LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SUS APLICACIONES EN EL NEGOCIO DEL GAS

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LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SUS APLICACIONES EN EL

NEGOCIO DEL GAS

VICTOR BAEZ, WILLIAM GONZALEZ, VICENTE SANCHEZ Y

VALMORE RODRIGUEZ

PDVSA INTEVEP Caracas, Venezuela

Presentado en

XIV Convención Internacional de Gas de la

Asociación Venezolana de Procesadores de Gas (AVPG) Mayo 10 - 12, 2000

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LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE

Y SUS IMPLICACIONES EN EL NEGOCIO DEL GAS

Victor Báez Báez, William González, Vicente Sánchez, Valmore Rodríguez

Resumen

Las celdas de combustible son dispositivos electroquímicos eficientes para producir electricidad con muy bajas emisiones. En este trabajo, se presentará un análisis técnico económico para establecer las oportunidades en el uso del gas en celdas de combustible para aplicaciones estacionarias. Las características propias de las celdas de combustible las convierten en dispositivos altamente ventajosos en la producción combinada de potencia y calor para aplicaciones estacionarias. En este caso, el gas natural es el combustible por excelencia. Se han empleado las celdas de combustible que operan a bajas (phosphoric acid fuel cell, PAFC y solid polymer fuel cell, SPFC) y altas temperaturas (molten carbonate fuel cell, MCFC y solid oxide fuel cell, SOFC) para aplicaciones estacionarias. La más exitosa desde el punto de vista comercial hasta la fecha es la celda del tipo PAFC. Las otras celdas, a pesar de tener un alto potencial para esta aplicación, todavía no han sido demostradas del todo a niveles comerciales. Su demostración está prevista para los próximos dos o tres años. Se prevé una pronta implantación de las celdas del tipo SPFC (2000-2002), con hidrógeno reformado como combustible; mientras que para la producción combinada de potencia y calor en aplicaciones de gran escala en sectores comerciales, industriales y públicos, las celdas de alta temperatura, se vislumbran como ideales, en vista de que se podría reformar internamente el gas eliminando la necesidad de reformadores. Finalmente, se observa que las celdas de combustible podrían competir bastante bien con las tecnologías de máquina Diesel y turbina a gas para aplicaciones comerciales a gran escala, y con turbinas a gas para aplicaciones industriales. Al mismo tiempo, se prevé la integración de las celdas que operan a altas temperaturas con sistemas de generación de potencia, como las turbinas a vapor, para aumentar las eficiencias eléctricas hasta valores cercanos al 70%.

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AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, 2000. Página 3

Palabras claves: Celdas de combustible, gas natural, eficiencias, emisiones, potencia, aplicaciones estacionarias, oxígeno, hidrógeno.

Introducción

La necesidad de desarrollar dispositivos para producir energía de forma más eficiente y como consecuencia menos contaminante ha impulsado el desarrollo de nuevas tecnologías o la implantación de tecnologías existentes. La generación de energía con mayor eficiencia (sin limitaciones del ciclo de Carnot), la mejor adaptación a la protección del medio ambiente y la mayor flexibilidad en el uso y consumo de combustibles hacen de las celdas de combustible dispositivos cada vez más competitivos con las tecnologías convencionales de producción de energía. Las celdas de combustible son dispositivos electroquímicos que convierten la energía química de las reacciones de oxidación de un combustible y de reducción de un oxidante en energía eléctrica (corriente DC) y calor. Una celda de combustible no se agota ni requiere recarga, producirá energía en forma de electricidad (altas densidades de potencia y largos tiempos de duración) y calor mientras se le provea de combustible. La generación de electricidad es producto de una reacción catódica (reducción del oxígeno) y una reacción anódica (normalmente oxidación del hidrógeno). En este caso el único subproducto que se genera es agua 100 % pura como se muestra en las reacciones (1), (2) y (3). Existen diferentes tipos de celdas de combustible, las cuales operan a bajas temperaturas (80-200 °C) y altas temperaturas (650-1000 °C), y se prevé que se usen no solo en estaciones generadoras de potencia sino también en aplicaciones para vehículos y como dispositivos para reemplazar las baterías. En este trabajo, estaremos refiriéndonos exclusivamente a las aplicaciones estacionarias.

Reacción anódica: H2 2H+ + 2e- (1)

Reacción catódica: 1/2O2 + 2e- + 2H+ H2O (2)

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Fuerzas impulsoras de las celdas de combustible

A continuación se citan las principales razones que han impulsado el reciente interés en las celdas de combustible: (i) altas eficiencias en vista de que no existen limitaciones termodinámicas del ciclo de Carnot, (ii) bajas emisiones de contaminantes, lo que se traduce en una ventaja desde el punto de vista ambiental, (iii) componentes con larga duración y bajos costos de mantenimiento (materiales reciclables), (iv) beneficios en la generación de energía y en el transporte automotor (muy bajas fluctuaciones de voltaje), (v) amplios rangos de energía (pocos vatios hasta cientos de megavatios) y (vi) diversificación del suministro de energía global.

Desde el punto de vista termodinámico, se ha demostrado que una celda de combustible es capaz de convertir totalmente la energía química de una reacción en energía eléctrica en un solo paso, lo que se traduce en una mayor eficiencia. En trabajos previos [1-5], se muestra que las eficiencias teóricas (termodinámicas) para las celdas de combustible son altas inclusive a bajas temperaturas, mientras que para las máquinas de combustión interna, las eficiencias son muy bajas inclusive a altas temperaturas. Por otro lado, la eficiencia total o real de las celdas de combustible para producir energía depende exclusivamente de su diseño y solo puede ser obtenida experimentalmente. En la Figura 1 se muestran las eficiencias reales de diferentes tecnologías para la producción de potencia en función de la escala de potencia generada. Se puede observar que las celdas de combustible presentan eficiencias superiores que el resto de los sistemas de combustión para cualquiera de los niveles de capacidad de potencia [1].

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Figura 1 Eficiencias reales obtenidas para diferentes tecnologías en función de la

escala de potencia generada [1].

Definitivamente, desde el punto de vista de emisiones, las celdas de combustible representan ventajas competitivas para aplicaciones estacionarias. En la Conferencia de Kyoto celebrada en Japón en 1997, se acordó reducir las emisiones para el año 2010 en los países industrializados en un 26 % con respecto a lo esperado para el año 2010 [6]. De manera de comparación, en la Figura 2 se muestran las emisiones entre una celda de combustible de alta temperatura (SOFC) y una planta eléctrica empleando diferentes combustibles. Se puede observar que las celdas de combustible generan electricidad con mucho menor cantidad de contaminantes (entre 30-50% de reducción) por unidad de energía producida (MWh) lo cual las convierte en dispositivos electroquímicos no sólo más eficiente sino también más amigables desde el punto de vista ambiental. En lo que respecta a las emisiones de CO2, la compañía petrolera Mobil

muestra claramente como se pretende con las celdas de combustible aumentar las eficiencias y por lo tanto disminuir las emisiones de CO2 [7].

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0 2 4 6 8 10 12 14 Emisiones (Kg contaminante / MWh) Carbón Petróleo Gas Gas Carbón Partículas Hidrocarburos NO2 SO2

Figura 2 Emisiones generadas (Kg de contaminante / MWh) para una celda de

combustible de alta temperatura (SOFC) y para una estación generadora de potencia estacionaria empleando diferentes combustibles.

Clasificación, principios y características de las celdas de combustible

Existen por lo menos cinco diferentes tipos de celdas de combustible, las cuales se diferencian por sus constituyentes y por la temperatura de operación. Desde el punto de vista de la temperatura, podemos clasificarlas en celdas que operan a bajas y altas temperaturas [1-3, 8]. Dentro de las celdas de combustible que operan a bajas temperaturas (70 °C - 210 °C) tenemos fundamentalmente cuatro tipos de celdas:

(i) celda de combustible con electrolito sólido de membrana protónica (“solid polymer fuel cell”, SPFC o “protonic exchange membrane”, PEM),

(ii) celda de combustible con electrolito acuoso básico (“alkaline fuel cell”, AFC), (iii) celda de combustible de ácido fosfórico (“phosphoric acid fuel fell”, PAFC) y (iv) celda de combustible de metanol (“direct methanol fuel cell”, DMFC).

De estas, sólo las del tipo SPFC y PAFC poseen potencial para aplicaciones estacionarias. En la Figura 3 se muestran los elementos básicos de una celda de

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combustible de H2 y O2 que opera a baja temperatura. Está constituida de un electrolito

(conductor iónico), el cual puede ser sólido o líquido (membrana polimérica protónica, solución de KOH o solución de H3PO4), íntimamente en contacto con un ánodo poroso

(electrodo negativo) y un cátodo poroso (electrodo positivo, normalmente referido como electrodo de aire o electrodo de oxígeno). Los gases combustibles y oxidantes fluyen a través del ánodo y cátodo, respectivamente, y reaccionan electroquímicamente en la región límite donde se encuentran las tres fases, gas / electrolito / interface electrodo poroso.

Ánodo Membrana Cátodo

protónica, H₃PO₄, KOH

e

-Oxidante no reaccionado y H₂O (vapor)

Entrada del oxidante (aire) Combustible no reaccionado Entrada del combustible (H₂) H+ H₂ H₂ 2H+_{+ 2e} -O₂ H₂O 1/2O₂ + 2e-_{+ 2H}+_H 2O

Figura 3 Esquema de una celda de combustible de baja temperatura de operación (70

- 210 °C) con hidrógeno como combustible y aire como oxidante.

Estas celdas que operan a bajas temperaturas generan altas densidades de corriente, para lograr este rendimiento, requieren emplear materiales nobles como electrodos, lo que las hace costosas y sensibles a la presencia de impurezas (específicamente CO). En el caso de las celdas del tipo SPFC, se requiere adicionalmente mantener húmedas las membranas para aumentar la conductividad iónica de las mismas, lo que limita las temperaturas de operación, las cuales no pueden ser superiores a los 90 °C. En la Tabla 1 se muestran las condiciones operacionales y los componentes que constituyen típicamente a las celdas que operan a bajas temperaturas y que pueden ser empleadas para aplicaciones estacionarias [1-3, 5, 8-10].

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Tabla 1 Condiciones operacionales y componentes que constituyen las celdas de combustible que operan a bajas temperaturas y que pueden ser empleadas para aplicaciones estacionarias.

SPFC (membrana) PAFC (H3PO4)

Eficiencia eléctrica/ % _•32 – 40 • 36 – 45

Energía térmica / Btu h-1 _•810000 a 74 °C • 700000 a 60 °C

Eficiencia térmica / % • hasta 40 • 45

Utilización / % • 80 - 90 • 85 (meta 90)

Temperatura / °C • 70 - 90 • 180 - 210

Electrolito

• Membrana protónica

• (DuPont-Nafión, Asahi, Ballard, Dow Chemicals, Dais)

• 100 % H3PO4

(PTFE-SiC soporte del electrolito)

Cátodo • Pt / C / PTFE

(0,2 mg Pt cm-2)

• Pt / C (Vulcan XC-72) / PTFE (0,5 mg Pt cm-2) (Papel de carbón como soporte) Ánodo

• Pt / C / PTFE (0,2 mg Pt cm-2)

• 80 % Pt - 20 % Ru (100 ppm CO)

• Pt / C / PTFE (0,1 mg Pt cm-2) (Papel de carbón como soporte) Presión • Atmosférica (no se altera

significativamente la eficiencia) • 1 - 10 atm. Combustible

• H2

• H2 de reformado (CO < 10 ppm)

• H2 de reformado del gas natural (80% H2 - 20% CO2)

(CO < 1%)

Oxidante • Aire

• Funciona mejor con O2 puro

• Aire

Carga móvil • H+ • H+

Dirección de la carga • Ánodo-cátodo • Ánodo-cátodo

Por otro lado, tenemos las celdas de combustible que operan a altas temperaturas (550 °C y 1100 °C):

(i) celda de combustible con electrolito sólido de sales fundidas de carbonato (“molten carbonate fuel cell”, MCFC) y

(ii) celda de combustible de electrolito sólido de óxidos (“solid oxide fuel cell”, SOFC).

En este caso, ambos tipos de celdas pueden ser perfectamente empleadas para aplicaciones estacionarias. En la Figura 4 se muestra una representación esquemática de una celda de combustible de alta temperatura con electrolito sólido de óxido (SOFC). En este caso, el funcionamiento de la celda difiere de las que operan a bajas temperaturas, descritas anteriormente. Aquí (Figura 4), el O2 (oxidante) es introducido

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en el compartimiento catódico, donde se hace reaccionar con el electrocatalizador apropiado para producir iones O= (reacción (4)), los cuales migran a través del electrolito sólido (óxido) hacia el compartimiento anódico para reaccionar con los combustibles H2, CO o CH4 (reacciones (5) - (7)) también en presencia de catalizadores

apropiados. En el caso de que el combustible sea un hidrocarburo gaseoso como el CH4, éste puede también ser reformado internamente en la celda, por las altas

temperaturas y en presencia de catalizadores apropiados, para producir internamente el H2 necesario para reaccionar con el O= proveniente del cátodo (reacción (6)). La

eficiencia para la generación de electricidad es mayor cuando se reforma internamente el combustible ya que las perdidas de calor son menores. Cuando se emplean combustibles a base de hidrógeno y carbón, los principales productos serán CO2 y H2O

(reacciones (8) - (10)). Reacción catódica: O2 + 4e- 2O= (4) Reacciones anódicas: 2H2 + 2O= 2H2O + 4e- (5) 2CO + 2O= 2CO2 + 4e- (6) 1/2CH4 + 2O= H2O + 1/2CO2 + 4e- (7) Reacciones globales: 2H2 + O2 2H2O (8) 2CO + O2 2CO2 (9) 1/2CH4 + O2 1/2CO2 + H2O (10)

El funcionamiento de las celdas de combustible que operan a altas temperaturas con electrolito sólido de sales fundidas de carbonato (MCFC) difiere de la celda descrita anteriormente en la Figura 4. En este caso, el oxidante, generalmente O2, es introducido

en el compartimiento catódico, donde se hace reaccionar con el CO2 en presencia de

electrocatalizadores apropiados para producir iones CO3=, los cuales migran a través

del electrolito (sales fundidas de carbonato) hacia el compartimiento anódico para reaccionar con los combustibles H2 o CO también en presencia de electrocatalizadores

apropiados. Al igual que en la celda anterior, en el caso de que el combustible sea un hidrocarburo gaseoso como el CH4, éste puede ser reformado internamente en la celda,

por las altas temperaturas y en presencia de catalizadores apropiados, para producir el H2 necesario y reaccionar con el CO3= proveniente del cátodo.

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Ánodo Electrolito Cátodo sólido

(óxido)

Oxidante no reaccionado

Entrada del oxidante (aire) Combustible no reaccionado y productos (H2O, CO2) Entrada del combustible (H₂, CH₄, CO) e -O= O₂ O₂ + 4e-_2O= H2 H₂O 2H2 + 2O= 2H2O + 4e -2CO + 2O=_2CO 2 + 4e -1/2CH4 + 2O= H2O + 1/2CO2 + 4e

-Figura 4 Esquema de una celda de combustible de alta temperatura de operación

(1000 °C) y electrolito sólido de óxidos con H2, CO o CH4 como combustible y aire como oxidante.

Estas celdas que operan a altas temperaturas presentan la ventaja de que pueden emplearse al mismo tiempo como reformadores del combustible debido a sus altas temperaturas, por lo que se podría pensar en el uso directo de diferentes combustibles, siendo poco sensibles a las concentraciones de contaminantes (específicamente CO). Al mismo tiempo, estas celdas generan suficiente calor, el cual contribuye a incrementar las eficiencias para la producción de electricidad (producción combinada de potencia y calor), las cuales son mayores que las obtenidas por las celdas de bajas temperaturas. Por otro lado, estas celdas son sistemas complejos y en la actualidad costosas. En la Tabla 2 se muestran las condiciones operacionales y los componentes que constituyen a las celdas de combustible que operan a altas temperaturas y que pueden ser perfectamente empleadas para aplicaciones estacionarias [1-3, 5, 8-10].

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Tabla 2 Condiciones operacionales y componentes que constituyen las celdas de combustible que operan a altas temperaturas y que pueden ser empleadas para aplicaciones estacionarias.

MCFC (Sales fundidas) SOFC (Óxidos)

Eficiencia / % _•_{50 - 60%} _•_{50 - 55%}

Eficiencia térmica / % _•_{> 40} _•_{> 40} Energía térmica / Btu h-1 _•_{4,2 MM} _•_-- Aprovechamiento / % _•_{> 90} _•_{> 90}

Temperatura / °C _•_{550 – 650 °C} _•_{1000 - 1100 °C} Electrolito _•_{Carbonato fundido}

(62% Li2CO3 – 38% K2CO3) (50% Li2CO3 – 50% K2CO3) (50% Li2CO3 – 50% Na2CO3)

• ZrO2 dopado con ytrio entre otros

• CeO2 (temperaturas < 700 °C)

• LaGaO3 (temperaturas < 700 °C)

Cátodo _•_NiO

• Ferrato de litio

• Manganato de litio dopados Co, Cu y Mg

• Titanio

• Aleaciones Ni – Au y Ni - Al

• LaMnO3 dopado con Sr

Ánodo _•_{Aleación Ni - Cr (10% p/p)} (0,1-1 m2 g-1)

• N i ( p o r o s o ) - Z r O2

• La0,8Ca0,2CrO3 (temperaturas < 700 °C)

Presión _•_{1 - 10 Atm.} _•_{1 Atm.}

Combustible _•_H₂ • CO • CH4 (Reformación interna de gas natural) • H2 • CO

• CH4 (Reformación interna de gas natural)

Oxidante _•_Aire _•_Aire

Carga Móvil _•_CO₃= _•

O=

Dirección de la carga _•_{Cátodo – ánodo} _•_{Cátodo – ánodo}

Sistemas de celdas de combustible

Las celdas de combustible son dispositivos altamente ventajosos en la producción combinada de potencia y calor para aplicaciones estacionarias. La selección de la celda apropiada dependerá de los niveles de potencia y calor que se requieran. Por ejemplo, para aplicaciones residenciales, los requerimientos de un hogar en horas picos son de 5 kW de potencia. En este caso las celdas del tipo SPFC, PAFC y SOFC se visualizan como ideales en vista de que pueden suministrar electricidad, agua caliente y el calor necesario para satisfacer los requerimientos generales de una residencia, restaurantes y algunos hoteles (2-50 kW) con muy altas eficiencias. Las celdas del tipo MCFC no aplican para pequeñas instalaciones debido a la complejidad de los equipos necesarios

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para recircular el CO2.

Para aplicaciones comerciales e industriales con requerimiento de potencia y calor, se han empleado celdas del tipo PAFC, MCFC y SOFC. En el caso particular de la celda del tipo PAFC, esta se ha empleado particularmente para aplicaciones donde no se requiera de altas temperaturas. Para aplicaciones que requieran altas temperaturas, como por ejemplo calentamiento de agua, las celdas del tipo MCFC y SOFC se vislumbran como ideales.

Se prevé la utilización de celdas de combustible en aplicaciones estacionarias a muy corto plazo, para la producción combinada de potencia y calor de gran escala en sectores comerciales, industriales y públicos. Para estas aplicaciones a gran escala, podrían emplearse las celdas del tipo SPFC, PAFC, MCFC y SOFC. Sin embargo, las celdas del tipo SPFC están limitadas como consecuencia de sus bajas temperaturas de operación. Las del tipo PAFC presentan mayores aplicaciones comerciales donde se requieren bajas temperaturas de calentamiento (agua caliente y vapor). Por su parte, las celdas de alta temperatura, MCFC y SOFC, son ideales para aplicaciones industriales donde se necesiten altas temperaturas de calentamiento. En general, se observa que las celdas de combustible compiten bastante bien con las tecnologías de máquina diesel y turbina a gas para aplicaciones comerciales a gran escala y con turbinas a gas para aplicaciones industriales.

Principales desarrollos

En la Tabla 3 se muestra el avance tecnológico de las diferentes celdas de combustible empleadas o propuestas para aplicaciones estacionarias. En lo que respecta a las celdas de combustible que operan a bajas temperaturas (SPFC y PAFC), la celda del tipo PAFC es la que se encuentra más avanzada para la producción combinada de potencia y calor en aplicaciones estacionarias de gran escala en sectores comerciales, empleando como combustible H2 reformado a partir del gas natural. ONSI Corporation,

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comercializa este tipo de celda, ha vendido más de 170 unidades de su modelo PC25 con una capacidad de 200 kW de potencia, eficiencia eléctrica del 40% y eficiencias térmicas mayores del 80 % con la recuperación de calor [2, 3, 5, 8, 9, 11-13]. La celda de combustible de PAFC con mayor capacidad instalada (11 MW de potencia) se encuentra en operación en Japón desde el año 1993. En la Figura 5 se muestra un esquema simplificado de esta planta generadora de potencia estacionaria [8]. Para mantener la potencia de este sistema, se requiere de un flujo molar de gas natural (90% CH4) de 115,1 Kg-mol h-1 (flujo másico de 1997 kg h-1).

Tabla 3 Avance tecnológico de las diferentes celdas de combustible empleadas o

propuestas para aplicaciones estacionarias.

SPFC PAFC MCFC SOFC

MADUREZ Media Alta Media Baja

AVANCE TECNOLÓGICO (Producción eléctrica actual) Prueba pre-comercial (7-250 kW) Comercial (200 kW) Planta prototipo (11MW) Demostración comercial (2 MW) Prototipo (250 kW) Prueba de campo (100 kW)

Recientemente, se ha demostrado el uso de celdas del tipo SPFC para aplicaciones estacionarias residenciales [2, 3, 8, 9, 12, 13]. Ballard Power Systems en Canada, Plug Power y Energy Partners en EE.UU. y DeNora en Italia, representan las principales compañías interesadas en el desarrollo de este tipo de celdas para aplicaciones estacionarias. Hasta la fecha el desarrollo más exitoso para esta aplicación lo representa el prototipo desarrollado y comercializado por Ballard Generation System (BGS, compañía conformada por Ballard Power Systems, GPE International y GEC Alsthom), la cual emplea una celda de 250 kW de potencia (Tabla 3). En la Figura 6, se muestra un esquema simplificado de una planta estacionaria de generación de potencia de esta compañía [8]. En este caso una de las principales etapas consiste en la oxidación selectiva del CO proveniente de la reformación del gas natural. Esto para evitar el envenenamiento de los electrodos de platino.

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Aire Compresorde aire

Gases de

escape Turbo

expansor expansorTurbo

quemador auxiliar CECC PAFC enfriador cátodo anodo Ventilador Reciclo del gas combustible

Removedor de azufre Reformador de vapor Gas natural Conv. alta temp. Conv. baja temp. Potencia neta / MW Eficiencia eléctrica / % LHV Eficiencia eléctrica / % HHV Velocidad de calentamiento / Btu/kWh, LHV

12,31 48,4 43,7 7050

LHV= Low Heating Value HHV= High Heating Value

Figura 5 Esquema simplificado de una planta generadora de potencia estacionaria de

capacidad 12,3 MW empleando celdas de combustible del tipo PAFC de IFC [8]. Gas combustible Limpieza del combustible aire enfriador Combust. gaseoso separador de agua Agua Tanque de agua Vaporizador aire enfriador escape oxidador selectivo c o n v

capacidad 250 kW empleando una celda de combustible del tipo SPFC de Ballard [8].

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En lo que respecta a las celdas de alta temperatura del tipo MCFC la primera demostración comercial se llevó a cabo en Santa Clara California por la compañía Energy Research Corporation (ERC) con una capacidad de 2MW de potencia (Tabla 3) [2, 3, 8, 9, 12-14]. Es de notar que en este sistema el gas natural es reformado en el interior de la celda para producir el H2 empleando el calor generado por esta,

eliminando así la necesidad de colocar reformadores. ERC también trabaja en la implantación y prueba de la planta de 3 MW de potencia, empleando este esquema de reformación interna del gas natural en la celda. En la Figura 7 se muestra un esquema simplificado de esta planta estacionaria de generación de potencia [8]. Para la producción continua de 3 MW de potencia, se requiere alimentar a la celda con un flujo molar de gas natural de 47 lbs-mol h-1 con vapor (74 lbs-mol h-1). ERC también demostró recientemente con éxito su prototipo de 250 kW.

capacidad 3 MW empleando una celda de combustible del tipo MCFC de ERC [8]. En este caso el gas natural es reformado internamente en la celda empleando el calor generado por esta.

Gas natural 59° F 47 lbs-mol h -1 Gases de escape GN / Vapor Comb. limpio Limpieza de combustible Vapor Generador de vapor Cátodo alimentador CO2_aire Anodo convert. escape Combustible gastado CO₂ H₂O H₂ Agua 59° F 74 lbs-mol h -1 Aire 59° F 708 lbs-mol h -1 Escape o desecho de caldera de alta temperatura 59° F

74 lbs-mol h -1

Potencia neta / MW Eficiencia eléctrica / % LHV

Velocidad calentamiento / Btu/kWh, LHV 2,8 58 5900 LHV= Low Heating Value

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Por otro lado, M-C Power Corporation demostró con éxito su prototipo de 250 kW en San Diego California [2, 3, 8, 9, 12-14]. En estos momentos M-C Power Corporation, trabaja en el desarrollo de un prototipo comercial de 500 kW de potencia, el cual estará comercialmente disponible en el año 2002. En la Figura 8, se muestra un esquema simplificado de una planta generadora de potencia estacionaria de 1 MW diseñado por esta compañía. En este caso y a diferencia del caso anterior, la reformación del gas natural se lleva a cabo fuera de la celda.

Gas

natural _Tratamiento combustible

Reformador de gases de escape

Aire comprimido Aire Oxidante gastado Comb. gastado Escape Agua Caldera Tubos: 600°F, 30 psig Casco: 1000° F, 2 psig Vapor Potencia neta / MW Eficiencia eléctrica / % LHV Eficiencia cogeneración % LHV

Velocidad de calentamiento / Btu/kWh, LHV

1 54 73 6300 gas Reform. Vapor 1.400°F 30 psig

LHV= Low Heating Value HHV= High Heating Value

capacidad 1 MW empleando una celda de combustible del tipo MCFC de M-C Power Corporation [8]. En este caso el gas natural es reformado fuera de la celda.

En lo que respecta a las celdas del tipo SOFC la compañía Siemens Westinghouse Power Corporation desarrolló un prototipo de 100 kW de potencia [2, 3, 9, 13]. Recientemente, se reportó la culminación exitosa del primer año de prueba (operación) de este prototipo [15]. Este sistema se encuentra conectado a la red suministrando una potencia continua de 110 kW con una eficiencia eléctrica no inferior al 46 %. Al mismo tiempo, el sistema ha contribuido al suministro de agua caliente del área. Esta compañía prevé tener su prototipo disponible comercialmente para el año 2004.

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Se ha evaluado la integración de celdas de combustible con sistemas de generación de potencia y se ha demostrado que en el caso de las celdas de combustible del tipo MCFC integradas con turbinas a vapor, se aumentarían las eficiencias eléctricas hasta valores cercanos al 65%, mientras que para las celdas del tipo SOFC las eficiencias aumentarían hasta valores cercanos al 70%. En el caso de las celdas del tipo SOFC integradas con sistemas de turbinas de ciclo combinado de gas y vapor la eficiencia eléctrica alcanzaría valores superiores al 80%. Los sistemas convencionales más eficientes de producción de electricidad (ciclos combinados de turbina a gas) poseen eficiencias del 52% y se piensa que se podría llegar en un futuro a un máximo de 60%. Definitivamente, la integración de celdas de combustible con otros sistemas de generación de electricidad representaría el sistema más eficiente para la producción de electricidad con muy bajas emisiones de CO2 y prácticamente cero emisiones de NOx,

SOx y CO.

Economía de las celdas de combustible

La economía de las celdas de combustible debe estar dentro del contexto de la aplicación que se le quiera dar. Las razones económicas han limitado la pronta implantación de este tipo de tecnología ya que en el estado actual de desarrollo las celdas de combustible son costosas para competir con el resto de las tecnologías. Sin embargo, se prevé que una producción masiva podría tener un efecto importante sobre la reducción de costos de estos dispositivos en cualquiera de las aplicaciones. Todavía son necesarios algunos desarrollos para disminuir aún más los costos por kW de potencia producida empleando celdas de combustible y para lograr una pronta implantación de esta tecnología. Por otro lado, con el aumento de las regulaciones ambientales y sus correspondientes mecanismos de presión (impuestos, entre otros), las celdas de combustible poseen grandes ventajas, ya que sus costos no se verían afectados por los impuestos por contaminación como consecuencia de estas restricciones ambientales.

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Un informe reciente de la Business Communications Company, Inc. [16], muestra que el mercado de celdas de combustible para el año de 1998 se situó en el orden de los $355 millones, con predicciones a alcanzar el total de $1,3 MMM para el año 2003 con una tasa de crecimiento anual promedio del 29,5 %, un negocio nada despreciable. Esta compañía también reporta que en la actualidad el mayor crecimiento anual promedio lo poseen las celdas del tipo PAFC con un 43,6 %. Previéndose a corto plazo un desplazamiento por las celdas del tipo SPFC. En la actualidad, el segundo mercado lo poseen las celdas del tipo MCFC con un crecimiento anual promedio del 28,5 %.

Por otro lado, en un estudio realizado por el SRI Consulting Group [17] se muestran las proyecciones del mercado mundial para los años 2004 y 2009 en celdas de combustible por tipo de aplicación. Se observa en la Figura 9 que para el año 2009, se prevé que el negocio de celdas de combustible alcance aproximadamente el total de $ 2,3 MMM (dólares 1999), donde la mayor participación en el mercado será del segmento de generación de electricidad para la red.

La economía para aplicaciones estacionarias es compleja y depende de la escala a la cual se hace referencia, es decir, residencial, comercial o industrial. En la Tabla 4 se muestran los costos de capital y de generación de electricidad actuales y esperados con la implantación comercial de la tecnología de las celdas de combustible empleadas para aplicaciones estacionarias. La oportunidad de mercado más atractiva para el uso de celdas de combustible en el presente es en aplicaciones donde se requiere de una calidad de potencia muy alta (premium power). El costo de capital o inversión de este tipo de energía en EE.UU. se encuentra en el orden de los $1000 y $4500 / kW. Las celdas de combustible, específicamente las de PAFC de 200 kW (PC25), compiten muy bien en este tipo de mercado. Una de las excelentes experiencias de esta celda es la del Riverside Medical Centre en EE.UU. donde su PAFC les ha generado ahorros de hasta $150000 anuales [9].

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AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, 2000. Página 19 0 0,5 1 1,5 2 2,5 1999 2004 2009 Conexión a la red Generación de energía portátil, en sitio y otros Motores para transporte

Menor a $ 100 MM MMM US $ DE 19 99

Figura 9 Proyecciones del mercado mundial en celdas de combustible por tipo de aplicación. Proyecciones para los años 2004 y 2009 [17].

Tabla 4 Costos de capital y de generación de electricidad actuales y esperados con la

implantación comercial de la tecnología de las celdas de combustible empleadas para aplicaciones estacionarias.

SPFC PAFC MCFC SOFC

CAPEX

($/kW) 6500 3000 5000-10000 50000-100000

OPEX Bajo Bajo Medio Alto

E C O N O M I A Nivelado* (c$/KWh) 14,6 7,2 16,4 157 IMPLANTACIÓN COMERCIAL COMPETITIVA (Costos de producción eléctrica a escala comercial) 2002+ ($500-3000/kW) 1993 ($2000-3000/kW) Para el 2002+ ($1500/kW) 2002+ ($1200-1800/kW) Para el 2010+ ($500-1000/kW) 2008+ ($500-2000/kW) SISTEMAS COMBINADOS COGENERACIÓN (Costos de producción eléctrica a escala comercial) -- 2002+ (70-80 % de eficiencia) (<$1500/kW) 2005+ (65-70 % de eficiencia) ($300-500/kW) 2008+ (70-80 % de eficiencia) ($300-500/kW)

* Parámetros empleados para el calculo de nivelado: 6000 horas de operación; $20 / kW-año; $0,8 / MM BTU como costo promedio del gas en Venezuela y velocidad de calentamiento teórica de 3412 Btu / kWh con 100 % de eficiencia.

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Las celdas del tipo SPFC y SOFC se vislumbran ideales para pequeñas aplicaciones residenciales, donde se requiere la generación de potencia y calor. Estas compiten muy bien con la electricidad de la red o la producida por calentadores de gas (gas boilers), mientras que los sistemas de microturbinas así como las bombas de calor (heat Pumps) son altos competidores de las celdas de combustible. Para las celdas del tipo SPFC, Ballard estima los costos de capital de su celda de 250 kW de potencia operando con gas natural en el orden de los $6500 / kW. Para las celdas del tipo SOFC, los costos son por los momentos mucho más elevados, sin embargo, el objetivo es reducir éste hasta valores de $2000 / kW en los próximos 10 años. A diferencia de los casos anteriores, en este tipo de celda no se requiere de hidrógeno puro y al mismo tiempo se puede recuperar el calor generado lo cual contribuiría significativamente en la disminución de costos.

En lo que respecta a las celdas del tipo MCFC, la compañía Fuel Cell Energy (antes ERC) muestra su prototipo de MCFC de 250 kW, el cual prevén comercializar para comienzos de este milenio. Esta compañía también trabaja en la implantación y prueba de la planta de 3 MW de potencia, la cual tendrá un costo de capital de $1200 / kW, altamente competitiva en comparación a una estación generadora de potencia basada en turbina a gas, $1000 / kW, considerando las eficiencias, contaminación ambiental (emisiones) y sonora (ruido) que se obtienen con ambos sistemas [9, 12, 14]. En general, se prevé que los costos de capital de las celdas que operan a altas temperaturas para distribución de potencia estén en el orden de los $1800 / kW a comienzos de este milenio y costos entre $750 y $1000 / kW para el 2010 [9].

Para el caso de aplicaciones de generación de electricidad a gran escala, el competidor natural es la electricidad de la red, generada a partir de plantas termoeléctricas que emplean combustibles fósiles y nuclear y plantas hidroeléctricas. Por lo tanto, y en vista del tiempo requerido para llevar a cabo una demostración de las tecnologías de celdas de combustible a este nivel y por los competidores existentes, esta aplicación luce como la más remota en comparación al resto de las aplicaciones descritas. Aquí, las tecnologías de celdas de combustible tendrían que competir con tecnologías como las

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de ciclos combinados de turbinas a gas con eficiencias del orden del 52% y costos de inversión bajos ($400-500 / kW).

Conclusiones

Las celdas de combustible son dispositivos electroquímicos eficientes para producir electricidad y calor con muy bajas emisiones en aplicaciones estacionarias. Hasta la fecha, las celdas de combustible son costosas para competir con el resto de las tecnologías. Sin embargo, una producción masiva podría tener un efecto importante sobre la reducción de costos de estos dispositivos. Por otro lado, con el aumento de las regulaciones ambientales y sus correspondientes mecanismos de presión (impuestos, entre otros), las celdas de combustible poseen grandes ventajas ya que sus costos no se verían afectados por los impuestos por contaminación como consecuencia de estas restricciones ambientales. El uso del gas natural como principal combustible en este tipo de aplicación, podría representar una excelente oportunidad de negocio para el uso de este recurso en vista de la tendencia a colocar sistemas descentralizados donde sólo se generará la electricidad necesaria.

En lo que respecta a las estaciones generadoras de potencia, se requiere de mayores demostraciones comerciales de manera de optimizar su desempeño bajo condiciones reales de operación. A pesar de la urgencia en la demostración comercial, se mantiene un gran esfuerzo en investigación y desarrollo en esta área. Hasta la fecha, las más exitosas desde el punto de vista comercial, son las celdas del tipo PAFC. Las otras celdas a pesar de tener un alto potencial para esta aplicación, todavía no han sido demostradas del todo a niveles comerciales, previéndose su demostración en los próximos dos o tres años. Para aplicaciones residenciales, se prevé una pronta implantación comercial de las celdas del tipo SPFC (2000-2002), mientras que para la producción combinada de potencia y calor en aplicaciones de gran escala en sectores comerciales, industriales y públicos, las celdas de alta temperatura, MCFC y SOFC, se vislumbran como ideales. En general, se observa que las celdas de combustible podrían competir bastante bien con las tecnologías de máquina Diesel y turbina a gas para

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aplicaciones comerciales a gran escala y con turbinas a gas para aplicaciones industriales (2005-2010).

Por último, las celdas de combustible son dispositivos altamente ventajosos en la producción combinada de potencia y calor para aplicaciones estacionarias. Se prevé, la implementación a corto plazo de estas celdas para aplicaciones residenciales (2000-2002), así como la integración de las del tipo MCFC y SOFC con sistemas de generación de potencia, como las turbinas a vapor, para aumentar las eficiencias eléctricas hasta valores cercanos al 70% en aplicaciones industriales (2005-2010).

Referencias

1. Kordesch, K.; Simader, G. Fuel cells and their applications.; VCH; New York; 1996.

2. Báez, V.; Rodríguez, V. Celdas de combustible. Presente, futuro y su impacto en la industria petrolera. Acta Científica Venezolana, Vol. 50, N° 1, 1999.

3. Báez, V.; González, W.; Aponte, G.; Rodríguez, V. Las celdas de combustible: fuente energética del futuro. Visión Tecnológica, en imprenta, 2000.

4. Bockris, J. O’ M.; Khan S. U. M. Surface electrochemistry. A molecular level

approach; Plenum Press, New York; 1993.

5. Báez, V.; González, W.; Sánchez, V.; Rodríguez V. Celdas de combustible.

Presente, futuro y su impacto en la industria petrolera. Inf. Técn. N° INT-6792,1999;

PDVSA-Intevep, 1999.

6. Energy Information Administration. International Energy Outlook, 1998.

7. Climate: Technology and carbon dioxide emissions. A global review and assessment. Mobil Corporation, 1999.

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AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, 2000. Página 23 8. Fuel cell Handbook. Fourth edition, U.S. Department of Energy; 1998.

9. Hart, D.; Bauen, A. Fuel cells, clean power, clean transport, clean future. London: Financial Times Energy; 1998.

10. Kinoshita, K. Electrochemical oxygen technology. New York: John Wiley & Sons; 1992.

11. Parkinson, G. Fuel cells: generating clean power onsite. Chemical Engineering, 106: 43-45, enero 1999.

12. Lloyd, A. C. The power plant in your basement. Scientific American, 281: 64-69, julio 1999.

13. Báez, V.; González, W.; Martínez, I.; Méndez, R.; Rodríguez, V.; Rodríguez, D.; Sanjuan, X.; Energías Alternas. PDVSA-Intevep, Vol. 1, Boletín N° 1, agosto 1999.

14. Leitman, J. D. Direct carbonate fuel cells: Nearing commercialisation for efficient power generation. Fuel cells Bulletin, N° 12, 1999.

15. U.S. Department of Energy. Solid oxide fuel cell reaches one year of operations.

DOE Fossil Energy Techline, 31 de enero 2000.

16. Environmental Information Networks, Inc. BCC report predicts future market for fuel cell. Electric Vehicles Energy Network Online Today, octubre 1999.