Pila de combustible
Una pila de combustible produce electricidad utilizando la energía liberada al mezclar el combustible con el aire, una reacción que crea agua y a veces también dióxido de carbono. El combustible más común para las pilas de combustible es el hidrógeno, que al reaccionar con el oxígeno del aire sólo produce agua. Las pilas de combustible funcionan como una batería que se alimenta constantemente de combustible, por lo que nunca se agota (siempre que tenga suficiente combustible). Las pilas de combustible son una parte importante de la economía del hidrógeno. Las moléculas de hidrógeno se encuentran en sustancias como el metano, el agua y la biomasa, pero en todos los casos se necesita algo de energía para extraerlo. Hay dos formas habituales de producir hidrógeno: se puede separar de la mayoría de los combustibles, como el petróleo, el gas o el carbón, en un proceso llamado reformado con vapor, o se puede extraer del agua mediante un proceso llamado electrólisis. Si el hidrógeno se separa de los combustibles fósiles, se libera dióxido de carbono. Si la energía utilizada para extraerlo del agua mediante electrólisis procede de la energía solar o eólica, el hidrógeno producido es benigno porque no se liberan emisiones. El hidrógeno también puede separarse del biogás renovable, lo que significa que el carbono emitido no es de origen fósil y, por tanto, forma parte del ciclo natural del carbono.
Pila de combustible de metanol directo. La pila de combustible real es la estructura bicúbica en capas del centro de la imagen
Cómo convertir la energía
El agua es una molécula formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Se necesita energía para separar el agua en oxígeno e hidrógeno, y se libera energía cuando se vuelven a juntar como agua. Una pila de combustible vuelve a juntar el hidrógeno y el oxígeno de forma que se libera la energía en forma de electricidad.
El combustible (la fuente de energía, normalmente hidrógeno) y el aire (que contiene el oxígeno) se colocan en lados opuestos de la pila de combustible. En el centro de la pila de combustible hay una "pantalla", llamada electrolito, intercalada entre dos placas metálicas, llamadas electrodos, que mantiene el combustible y el aire separados. Los diferentes tipos de pilas de combustible reciben su nombre en función del tipo de pantalla que se utiliza para separar el combustible y el aire. La pantalla sólo permite el paso de determinadas moléculas cargadas, también conocidas como iones.
Para crear iones, los electrones tienen que ser transportados de un lado del sistema al otro. Los electrones son separados del combustible por la placa metálica del lado del combustible y tienen que viajar hasta el lado del aire para completar la reacción. Como la pantalla no deja pasar a los electrones, éstos pasan por un cable separado, hasta la otra placa metálica del lado del aire. El viaje de los electrones crea corriente eléctrica (electricidad). En el cable es donde se puede utilizar la electricidad. Por ejemplo, se puede cortar el cable por la mitad y conectar una bombilla entre las dos mitades.
Mientras tanto, los iones atraviesan la pantalla y reaccionan con las moléculas (que ya están en el otro lado) y los electrones (que han viajado por el cable, desprendiendo energía para alimentar la electrónica) del otro lado. Se forma agua (y, dependiendo del tipo de combustible, ocasionalmente otros productos), que salen por un tubo de escape.
Eficiencia
Las pilas de combustible producen electricidad combinando oxígeno e hidrógeno. Su eficacia es muy buena (entre el 40% y el 70%). Tienen una eficiencia máxima del 83% si se utiliza el calor de los gases de escape durante la reacción. Además, las pilas de combustible pueden utilizar varios combustibles, por ejemplo, gas natural, metanol, GLP (gas licuado de petróleo), nafta, queroseno, etc.
Características
Algunos tipos de pilas de combustible sólo producen agua, lo que significa que no hay contaminación. La mayoría de los tipos de pilas de combustible provocan muchas menos emisiones que la generación de energía clásica ("calórica"). Pueden consumir los mismos tipos de combustible que los generadores de energía clásicos, por ejemplo los motores diésel, pero son aproximadamente dos veces más eficientes, lo que significa que pueden producir la misma cantidad de energía con la mitad de combustible y, por tanto, la mitad de contaminación. Además, el uso de pilas de combustible de conversión directa tiene menos riesgo de producir emisiones secundarias como NOx, SOx y partículas, que son efectos secundarios de la combustión, contribuyen al calentamiento global y se conocen como contaminantes criterio.
Las pilas de combustible son muy silenciosas. No tienen piezas móviles, aparte de algunos ventiladores para mover el aire y bombas para mover el agua, lo que significa que rara vez requieren reparaciones, aunque algunas pilas de combustible grandes utilizadas para alimentar cosas como edificios pueden ser bastante frágiles.
Debido a sus bajísimas emisiones contaminantes, las pilas de combustible se utilizan a menudo en vehículos que se mueven en el interior de los edificios, como las carretillas elevadoras. Como son muy silenciosas, se utilizan en algunos submarinos militares para evitar su detección. El combustible se utiliza de forma más eficiente, lo que significa que las pilas de combustible pueden funcionar más tiempo sin necesidad de obtener nuevo combustible. Esto permite utilizarlas en lugares de difícil acceso, como estaciones meteorológicas o de investigación, naves espaciales o bases militares.
Como las naves espaciales se lanzan con cohetes que contienen hidrógeno y oxígeno puros, la electricidad de a bordo se produce con pilas de combustible muy eficientes que pueden utilizar estos combustibles. Además, las pilas de combustible de las naves espaciales producen agua pura en su escape, que puede ser capturada y utilizada como agua potable para los astronautas, lo que significa que no se desperdicia absolutamente nada.
Tipos de pilas de combustible
Las pilas de combustible pueden clasificarse por el tipo de pantalla interior (electrolito). Por ejemplo, las pilas de combustible de ácido fosfórico son para bajas temperaturas. Se utiliza en los teléfonos móviles y en las fuentes de alimentación de los automóviles que requieren altas corrientes porque es mucho más seguro. Las pilas de combustible alcalinas suelen contener hidróxido de potasio (KOH). Las pilas de combustible de metanol se utilizan haciendo reaccionar el metanol electroquímicamente. Este tipo de pila de combustible es una mejor opción para un sistema más sencillo. Sin embargo, las pilas de combustible de metanol tienen bajas densidades de salida, ya que su velocidad de reacción es lenta.
Algunos tipos importantes de pilas de combustible son:
- Pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC) - Las pilas de combustible de ácido fosfórico están disponibles comercialmente en la actualidad. Son las pilas de combustible más comunes para la generación combinada de calor y electricidad.
- Pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) - Estas pilas de combustible funcionan a temperaturas relativamente bajas (alrededor de 175 °F), tienen una alta densidad de potencia, pueden variar su producción rápidamente para satisfacer los cambios en la demanda de energía y son adecuadas para aplicaciones, como en los automóviles, donde se requiere un arranque rápido. Todos los vehículos comerciales de pila de combustible utilizan este tipo de pila. El inconveniente de estas pilas de combustible es que requieren hidrógeno de gran pureza, cuya producción es costosa.
- Célula de combustible de carbonato fundido (MCFC): estas células de combustible funcionan a temperaturas muy altas, lo que les permite convertir combustibles más complejos, como el gas natural, en combustible de hidrógeno para que lo utilice la propia célula. Tardan varias horas en encenderse y apagarse, por lo que sólo se utilizan en aplicaciones en las que pueden funcionar continuamente, como la energía estacionaria para grandes edificios/empresas.
- Célula de combustible microbiana (MFC) - Una célula de combustible que utiliza microbios que respiran para convertir sustratos orgánicos en energía eléctrica, utilizando reaccionesde oxidación-reducción.
Aplicaciones
Hay muchos usos para las pilas de combustible: los principales fabricantes de automóviles están trabajando para comercializar coches de pila de combustible. Toyota y Honda han lanzado el Mirai y el Clarity respectivamente. Las pilas de combustible alimentan autobuses, barcos, trenes, aviones, scooters, carretillas elevadoras y bicicletas. Hay máquinas expendedoras, aspiradoras y señales de tráfico que funcionan con pilas de combustible. Se prevén pilas de combustible en miniatura para teléfonos móviles, ordenadores portátiles y aparatos electrónicos portátiles. Los hospitales, los centros de tarjetas de crédito, las comisarías de policía y los bancos utilizan pilas de combustible para suministrar energía a sus instalaciones. Las plantas de tratamiento de aguas residuales y los vertederos las utilizan para convertir el gas metano que producen en electricidad. Las pilas de combustible se utilizan desde hace tiempo en el espacio exterior. Las empresas de telecomunicaciones utilizan pilas de combustible en las torres de telefonía móvil, de radio y del 911.
Preguntas y respuestas
P: ¿Cómo genera electricidad una pila de combustible?
R: Una pila de combustible genera electricidad mezclando combustible con aire y creando una reacción que libera energía, creando agua y a veces dióxido de carbono.
P: ¿Cuál es el combustible más utilizado en las pilas de combustible?
R: El combustible más utilizado en las pilas de combustible es el hidrógeno.
P: ¿En qué se diferencia una pila de combustible de una batería?
R: Una pila de combustible se diferencia de una batería en que se alimenta constantemente de combustible, por lo que nunca se agota, siempre que haya suficiente combustible disponible.
P: ¿Qué es la economía del hidrógeno?
R: La economía del hidrógeno se refiere al uso del hidrógeno como fuente de combustible para reducir la dependencia de los combustibles fósiles.
P: ¿Cómo se produce el hidrógeno?
R: El hidrógeno puede producirse mediante un proceso llamado reformado con vapor o extraerse del agua mediante un proceso llamado electrólisis.
P: ¿Qué ocurre cuando el hidrógeno se separa de los combustibles fósiles?
R: Cuando el hidrógeno se separa de los combustibles fósiles, se libera dióxido de carbono.
P: ¿Puede producirse hidrógeno de forma que no emita emisiones nocivas?
R: Sí, si la energía utilizada para producir hidrógeno procede de fuentes renovables como la solar o la eólica, el hidrógeno producido es benigno porque no se liberan emisiones. El hidrógeno también puede separarse del biogás renovable, lo que significa que el carbono emitido no es de origen fósil y, por tanto, forma parte del ciclo natural del carbono.
