El hidrógeno como vector energético (II/II)

Este artículo es la continuación de uno aparecido en el número anterior de la revista y que está dedicado a los usos energéticos del hidrógeno, recogidos en el libro “El hidrógeno y la energía”, de los mismos autores, co-editado por la Asociación de Ingenieros del ICAI y por la Universidad Pontificia Comillas, que fue realizado bajo el patrocinio del Foro de la Industria Nuclear Española y contó con el apoyo del Instituto de la Ingeniería de España para su difusión. El libro se puede descargar desde la página web de la Asociación de Ingenieros del ICAI (www.icai.es) o desde la de la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas (www.upcomillas.es/catedras/crm).

En esta parte se tratan las aplicaciones energéticas a través de pilas de combustible y motores de combustión interna, finalizando con unas consideraciones de carácter sociopolítico y las conclusiones al conjunto del trabajo.

Aplicaciones: Pilas de combustible

Una pila de combustible es un dispositivo de conversión directa de energía, capaz de transformar en energía eléctrica la energía química de un combustible. Dicha transformación la realiza sin recurrir a un ciclo termodinámico, por lo que no está sujeta al límite de Carnot.

Aunque hay muchos tipos de pilas de combustible, aquí se va a explicar su funcionamiento a partir de las llamadas pilas de membrana de intercambio protónico (PEMFC) que trabajan a baja temperatura (unos 90ºC) empleando como combustible hidrógeno puro y como comburente oxígeno. Esto permitirá particularizar las ecuaciones generales a un caso real, obteniendo así un orden de magnitud; la generalización a otros tipos de pilas se realiza sin dificultad.

La Figura 1 ilustra de forma esquemática el comportamiento de una pila tipo PEMFC. En ella las irreversibilidades asociadas a la reacción química de combustión se han sustituido por un proceso electroquímico, de manera que el combustible se reduce en la superficie del ánodo, fluyendo los iones de hidrógeno (H+) hacia el cátodo a través del electrolito, donde reaccionan con el comburente (oxidante) produciendo agua. Como parte de la reacción anódica [1] se producen electrones, que a través de un circuito externo (carga) son suministrados al cátodo, dando lugar a la reacción catódica [2]. El electrolito tiene como misión impedir el paso de los electrones y separar el combustible y el comburente, de modo que la reacción de combustión se reemplaza por reacciones redox en los electrodos.

Como se aprecia en la Figura 1, una pila de combustible es un sistema abierto, que de manera continua consume un combustible y un comburente, produciendo un trabajo eléctrico. De hecho, la reacción global de la pila, considerando de manera conjunta ambos electrodos, es la reacción de combustión del hidrógeno [3], aunque a diferencia de en un proceso de combustión, en una pila esta reacción se verifica en condiciones relativamente próximas a la reversibilidad pues el combustible y el comburente no entran en contacto dando lugar a una reacción de combustión, sino que verifican una reacción electroquímica, con irreversibilidades menores.

Por otra parte, el trabajo eléctrico se obtiene de forma directa, sin necesidad de transformar el calor liberado en la reacción en trabajo mecánico previamente.

Se sale del alcance de este artículo exponer las ecuaciones que rigen el comportamiento de las pilas, lo que está hecho en el libro “El hidrógeno y la energía” que sirve de soporte a este trabajo y donde el lector se puede remitir para profundizar. No obstante, sí consideramos necesario exponer cuando menos unas expresiones que justifiquen las prestaciones de las pilas de combustible. Así, la tensión que proporciona la pila en circuito abierto viene dada aproximadamente por la ecuación [4]:

donde “g” representa la variación de la función de Gibbs de la reacción [3],“n” es el número de moles de electrones por cada mol de combustible (ecuación [1]),“F” es la constante de Faraday (96.485 C/mol), que representa la carga eléctrica contenida en 1 mol de electrones y “T” es la temperatura a la que transcurre la reacción.

Cuando el circuito se cierra la tensión dada en [4] se reduce debido a una serie de irreversibilidades internas (llamadas frecuentemente “polarizaciones”). El consumo de combustible (masa por unidad de tiempo) viene dado por la ecuación [5], donde “I” es la corriente entregada por la pila y “MF” la masa molecular del combustible.

El rendimiento de la pila viene dado por la ecuación [6], donde “V” es la tensión real (circuito cerrado) y “h” representa la entalpía de reacción en la ecuación [3], es decir, el poder calorífico del combustible.

En el funcionamiento de una pila las irreversibilidades internas provocan una disipación de calor. Un balance energético para una pila PEMFC que opere a 90ºC con una tensión de 0,7 V (punto cercano a la máxima eficiencia) muestra que de la energía química contenida en el hidrógeno el 56% se transforma en electricidad, el 43% en calor y el 1% restante en energía térmica en los productos de la reacción.

La tipología de las pilas de combustible es muy variada, permitiendo emplear diversos tipos de combustible y adaptándose a diversas necesidades, tal como se recoge en la Figura 2.

La Tabla 1 recoge las principales características de las pilas de combustible. La designación de las pilas se basa en el electrolito empleado. Así, las PEMFC utilizan una matriz polimérica conductora de protones; las AFC emplean un electrolito alcalino, de modo que son los grupos hidroxilos los que se trasladan por el electrolito; las PAFC recurren al ácido fosfórico; las MCFC utilizan una mezcla bifásica de carbonatos metálicos contenidos en una matriz cerámica porosa y finalmente las SOFC emplean un material cerámico (óxido sólido).

Las eficiencias de las pilas son muy elevadas, aunque es preciso aclarar que el punto de máxima eficiencia no es el mismo que el de máxima potencia. Hoy por hoy el coste de inversión de una pila es muy alto, por lo que se busca hacerlas trabajar a potencia máxima para rentabilizar la inversión. Esto supone que los rendimientos en operación difieren de los mostrados con la Tabla 2, que se refiere a los rendimientos máximos.

Las aplicaciones estacionarias de las pilas de combustible pasan por la generación distribuida y la cogeneración. Normalmente se destinan a este uso las pilas de alta temperatura (SOFC y MCFC), y se puede intensificar la producción eléctrica recurriendo a ciclos híbridos donde se acopla una pila con una microturbina de gas, como se muestra en la Figura 3. La Figura 4 muestra el nicho ocupado por las pilas dentro de las diferentes tecnologías de generación distribuida.

Finalmente, la Tabla 2 muestra las prestaciones y costes de las pilas de combustible más frecuentes en aplicaciones estacionarias y la Tabla 3 el balance térmico resultante en este tipo de pilas en aplicaciones de cogeneración.

Las aplicaciones al transporte son una de las más interesantes de las pilas de combustible al permitir luchar de manera eficaz contra la emisión de gases de efecto invernadero, al menos los emitidos de forma directa por el propio vehículo. Desde el punto de vista tecnológico la mayoría de diseños pasa por PEMFC alimentadas con hidrógeno comprimido, si bien se estima que la solución de futuro serán las pilas de metanol directo DMFC, aunque hoy día requieren más nivel de desarrollo.

En cuanto a las “hidrogeneras”, como se ha dicho, se mantienen abiertas las opciones de producción “in-situ” o centralizada y el suministro de hidrógeno al automóvil en forma comprimida o licuada (con brazos robóticos, casi desestimado). Por lo que respecta al tren de potencia es posible un montaje “full-power”, donde toda la potencia sale de la pila de combustible o los montajes híbridos (pila de combustible-batería), tanto en modalidades serie como paralelo, como muestra la Figura 5.

Un aspecto importante a tener en cuenta en las aplicaciones de las pilas al transporte es que el hidrógeno no es una fuente energética, sino que ha de ser producido. Esto hace que sea preciso valorar toda la cadena, incluida la producción del hidrógeno. Estudios de este tipo se denominan “pozo-ruedas” y no resultan del todo favorables al hidrógeno, sino que muestran que la tecnología de pilas de combustible aún no está madura para el sector de la automoción, aunque lo que se podrían llamar “tecnologías de transición” sí lo están y permiten obtener unos buenos resultados de reducción de consumo y emisiones.Tal es el caso de los vehículos híbridos (motor térmico-batería) o incluso eléctricos, tal como se pone de manifiesto en un reciente artículo [GRANO06]. Este estudio, que considera el coste del vehículo, la autonomía, el coste del combustible, la emisión de gases de efecto invernadero y de contaminantes atmosféricos establece una clasificación relativa de los diferentes vehículos según el escenario de producción de energía eléctrica. Se concluye del estudio que si la generación eléctrica no produce gases de efecto invernadero (renovable o nuclear) la mejor opción es la eléctrica, seguida de la híbrida; si el escenario es intermedio (50% de la electricidad es de origen nuclear o renovable y el resto a partir de gas natural) la mejor opción es la híbrida, presentando la eléctrica y la convencional una calificación comparable; esta solución se repite si toda la generación eléctrica procede del gas natural, salvo que la opción eléctrica resulta desaconsejable. En todos los casos la opción con pila de combustible resulta la peor.

Las aplicaciones portátiles son de las más prometedoras para la aplicación de la pila de combustible, especialmente las de baja temperatura.

Se prevé que sean de los mercados en los que la penetración se logre primero, debido a las ventajas de este sistema (elevadas densidades de potencia y peso reducido) que favorecen mayores autonomías que los actuales sistemas basados en baterías. Por otra aparte, el gran volumen del mercado (PCs portátiles, teléfonos móviles, pequeños electrodomésticos, juguetes, …) facilitan la reducción de precios.

En cuanto al sistema de suministro de combustible,éste puede ser en base a pequeños cartuchos de hidrógeno o a través de metanol líquido, de forma similar a como se cargan algunos mecheros. La Tabla 4 muestra la visión de la Plataforma Tecnológica en hidrógeno y pilas de la UE [W 12], donde las aplicaciones portátiles aparecen como las de más rápida penetración.

Aplicaciones: combustión directa de hidrógeno

El aprovechamiento del hidrógeno mediante pilas de combustible no es el único posible. Puesto que se trata de un combustible, otra alternativa es la transformación indirecta a través de su combustión, de modo que el calor producido sea aprovechado por un ciclo termodinámico para producir energía mecánica y posteriormente eléctrica mediante un alternador.

Si bien desde 1990 se dispone de prototipos de motores alternativos de combustión interna [DOYL98] que queman hidrógeno,éste uso directo, tanto en motores alternativos de combustión interna como en turbinas de gas no está exento de dificultades, las cuales tienen que ver con las emisiones. En efecto, si bien es cierto que la combustión de hidrógeno sólo produce vapor de agua, esto sólo es verdad si el comburente es oxígeno puro. Por el contrario, si como comburente se emplea aire atmosférico la presencia de nitrógeno crea problemas, pues a elevada temperatura se pueden formar NOx. Este problema, de sobra conocido en los motores alternativos, se ve incrementado en la combustión del hidrógeno debido a que la temperatura de combustión adiabática aumenta, lo que favorece la aparición de los NOx. Así pues, es preciso controlar la temperatura de la combustión, y sobre todo la permanencia de los humos a alta temperatura. Esto puede hacerse, como en los motores diesel, mediante refrigeración e incluso recirculando los gases de escape y aprovechando el calor de vaporización del agua para refrigerar la mezcla.

En motores alternativos el esquema más frecuente es el de formación externa de la mezcla.

Cuando se opera a carga parcial el comportamiento es suave, con un rendimiento elevado y sin excesiva presencia de NOx en los humos.

Por el contrario, a plena carga ocurren problemas de detonación y se incrementa el contenido de NOx en los humos. La potencia cae respecto al motor de gasolina debido no sólo al desplazamiento del aire sino al empeoramiento de la combustión. Para arreglar estos problemas se recurre bien al uso de recirculación de aire por el cilindro para reducir su temperatura o bien al empleo de hidrógeno comprimido de baja temperatura o incluso licuado para operar también a bajas temperaturas y retrasar así los problemas de detonación.

En cuanto a su uso en turbinas de gas, si bien la elevada temperatura de combustión del hidrógeno puede provocar problemas de emisiones de NOx, no es menos cierto que su amplio rango de inflamabilidad contribuye a estabilizar la llama, permitiendo el uso de mezclas ultrapobres premezcladas. En el Sandia National Laboratory de California [W 10] sostienen que las mezclas de hidrógeno con hidrocarburos mejoran la estabilidad durante la combustión con mezclas pobres, permitiendo reducir las emisiones de NOx. De lo anterior se deduce que, hoy por hoy, el empleo de hidrógeno en turbinas de gas pasa por su uso en mezclas de gases, cuya principal ventaja es la reducción de emisiones al permitir el empleo de mezclas pobres. El empleo exclusivo de hidrógeno como combustible no parece, con la tecnología actual, un camino viable.

Aspectos sociopolíticos

Nuestro modelo energético demanda soluciones debido al agotamiento de los combustibles fósiles, a la presión que ejercen a nivel internacional los países productores debido a la elevada concentración de los recursos, los niveles crecientes de contaminación, el cambio climático y las economías emergentes asiáticas que demandarán en un futuro próximo ingentes cantidades de energía. Como solución a este problema se plantea el desplazamiento de la “economía de los combustibles fósiles” por la “economía del hidrógeno”, siguiendo una trayectoria “natural” en el proceso de descarbonización de los combustibles: madera (10átomos de carbono por 1 de hidrógeno), carbón (1,5 sobre 1), petróleo (0,5 sobre 1) y gas natural (0,25 sobre 1), llegando finalmente al hidrógeno (0 sobre 1). En paralelo con esta transformación está el auge que está teniendo la generación distribuida como forma de producir electricidad y que presenta muchas ventajas, adaptándose muy bien a las características propias de las pilas de combustible. Por estas razones la Unión Europea apoya la investigación en hidrógeno a partir del V Programa Marco y Estados Unidos desde 2002.

Sin embargo, para valorar adecuadamente el papel que ha de jugar el hidrógeno como solución energética es preciso tener presente que no se trata de un recurso, sino de un mero portador, por lo que se requiere otra energía primaria para producirlo. Es esta necesidad de producción la que se debe considerar para valorar el proceso global, pues aunque la eficiencia de una pila pueda resultar elevada (con matices, pues ya se ha comentado que no se operan en máximo rendimiento sino en máxima potencia) ésta puede quedar ensombrecida por la eficiencia de la producción e incluso del almacenamiento. Puesto que el hidrógeno es un vector energético su comparación natural surge con la electricidad.

Ésta presenta muchas más ventajas, como son su fácil transporte, reducidas pérdidas (estimadas en 5% cada 1.000 km) y su eficiente almacenamiento en centrales de bombeo.

En el sector transporte sí que podría ser razonable la aplicación de las pilas de combustible.

Sin embargo, es preciso llamar de nuevo la atención respecto al sistema global.

En este sentido se ha explicado que desde el punto de vista del análisis pozo-rueda el vehículo híbrido y el eléctrico presentan un mejor ciclo de vida que el vehículo con pila de combustible. No obstante, y pese a que el vehículo con pila de combustible salga peor parado en la comparación, es preciso llamar la atención sobre que la densidad energética de las baterías actuales dotan al vehículo eléctrico de bajas prestaciones para su uso masivo (poca autonomía y baja velocidad), que son compensadas sobradamente con la tecnología híbrida, recurriendo a un motor alternativo. En este sentido, habría que dar una oportunidad a la tecnología, pues estos estudios se basan en hidrógeno obtenido a partir de gas natural, por lo que los resultados podrían ser muy diferentes cuando las pilas de metanol directo (DMFC) sean una realidad (aunque en esta configuración se emite CO2; para lograr una solución eficiente medioambientalmente el metanol debería haberse producido a partir de la biomasa).

Dejando de lado los vehículos eléctricos, es cierto que el hidrógeno, precisamente por ser un vector energético, permite aplicar la energía nuclear, carbón y eólica al transporte, almacenando los excedentes y alimentando con ellos al vehículo.

Conclusión

De los apartados anteriores se deduce que el hidrógeno por si solo no es la solución al problema energético, precisamente porque no es una fuente de energía, sino un portador de la misma. Por tanto, aunque el sistema de conversión final sea muy eficiente (pila de combustible) es preciso considerar todo el ciclo de vida, siendo consciente de que los consumos energéticos tanto en la propia obtención como en el acondicionamiento para el almacenamiento y transporte pueden ser muy elevados.

Todo lo anterior no debe ser tomado como algo negativo, sino más bien servir de aliciente para intensificar la investigación para lograr sistemas de conversión más eficientes, sistemas productivos con menores consumos y procedimientos más eficaces de almacenamiento.

Si el hidrógeno se produce de forma racional, a partir de energías renovables, carbón con captura de CO2 o energía nuclear puede constituir una buena contribución a la solución del problema energético, pero dejando claro que no sería cierto que la economía se basaría en el hidrógeno, sino que lo haría en las fuentes primarias (renovables, carbón o nuclear), dando nuevamente como solución al problema energético una mezcla razonable de varias fuentes energéticas.

Por tanto, hablar de “economía del hidrógeno” sin poner el contexto y siendo consciente de lo que significa sería como hablar en la actualidad de la “economía de la electricidad”, en lugar de la “economía de los combustibles.
fósiles”.

VER PRIMERA PARTE

Por: José Ignacio Linares Hurtado
Doctor Ingeniero Industrial del ICAI. Es profesor Propio Agregado de la ETS de Ingeniería-ICAI de la Universidad Pontificia Comillas donde dirige la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas. Sus líneas de investigación se centran en la Termodinámica Aplicada y las Tecnologías Energéticas.

Beatriz Yolanda Moratilla Soria
Doctor Ingeniero Industrial del ICAI. Coordinadora de la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas. Profesora de la ETS de Ingeniería- ICAI de la Universidad Pontificia Comillas. Directora del Curso de Especialista en Parques Eólicos (COMILLAS) y Secretaria del Comité de Energía y Recursos Naturales del Instituto de la Ingeniería de España.

Fuente: anales de mecánica y electricidad / mayo – junio 2007

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