Introducción
Actualmente, los combustibles fósiles dominan el mercado energético, se usan desde la generación energía para los hogares hasta nuestros medios de transporte, éstos son perjudiciales para nuestra hábitat debido a que las emisiones generadas por su combustión (Óxidos de carbono, nitrógeno, azufre en sus diferentes aplicaciones) contribuyen al calentamiento global o efecto invernadero así como a la destrucción de la capa de ozono, por lo que se necesitan alternativas para su sustitución a mediano y largo plazo.
Existen algunas alternativas entre las que podemos encontrar, las celdas fotovoltaicas, los biocombustibles de primera a cuarta generación, celdas orgánicas solares, celdas de combustible, entre otros.
Celdas de Combustible
Las celdas de combustible es un dispositivo que convierte la energía de una reacción química, directamente a energía eléctrica, por ejemplo se puede combinar hidrógeno y oxígeno electroquímicamente y producir energía sin ninguna combustión es decir, sin emisiones contaminantes de dióxido de carbono.
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| Fig 1. Sir William Grove |
El científico Gales Sir William Grove (Fig 1.) fue el primero en construir una celda de
combustible a partir de hidrógeno y de oxígeno
Las celdas de combustible se empezaron a utilizar en aplicaciones aeroespaciales a principios de los años sesenta, actualmente se tiene la tecnología necesaria para aplicarlas en aplicaciones más diversas y es por eso que son un candidato a reemplazar a los combustibles fósiles.
Las aplicaciones de éstas son:
- Transporte
- Dispositivos portátiles
- Sistemas estacionarios
Las celdas de combustible funcionan con 2 electrodos, un ánodo y un cátodo separados por un electrolíto o combustible en este caso (algunas celdas de combustible requieren una membrana de intercambio iónico que facilite el transporte de las especies desde el seno de la reacción hacia los electrodos), en una celda de combustible a partir de metanol, éste se oxida en el ánodo dando dióxido de carbono como subproducto, y el el cátodo el aire se reduce formando agua como subproducto.y tiene una eficiencia energética de 6 electrones por proceso. Hay que tomar el cuenta que el combustible se consume y hay que estar renovando, el metanol es un combustible deseado ya que su obtención es barata y puede venir de fuentes sustentables como a partir del gas de síntesis o de la biomasa.
La composición de una celda de combustible se muestra en el esquema mostrado a continuación:
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| Fig 2. Funcionamiento de celda de combustible a partir de metanol. (Ma J. et al. 2010) |
- Alta eficiencia (40-85)%
- Bajas emisiones de dióxido de carbono
- Fácil manutención
- Pocas partes móviles
- Poco ruido
- Transporte del combustible muy fácil
- Obtención del metanol de procesos sustentables
En la figura 3 podemos ver una gráfica de la eficiencia energética de las celdas de combustible a comparación de otros fuentes de energía. en donde la densidad energética es la cantidad de energía que guarda un sistema por kilogramo, donde las celdas de combustible son los dispositivos más compactos al tener una gran cantidad de energía almacenada.
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| Fig. 3 Eficiencias de diferentes fuentes de energía, se gráfica densidad de poder contra densidad de energía, (Leonardo F. Universidad de concepción) |
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Fig. 4. Comparación de la densidad energética gravimétrica de una pila convencional a una celda de combustible a partir de metanol. ( R. Rashida et al. 2009)
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El costo de una celda de combustible de capacidad para un hogar como la de la figura 5 considerando que el uso de una casa de 4 integrantes de de 2000 kW/ año sería de:
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| Fig. 5. Celda de combustible de 1 metro cúbico. para uso industrial |
- Ánodo de platino: ~30000 pesos
- Cátodo de platino- Rutenio ~ 30000 pesos
- Membrana de Nafión ~ 12000 pesos
- Metanol ~ 10 pesos /Kg
Con una producción energética de 6000kW/h, lo que nos daría en una sola hora la alimentación que una casa consumiría en 3 años con una inversión de 72k pesos más el consumo del combustible.
Ésto puede ser una desventaja debido a que la inversión inicial es grande y la recuperación se daría en 25 años aproximadamente, también hay que señalar que con una celda más pequeña que genere los 2000kW en un año la inversión sería más pequeña y más aplicable.
También han investigado las aplicaciones de electrodos más baratos como el cobre para sustituir los ánodos de platino ya que estos son muy caros, se han hecho estudios para celdas de combustibles a partir de borohidruro de sodio, Li, Z.P et al (2004), Hernández V.A. et al. (2009).
Conclusión
Hemos visto que las celdas de combustible son dispositivos con gran cantidad de energía almacenada, de las cuales destaca la celda a partir de metanol, ésta tiene grandes ventajas como alta eficiencia y producción energética significativamente mayor a las pilas convencionales, tiene aplicaciones portátiles y para el hogar, su principal desventaja radica en el costo de los materiales y de su desgaste, sin embargo el combustible es barato y sustentable así como la investigación sobre materiales más baratos y fáciles de conseguir, por lo que es un proceso emergente y que vislumbra grandes aplicaciones en el mercado energético y así desplazar a los combustibles fósiles
Bibliografía
- Z.P Li, Liu B.H., Zhu J.K., Suda S. Electrochimica Acta. 49 (2004) 3097-3105
- V.A. Hernández Ramirez, A. Alatorre-Ordaz, M.L. Yepez-Murrieta, J.G. Ibáñez, C. Ponce de Leon, F.C. Walsh. ECS Transactions, 20,1 (2009) 211
- J. Ma, N. A. Choudhury, Y. Sahai. Renewable and Sustainable Energy Reviews .14 (2010) 183–199.
- Celdas de Combustible, Fundamentos y Aplicaciones, Palma F. Leonardo, Universidad de Concepción
- (2009) Journal of Power Sources Performance: evaluation of direct methanol fuel cells for portable applications. R. Rashidia et al.
