I Ciclo de Conferencias de la Cátedra para la Diversificación Industrial y Tecnológica
Generación de energía
Pilas de Combustible
Dra. Loreto Daza Bertrand
Jefe del Grupo de Pilas de Combustible – Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC)
Jefe de la Unidad de Pilas de Combustible e Integración de Sistemas (CIEMAT) Presidente de la Asociación Española de Pilas de Combustible – APPICE
El presidente Bush apuesta por nuevas tecnologías para derrotar la
“adicción” de Estados Unidos por el petróleo
En su discurso anual a la nación, el presidente de los Estados Unidos George Bush ha declarado que el desarrollo de
nueva tecnología energética es la clave para reducir la dependencia del petróleo. Añadió que la innovación
tecnológica en el desarrollo de nuevos combustibles y sistemas de potencia podría dictar el futuro del mercado energético en los Estados Unidos.
En discursos anteriores, ha respaldado iniciativas de investigación y desarrollo en pilas de
“América está a punto de lograr un gran avance tecnológico que nos permita
seguir con nuestras vidas de una forma menos dependiente del petróleo”
“Es de vital interés para el país diversificar el suministro de energía, y el modo
Pila de Combustible
H
2
+ ½ O
2
H
2
O + Energía
H
22H
++ 2e
-½ O
2+ 2H
++ 2e
-H
2
O
Dispositivo electroquímico que convierte la
energía química de reacción directamente en
energía eléctrica, mientras que se suministre combustible y oxidante a sus electrodos, sin más limitaciones que los procesos de degradación o mal funcionamiento de los componentes
Pila de Combustible
GAS RICO EN HIDRÓGENO Procesador INVERSOR AC DC AGUA COMBUSTIBLE OXÍGENO (AIRE)PRECALENTAMIENTO PROCESADOR CALOR COGENERACIÓN GAS RICO EN HIDRÓGENO GAS RICO EN HIDRÓGENO Procesador Procesador INVERSOR AC DC INVERSOR AC INVERSOR AC DC AGUA AGUA COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE OXÍGENO (AIRE) OXÍGENO (AIRE)
PRECALENTAMIENTO PROCESADOR CALOR COGENERACIÓN PRECALENTAMIENTO PROCESADOR
PRECALENTAMIENTO PROCESADOR CALOR COGENERACIÓN
Ventajas
• Bajo impacto
medioambiental: “Energía
limpia”
• Alto rendimiento
• Sin partes móviles:
silenciosas, menor
mantenimiento
• Carácter modular
• Flexibilidad de combustibles
• Variedad de aplicaciones
• Alto coste: materiales,
sistemas
• Fiabilidad no demostrada
para uso comercial
• Bajo nivel de desarrollo:
escala I+D+i
• No existen unidades
comerciales “reales”
• Pocos fabricantes
• …
Inconvenientes
• Pila de combustible polimérica
PEMFC
Proton Exchange Membrane Fuel Cell - Polymer Electrolyte Fuel Cell PEFC
• Pila de combustible de metanol directo
DMFC
Direct Methanol Fuel Cell• Pila de combustible alcalina
AFC
Alkaline Fuel Cell• Pila de combustible de ácido fosfórico
PAFC
Phosphoric Acid Fuel Cell• Pila de combustible de carbonatos fundidos
MCFC
Molten Carbonate Fuel Cell
• Pila de combustible de óxido sólido
SOFC
Aplicaciones
Equipos electrónicos portátiles residencial & móvil Generador Cochesbarcos potencia distribuidaGenerador dePotencia
(W)
1 10 100 1k 10k 100k 1M 50M Rango de aplicaciones de los diferentes tipos de pilas de combustibleAFC
MCFC
SOFC
PAFC
DMFC
PEMFC
Aplicaciones
Normativa
Normativa: IEC/TC105
Colaboraciones
• ISO/TC 22 SC 21 (Vehículos eléctricos por carretera)
• ISO/TC 197 (Tecnologías de Hidrógeno)
• IEC/TC 31 (Aparatos eléctricos para atmósferas explosivas)
Objetivo
Preparar estándares internacionales sobre tecnologías en pilas de combustible, en
aplicaciones estacionarias, transporte, portátiles y microsistemas.
Los estándares deberán servir los requerimientos de fabricantes, montadores de
sistemas, instaladores y usuarios. Además, considerar el interés de autoridades
locales, fabricantes de componentes, distribuidores de combustible y el interés de
infraestructuras en torno a los sistemas.
IEC TC105 WG1 Terminología IEC 622821 WG2 Módulos IEC 622821 Sistemas Estacionarios WG6 Sistemas para Transporte (inactivo) WG7 Sistemas Portátiles IEC 622825 Microsistemas WG11 Ensayos en monoceldas PEMFC WG3 Seguridad IEC 622823-1 WG4 Ensayos y Funcionamiento IEC 622823-2 WG5 Instalación IEC 622823-3 WG8 Seguridad IEC 622826-1 WG9 Ensayos y Funcionamiento IEC 622826-2 WG10 Intercambiabilidad IEC 622826-3
Normativa: IEC/TC105
IEC TC105 WG1 Terminología IEC 622821 WG2 Módulos IEC 622821 Sistemas Estacionarios WG6 Sistemas para Transporte (inactivo) WG7 Sistemas Portátiles IEC 622825 Microsistemas WG11 Ensayos en monoceldas PEMFC WG3 Seguridad IEC 622823-1 WG4 Ensayos y Funcionamiento IEC 622823-2 WG5 Instalación IEC 622823-3 WG8 Seguridad IEC 622826-1 WG9 Ensayos y Funcionamiento IEC 622826-2 WG10 Intercambiabilidad IEC 622826-3
Normativa: IEC/TC105
Publicada IEC/IS 62282-1 (2005). Revisión 2008 Publicada IEC/IS 62282-2 (2004). Revisión 2010 Publicada IEC/IS 62282-3-1 (2007). Revisión 2010 Publicada IEC/IS 62282-3-2 (2006). Revisión 2009 Votado 105/152/FDISGrupo latente Publicada IEC/IS 62282-5-1 (2007). Revisión 2009 Votado 105/146/CDV Aprobado 105/151/FDIS Elaborado 105/130/CD En elaboración CD
Aplicaciones: algunos ejemplos
Portátil
Portátil
PEMFC
PEMFC
-
-
DMFC
DMFC
Estacionaria
Estacionaria
PEMFC
PEMFC
–
–
PAFC
PAFC
MCFC
MCFC
-
-
SOFC
SOFC
Transporte
Transporte
PEMFC
PEMFC
AFC
AFC
-
-
PAFC
PAFC
SOFC
Aplicaciones
Portátil
Aplicaciones: Portátil
Samsung sustituye la batería de un portátil por una pila de
combustible de metanol directo
Con la tecnología DMFC (Direct Methanol
Fuel Cell), el usuario sólo debe cambiar
un cartucho o inyectar metanol para que
la unidad se cargue instantáneamente por
completo.
El último prototipo, recientemente demostrado en un portátil Samsung Q35 en
Corea, supuestamente puede funcionar hasta ocho horas al día durante un mes, sin
ser recargada. El dispositivo desarrollado contiene una densidad energética de 650
Aplicaciones
Estacionaria
Estacionaria
PEMFC
PEMFC
–
–
PAFC
PAFC
MCFC
Aplicaciones: Estacionaria
H2PIA: La primera ciudad de concepto basada en la tecnología
del hidrógeno
Un grupo de empresas e instituciones danesas ha comenzado un proyecto de vanguardia consistente en la creación de una ciudad 'limpia' y sostenible basada en la tecnología del
hidrógeno y las pilas de combustible. El proyecto ha iniciado
su andadura a principios de 2007 en Dinamarca.
• No dependerá del petróleo. Producirá y almacenará su propia energía basada en el hidrógeno, que servirá para alimentar tanto vehículos como hogares.
• El hidrógeno se obtiene de energías limpias y renovables (solar y eólica), y el único residuo que se genera es agua.
Se trata de crear una comunidad real y completa: con tiendas, carreteras, comercios, industria, hogares..., donde sus vecinos puedan vivir en un ambiente sostenible, limpio y con miras a un futuro viable. Toda la
Primer 'ecobarrio' con pilas de combustible en España promovido
por la Empresa Municipal de la Vivienda y Suelo (EMVS)
Será la primera iniciativa en Europa donde se utilizará una instalación de pilas de combustible alimentadas por biogás
en una aplicación estacionaria para viviendas.
Afecta a un ámbito de 8,2 hectáreas junto a la avenida de San Diego
El rendimiento anual del conjunto del sistema se estima en torno al 197%, frente al 60% que proporciona una caldera convencional.
La contaminaciónmedioambiental del sistema de cogeneración con pilas de combustible será nula, y el grado de contaminación de la central térmica, dado su alto rendimiento, será 2,3 veces menor que cualquier sistema convencional de producción de calor por gas natural.
El ecobarrio contará con un sistema que abastecerá de energía a todos los edificios a partir del biogás obtenido de basuras urbanas. Para ello, se construirá bajo el suelo de la colonia una planta de producción
termoeléctrica, basada en tecnologías de condensación y pilas de
combustible, que se encargará de transformar el gas en calor y electricidad. También se utilizará energía solar térmica.
Este desarrollo ha sido posible gracias a dos novedades: - la mejora de un material para utilizar como membrana
polimérica
- el progreso en la tecnología de control del sistema, que le permite funcionar mientras mantiene la humedad de la membrana en torno al 100%. La membrana tiende a degradarse si se usa en seco durante la generación de potencia.
Sanyo Electric: el sistema de pila de combustible residencial de
supera las 20.000 horas de funcionamiento
Sanyo espera doblar las horas de operación de su sistema de pila de combustible por medio de avances
Otro factor fundamental: los costes se han reducido considerablemente.
Aplicaciones
Transporte
Transporte
PEMFC
PEMFC
AFC
AFC
-
-
PAFC
PAFC
SOFC
Aplicaciones: Transporte
AJUSA lanza el primer scooter con una pila de combustible de
tecnología totalmente española
Se ha utilizado una pila de combustible PEM del modelo FC010, refrigerada por aire, con una potencia de 1000W.
El Scooter con pila de combustible desarrollado alcanza una velocidad de 10 km/h, con una capacidad de carga de 100 kg de peso. Todo el balance de planta se encuentra controlado por un microprocesador, realizando una gestión automática para optimizar el rendimiento de la pila de combustible.
La alimentación del aire utiliza el sistema de flujo forzado continuo, mediante la utilización de un compresor. El aire de entrada dispone de un sistema de humidificación auto-regulable.
Ford presenta un todo terreno impulsado por una pila de combustible
Se presentó en el salón de Washington y
es el primer todo terreno que es impulsado
por pilas de combustible y baterías
El vehículo recorre los primeros 30 km gracias a la electricidad almacenada en sus baterías. Una vez recorrida esta distancia, o cuando las baterías han consumido el 40%, la pila de combustible empieza a funcionar, recarga las baterías y permite recorrer otros 250 km sin emisiones.
• Velocidad máxima es de 110 km/h.
• Depósito capaz de almacenar unos 4,5 kg de hidrógeno a 350 bar.
• Consumo equivalente de 5,74 litros de gasolina por cada 100 km con emisiones cero.
Hyundai: i-Blue propulsado por pila de combustible
Es un prototipo muy importante para la marca,
puesto que incorpora la tercera generación de la pila de combustible desarrollada por Hyundai
El corazón del vehículo ha sido desarrollado por la firma coreana y fabricado en el Instituto de
Investigación de Eco-Tecnología de Mabuk (Corea) Hyundai ha reducido los costes un 20%
• Puede presentar una autonomía de 600 km
• Superan aspectos críticos como el arranque en frío, que ha sido probado con buenos resultados a una temperatura de -30ºC
BESEL e IBERIA diseñan un prototipo de vehículo eléctrico híbrido
para el sector aeroportuario
Se han sustituido los pesados módulos de baterías que
incorporaba el transportador original, por el módulo de pila de combustible, mucho más ligero.
Las baterías originales de tracción, que almacenaban toda la energía, se han sustituido por un almacenamiento en
hidrógeno, que tiene una mayor densidad energética, y por una cantidad de baterías muy inferior que permite confinar una pequeña reserva de energía.
La pila de combustible se ha integrado en el vehículo de manera que se facilita su refrigeración y se maximiza el espacio disponible de carga del vehículo, que no ha sido penalizado con el nuevo sistema.
Navantia impulsa el desarrollo del submarino S-80 con nuevo sistema
de propulsión: una pila de combustible alimentada por hidrógeno
procedente de reformado de bioetanol
El Sistema AIP (Air Independent Propulsión System:
sistema de propulsión independiente del aire) está siendo desarrollado por la empresa Hynergreen Technologies, S.A. (Abengoa) en colaboración con diversos
departamentos dependientes del Ministerio de Defensa y Navantia.
Aplicaciones: Transporte
El proyecto inicial fue desarrollado por el Grupo de Pilas de Combustible del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC) bajo contrato de Greencell (Abengoa). Se patentó un catalizador y un proceso
La unidad de potencia es una pila de combustible que se alimenta con el hidrógeno
obtenido por procesado de bioetanol almacenado en depósitos al efecto. El resultado es corriente eléctrica continua sin procesos de combustión intermedios.
Boeing desarrolla un avión de hélice monoplaza propulsado
únicamente con una pila de combustible y baterías ligeras
El prototipo tiene 16,3 m de envergadura y será capaz de volar a una velocidad de crucero de 100 km/h, gracias a un sistema híbrido de potencia en el que la pila de combustible tipo PEM, proporciona la energía para la fase de crucero.
Las baterías ligeras de ión litio entran en funcionamiento en los momentos de mayor necesidad energética, es decir, el despegue y ascenso de la nave.
El grupo Aerlyper de Madrid se ha encargado de modificaciones en la estructura del avión; Air Liquide España del diseño y montaje de combustible a bordo y de la estación de reabastecimiento; y SENASA proporcionará las instalaciones para los vuelos de prueba, en Ocaña (Toledo).
La división de Ingeniería Electrónica de la Universidad Politécnica de Madrid ha colaborado en la
construcción del sistema de gestión y distribución de potencia, y el Instituto Universitario de Investigación del Automóvil (INSIA) ha hecho las pruebas en banco de ensayo después de la integración. Otros proveedores españoles son Indra, Ingeniería de Instrumentación y Control (ICC), Inventia y Técnicas Aeronáuticas de
Desarrollo Evolutivo Desarrollo Innovador
Año Escenarios
2005 Vehículos híbridos Interés por las pilas de combustible
2010 Fuerte crecimiento del gas Renovables en mercados específicos
(nichos). Avance en la distribución de pilas de combustible. Crecimiento del gas.
2015 Crisis del petróleo. Mayor abanico de recursos
Crecimiento de las pilas de combustible para transporte y usos estacionarios.
2020 Inseguridad en el suministro de gas Pilas de combustible alcanzarán el 25% de la OCDE. Uso de petróleo de pizarras y esquistos bituminosos.
Utilización de hidrógeno.
Fuerte incremento de renovables, incluidos los biocarburantes.
2030 Ralentización de nuevas plantas nucleares. Nueva generación de renovables
Interés por las pilas de combustible
Renovables en mercados específicos
(nichos). Avance en la distribución de pilas de combustible. Crecimiento del gas.
Crecimiento de las pilas de combustible para transporte y usos estacionarios.
Pilas de combustible alcanzarán el 25% de la OCDE. Uso de petróleo de pizarras y esquistos bituminosos.
Utilización de hidrógeno.
Fuerte incremento de renovables, incluidos los biocarburantes.
