Energa

Situacin actual y expectativas de los generadores electroqumicosM. Montes Ponce de LenOCI-CIEMAT

1. Introduccin El siglo XX ha estado marcado por un continuo desarrollo tecnolgico, propiciando una evolucin social que ha cambiado las costumbres en las sociedades desarrolladas. La energa ha sido uno de los elementos que ha permitido tal evolucin, pero su uso no ha sido el ms adecuado, y ha dejado al final del siglo una serie de retos que, durante los primeros aos del siglo XXI, debern solucionarse: la contaminacin atmosfrica, el exceso de produccin de gases de efecto invernadero, la baja eficiencia en la generacin y las grandes cantidades de productos residuales. Se inicia el siglo XXI con una necesidad de cambio estratgico en el mundo de la energa. Las energas renovables pueden ayudar, pero no solucionan de forma integral los problemas. La energa nuclear, aparte de su problemtica con la percepcin social, tiene tambin que solucionar el problema de los residuos de alta actividad, y los combustibles fsiles: gas natural, petrleo y carbn, adems de sus reservas limitadas, debern superar su grave problema de eficiencia energtica. La tecnologa ha hecho, hasta el momento, uso del ciclo natural del carbono con fines energticos, pero, sin embargo, no ha hecho uso del ciclo del hidrgeno, cuya presencia en el agua le sita como uno de los elementos qumicos ms abundantes en la naturaleza. Las pilas de combustible o generadores electroqumicos son los sistemas ms eficientes para aprovechar su alto contenido energtico.

2. Necesidad de cambio en la generacin energtica El crecimiento continuado del consumo energtico, como consecuencia del desarrollo tecnolgico y del aumento demogrfico, conduce no slo al agotamiento de las reservas de las fuentes energticas, sino tambin a un crecimiento paulatino de la produccin de CO2, con sus efectos sobre la eliminacin de la capa de ozono y sobre el calentamiento global. De acuerdo con el informe que present el Programa de la Agencia Internacional de la Energa sobre gases de efecto invernadero, titulado Evaluacin inicial de las pilas de combustible [1], la fuente primaria de contaminantes del aire es el consumo de combustibles fsiles en el transporte y en la produccin de calor y energa. El carbn, el petrleo, el gas natural y todos los derivados de ellos producen unos efectos adversos al ecosistema. Estos, no slo se producen por los gases y partculas liberados en las chimeneas y tubos de escape, sino tambin mediante contaminantes secundarios formados por interacciones qumicas complejas entre los gases emitidos y los constituyentes atmosfricos en una escala de tiempo relativamente larga. En contraste a otras tecnologas de generacin energtica para producir electricidad o en transporte, el impacto de los sistemas de las pilas de combustible sobre el medio ambiente es mnimo: a) Son sistemas que emplean procesos catalticos que requieren un

La contribucin actual de los combustibles fsiles en la generacin de energa primaria a escala mundial supera el 80%. El aumento demogrfico y el desarrollo tecnolgico pueden suponer para el ao 2020 un incremento superior al 20% en el consumo de energa primaria con respecto al presente. En la Cumbre Internacional de Kioto se fijaron unas previsiones de reduccin de las emisiones de CO2, que para la Unin Europea suponen un 8% de disminucin en el horizonte del 2010 con respecto al producido en 1990. Para el cumplimiento de estos compromisos, ser necesario disminuir la demanda de los combustibles fsiles, aumentar la eficiencia y desarrollar nuevas tecnologas. En este contexto, aparecen las pilas de combustible o generadores electroqumicos, que pueden contribuir a satisfacer estos requerimientos. En el presente artculo se resume el funcionamiento y caractersticas de los diferentes tipos de generadores electroqumicos y se analizan el estado actual de esta tecnologa y las expectativas de sus principales aplicaciones.

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combustible limpio para que el reformado o las reacciones andicas funcionen correctamente. Adems, como funcionan a temperaturas menores que los equipos termomecnicos, generan menores cantidades de NOx. No obstante, uno de los objetivos tecnolgicos actuales en el desarrollo de las pilas de combustible es reducir aun ms las emisiones de NOx en los procesos de acondicionamiento de los gases de alimentacin, pasando de los 20 ppm a 1-5 ppm. b) En lo referente al azufre, los reformadores ya requieren su eliminacin previa. Este azufre puede eliminarse por varias tcnicas, por ejemplo, hidrodesulfuracin. Si se utiliza biomasa es importante la extraccin de los mercaptanos. Todos estos procesos de eliminacin conducen a la formacin de azufre libre. Con independencia del aumento progresivo de la participacin de las energas renovables y de la conflictiva contribucin de la energa nuclear, se sigue produciendo un aumento en el consumo de combustibles fsiles, con una tendencia en los prximos aos a seguir aumentando, con una contribucin que merodea el 80% del consumo de la energa total. Las recomendaciones de la Cumbre de Kioto de reduccin de la produccin de CO2 en los pases desarrollados nicamente pueden llegar a ser posibles con desarrollos tecnolgicos que: aceleren la introduccin de las energas renovables, aumenten la eficiencia de los sistemas actuales de generacin energtica a partir de combustibles fsiles o se cambie la percepcin social sobre la energa nuclear. Una tercera parte del consumo energtico se debe al sector transporte, donde se hace un uso intensivo de los combustibles fsiles, fundamentalmente de los hidrocarburos derivados del petrleo. Son precisamente los motores de combustin interna los sistemas de transformacin energtica de menor eficiencia (17-23%). La estrategia actual de conseguir vehculos con emisin cero conduce necesariamente al empleo de motores

elctricos, cuya eficiencia es incomparablemente ms alta y cuyas prdidas pueden encontrarse en los procesos previos de generacin elctrica o en su almacenamiento. En el sector domstico, la electricidad y el gas, bien con la implantacin cada vez mayor del gas natural o a base de gases derivados del petrleo o con la electrificacin de los hogares, se consume otra tercera parte de la energa primaria. Finalmente, el sector industrial y el de servicios inciden nuevamente en la electricidad y en los combustibles fsiles para satisfacer la demanda creciente que el desarrollo continuo exige. La generacin de electricidad centralizada o distribuida y el sector industrial pasan por los sistemas que utilizan los ciclos trmicos con unas eficiencias limitadas. A corto plazo, la sustitucin de las plantas de combustibles fsiles por pilas de combustible puede ayudar a reducir la contaminacin ambiental. A medio plazo, su eficiencia influira considerablemente en la reduccin de las emisiones de CO2, lo que ayudara a reducir el calentamiento global [2]. A largo plazo, cuando se llegue a un desarrollo econmico del hidrgeno, las pilas de combustible sern los sistemas de generacin energtica lgicos. Con hidrgeno, las eficiencias sern ms altas que con cualquier sistema en competencia, y sus emisiones sern las ms benignas que existan [3]. 3. La combustin electroqumica Una pila de combustible es un dispositivo electroqumico que convierte directamente la energa qumica en electricidad y calor. Consta de dos electrodos, el nodo y el ctodo, separados por un electrolito en forma de sandwich. Los tipos de pilas de combustible se caracterizan por su electrolito. En las pilas de combustible se combina el oxgeno del aire con el hidrgeno para generar la corriente elctrica continua. El combustible oxidado en el nodo libera electrones que fluyen

por el circuito externo hasta el ctodo. El circuito se completa con el flujo de iones en el electrolito, que adems separa las dos corrientes de gases, combustible y oxidante. El calor generado puede emplearse directamente como un coproducto en el procesador del combustible o para producir residualmente ms electricidad. Las celdas se apilan y se conectan en serie o en paralelo para suministrar la tensin elctrica y potencias deseados. En una celda de combustible se produce la reaccin genrica de combustin de hidrgeno y la formacin de agua por va electroqumica (reaccin inversa a la electrlisis del agua): H2 + 1/2O2 H2O + Energa Como resultado del clculo del potencial elctrico [4] a partir de la energa transportada en el movimiento de cargas de los iones en el electrolito, se obtiene la ecuacin de Nernst, que rige el potencial en cada una de las pilas individuales: Erev = E0 + RT/2F ln (PH2 x PO2 1/2/ PH2O) Se observa la influencia que las condiciones de operacin (presin y temperatura) tienen sobre el potencial y finalmente sobe la energa producida. Segn sea el electrolito utilizado, as sern los electrodos que se empleen y las condiciones de operacin de las celdas. Con independencia de las caractersticas particulares de cada caso, la separacin entre electrodos y su superficie van a determinar el potencial de celda y la energa producida. La estructura ntima de los electrodos, el electrolito, las dimensiones geomtricas, las condiciones termodinmicas de operacin y las caractersticas de los reactantes van a influir en el proceso. Los gases alimentados debern distribuirse adecuadamente en toda la superficie de los electrodos para garantizar al mximo la eficacia de reaccin. Esto se consigue con un diseo adecuado de las placas separadoras, que deben llevar acanaladuras que permitan conducir el

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gas desde el exterior a todos los puntos de la superficie de los electrodos, de forma equivalente para garantizar una distribucin homognea de la reaccin electroqumica. Al mismo tiempo, esta alimentacin de gases tiene que distribuirse adecuadamente entre todas las celdas, por lo que se requiere un sistema de distribucin de gases entre celdas, que puede ir dentro del recinto que contenga el conjunto de celdas o fuera de l. El electrolito deber mojar de forma uniforme los electrodos y tener las condiciones mnimas necesarias para garantizar la mejor conductividad inica y una fluidez adecuada para permitir a los gases reactantes y productos difundirse con facilidad hacia la superficie de los electrodos y desde ella hacia el exterior. El calor generado en la reaccin electroqumica, as como el liberado por efecto Joule por el movimiento de los iones en el electrolito, debe extraerse con sistemas complementarios a la salida de gases, por lo que las celdas deben llevar incorporado un sistema de refrigeracin, que normalmente se instala cada cierto nmero de ellas. Lo mismo que en la entrada de gases, la salida de gases debe permitir un flujo perfectamente distribuido desde todas las celdas hacia el exterior y por separado entre ambos compartimentos electrdicos. Adicionalmente, tiene que facilitarse la conexin elctrica de los electrodos, garantizando la continuidad de celda a celda y el adecuado aislamiento entre ambas conexiones electrdicas. Hay que resaltar el papel importante que tienen las placas separadoras, por lo que supone de influencia en la distribucin de gases y en la separacin de compartimentos, al mismo tiempo que tiene que garantizarse el adecuado cierre para evitar la comunicacin de ambas corrientes, y por otro lado, las fugas al exterior. Un sistema de generacin basado en pilas de combustible consta ge-

nricamente de un procesador de combustible que permite obtener el hidrgeno necesario como combustible principal (este procesador sera innecesario en el caso de las pilas de combustible de hidrgeno o de metanol directo). A continuacin, se acopla la seccin de generacin elctrica, formada por las pilas de combustible y los dispositivos de alimentacin, recirculacin, extraccin del calor, de la corriente elctrica y de los productos de reaccin. Finalmente, es necesario un sistema de acondicionamiento elctrico para la conversin de la corriente continua producida en la corriente alterna necesaria para su acoplamiento a la red. El acondicionador de energa es un trmino genrico que incluye el sistema general de acondicionamiento elctrico y el inversor de corriente para transformar la corriente continua en alterna. Complementariamente integrado al sistema de extraccin de calor o a la salida de los gases de reaccin, pueden ir sistemas de cogeneracin, dependiendo del tipo de pila de combustible. 4. Los combustibles fsiles en la generacin de hidrgeno El procesador de combustible depende del combustible utilizado y del tipo de tecnologa de pila de combustible que se emplee. El tipo de tecnologa determina los constituyentes que son deseables y aceptables en el combustible procesado. Procesamiento del gas natural Por regla general, el gas natural contiene azufre, que debe ser eliminado antes de alimentarse a de las pilas de combustible por ser un veneno para la mayora de los catalizadores qumicos. Generalmente se tiene que realizar una hidrodesulfuracin mediante xido de cinc a temperaturas de 350-400C. Posteriormente, el gas natural liberado del azufre se convierte en hidrgeno y CO, en un reactor de reformado con vapor de agua, llamado reformador, siendo la reaccin genrica la siguiente:

CH4 + H2O CO + 3H2 CO + H2O CO2 + H2 Esta reaccin es fuertemente endotrmica y necesita grandes aportaciones de calor, que generalmente se suministra por la combustin de los gases productos de las pilas de combustible. La temperatura de reformado est entre 760-980C. Normalmente se emplea un reformador externo, pero algunos diseos de pilas de combustible llevan un reformador interno, directo o indirecto. En el primero de los casos, el catalizador est incluido en la cmara andica, mientras que en el segundo, el catalizador se encuentra en placas reformadoras separadas, adyacentes a las placas de las celdas de combustible y en buen contacto con su nodo. El reformado interno aumenta la eficacia en comparacin con el externo. Procesamiento de combustibles lquidos Los combustibles lquidos, como destilados, nafta, gasleo y otros combustibles pesados, pueden reformarse por oxidacin parcial, empleando reactores no catalticos alimentados con oxgeno en presencia de vapor de agua, con temperaturas de llama de 1.300 a 1.500C. A ttulo de ejemplo, la reaccin de oxidacin parcial del pentano sera: C5H12 + 5/2 O2 5CO + 6H2 La reaccin general es exotrmica y fuertemente independiente de la presin. Con el fin de reducir el tamao de los equipos, el proceso generalmente se realiza a presiones de 20-40 atm. Procesamiento de carbn Hoy en da hay disponibles numerosos sistemas de gasificacin del carbn[18], pero pueden clasificarse en tres tipos bsicos: de lecho mvil, de lecho fluidizado y de lecho fijo. En los tres casos se utiliza vapor y aire u oxgeno para la oxidacin parcial del carbn y obtener el gas producto.

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Tabla I. Caractersticas de los diferentes tipos de pilas de combustible a temperatura baja Caractersticas Alcalinas Membrana de polmero slido Acido sulfnico fluorado Incorporado en una membrana polimrica conductora de protones, con un contenido en agua del 28% Metanol directo

Electrolito

Hidrxido potsico 6-12N

Metanol lquido o gaseoso

Matriz del electrolito Combustible Oxidante

Matriz porosa de asbestos Hidrgeno muy puro Oxgeno de alto grado de pureza (CO2