0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 0 100 200 300 400 500 600 700
Temp. ºC
Vo
lt
a
je
(V)
Figura 7.6 Comportamiento del voltaje ideal en función de la temperatura Se debe tener en cuenta que en la práctica, la relación voltaje temperatura tiende a no ser lineal. Para efectos de análisis se omitió el comportamiento variable de la entalpía y la entropía en el cambio de temperatura, por lo tanto esto afecta en el resultado del voltaje esperado.
8 Análisis y viabilidad
En términos de eficiencia, las celdas más convenientes son las que utilizan reformador para extraer el hidrógeno. Las celdas como las PEM ó las AFC necesitan hidrogeno con alto grado de pureza, además dadas sus aplicaciones (automotriz y aeroespacial) no es posible utilizar reformadores por las implicaciones de peso y espacio, también se debe utilizar directamente el hidrogeno (tanques de almacenamiento). Las celdas con reformador son más eficientes porque es posible utilizarlas para cogeneración y es posible utilizar directamente combustibles actualmente en auge como el gas natural. En estas
celdas se aprovecha el calor generado (sistema de calefacción y agua caliente), además como no hay restricción de peso y en cierta medida de espacio, es posible generar 300kW ó más de energía y repartirla a más de 200 hogares, en paralelo a la red o independiente a la red eléctrica.
El diseño propuesto tiene un valor de construcción de aproximadamente 3000 US$ para generar 3 kW de energía, es decir que cada kW instalado esta alrededor de los 1,000 US$. Esta cifra nos indica que no es posible una instalación a corto ni a mediado plazo, al menos en sitios donde sea posible una conexión convencional. En la actualidad el kW instalado esta alrededor de 400 US$ ó menos, que si lo comparamos con la cifra arrojada por la celda de combustible, esta muy por fuera de los límites. Tal vez sea posible la utilización de este sistema en lugares apartados y de difícil acceso. Pero definitivamente la extracción convencional de energía tiene ventajas enormes en cuanto a costos, por lo que será sin duda siendo utilizada.
Estamos al tanto que el fin del petróleo se acerca, según la literatura y las estimaciones hechas aproximadamente entre 40 a 50 años, para esta crisis se ha dicho que la celda de combustible es la principal solución al problema, pero la verdad es que no todo esta dicho. Sabemos que la celda de combustible es un dispositivo que combina combustible de hidrogeno con oxigeno para producir energía eléctrica, calor y agua. No hay ningún tipo de combustión, es decir que en teoría no hay ninguna contaminación. Pero al leer la investigación antes hecha, ahora sabemos que la celda no es del todo ecológica puesto que necesitamos extraer el hidrogeno de hidrocarburos como el gas natural, metano, metanol, entre otros, método hasta ahora más viable económicamente (10US$/GJ H2) pero que
desafortunadamente genera emisiones contaminantes aunque en menos proporción que un motor de combustión interna (la relación aproximada es 3:1).
El hidrogeno es el tercer elemento más abundante de la tierra por lo que sería lo más obvio pensar que es el combustible con mayores posibilidades para reemplazar los actuales. Lo cierto es que los actuales combustibles como la gasolina proveen alta energía por muy poco, mientras que para el uso del hidrogeno necesitamos gastar energía (extracción) para producir energía (potencia). He aquí el factor determinante para que no obstante la tecnología a base de hidrogeno siendo tan antigua no sea utilizada actualmente, mayor provisión de energía por menor costo. “La producción y mantenimiento a base de hidrogeno es muy caro, mientras que un motor de combustión interna requiere de una inversión de 35 a 50 US$ para producir un kW de energía, el costo equivalente en una celda de combustible es de 3,000 a 7,500 US$”53. Esto cifra generada principalmente por el gasto de energía en el proceso de extracción, almacenamiento, abastecimiento, materiales costosos, entre otros. Si lo ponemos en relación de costo sería 1:100 aproximadamente. Además sabemos que la membrana o electrolito, núcleo de la celda, se degrada rápido por factores como la temperatura, reacciones químicas y grado de pureza de los reactivos, entonces su reemplazo encarece sustancialmente el valor de la celda.
Si sumamos todos estos factores encontramos que realmente no hay ahorro de energía, al contrario, hay desperdicio por cuanto se debe gastar energía para producirla. Se dice que una celda de combustible puede lograr eficiencias de hasta 80%, pero la realidad nos dice que puede llegar a más o menos 40% que es el orden de magnitud que un vehiculo puede alcanzar. Eficiencia dada por factores como la degradación de los materiales, extracción de combustible ó reformado y tiempo de funcionamiento. Debemos sumarle a esto el hecho que se debe reemplazar la celda parcial o total cada cierto tiempo (10,000 a 40,000 horas de uso aproximadamente) puesto que los materiales se degradan. Ítem que encarece la celda y disminuye la eficiencia. Un vehiculo con motor de combustión interna puede llegar a perdurar por más de 10 años con cuidados y reparaciones
53
pertinentes. He aquí que la tecnología actual sea ampliamente usada no obstante el desperdicio de energía ó la baja eficiencia. Creería que si podemos ser más eficientes con la tecnología actual podríamos disminuir ó posponer la eventual crisis.
En lo referente al tema ecológico podemos decir que la celda no es 100% libre de emisiones contaminantes puesto que en el proceso de reformado se produce alrededor de la mitad de contaminación de lo que puede llegar a producir un auto con motor de combustión interna. La realidad nos dice que el tema económico siempre lleva la batuta en las decisiones a pequeña, mediana y gran escala, por lo tanto los motores actuales seguirán reinando a excepción que el costo de la celda baje a niveles competitivos aproximadamente 1,500 US$/kW instalado.
Según un análisis realizado por la Energy Information Administration (EIA), considera que existen 2248 billones de barriles, con una probabilidad del 95% y el máximo de la producción de petróleo se dará en el año 2045 para luego decaer rápidamente. Por lo que la aproximación de reservas entre 40 a 50 años esta ajustada a lo estimado. Actualmente el precio de la gasolina se encuentra entre los 2.5 US$/gal. El método más económico y viable para producir hidrogeno es a partir de la reformación por medio de vapor. Es un proceso que genera hidrogeno a partir de una mezcla de agua e hidrocarburo (combustible fósil generalmente). El hidrógeno producido por esta técnica puede costar 65 US¢/kg. Por lo tanto el precio de la gasolina debería costar alrededor de 250 US$/gal para que la tecnología a base de hidrógeno sea competitiva. Cifra sumamente alta que será posible solo cuando el petróleo este próximo a agostarse.
En el tema de infraestructura, seria más obvio e ingenioso pensar utilizar un combustible como el etanol ó metanol que al ser líquido y con similares características a la gasolina se convertiría en una salida más viable. Adicionalmente el metanol se puede extraer directamente de la biomasa como
cosecha agrícola o residuos animales al igual que el etanol. Actualmente en Colombia se aprobó la introducción de alcohol carburante (etanol) en la gasolina (aprox. 10%) por lo cual es un paso importante en el cambio de recurso combustible. La inversión aproximada fue de unos 68.000 millones de pesos. En la actualidad lo más cercano a una renovación de infraestructura se da con el gas natural dado que las reservas son considerables (155.78 trillones de metros cúbicos, las reservas de gas natural respecto a la producción a niveles actuales esta entre 60 y 70 años) y es posible utilizarlo junto con la actual tecnología de combustión interna. Mientras que con la tecnología a base de hidrogeno debemos hacer un total en todo ámbito.
En el tema de materiales sería seguramente imposible reemplazar la actual cantidad de motores de combustión interna por el equivalente a una celda de combustible. Los catalizadores actualmente utilizados como el platino y el níquel no alcanzan a proveer la suficiente cantidad necesitada. Sabemos que el platino es sumamente escaso y que en la actualidad existe una disminución en las reservas de níquel. Para que esta teología pueda ser sustituta de la actual deberá hacerse un estudio de materiales muy profundo, de lo contrario esta tecnología se quedara en los recintos de investigación como herramienta educacional pero no como una solución sostenible.
Un motor de combustión interna está alrededor de los 3,000 US$ y provee generalmente 100hp ó 74,5 kW de potencia. Una celda de combustible tipo PEM con similares características esta por el orden de 500,000 US$ ó más. De nuevo existe desventaja frente a la tecnología convencional.
En resumen y aunque cueste aceptarlo las celdas de combustible no son la solución para la futura crisis petrolera. Son ‘hermosos juguetes’ para investigación y tal vez para demostración, hay mucha tecnología detrás del tema pero pocas son las verdades al respecto. Tal vez si se soluciona el tema de los materiales
utilizados y se desarrollan sustitutos más abundantes y económicos seria posible pensar en una solución, mientras tanto no. El níquel actual catalizador más económico no representa solución por cuanto no hay suficientes reservas. Se dice además que si esta tecnología se implementa de manera cotidiana entonces será posible una reducción de precios y así una fácil introducción al mercado, y es tal vez cierto, el problema como lo mencione anteriormente es que los materiales actualmente utilizados no suplen las necesidades para billones de usuarios.
9 Expectativas
• Estudio de las celdas basadas en los electrodos más económico como el Níquel
• Estudio de los electrolitos y posibles alternativas • Posible reducción de costo
• Generar un incentivo educativo para la investigación al respecto.
• Estudio del mercado colombiano para una eventual industria de celdas de combustibles
• Viabilidad para utilizar combustibles similares a los actuales con la existente tecnología e infraestructura
• Acondicionamiento para el uso de biocombustibles en los motores actuales
10 Conclusiones
Definitivamente las celdas no serán la solución. Se necesitará mucha investigación al respecto en búsqueda de nuevos materiales y además requerirá de la ayuda de grandes potencias en lo referente a inversión para acoger esta tecnología.
El costo es el actual desafío para hacer de esta tecnología una posible solución al problema energético. Por lo tanto se debe ahondar en la investigación en
universidades y centros especializados para explorar en la búsqueda de nuevas soluciones al respecto.
Las celdas más viables serán las estacionarias, capaces de llegar a sitios donde no es posible otra fuente de generación. Existen lugares donde la energía eólica y/o solar es nula o intermitente por lo que la celda se convierte en una solución viable.
Aunque más limpias, las celdas producen gases contaminantes. Cerca de la mitad del equivalente en motores de combustión. Actualmente la extracción del hidrogeno se hace a partir de combustibles fósiles dado que es un proceso económico. Por lo tanto hasta que la extracción no sea suplida por fuentes limpias como la eólica o solar las celdas tendrán emisiones contaminantes.
Será más viable utilizar la tecnología e infraestructura actual y acondicionarla para combustibles como el etanol, metanol y biodiesel. En brasil por ejemplo existen motores que funcionan en su totalidad a base de etanol, y en la actualidad Colombia adiciona a la gasolina un 10% de etanol.
En general la literatura proporciona maravillas acerca de las celdas de combustible pero no revelan toda la verdad al respecto. Lo cierto es que esta tecnología es sumamente costosa, utiliza materiales escasos sobre la corteza terrestre y además es un producto perecedero puesto que su funcionamiento es similar a las baterías. Esta tecnología, salvo un nuevo descubrimiento en el área de materiales, quedará como un mero ‘juguete de investigación’.
11 Bibliografía
• Celda de Combustible Hidrogeno/Oxigeno, Edgar Alberto Medina
• Análisis de celda de combustible del tipo membrana de intercambio de protones, autor: Flor Ángela Andrade Sierra).
Libros:
• Wark, "Termodinámica", 5ªEd., McGrawHill, 1993
• Burghardt M., "Ingeniería Termodinámica". 2ª Ed. Harla, 1984
• Atkins P.W., "Físico-Química", 3ª
Ed., Addison Wesley Iberoamericana, 1991.
• Groover, Mikell P, Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas
• Cairos, E. J. y Liebhafsky., Energy Conversión 1969 P 9, 63 • Enciclopedia Microsoft® Encarta® 2005
Internet • http://www.cienciateca.com/fuelcells.html • http://usuarios.tiscali.es/casteasu/pilas.htm • ipen.gob.pe/site/publicaciones/ boletines/boletin_24_04.pdf • www.iie.org.mx/bolEA00/tenden01.pdf • http://www.worldwide.fuelcells.org/sp_base.cgim?template=sp_index • www.conae.gob.mx/work/sites/CONAE/resources/LocalContent/466/1/imag es/celdas.pdf • ruelsa.com/cime/boletin/b55COMBUSTIBLE-1.PDF • ruelsa.com/cime/boletin/b56COMBUSTIBLE-2.PDF • www.iie.org.mx/bolEA00/tenden01.pdf • http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/aplicaciones.htm • www2.ing.puc.cl/~iing/ ed433/anales/celdasCombustible.htm • www.prodigyweb.net.mx/degcorp/Quimica/Niquel.htm
• bnamericas.com • kitco.com • portalminero.com • www.argenpress.info/nota.asp?num=003886 • http://www.tierramerica.net/2003/1104/losabias.shtml • http://cipres.cec.uchile.cl/~jrybertt/t2/Pagina4.html • http://www.claudio-otero.cl/fuel_cells/#ESTADOS%20UNIDOS%20Y • http://www.iie.org.mx/mproquim/Hidrogeno/ap_pag3.htm • http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2003/18mar_fuelcell.htm • http://www.humboldt.edu/~serc/spanish/h2fuel.html • http://www.hidrotec-fuelcell.com.ar/Celdas_esp.htm • http://www.conae.gob.mx/wb/distribuidor.jsp?seccion=466#celdas • http://www.generaciondistribuida.com/GenDisProdSer/Detail/0,2378,ai_IdnA ssoc_10953_ai_IdnLanguage_202,00.html • http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia16/HTML/articulo05.htm • http://www.frbb.utn.edu.ar/utec/6/n03.html • http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia21/HTML/articulo02.htm • http://www.maintenanceresources.com/ReferenceLibrary/Spanish/4.htm • http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2003/17apr_zeolite.htm • http://www.benwiens.com/energy4.html • http://www.eva.ac.at/opet/fcstrategy.htm • http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/aplicaciones.htm • http://www.cervantesvirtual.com/servlet/SirveObras/1292052532781049565 4435/p0000001.htm • www.etseq.urv.es/assignatures/ pge/apuntes/3E_fuelcell.pdf • http://www.fcway.com/fuel_cell_types_mcfc_es.htm