1. INTRODUCCION: ENERGIAS RENOVABLES.

Las energías renovables son fuentes que se encuentran a disposición del hombre y de las cuales puede obtener energía útil para satisfacer sus necesidades. Estas fuentes se renuevan con el tiempo, a diferencia de los combustibles fósiles, agotables en un plazo más o menos largo.Las energías renovables podrían solucionar muchos problemas ambientales, como el cambio climático, reducir el efecto invernadero y la contaminación atmosférica: si estas energías cubrieran un tercio del consumo de electricidad, las emisiones de dióxido de carbono se reducirían hasta en un 20% para el 2005. La generación de electricidad con estas fuentes tiene un menor impacto medioambiental que con las fósiles, ya sea carbón, fueloil o gas natural.

Respecto al consumo, éste aumentó un 17’8 % durante el 2001, considerada la producción de origen hidráulico. Los consumos de energías no hidráulicas crecieron un 5’8 %, fundamentalmente, como resultado de los nuevos parques eólicos construidos. El Ministerio de Economía estima que los consumos de energía primaria alcanzarán en el año 2010 la cifra de 168 millones de toneladas equivalentes de petróleo, una cifra superior en casi un 25 % a los 135 Mtep del escenario de referencia para la fijación de los objetivos del Plan de Fomento.

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A pesar del incremento del consumo de electricidad generada por energías renovables de los últimos años, no es suficiente para cumplir los compromisos adquiridos por España en el marco del Protocolo de Kyoto ni para alcanzar el objetivo del 12 % de consumo de energías renovables en el 2010, sobre el total de la demanda, que establece el Plan de Fomento de Energías Renovables 2000-2010.España ha adquirido el compromiso de no superar el 15 % de las emisiones de gases de efecto invernadero en el 2010, con respecto a las emisiones totales de 1990, pero el Ministerio de Medio Ambiente calcula un crecimiento del 33 %, lo que pone de manifiesto la necesidad de incrementar la eficiencia energética y salvar las barreras que obstaculizan el uso creciente de energías renovables.

Este objetivo pretende alcanzarse con bonificaciones y la obligación de que las grandes compañías eléctricas compren a los pequeños productores de energías renovables la totalidad de su producción a precios que incentiven su crecimiento. Las instalaciones con potencia igual o inferior a 50 megawatios podrán acogerse a esta situación especial y vender sus excedentes, siempre que consuman al menos un 25 % de su producción.Las primas no se abonarán por la compañía eléctrica que distribuya la producción, sino por el sistema eléctrico y, en definitiva, el usuario final, que pagará en su tarifa no sólo los incentivos al desarrollo de las energías renovables, sino otras cargas, como la moratoria nuclear, el consumo de carbón y 1’3 billones de pesetas del coste que se le endosa por el precio de la transición a la libre competencia de las eléctricas.Estas primas varían en función de la fuente energética que se use: la más reducida es la correspondiente a la incineración de residuos urbanos (3’7 pesetas el kilowatio/hora), después la energía eólica (5’26 pts), hasta alcanzar un máximo de 60 pts, que se aplicará a las instalaciones solares fotovoltaicas.

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La energía eólica muestra las potencialidades para la creación de empleo de las nuevas tecnologías energéticas, pues hay 4000 empleados en España, entre directos e indirectos. La producción de aerogeneradores proporcionará 9000 empleos fijos, 3600 la explotación, y un total de 60000 empleos sólo en renovables.

Las pilas de combustible, alimentadas con hidrógeno o metanol, son una alternativa eficiente a los motores de combustión y van a constituir un engranaje clave en el ciclo energético basado en las energías renovables.

2. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE

William Robert Grove (1811-1896), abogado londinense, desarrolló los primeros prototipos de laboratorio de lo que él llamaba “batería de gas” y hoy conocemos como pila de combustible. En 1839 realizó sus primeros experimentos y en 1845 la demostración definitiva de su sistema, aunque el profesor suizo Christian Friedrich Schoenbein descubrió en 1938 los principios básicos del funcionamiento de la pila de combustible. Estos experimentos indicaban la posibilidad de convertir la energía química de un combustible directamente en electricidad sin el paso intermedio de combustión.

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(Revista “Mundo Científico”, nº 233, Abril 2002)

Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que transforman la energía química de reacción directamente en energía eléctrica.

Las baterías convencionales acumulan una determinada cantidad de energía según los reactivos químicos de los que dispongan, de forma que cuando estos se consumen, dejan de producir energía. Las pilas de combustible, sin embargo, pueden producir energía de forma indefinida mientras se suministre combustible y oxidante a los electrodos. Sólo la degradación o el mal funcionamiento limitan su actividad.

(Appice 2003)

El principio de funcionamiento en el que se basan es inverso al de la reacción electrolítica: oxígeno e hidrógeno se combinan para dar agua con producción de energía eléctrica y calor. El vapor de agua puede ser liberado a la atmósfera sin dañar el medio ambiente, por lo que es una energía limpia.

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Además del hidrógeno, que puede provenir de la electrolisis a partir de una fuente renovable, pueden utilizarse otros combustibles, como la gasolina, GLP, metanol... previamente tratados.

La unidad base de una pila de combustible es la monocelda.Una celda está formada por una lámina de electrolito situada entre dos electrodos porosos.

El hidrógeno se introduce por el ánodo y se disocia en iones H+ y electrones, mientras que el oxígeno procedente del aire se disocia en iones O2- en el cátodo. Los iones H+ atraviesan el electrolito hacia el cátodo, dejando a los electrones libres en el ánodo. Cuando estos electrones recorren el camino eléctrico entre el ánodo y el cátodo, tiene lugar la producción de energía eléctrica. Además, se produce un importante desprendimiento de energía térmica en forma de calor.En el cátodo los H+, el oxígeno y los electrones se combinan dando moléculas de agua.Para producir tensiones más elevadas que las que genera una celda de combustible, que son del orden de un voltio en circuito abierto, se disponen varias celdas apiladas, formando un “stack o apilamiento”. Este apilamiento situado en una estructura que permita disipar el calor, una buena circulación de los gases y que ofrezca los terminales positivo y negativo para utilizar la energía eléctrica, se denomina pila de combustible.

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(Appice 2003)

2.1 TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE.

La siguiente tabla muestra una clasificación de las pilas de combustible atendiendo al tipo de electrolito que utilizan:

Tipo Electrolito

Temperatura de operación ºC

Usos Ventajas Desventajas

Membrana polimérica (PEMFC)

Polímero sólido 60-100

Generación estacionaria. Portátiles.Vehículos.

Electrolito sólido reduce corrosión y mantenimiento.Baja temperatura.Arranque rápido.

Catalizadores costosos. Sensible a impurezas en H2 u otro combustible.

Alcalina (AFC)

Solución acuosa de hidróxido de potasio

90-100 Espacio.Militar.

Reacción catódica más rápida en electrolito alcalino. Mayor eficiencia.

Sensible a impurezas.

Ácido fosfórico (PAFC)

Ácido fosfórico liquido

175-200 Generación estacionaria.

85 % eficiencia en cogeneraci

Catalizador de Pt. Baja corriente

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Portátiles.

ón de electricidad y calor. Acepta H2 impuro.

y potencia. Gran peso y volumen.

Carbonatos fundidos (MFCF)

Solución líquida de litio, sodio y potasio

600-1000Generación estacionaria.

Ventajas por alta temperatura: mayor eficiencia, catalizadores más baratos.

Corrosión debido a altas temperaturas. Baja vida útil.

Óxidos sólidos (SOFC)

Oxido de Zr sólido con adiciones de Itrio

600-1000Generación estacionaria.

Ventajas por alta temperatura. Ventajas electrolito sólido.

Corrosión debido a altas temperaturas. Baja vida

Pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC)

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Esta pila ofrece densidades de corriente mucho mayores que cualquier otro tipo de pila de combustible, exceptuando algunas pilas alcalinas. Las pilas PEM pueden ser alimentadas con combustibles reformados y con aire. Se utiliza un polímero sólido como electrolito, por lo que se elimina la corrosión y los problemas de seguridad que suponen los electrolitos líquidos. Su temperatura de funcionamiento es baja, permitiendo arranques instantáneos, y no requiere aislamiento térmico. Las PEM operan a unos 70º C y, aproximadamente, el 50 % de la potencia se puede obtener de forma inmediata a temperatura ambiente. La eficacia máxima se consigue después de 3 minutos de operación.

(Appice 2003)

Pilas de combustible alcalinas (AFC)

Se empezaron a usar en las naves espaciales norteamericanas de los 60 para obtener energía eléctrica y agua. El electrolito utilizado consiste en una solución de hidróxido de potasio diluido y los catalizadores son de numerosos metales.La ventaja de estas pilas es su baja temperatura de funcionamiento, que permite alcanzar eficiencias del 55-

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60 %, muyo mayores que las de cualquier proceso térmico sometido al principio de Carnot. También favorece una mayor duración de los componentes.Un inconveniente es que el combustible debe ser hidrógeno de alta pureza sin concentración de CO o CO2, ya que disminuiría la eficiencia de la pila. Una alternativa es utilizar amoniaco como portador del hidrógeno, como en el caso del coche creado por la empresa Electric Auto Corporation, el “Silver Volt Electric Car”.

(Appice 2003)

Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC)

Es la más desarrollada y comercializada: lleva más de 20 años en desarrollo, con una inversión mundial total de 500 millones de dólares. Su auge se debía a que era la única tecnología capaz de tolerar combustibles procedentes de hidrocarburos reformados, por lo que podría implantarse a corto plazo.Utiliza ácido fosfórico como electrolito.Las plantas de generación basadas en esta tecnología obtienen eficiencias entre el 36 y el 42 %. Se pueden obtener mayores eficiencias con flujos de combustible y oxidante presurizados, pero el coste es mayor.

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(Appice 2003)

Pilas de combustible de carbonatos fundidos (MCFC)

Evolucionó desde 1960, cuando se intentaba descubrir un tipo de pila que trabajase directamente con carbón como combustible. A pesar de que eso no es factible, sí puede alimentarse con GLP, como el gas natural.Utiliza una sal de carbonato fundido como electrolito, normalmente carbonato de litio o de potasio.La pila de combustible de carbonatos fundidos produce energía térmica en el proceso, que puede ser aprovechada en una turbina de gas para cogenerar. En un ciclo combinado de ambas tecnologías, la MCFC puede alcanzar eficiencias del 60 %.La corrosión del cátodo reduce la vida útil de estas pilas, y es necesario mantener la temperatura constante, ya que una caída de temperatura produce una disminución de la tensión de salida.

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Pilas de combustible de óxidos sólidos (SOFC)

Utiliza un electrolito sólido cerámico que reduce la corrosión. Sin embargo, para que una cerámica alcance una conductividad iónica aceptable, se necesitan temperaturas cercanas a los 1000º C. A estas temperaturas el reformado interno es posible, y además, se puede utilizar el calor residual para cogeneración y aumentar así la eficiencia del proceso.El CO puede utilizarse como combustible, y estas pilas tienen la ventaja de ser también resistentes al azufre, presente en la mayoría de los combustibles.La vida útil de las SOFC ronda en torno a las 30000 horas y pueden soportar un número razonable de ciclos de calentamiento/enfriamiento.Hoy en día, SOFC con gases a presión atmosférica han desarrollado eficiencias del 45 %, aunque se ha llegado al 60 % en laboratorios, utilizando gases presurizados. Si además se aprovecha el calor obtenido para generación, que es de alta calidad, la eficiencia es mayor.Debido a la alta temperatura de operación que necesitan estas pilas, el tiempo de arranque es muy grande y se necesitan buenos aislantes térmicos para proteger al personal y evitar las pérdidas de calor. Además, las celdas son muy sensibles a variaciones de la temperatura: una caída del 10 % de la temperatura puede suponer una disminución del 12 % de la eficiencia.

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Estas pilas son ideales para aplicaciones estacionarias, pero no para el transporte o dispositivos portátiles.

(Fuente: Appice 2003)

3. RENDIMIENTO TERMODINAMICO.

La energía química acumulada, por ejemplo, en el carbono, se transforma primero totalmente en calor en las centrales térmicas según la reacción de combustión:C + O2 = CO2 + H Este calor se convierte después en energía mecánica y, finalmente, en energía eléctrica. El rendimiento del ciclo de Carnot correspondiente responde a la ecuación:

T: Temperatura absoluta en K (Kelvin)Si, por ejemplo, la temperatura del vapor en la caldera es T2 = 600 K y la del vapor de escape de la turbina es T1 = 360 K, el rendimiento termodinámico es, como máximo, el 40 %:

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El rendimiento de las centrales térmicas es próximo a éste. El de las pilas de combustible, en condiciones adecuadas, es más elevado.

Este es el rendimiento termodinámico si, al reaccionar el hidrógeno y el oxígeno, se produce agua líquida. Si, por el contrario, se obtiene vapor de agua, el rendimiento es aún mayor:

Cuando el carbono se oxida para dar CO, el rendimiento termodinámico puede llegar a ser hasta del 124 %.El rendimiento de una pila de combustible es mayor o menor del 100 %, dependiendo de si la tensión de salida aumenta o disminuye con la temperatura.Incluso en condiciones isotérmicas y reversibles, nunca se convierte toda la energía térmica en eléctrica, pues existen pérdidas de calor. Por ello conviene trabajar con las pilas de hidrógeno-oxígeno a temperaturas bajas, para obtener tensiones y rendimientos elevados. Sin embargo, para alcanzar densidades de corriente favorables se necesitan temperaturas altas, ya que la velocidad de las reacciones en los electrodos aumenta con la temperatura.

4. MEDIO AMBIENTE

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Las pilas de combustible contribuyen en gran medida al desarrollo sostenible de los países, y las instituciones, tanto públicas como privadas, están apostando por esta tecnología, debido a su gran potencial en la reducción de emisiones contaminantes.Las pilas eliminan casi totalmente la emisión de SOx y NOX, mientras que la producción de COx depende del método de obtención del hidrógeno empleado. Como ya hemos visto, si proviene de la electrolisis del agua mediante energías renovables, la tecnología es totalmente limpia.En cuanto a la contaminación acústica, el funcionamiento silencioso de las pilas de combustible constituye un factor decisivo a la hora de utilizarlas como conversor de energía.El siguiente estudio fue realizado por el “Methanol Research Institute”, y el Instituto Nacional de Ingeniería y Tecnología Industrial (INETI).

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5. APLICACIONES

Motores de pilas de combustible

Las pilas de combustible están siendo estudiadas para su futura incorporación en los automóviles híbridos ultraligeros, que son eficientes, fiables, de larga duración porque no tienen partes móviles, y tienen bajas emisiones (con el combustible adecuado). Actualmente su precio es prohibitivo, también debido a que su producción no es masiva. También tienen el inconveniente de no tener infraestructura de repostaje para los combustibles.Estos coches consumirán menos combustible y producirán menos ruido y vibraciones.El objetivo es economizar los costes de los componentes, de la producción y del almacenamiento del combustible (el hidrógeno es muy reactivo).

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Esta nueva tecnología ha avanzado mucho en los últimos años, aunque los prototipos de automóviles experimentales son todavía muy pesados y costosos, debido al volumen de las pilas. En Estados Unidos, los tres mayores fabricantes de automóviles desarrollan junto a compañías especializadas sus propios automóviles con pilas de combustible y se espera que sean competitivos dentro de unos 15 años.En el 2005 entrará en funcionamiento en California un ferry acuático con un novedoso sistema modular de pilas de combustible.La compañía japonesa de automóviles Honda ha desarrollado un depósito de pila de combustible capaz de operar a temperaturas bajas, de hasta 20 grados bajo cero.

Por otro lado, España está colaborando en el diseño de un nuevo avión que utiliza pilas de combustible sustituyendo a las turbinas de gas como fuente de energía auxiliar, generando energía de forma más limpia y eficiente. La UPM y la UPC llevarán a cabo pruebas a escala de las pilas que propulsarán el avión. El proyecto evaluará la aplicación de tecnología limpia de pilas de combustible en futuros aviones comerciales. La potencia se obtendría de baterías de iones de litio durante el despegue y aterrizaje, y las pilas de combustible durante el vuelo.

Otras aplicaciones

El Centro de Investigación y Desarrollo en Automoción (CIDAUT) está trabajando en el primer proyecto español para suministrar energía eléctrica y térmica en los hogares mediante pilas de combustible. También colaboran el Ente Regional de la Energía de Castilla y León (ENRE) y el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA).

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Las pilas PEMFC son muy versátiles y, según el director del departamento de energía de Cidetec: “sus aplicaciones van desde la alimentación de pequeños aparatos portátiles, como radios, ordenadores y teléfonos móviles, con potencias de 10 a 100 vatios, hasta sistemas de generación distribuida a escala doméstica (1 a 5 kilovatios) o residencial (200 kilovatios), pasando por la alimentación de vehículos eléctricos”.Motorola ha creado una pila muy compacta utilizando metanol y, como electrodos, unos nanotubos de carbono que generan diez veces más energía que las baterías de litio. El móvil podría funcionar un mes con este cartucho de metanol.

I + D

Son un grupo de investigadores de la Universidad Ernst Moritz Arndt de Greifswald que han logrado diseñar una pila de combustible experimental capaz de generar electricidad diez veces superior a la de diseños anteriores. Esta potencia es suficiente para propulsar respiradores y aparatos similares.La pila genera electricidad gracias a la bacteria Escherichia Coli, que convierte el azúcar en alcoholes, ácidos y dióxido de carbono. En ausencia de aire puede obtenerse hidrógeno, que se aprovecha para generar electricidad.La obtención de mayor potencia podría deberse al diseño del ánodo de acumulación de carga, hecho de platino recubierto de un polímero conductor llamado polianilina, de forma que se reduce considerablemente el porcentaje de contaminación.

6. FUENTES CONSULTADAS

6.1 www.monografias.com

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6.2 www.imasd-tecnologia.com6.3 www.geoscopio.com6.4 www.upm.es6.5 www.appice.es6.6 www.idea.es6.7 www.noticiasdot.com6.8 members.tripod.com6.9 Enciclopedia Encarta 2000

(Diciembre 2003)

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