. Al ser el metanol un líquido, como la gasolina, también es más fácil de transportar y distribuir al público utilizando la infraestructura actual. Las pilas de combustible de metanol directo se utilizan frecuentemente para alimentar dispositivos portátiles como teléfonos móviles y ordenadores portátiles.
3. Pilas para combustible alcalino
Las pilas de combustible alcalinas (AFC) fueron una de las primeras tecnologías de pilas de combustible inventadas, y el primer tipo ampliamente utilizado en el programa espacial de Estados Unidos para generar energía eléctrica y agua a bordo de las naves espaciales. El electrolito de estas pilas de combustible es una solución de hidróxido de potasio en agua , y el ánodo y el cátodo pueden ser de diversos metales no preciosos.
Un desafío importante para este tipo de celda de combustible es su susceptibilidad a la intoxicación por dióxido de carbono (CO₂). De hecho, incluso cantidades mínimas de CO₂ en el aire pueden afectar significativamente el rendimiento y la durabilidad de la celda debido a la producción de carbonato. Las celdas alcalinas con electrolitos líquidos pueden funcionar en modo de recirculación, lo que permite la regeneración del electrolito para mitigar los efectos de la producción de carbonato, pero también introduce dificultades con la corriente de derivación.
Los sistemas de electrolitos líquidos presentan problemas adicionales, como la humectabilidad, una mayor corrosión y dificultades para controlar las presiones diferenciales. Estas dificultades se solucionan con las pilas de combustible de membrana alcalina (AMFC), que son menos susceptibles a la intoxicación por CO₂ que las pilas de combustible de membrana de intercambio aniónico (AFC) con electrolitos líquidos. Sin embargo, el CO₂ sigue afectando al rendimiento, y el rendimiento y la durabilidad de las AMFC son inferiores a los de las PEMFC.
Las pilas de combustible de membrana de intercambio aniónico (AMFC) se están estudiando para aplicaciones que van desde vatios hasta kilovatios. La tolerancia al dióxido de carbono, la conductividad y durabilidad de la membrana, el funcionamiento a temperaturas elevadas, la gestión del agua, la densidad de potencia y la electrocatálisis del ánodo son algunos de los retos a los que se enfrentan las AMFC.
4. Células de ácido fosfórico
Las celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) utilizan ácido fosfórico líquido como electrolito (el ácido se encuentra en una matriz de carburo de silicio con aglutinante de teflón) y electrodos de carbono poroso con un catalizador de platino. El diagrama de la derecha muestra las reacciones electroquímicas que tienen lugar en la celda.
La pila de combustible de amonio pirolítico (PAFC) se considera una pila de combustible contemporánea de "primera generación". Es uno de los tipos de pilas más desarrollados y el primero en comercializarse. Si bien este tipo de pila de combustible se utiliza normalmente para generar energía estacionaria, algunas PAFC se han utilizado para alimentar vehículos grandes, como autobuses urbanos.
Las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) son más resistentes a las impurezas de los combustibles fósiles reformados que las pilas de membrana de intercambio protónico (PEM), que se envenenan fácilmente con monóxido de carbono, ya que este se une al catalizador de platino en el ánodo, reduciendo la eficiencia de la pila. Las PAFC alcanzan una eficiencia superior al 85 % cuando se utilizan para generar electricidad y calor, pero su eficiencia disminuye cuando se emplean únicamente para generar electricidad (entre el 37 % y el 42 %).
La eficiencia de las pilas de combustible de platino (PAFC) es solo ligeramente superior a la de las centrales eléctricas de combustión, que normalmente alcanzan una eficiencia de alrededor del 33 %. Con el mismo peso y volumen, las PAFC también son menos potentes que otras pilas de combustible. Por lo tanto, suelen ser grandes y pesadas. Además, las PAFC son costosas, ya que requieren una cantidad sustancialmente mayor de catalizador de platino que otros tipos de pilas de combustible, lo que incrementa su precio.
5. Pilas de combustible para carbonato fundido
Las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) se están desarrollando para centrales eléctricas de gas natural y carbón, así como para usos en servicios eléctricos, industria y defensa. Las MCFC son pilas de combustible de alta temperatura que utilizan un electrolito compuesto por sales de carbonato fundido que flotan en una matriz cerámica porosa e inerte de óxido de litio y aluminio. Se pueden emplear metales no preciosos como catalizadores en el ánodo y el cátodo, ya que funcionan a altas temperaturas de 650 °C (aproximadamente 1,200 °F).
Otra razón por la que las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) ofrecen un ahorro significativo en comparación con las pilas de combustible de ácido fosfórico es su mayor eficiencia . Al combinarse con una turbina, las pilas de combustible de carbonato fundido pueden alcanzar eficiencias cercanas al 65%, significativamente superiores al 37%-42% de eficiencia de una pila de combustible de ácido fosfórico. La eficiencia general del combustible puede superar el 85% cuando se recupera y aprovecha el calor residual.
Las celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC) no requieren un reformador externo para convertir el gas natural y el biogás en hidrógeno. Dado que las MCFC operan a altas temperaturas, el metano y otros hidrocarburos ligeros presentes en estos combustibles se transforman en hidrógeno dentro de la propia celda de combustible mediante un proceso conocido como reformado interno, lo que además supone un ahorro económico.
La principal desventaja de la tecnología MCFC actual es su corta vida útil . Las altas temperaturas de funcionamiento de estas celdas, junto con el electrolito cáustico empleado, aceleran la degradación y corrosión de los componentes, reduciendo su vida útil. Actualmente, los científicos investigan materiales resistentes a la corrosión para los componentes, así como diseños de celdas de combustible que puedan duplicar su vida útil, pasando de las 40 000 horas actuales (cinco años), sin comprometer su rendimiento.
6. Celdas para combustible de óxido sólido
En las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC), el electrolito es una cerámica densa y no porosa . Las SOFC convierten el combustible en electricidad con una eficiencia de aproximadamente el 60 %. La eficiencia global de uso del combustible podría superar el 85 % en sistemas diseñados para capturar y aprovechar el calor residual del sistema (cogeneración).
Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) funcionan a temperaturas extremadamente altas , hasta 1,000 °C (1,830 °F). El funcionamiento a alta temperatura elimina la necesidad de un catalizador de metales preciosos, lo que reduce los costos. Además, permite que las SOFC reformen los combustibles internamente, lo que les permite utilizar una gama más amplia de combustibles y reduce el costo de añadir un reformador al sistema.
Las SOFC son también el tipo de celda de combustible más resistente al azufre, capaces de soportar órdenes de magnitud superiores a este elemento que otros tipos de celdas. Además, no se ven afectadas por el monóxido de carbono, que incluso puede utilizarse como combustible. Esta característica permite que las SOFC utilicen gas natural, biogás y gases derivados del carbón. Operar a altas temperaturas presenta inconvenientes.
Esto provoca un arranque retardado y requiere un amplio aislamiento térmico para conservar el calor y proteger a los empleados, lo cual es adecuado para usos generales, pero no para el transporte. Debido a las altas temperaturas de funcionamiento , los materiales deben cumplir con estrictos estándares de durabilidad. La principal dificultad técnica de esta tecnología radica en el desarrollo de materiales de bajo costo con alta resistencia a las temperaturas de funcionamiento de la celda.
Los científicos investigan la posibilidad de construir SOFC de menor temperatura que operen a 700 °C o menos, presenten menos problemas de durabilidad y sean más económicas. Las SOFC de menor temperatura aún no han igualado el rendimiento de los sistemas de mayor temperatura, y los materiales de apilamiento para este rango de temperatura aún se encuentran en desarrollo.
7. Pilas de combustible reversibles
Las pilas de combustible reversibles, al igual que las pilas de combustible convencionales, generan electricidad a partir de hidrógeno y oxígeno, produciendo también calor y agua como subproductos. Sin embargo, los sistemas de pilas de combustible reversibles pueden utilizar electricidad procedente de fuentes solares, eólicas u otras para separar el agua en oxígeno e hidrógeno mediante un proceso conocido como electrólisis.
Las pilas de combustible reversibles pueden generar electricidad cuando se necesita, pero durante periodos de alta producción de energía proveniente de otras tecnologías (por ejemplo, cuando los vientos fuertes generan un exceso de energía eólica disponible), pueden almacenar el exceso de energía en forma de hidrógeno. Esta capacidad de almacenamiento de energía tiene el potencial de revolucionar la tecnología de energías renovables intermitentes. A continuación, analizaremos el principio de funcionamiento de las pilas de combustible.
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¿Cuál es el principio de funcionamiento de una pila de combustible?
Tras conocer las ventajas de las pilas de combustible, conviene familiarizarse también con su principio de funcionamiento. Una pila de combustible consta de dos electrodos, un ánodo y un cátodo, separados por una membrana electrolítica. El hidrógeno, el metano, el etano, el etanol y otros combustibles orgánicos pueden utilizarse en una pila de combustible para generar electricidad. Estos combustibles experimentan una combustión incompleta y emiten calor como subproducto. La mayoría de estas reacciones son de tipo redox y generan agua y dióxido de carbono como subproductos.
El transporte de electrones en las reacciones redox resulta en la conversión de energía química en energía eléctrica. Entre los electrodos se encuentra un electrolito. El combustible se suministra a cada electrodo por separado. Supongamos que en una celda de combustible, el hidrógeno se suministra al ánodo y el aire al cátodo. En este caso, el catalizador en el lado del ánodo de la celda tiende a descomponer las moléculas de hidrógeno en partículas más pequeñas, como protones y electrones.
Ambos elementos intentan viajar hacia el cátodo por rutas distintas. Los electrones siguen un canal externo hacia el cátodo, proporcionando corriente, mientras que los protones atraviesan la membrana electrolítica hacia el cátodo, donde reaccionan con moléculas de oxígeno y electrones para formar agua y calor como subproductos.
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Enumere algunas aplicaciones de las pilas de combustible
¡Veamos diez usos de las pilas de combustible de hidrógeno, algunos de los cuales quizá no conozcas!
1. Gestión de almacenes: Varias grandes organizaciones de almacenamiento y distribución están recurriendo a las pilas de combustible de hidrógeno para alimentar camiones limpios, carretillas elevadoras, transpaletas y otros equipos.
2. Distribución internacional: Las pilas de combustible tienen la autonomía y la potencia necesarias para el transporte de larga distancia y la distribución local. Nikola, Hyundai, Toyota, Kenworth y UPS ya fabrican camiones semirremolques y furgonetas propulsados por hidrógeno.
3. Autobuses: Se está estudiando la posibilidad de utilizar hidrógeno como fuente de energía en diferentes modos de transporte público, incluidos los autobuses con pila de combustible de hidrógeno. Varias grandes ciudades han experimentado con autobuses propulsados por hidrógeno, entre ellas Chicago, Vancouver, Londres y Pekín.
4. Trenes: Los trenes con pila de combustible de hidrógeno ya han llegado a Alemania, y se prevé que otros tipos lleguen al Reino Unido, Francia, Italia, Japón, Corea del Sur y Estados Unidos en los próximos cinco años.
5. Vehículos individuales: Nueve importantes fabricantes de automóviles están trabajando en vehículos eléctricos de pila de combustible de hidrógeno (HFCEV) para uso personal. Entre los modelos más destacados se encuentran el Toyota Mirai, el Honda Clarity, el Hyundai Nexo y el BMW i Hydrogen Next.
6. Aviones: Varios proyectos experimentales, incluidos los prototipos Pathfinder y Helios, han investigado el uso de pilas de combustible de hidrógeno en la industria aeroespacial. Estos vehículos no tripulados de largo alcance utilizaban un sistema híbrido con pilas de combustible de hidrógeno alimentadas por paneles solares, lo que permitía, en teoría, un vuelo continuo, tanto de día como de noche, prácticamente ilimitado.
7. Generación de energía de respaldo: Las pilas de combustible estacionarias se utilizan en sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) donde la disponibilidad continua es fundamental. Los hospitales y centros de datos recurren cada vez más al hidrógeno para el suministro de energía ininterrumpida. Microsoft fue noticia recientemente por una prueba exitosa de sus nuevos generadores de respaldo de hidrógeno, que permitieron que el servidor de un centro de datos funcionara exclusivamente con hidrógeno durante dos días.
8. Generación de energía móvil: El hidrógeno ofrece numerosas opciones para la generación de energía móvil. De hecho, la NASA produjo algunas de las primeras pilas de combustible de hidrógeno para alimentar cohetes y transbordadores espaciales en el espacio.
9. Vehículos Aéreos No Tripulados (VANT): Muchas aplicaciones innovadoras de los VANT (drones), desde la entrega de paquetes hasta las misiones de búsqueda y rescate, se ven seriamente limitadas por la potencia y la autonomía de las baterías convencionales. Tanto el sector militar como las empresas privadas pretenden solucionar estos problemas con pilas de combustible de hidrógeno, que ofrecen hasta tres veces más autonomía que los dispositivos alimentados por batería. Las pilas de combustible proporcionan una mayor relación energía-masa y pueden recargarse en cuestión de minutos.
10. Embarcaciones y submarinos: Las pilas de combustible de hidrógeno se utilizan en diversas aplicaciones marinas. Algunas embarcaciones, como el Energy Observer, incluso generan su propio hidrógeno para un sistema de pilas de combustible mediante paneles solares y turbinas eólicas a bordo. Las pilas de combustible de hidrógeno ofrecen una alternativa a la energía nuclear para submarinos militares furtivos como el Tipo 212 alemán, con gran autonomía, navegación silenciosa y mínima emisión de calor.
Las pilas de combustible son un sustituto prometedor de los combustibles para automóviles actuales. Si bien ciertos aspectos de la tecnología, como el almacenamiento a bordo eficaz, requieren mayor desarrollo, no hay razón para que las pilas de combustible no puedan convertirse en un combustible para el transporte tan conveniente y atractivo como lo son hoy el diésel o la gasolina. Espero que este artículo les haya ayudado a comprender sus ventajas y desventajas. Comparta sus dudas en la sección de comentarios.
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