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| Febrero 2005 | ||
Recursos
Las aplicaciones de las pilas de combustible pueden abarcar una amplia variedad de productos: desde dispositivos portátiles (teléfonos móviles, ordenadores, pequeños electrodomésticos), donde las pilas empleadas son de pequeño tamaño, pasando por aplicaciones móviles como vehículos de todo tipo (coches, autobuses y barcos), hasta generadores de calor y energía en aplicaciones estacionarias para empresas, hospitales, zonas residenciales, etc.
Se ha previsto que los futuros sistemas energéticos dispondrán de conversores mejorados de energía convencional basados en el hidrógeno (motores de combustión interna, motores de Stirling o turbinas), así como otros vectores energéticos (calor y electricidad producidos directamente a partir de energía renovable y biocarburantes para el transporte).
A continuación se presentan los principales usos que pueden tener las pilas de combustible
Industria militar
Se espera que las aplicaciones militares supongan un mercado muy significativo para la tecnología de pilas de combustible. La eficacia, versatilidad, prolongado tiempo de funcionamiento y su operatividad sin ruidos, hacen de las celdas de combustible un sistema a la medida para las necesidades de los servicios militares. Las pilas de combustible podrían aportar una solución de generación energética válida para el equipamiento militar portátil terrestre o marítimo.
Las pilas de combustible en miniatura podrían ofrecer grandes ventajas sobre las pilas sólidas convencionales voluminosas y además se eliminaría el problema de su recarga.
Siguiendo la misma tónica, la eficacia de las pilas de combustible
para el transporte vería reducida drásticamente la necesidad
de combustible necesario durante las maniobras. Los vehículos serían
capaces de recorrer grandes distancias o trabajar en áreas remotas
durante más tiempo y la cantidad de vehículos de apoyo, personal
y equipamiento necesario en la zona de combate podrían reducirse.
Desde 1980 la marina estadounidense ha empleado celdas de combustible en
embarcaciones para el estudio de profundidades marinas y en submarinos no
tripulados.
Dispositivos portátiles
El desarrollo continuo de las pilas de combustibles ha contribuido al desarrollo de numerosos dispositivos electrónicos móviles. La miniaturización de las pilas de combustible ofrece serias ventajas respecto a las baterías convencionales, tales como el incremento del tiempo de operación, la reducción del peso y la facilidad de recarga.
Para este tipo de aplicaciones como ordenadores portátiles, teléfonos móviles y videocámaras, será necesario considerar los siguientes parámetros que deben darse en las pilas:
En este punto, la investigación se centra en dos tipos de pilas: las pilas de membrana polimérica (PEM) y las pilas de combustible de metanol directo (DMFC).
El uso de metanol en las DMFCs ofrece una gran ventaja sobre las baterías sólidas en cuanto a la recarga con el combustible en lugar de la utilización de una carga eléctrica externa durante largos periodos de tiempo. Las desventajas actuales son relativas al coste del catalizador de platino necesario para convertir el metanol en dióxido de carbono y energía eléctrica a bajas temperaturas y baja densidad energética. Si se logran superar dichos inconvenientes, entonces no habrá dificultad para que se promuevan este tipo de pilas. Se han efectuado ensayos de DMFC en Estados Unidos para el suministro energético a teléfonos móviles, mientras que los ensayos en ordenadores portátiles se han desarrollado en Alemania.
Abastecimiento energético en viviendas
Las dificultades técnicas a la hora de diseñar las pilas de combustibles se simplifican en las aplicaciones estáticas. La mayoría de las pilas de combustibles comercializadas, si no todas, son inmóviles y trabajan a gran escala (generando más de 50 kW de energía eléctrica). Hay, sin embargo, un potencial significativo para unidades menores para aplicaciones en viviendas(menores que 50 kW).
Todo el calor y los requerimientos energéticos de residencias privadas o pequeños negocios podrían servirse de pilas de membrana polimérica (PEM) ó de ácido fosfórico (PAFC). Actualmente, estas unidades no se encuentran fácilmente disponibles. Sólo existen algunos casos en los Estados Unidos, Japón y Alemania de pilas de membrana polimérica (PEM). Este tipo de pilas ofrecen una mayor densidad energética respecto a las PAFC, pero éstas pueden ser más eficientes y su fabricación actualmente es más económica. Las unidades podrían abastecer a casas independientes o grupos de viviendas y podrían diseñarse para satisfacer todas las necesidades energéticas de los habitantes.
Para permitir un arranque inicial de esta tecnología, se pueden emplear redes de distribución de gas natural que será la fuente para obtener el combustible de hidrógeno. Sin embargo, los fabricantes pronostican fuentes alternativas de combustible para poder así reducir aún más las emisiones y encontrar nuevos huecos en el mercado. La última incorporación dentro del mercado estacionario de pilas de combustible es la General Motors, que desarrolló una unidad en agosto de 2001.
Misiones espaciales
La necesidad del gobierno estadounidense de identificar una energía de confianza y segura que sirviera como fuente de abastecimiento para misiones espaciales tripuladas a finales de los 50 y principios de los 60, proporcionó el ímpetu y la ayuda para el avance considerable de la industria de pilas de combustible.
La combinación de su peso ligero, el aporte de electricidad y calor sin ruidos significativos y vibraciones y con la ventaja añadida de la producción de agua potable, otorgaron a las pilas de combustibles ventajas considerables con respecto a otras fuentes de energía alternativas.
La pila de combustible Grubb-Niedrach producida por General Electric fue la primera usada por la NASA para suministrar energía al proyecto espacial Gemini. Este fue el primer uso comercial de las celdas de combustible.
La compañía aeroespacial Pratt & Whitney ganó el contrato para el suministro de pilas de combustible al programa Apolo desde principios de los 60. Las celdas de combustible de Pratt & Whitney se basaban en las modificaciones de las patentes de Bacon del modelo de pilas alcalinas. Estas pilas de combustible que operan a baja temperatura son las más eficientes. Con tres unidades capaces de producir 1.5 kW, o 2.2 kW durante cortos periodos de tiempo, operando en paralelo. Pesando alrededor de 114 kg por unidad y alimentadas por hidrógeno criogenizado y oxígeno, lograron soportar 10.000 horas de funcionamiento durante 18 misiones espaciales sin que hubiera ningún incidente a bordo.
International Fuel Cells (IFC), una compañía hermana de Pratt & Whitney, ha seguido con el suministro de pilas de combustible alcalinas a la NASA para su empleo en transbordadores espaciales desde el comienzo del programa en los 80. Todos los requerimientos eléctricos han sido paliados mediante tres pilas de combustible de 12 kW. No existen baterías de seguridad. El desarrollo técnico que ha continuado el IFC ha hecho que las pilas de combustible que usan los transbordadores espaciales puedan actualmente abastecer unas diez veces la energía que proporcionaban unidades similares usadas en la nave Apolo. Utilizando como combustible hidrógeno criogenizado y oxígeno, las celdas son 70 % más eficientes y pueden completar 80.000 horas de funcionamiento en más de 100 misiones.
Generación de energía a gran escala
Actualmente, el mercado más desarrollado de las pilas de combustible está presente en fuentes estacionarias de electricidad y calor. La eficacia y el volumen reducido de emisiones respecto a los dispositivos que emplean combustibles fósiles tradicionales, hacen de la tecnología de las pilas de combustible una atractiva opción para los usuarios. Operando a temperaturas por debajo de los 80 °C, las pilas de combustible pueden ser instaladas en cualquier vivienda privada además de poder satisfacer las necesidades energéticas de los procesos industriales.
Hasta ahora, los fabricantes de células de combustible se han centrado en aplicaciones no residenciales. International Fuel Cells, el único suministrador a nivel comercial de pilas de combustible, ha instalado más 200 pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) en diversos lugares, incluyendo escuelas, bloques de oficinas e instalaciones bancarias. En el futuro, las pilas de combustible que operan a altas temperaturas, como de carbonato fundido (MCFC) y de óxido sólido (SOFC), podrían adaptarse a aplicaciones industriales y generar energía a gran escala (megawatios). Operando a temperaturas entre 600-1100 °C estas pilas de combustible "de altas temperaturas" pueden tolerar una fuente de hidrógeno contaminada, por ello pueden emplear gas natural no reformado, gasoil o gasolina. Además, el calor generado puede ser usado para producir electricidad adicional mediante turbinas de vapor.
Transporte
La legislación ambiental, cada vez más, fuerza a los fabricantes de automóviles a sustituir aquellos vehículos que produzcan gran cantidad de emisiones contaminantes. La tecnología de pilas de combustible ofrece una oportunidad tangible para alcanzar este requerimiento. Investigaciones llevadas a cabo en el Pembina Institute for Appropriate Design de Alberta (Canadá), han mostrado que la cantidad de dióxido de carbono procedente de un coche pequeño puede reducirse hasta en un 72 % cuando se emplea una pila de combustible de hidrógeno obtenido a partir de gas natural en lugar de un motor de combustión interna de gasolina. Sin embargo, si las pilas de combustible reemplazan a los motores de combustión interna, la tecnología deberá no sólo satisfacer la estricta legislación sobre emisiones, también aportarán soluciones para el transporte. Las pilas de combustible que utilicen los vehículos serán capaces de alcanzar las temperaturas operativas con rapidez, proveer una economía competitiva de combustible y ofrecer unas prestaciones aceptables.
Las pilas de membrana polimérica (PEM) son las más adecuadas para cumplir estos requerimientos. Con una baja temperatura de funcionamiento, alrededor de 80 °C, las PEM pueden alcanzar rápidamente la temperatura operativa. Estas pilas pueden ofrecer una eficacia superior al 60 % comparada con el 25 % que se consigue con los motores de combustión interna. Investigaciones efectuadas en el Pembina Institute indican que los vehículos que emplean metanol como combustible pueden alcanzar eficiencias de 1.76 veces las de vehículos impulsados por un motor de combustión de gasolina. Las pilas de combustible PEM tienen además la mayor densidad energética de entre todas las actuales pilas de combustible, un factor crucial a la hora de considerar el diseño de vehículos. Además, el electrolito polimérico sólido ayuda para minimizar la corrosión y evitar problemas de gestión. Un posible inconveniente es la calidad del combustible. Para evitar el envenenamiento catalítico a esta baja temperatura de funcionamiento, las pilas PEM necesitan hidrógeno no contaminado como combustible.
La mayoría de los fabricantes de automóviles ven las pilas PEM como sucesoras de los motores de combustión interna. General Motors, Ford, DaimlerChrysler, Toyota, Honda entre otros, disponen de prototipos con esta tecnología. Los ensayos en carretera han sido positivos empleando distintos vehículos y lugares. Se han realizado con éxito ensayos en autobuses impulsados con pilas PEM en Vancouver y Chicago. Se están llevando a cabo experiencias similares en distintas ciudades de Alemania junto con otras diez ciudades europeas incluida Madrid.
Actualmente, el problema principal para impulsar esta tecnología en el sector del transporte reside en el elevado coste de fabricación, la calidad del combustible y el tamaño de la unidad. Las investigación realizada en este ámbito, parece que ha optado por emplear metanol como fuente de combustible y utilizar el oxígeno del aire. Este hecho podría eliminar el proceso de reformado del combustible.
Se estima que en unos 30 años, los parques automovilísticos de los países desarrollados (actualmente con más de 750 millones de unidades incluyendo turismos, autobuses y camiones) contarán con mas vehículos con motor eléctrico alimentado por pila de combustible que con motor de combustión interna.
Fuentes y más información: