hidrógeno y pila de combustible

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Hidrógeno y pila de combustible

Paloma Asensio

© Naturmedia

HIDRÓGENO,¿EL SUSTITUTO DELPETRÓLEO?

"Sí, amigos míos, creo que algún día se emplearáel agua como combustible, que el hidrógeno y eloxígeno de los que está formada, usados porseparado o de forma conjunta, proporcionaránuna fuente inagotable de luz y calor, de unaintensidad de la que el carbón no es capaz […] El agua será el carbón del futuro"Julio Verne, “La isla misteriosa” (1874)

De esta manera respondía el ingenieroCyrus Harding, personaje de la novela de JulioVerne La isla misteriosa, a la pregunta sobre loque ocurriría si se agotara el carbón. De estohace ya más de un siglo,pero parece que,comoen otras ocasiones, el tiempo acabará dando larazón al escritor, tan amigo de imaginar el futu-ro. Tema de incontables artículos en revistascientíficas, protagonista de congresos interna-cionales y noticia cada vez más habitual en pe-riódicos de medio mundo, el hidrógeno ha se-ducido, entre otros muchos, a investigadores,presidentes de grandes multinacionales y hastalíderes políticos como George Bush o RomanoProdi, que ven en él al sustituto del petróleo, elcarbón de nuestros días.

Los científicos, sin embargo, advierten queel agua no puede ser el carbón del futuro. Poralgo que debería ser obvio y, aun así, pareceque no lo es tanto: que el agua no es un com-bustible que pueda quemarse directamente enun motor o alimentar una pila de combustible,sino sólo la materia prima de la que, con unaporte de energía, puede extraerse el hidróge-no; y que, por tanto, el hidrógeno, que sí es uncombustible, no es una fuente primaria de©D

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HIDROGENO QXP 4 18/11/06 22:29

energía. Por eso el hidrógeno nunca podrá susti-tuir ni al petróleo que mueve nuestros coches, nial carbón que quemamos para producir electri-cidad,ni al gas natural que nos calienta,ni a na-da.Por no mencionar que,hoy por hoy,el hi-drógeno se produce fundamentalmente apartir de los mismos recursos naturales yfuentes de energía de los que se suponesustituto.Aun así, la pareja formada por elhidrógeno y la pila de combustible se perfilacomo parte importante de la solución a losproblemas energéticos del mundo a medio-lar-go plazo. Pero sólo parte.

¿QUÉ ES EL HIDRÓGENO?Incoloro, inodoro y no tóxico,el gas hidróge-no es el más sencillo de todos los elementos.El átomo de hidrógeno común está formadosólo por un protón y un electrón. Como notiene neutrones –las partículas sin carga perocon masa que mantienen unidos los protones enel núcleo– es también el elemento más ligero detodos, casi 15 veces más que el aire.

Responsable del brillo de las estrellas y fuen-te de la energía que recibimos de la que tenemosmás cerca, el Sol, el hidrógeno es, además, el ele-mento más abundante del Universo: las tres cuar-tas partes de la materia cósmica son hidrógeno,que podríamos utilizar como combustible si es-tuvieran a nuestro alcance. Pero no lo están. Júpi-ter, la acumulación de hidrógeno que tenemosmás cerca, se halla a millones de kilómetros de laTierra, demasiado lejos para un planeta que to-davía está intentando viajar a Marte.

Afortunadamente para los que la habitamos,el elemento más abundante de la corteza terres-

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El hidrógeno en números

■ Densidad: 0,0899 kg/Nm3 (gas)0,0708 kg/l (líquido)

■ Poder calorífico: inferior: 120 MJ/kgsuperior: 141,86 MJ/kg

■ Límites de inflamabilidad*: 4,0 - 75,0 % ■ Límites de detonación: 18,3 - 59,0 %■ Coeficiente de difusión: 0,61 cm2/s

* concentración de H2 en aire

Fuente: ARIEMA Energía y Medio Ambiente (www.ariema.com)

El hidrógeno es el elemento más abundante del Universo.Júpiter es básicamente hidrógeno.

En la Tierra el hidrógeno aparece formando parte demuchos compuestos, entre ellos el agua, que constituye

más del 70% de nuestro planeta.

En la página anterior, el Nebus, precursor de los autobuses dehidrógeno que circulan por Madrid y Barcelona. Presentado en 1997,

demostró su viabilidad en las ciudades de Oslo, Hamburgo, Perth,Melbourne, Ciudad de México y Sacramento.

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tre no es el hidrógeno, sino el oxígeno, seguidopor el silicio, el aluminio, el hierro y el calcio.Y, lomás importante, en la Tierra prácticamente noexiste hidrógeno en estado libre.Y es que es tanligero que casi podríamos decir que no pesa: lafuerza de gravedad de nuestro planeta no puederetener un elemento con una masa tan insignifi-cante y el poco hidrógeno que se produce demanera natural –por ejemplo, el que contienenlos gases volcánicos– se escapa rápidamente ha-cia la atmósfera. Eso no quiere decir que en laTierra no haya hidrógeno, como sabemos.

¿DE DÓNDE SE OBTIENE?Además de en el agua –de la que forma parte enuna proporción del 11,19 % en peso– y de otrosmuchos compuestos químicos, como los ácidos olos alcoholes, el hidrógeno, esencial para la vida,forma parte de toda la materia orgánica, incluidaslas personas, que somos un 10% hidrógeno. Hayhidrógeno,por tanto,en la biomasa y el biogás;pe-ro, sobre todo, en la biomasa y el biogás de hacemillones de años,que hoy quemamos en forma decarbón, petróleo y gas natural. Rompiendo los en-laces de las moléculas que lo contienen mediantediferentes tecnologías,se consigue producir hidró-geno y, una vez almacenado y transportado, utili-zarlo como combustible o en otras aplicaciones.

¿CÓMO SE PRODUCE?Desde el siglo XIX el hombre sabe cómo separarel hidrógeno y el oxígeno que forman el agua apli-cando una corriente eléctrica.El proceso se llama,

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En el mundo se producen cada año alrededor de 50 millones de toneladas de hidrógeno. Sin embargo, sólo una mínima parte de esehidrógeno se utiliza para producir energía,principalmente en aplicaciones espaciales. Casi la mitad se emplea para elaborar fertilizantesbasados en amoníaco. También se utiliza hidrógenoen la fabricación de metanol y el agua oxigenada,así como para "hidrogenar" los aceites orgánicoscomestibles derivados de la soja, los cacahuetes, los cereales y el pescado, además de para refrigerarmotores y generadores. Pero quien conoce bien al hidrógeno es la industria petroquímica, que llevaaños utilizándolo como materia prima de unaamplia gama de productos derivados del petróleo y para reducir la cantidad de partículas, aromáticosy sobre todo azufre presentes en la gasolina y el gasóleo. La utilización del hidrógeno como combustible abre a la industria del petróleo las puertas de un nuevo mercado, en el que, junto alas empresas especializadas en la producción y el suministro de gases, ocuparán un lugarprivilegiado, por lo menos al principio.

Un viejo conocido de laindustria química

50% amoniaco

8% producción de metanol

4% otros productos químicos

1% aplicacionesespaciales

37% refinerías

Fuente: Fundación Bellona/AIE

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Un poco de historiaEn 1766 el científico británicoHenry Cavendish identifica elhidrógeno como algo diferente deloxígeno y describe el agua comoun compuesto de estos dos gases.En 1785, Antoine Lavoisier repiteel experimento y da al "aireinflamable" de Cavendish elnombre por el que le conocemoshoy: hidrógeno, que significa engriego "generador de agua".

Menos de 10 años después losmilitares franceses construirían elprimer generador de hidrógeno con elfin de utilizar el gas en globos dereconocimiento.

El hidrógeno comenzó a serutilizado por la aviación en los años 20,cuando los alemanes decidieronutilizarlo como combustible secundariode los zepelín que cruzaban elAtlántico. Hasta entonces el hidrógenoservía sólo para mantener la fuerza deascensión de dirigibles y globos. Lahistoria acabó en 1937, cuando eltristemente célebre Hindenburg se incendió justoantes de aterrizar en Nueva Jersey (EEUU), en mediode una tormenta eléctrica, con un centenar depersonas a bordo. Aunque 34 de los 36 fallecidosmurieron al arrojarse por la borda aterrorizados y no

quemados, aunque en los primeros momentos lasllamas eran anaranjadas y no de un tenue azul comoson las del hidrógeno, aunque ni uno solo de lossupervivientes había percibido el olor a ajo que se

utilizaba para poder detectar un escape de hidrógeno,el mundo culpó de la tragedia al inflamable

hidrógeno.

Hasta los 50 ingleses y alemanesexperimentaron con su uso en los motores de

explosión de coches, camiones, locomotoras yhasta submarinos… Pero el hidrógeno ya tenía su

leyenda negra. La segunda oportunidad llegó en1973, con la crisis del petróleo, época en que losgobiernos dedicaron millones a la investigación enel potencial "sustituto del petróleo". Pero la crisispasó…. Afortunadamente, en países como Canadá,

EEUU, Alemania o Japón la industria –y en especial dos sectores, el aeronáutico y el de laautomoción– nunca se detuvo. Y, cuando en 1992 elmundo empezó a preocuparse por un nuevo problemaligado al petróleo, el cambio climático, ya teníamosmucho camino andado. Gracias a ellos hoy nopartimos de cero.

En 1997 Addison Bain, un científico de la NASA jubilado, hizo publicas las conclusiones de variosaños de investigación sobre el accidente del Hindenburg: para aumentar la resistencia de la lona de

algodón del zepelín se había aplicado a ésta un compuesto que contenía, entre otras sustancias,polvo de aluminio, un material altamente inflamable e inextinguible. Las conclusiones de Bain

exculpan definitivamente al hidrógeno, pero el daño a su imagen, causado por 60 años deasociación a la tragedia, todavía no se ha reparado. Conseguir que la población conozca mejor aun gas inflamable, como todos los combustibles, pero no más peligroso que el resto y trasladar los

protocolos de seguridad que han funcionado en la industria durante años a las nuevas aplicacionesdel hidrógeno son dos de los principales retos a los que se enfrentan los expertos.

Los transbordadores espaciales almacenan 1.991.071 l de combustible en un enorme tanqueexterno desechable, que suministra H2 y O2 líquidos a presión a los tres motores principales dela nave durante los 8,5 primeros minutos de vuelo. En el lanzamiento se queman más de240.000 l de H2 y O2 por minuto.


como saben hasta los niños, electrólisis y se tratade una tecnología conocida y tan sencilla que for-ma parte de los experimentos que se realizan enlos colegios. La electrólisis, además, es limpia yproduce un hidrógeno de gran pureza. Aun así,hoy por hoy sólo el 4% de los 45 millones de to-neladas de hidrógeno que se consumen en elmundo cada año se produce a partir del agua, lagran reserva de hidrógeno de la Tierra. El proble-ma es que la electrólisis requiere un aporte con-siderable de electricidad.Y la electricidad es cara.Sobre todo si procede de una fuente de energíarenovable, que es la única manera de garantizar lalimpieza del proceso de principio a fin.

La opción más barata a día de hoy es pro-ducir hidrógeno a partir de gas natural median-te la igualmente bien conocida tecnología delreformado con vapor, que consiste en romperlas moléculas de gas con vapor de agua en pre-sencia de un catalizador. Por eso es el métodomás utilizado: el 48% del hidrógeno se producehoy de esta manera. Como, además, es tambiénla opción menos contaminante a partir de com-bustibles fósiles con la tecnología actual, el gasnatural parece el candidato en mejor posiciónpara liderar la producción de hidrógeno en unfuturo próximo. Convertir el carbón en gas ca-lentándolo hasta 900ºC es la forma más antiguade producir hidrógeno: así es como se obteníael gas ciudad, que contenía hasta un 60% de hi-drógeno. La gasificación de carbón representahoy el 18% de la producción mundial; y, como elcarbón es un recurso abundante en muchas par-tes del mundo, podría seguir siendo una alterna-tiva si se desarrollan tecnologías limpias.Y, en ge-neral, el reformado de todos los hidrocarburosy alcoholes: el 30% del hidrógeno que se consu-me en el mundo procede de la gasolina. Pero elhidrógeno producido a partir de fuentes fósilesserá siempre poco limpio –en su elaboración seemitirá, cuando menos, CO2– y nada renovable,por lo que todos los sistemas basados en ellasserán, como mucho, tecnologías de transición.

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Sistemas de producción,conversores y aplicaciones

carbón

H2

gas natural

solar FV

pilas de combustible

residencial

Edificios

Renovables

electrólisis

Transporte Indu

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ter-ciario

comer-cial

hidráulicaeólica

otras ...

electricidadnuclear

calor nuclear

turbinas,motores CI

motores

CI

motores

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biomasa

solar térmica

La primera planta comercial de producción de hidrógeno a partir de gas natural seinauguró en 1931. En la foto, una planta de reformado moderna en la ciudad alemana deBrunsbüttel.

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Fuente: High Level Group for Hydrogen and Fuel Cells, Comisión Europea


¿CÓMO SE PRODUCIRÁ?Con agua y electricidad de origen renovable,coinciden los expertos. Pero también se investi-gan otras alternativas. Una posibilidad es la fo-toelectrólisis, que básicamente consiste en su-mergir en el agua una célula fotovoltaicafabricada con un material semiconductor quehace las veces de electrolizador. Combinandoen uno los dos pasos de la electrólisis tradicio-nal, se eliminan costes y se consiguen eficienciasun poco mayores.

Existen, sin embargo, dos tecnologías deproducción de hidrógeno a partir de fuentes re-novables que no incluyen electricidad, cuyo cos-te y, por tanto, viabilidad podrían ser interesan-tes a medio plazo. La primera incluye lagasificación de biomasa, un poco más cara queel reformado de gas, pero rentable donde la bio-masa sea abundante y barata; y diferentes trata-mientos de los análogos "bio" de los hidrocar-buros y alcoholes: biodiesel, biogás y bioetanol.

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Primera planta española de hidrógeno "solar"Diseñada, construida, puesta en marcha y evaluada por Instituto Nacionalde Técnica Aeroespacial (INTA) entre 1991 y 1993, la planta piloto deproducción de hidrógeno de "El Arenosillo" (Huelva), utiliza unelectrolizador alimentado por la electricidad que producen 144 placasfotovoltaicas de 36 células cada una.A finales de 1993 se instaló una pilade combustible de ácido fosfórico de10kW, a cuyo sistema se añadió unreformador de metanol, con el fin deevaluar su comportamiento con estecombustible. La planta de "ElArenosillo" lleva funcionando sininterrupción desde entonces comobanco de pruebas de diferentestecnologías relacionadas con elhidrógeno y la pila de combustible.

Como las otras ocho ciudades participantes en el programa europeo CUTE/ECTOS, Madrid yBarcelona han probado durante dos años tres unidades del autobús Citaro de Mercedes-Benz.El hidrógeno que alimenta la pila de combustible de los autobuses madrileños se produce en laminiplanta de reformado de gas natural que el consorcio esH2 ha construido en las cocheras de laEMT (foto superior). La hidrogenera que BP ha construido en las instalaciones de TMB enBarcelona (en el centro) cuenta con una marquesina fotovoltaica capaz de generar una pequeñaparte de la electricidad que se necesita para llevar a cabo la electrólisis del agua.

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La segunda opción es utilizar energía térmi-ca de alta temperatura. Por eso también tienemuchas esperanzas puestas en el hidrógeno laindustria nuclear, que trabaja en el desarrollo denuevos reactores de alta temperatura con losque realizar lo que se conoce como hidrólisistérmica. Porque para separar el agua en hidró-geno y oxígeno sólo con calor hacen falta tem-peraturas de al menos 2.000 ºC, difíciles de al-canzar con energía solar y casi imposibles demanejar. Sin embargo, insertando una cadena dereacciones intermedias, la temperatura se reba-jaría a unos 850 ºC. Puede que en futuro no tanlejano ésta sea la forma de obtener hidrógeno"bueno, verde y barato" a partir de la energíasolar.

Se han propuesto otras formas de obtenerhidrógeno más o menos exóticas, desde la pro-ducción biológica por medio de microorganis-mos hasta la llamada electrólisis gravitacional,pero de momento sus resultados son puramen-te anecdóticos.

¿POR QUÉ HIDRÓGENO?Para empezar, porque es un buen combustible,capaz de proporcionar más energía por unidadde masa que cualquier otro combustible cono-cido: 33,3 kWh por kg, frente a los 13,9 kWhdel gas natural o los 12,4 kWh del petróleo, porejemplo. Se trata también un combustible limpio

a nivel local, que, cuando se quema, lo único queproduce, además de energía, es básicamente va-por de agua, librándonos, entre otras, de lasemisiones de CO2, el principal gas de efecto in-vernadero.Y gracias a la pila de combustible elhidrógeno es, además, un intermediario energé-tico eficiente y tan versátil como la electricidad–que, conviene recordar, tampoco es una fuentede energía, sino un "vector energético", que escomo llaman los expertos a estas formas inter-medias de la energía, que permiten transportar-la y convertirla después en otras formas deenergía.

Como todo buen vector energético, el hi-drógeno, al igual que la electricidad, puede obte-nerse a partir de un amplio abanico de recursosnaturales utilizando prácticamente cualquierfuente de energía, con lo que no haría falta im-portarlo (siempre y cuando en su fabricación seutilizaran recursos y fuentes primarias de ener-gía autóctonas y renovables).

Pero, por encima de todo, el hidrógenopuede almacenarse.Y esta capacidad de servirde almacén de energía, que no tiene la electrici-dad, es la que da sentido al "despilfarro" ener-gético y económico que, según algunos, suponela transformación de energía eléctrica en un hi-drógeno cuyo fin es convertirse otra vez en(menos) energía eléctrica; y la que convierte alhidrógeno en el complemento ideal de las

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energías renovables, especialmente la eólica y lasolar, que sólo funcionan cuando sopla el vien-to y hace sol: en las horas de baja demanda elviento y el sol se utilizarían no para cargar deenergía unas aparatosas, contaminantes y siem-pre insuficientes baterías, sino para producir hi-drógeno, que podríamos utilizar después enuna pila de combustible para producir electrici-dad en casa o viajar en un coche "movido porel viento" sin necesidad de instalar un aeroge-nerador en el techo del vehículo. Con el apoyodel hidrógeno, las renovables se abrirán pasoen el sector de la automoción y se convertiránen las (verdaderas) sustitutas del petróleo. Ésaes la idea.

UN ALMACÉN DE ENERGÍA DIFÍCILDE ALMACENARPor las propiedades físicas del hidrógeno, alma-cenarlo supone todo un reto, sobre todo cuan-do se trata de hacerlo en un contenedor pe-queño, ligero, seguro y barato, como tiene que

La furgoneta Chevy S-10 fabrica el H2 que alimenta su pila en un reformador interior a partirde gasolina baja en azufre. En abril de 2003 se inauguró en Reykjavik la primera estacióncomercial de H2 de Europa. El H2 es producido in situ a partir de agua y electricidadprocedente de la central geotérmica de Nesjavellir (en la foto), situada a 30 km. Islandiaespera convertirse en la primera sociedad del mundo basada en el H2.

A la izquierda: en el futuro el hidrógeno podría transportarse a través de losgasoductos de la red de gas natural, ligeramente modificados. En Europa ya hay 1.500km de "hidrogenoductos": el más largo, de 400 km, atraviesa de Francia y Bélgica.En la foto, el usado por la empresa Linde en la planta de Brunsbüttel parasuministrar H2 y CO a Bayer.

Equivalencias caudal de hidrógeno - producción eléctrica* H2 (kg/h) H2 gas (Nm3/h) H2 líquido (l/h) Energía (kWh)

1 11,12 14,12 33,330,0899 1 1,270 3,000,0708 0,788 1 2,3590,0300 0,333 0,424 1

*Basadas en poder calorífico inferior Fuente: ARIEMA

Comparativa hidrógeno - otros combustibles HIDRÓGENO GASOLINA GASÓLEO GAS NATURAL* METANO METANOL

1 kg 2,78 kg 2,80 kg 2,54 -3,14 kg 2,40 kg 6,09 kg 1 litro (líquido) 0,268 litros 0,236 litros ----------- ---------- 0,431 litros 1 litro (gas) ** 0,0965 litros 0,0850 litros 0,3-0,35 litros 0,240 litros 0,191 litros

*dependiendo de la composición del GN ** todos los gases comprimidos a 350 bares Fuente: ARIEMA

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ser el depósito de un coche. Puede parecer ex-traño, cuando se sabe que un kilo de hidrógenogenera la misma energía que casi tres de gasoli-na. Sin embargo, ese kilo ocupa mucho volumen,por lo que la cantidad de energía que aporta elhidrógeno por unidad de volumen –su densidadenergética– es bajísima.Tan baja que, de utilizarhidrógeno sin "tratar", los coches serían "depó-sitos con ruedas" o se quedarían sin combusti-ble casi antes de arrancar. Para almacenar 4 kgde hidrógeno, que es la cantidad que consumeun coche a pila en una distancia de 400 km, senecesitaría un depósito equivalente a un globo¡de más de 5 m de diámetro!

Naturalmente, la solución al problema pasapor reducir el volumen del hidrógeno como sereduce el volumen de todos los gases: compri-miéndolo, o enfriándolo hasta licuarlo.Técnica-mente, lo más sencillo es comprimirlo a unapresión de 200-350 bares, pero el hidrógeno sigue ocupando muchísimo: a 200 bares, alma-cenar los 4 kg exigiría un depósito de 250 l.El desarrollo de nuevos materiales –compositesde fibras de carbono con polímeros o aluminio,por ejemplo– está permitiendo almacenarlo a presiones de hasta 700 bares, que permiten embarcar mayor cantidad con menos volumen.

En estado líquido, el hidrógeno ocupa 700veces menos que a temperatura ambiente y apresión atmosférica, pero se necesita frío, mu-cho frío, para alcanzar los 253 ºC bajo cero que

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El proyecto FIRST, coordinado por el INTA, esun buen ejemplo de las posibilidades delhidrógeno como complemento de laelectricidad: ubicadas en lugares alejados de lared, las antenas de comunicaciónnormalmente utilizan paneles fotovoltaicos ybaterías, que funcionan un máximo de 4-5 díassin sol; usar la energía solar también paraproducir hidrógeno y utilizar éste en una pilade combustible cuando no brille el solincrementa la disponibilidad de la antena a lolargo del año. Con idéntica filosofía, elproyecto RES2H2, pretende instalar en GranCanaria una planta de producción dehidrógeno a partir de energía eólica, quealimentará después una pila de combustible. El hidrógeno es también una parte importantedel plan eólico de Greenpeace, que defiende lainstalación, en diferentes puntos de nuestracosta, de 25.000 MW eólicos de aquí al 2030.La instalación de estos miles de megavatios nocolapsará la red ni exigirá un excesivoesfuerzo en nuevas infraestructuras eléctricasque den salida a toda esta energía "extra", ya que, como propone Greenpeace, una partesustancial de la electricidad producida porestos aerogeneradores marinos podríaemplearse en producir hidrógeno, que moveríael 8% de los vehículos de la España de 2030.

Almacén de energías renovables


necesita el hidrógeno para cambiar a este esta-do. Y para generar tanto frío hace falta, cómono, energía: el 30-40% de la que obtendríamosde ese hidrógeno.Aún así, un coche típico nece-sitaría un depósito de más de 100 l de capacidadpara mantener iguales prestaciones que uno degasolina y añadiríamos el problema que suponemantener líquido el hidrógeno a pesar de latemperatura ambiente exterior.

En los últimos años se está investigando mu-cho en sistemas más eficientes. Hasta la fecha,las dos alternativas que más convencen son elalmacenamiento del hidrógeno en hidruros me-tálicos y en nanotubos de carbono. Los hidrurosmetálicos son combinaciones del hidrógeno conciertos metales o mezclas de metales, que seobtienen enfriando la mezcla metálica e intro-duciendo hidrógeno a presión. El atractivo deeste sistema radica en que la reacción es rever-sible: calentando el hidruro y disminuyendo lapresión, el hidrógeno se libera y puede ser utili-zado como combustible. Es una forma de alma-cenamiento estable y segura, pero tiene el in-conveniente de que los hidruros que operan abaja temperatura –que pueden liberar el hidró-geno a sólo 40-90 ºC y tienen mayor capacidadde almacenamiento– son muy lentos y pesados,por lo que resulta más adecuada para otras apli-caciones.

Los nanotubos de carbono, que almacenanhidrógeno con mejor eficiencia y pueden ope-rar a temperatura ambiente, pueden llegar a serla solución. Pero aún queda mucho por hacer eneste aspecto, puede que menos apasionante, pe-ro fundamental si realmente pretendemos queen el futuro el hidrógeno mueva nuestros co-ches. De momento, algunas marcas han optado,como solución transitoria, por incorporar en elvehículo un reformador que convierte en hidró-geno otro combustible primario que ocupe me-nos –metanol o gasolina, por ejemplo– mientrasel coche anda.

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Los dos autobuses de MAN que, desde mayo de 1999, prestan servicio en el aeropuerto deMunich, queman en un motor de combustión interna el hidrógeno gaseoso que almacenan a 250bares en los 15 depósitos situados en el techo de cada autobús.A la derecha, vista del techo deautobús Citaro con sus 9 tanques de H2 y del maletero de un coche "ocupado" por los depósitos.

El volumen de 4 kg de H2

Según el método de compactación y en relación con el tamaño de un coche

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(hidruro bt) LaNi5H6

(hidruro at) H2

(líquido)H2

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LA PILA DE COMBUSTIBLE

¿QUÉ ES UNA PILA DE COMBUSTIBLE?Una pila de combustible es una especie de bate-ría de alta tecnología que convierte la energíaquímica del combustible que la alimenta enenergía eléctrica. Pero hay una gran diferencia:una batería almacena en su interior la energíaquímica que convierte en electricidad; cuandose termina esa energía química, la batería se tira;o, en el mejor de los casos, se recarga en un lar-go y tedioso proceso. La pila de combustible, encambio, convierte en electricidad la energía quí-mica de un combustible que recibe del exteriory es capaz de suministrar energía eléctrica deforma continua mientras se mantenga el aportede este combustible. Uno de los reactivos de lapila es siempre el oxígeno, que actúa como oxi-dante en el cátodo y que, dada su disponibilidaden el aire, generalmente no es necesario alma-cenar. El combustible propiamente dicho es ha-bitualmente el hidrógeno, que –suministrado deforma directa o a partir del reformado de unprimer combustible (metanol o etanol, porejemplo)– alimenta la pila.

¿CÓMO FUNCIONA? Las mayoría de las pilas de combustible son,en re-alidad, una suma de pilas individuales, que recibenel nombre de células o celdas de combustible.Una célula de combustible consta de dos electro-dos, ánodo (-) y cátodo (+) –ambos con ciertocontenido de platino– separados por un electro-lito sólido o líquido. En uno de los tipos más co-nocidos y sencillo de pila, al que corresponde es-te esquema, el electrolito es una membrana. En elánodo se produce la reacción del hidrógeno, quese disocia en 2 protones y 2 electrones. Los pro-tones o iones positivos de hidrógeno circulan através de la membrana hasta el cátodo, mientraslos electrones, que no pueden atravesar la mem-brana, se escapan por un circuito eléctrico queconecta los dos electrodos. Este flujo de electro-

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circulación de electrones

entrada de hidrógeno

iones positivos de hidrógeno

catalizador

electrolito

salida de aguaelectrodo

entrada de oxígeno

Cómo funciona una pila de combustible

Interior del prototipo Necar.Abajo, el CityClass Fuel-Cell, primer autobús español a pila. Es un vehículo híbrido que, además deuna pila de combustible de 60 kW, dispone de baterías convencionales, que también proporcionanenergía al motor eléctrico.

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Tipos de pilasTipo Electrolito* Ion de Temperatura

transporte** de operación (ºC)■ Membrana polimérica (PEM) Polímero sólido H+ 60-100■ Alcalina (AFC) Solución acuosa de (KOH) OH- 90-100■ Acido fosfórico (PAFC) H3PO4 líquido H+ 175-200■ Carbonatos fundidos (MFCF) Solución líquida de LiKCO3 CO3

2- 600-1000 ■ Óxidos sólidos (SOFC) Y-ZrO2 O2- 600-1000

* La membrana más utilizada en el tipo PEM es elnafión; KOH: hidróxido de potasio (potasa); H3PO4:ácido (orto)fosfórico; LiKCO3: carbonatos de litio ypotasio, aunque son posibles otras combinaciones decarbonatos alcalinos; Y-ZrO2: óxido de zirconio(zirconia) estabilizado con una pequeña cantidad deitrio; un material cerámico.

** ion que se desplaza de un electrodo a otro. En lasde los tipos PEM y PAFC las cargas positivas que sehan formado en el ánodo se desplazan hasta elcátodo, donde reaccionan con el oxígeno; en el restode los tipos ocurre lo contrario: son los ionesnegativos los que atraviesan el electrolito paracombinarse con el hidrógeno.

El sistema de pila del Necar 4 está alojado en los bajos del vehículo. Equipado con una pilade combustible de 70 kW alimentada por hidrógeno líquido, el Necar 4, presentado en 1999,alcanzaba una velocidad de 145 km/h y tenía una autonomía de 450 km.

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Fuente: Los Alamos National Laboratory


nes es la corriente eléctrica que alimentará, porejemplo, el motor eléctrico de un coche. Una vezatravesado el circuito, los electrones entran en elcátodo, donde se combinan con los protones y eloxígeno del aire para formar agua.

UN MISMO PRINCIPIO, CINCO TIPOS DE PILASAunque el funcionamiento de todas las pilas decombustible responde al mismo principio fun-damental, entre ellas existen notables diferen-cias de diseño, características de operación ypotencia. Así, se pueden encontrar desde pilasde 1w que funcionan a temperatura ambientehasta módulos de 250 kW que operan a 1.000 ºC de temperatura. La clasificación habi-tual de las pilas de combustible está basada en eltipo de electrolito que utilizan, ya que éste de-termina características fundamentales de la pila,y, en consecuencia, sus posibles campos de apli-cación. Las pilas tipo PEM son las que ofrecenmayor flexibilidad y versatilidad. Sus aplicacionesvan desde la alimentación de pequeños aparatosportátiles, como radios y ordenadores, con po-tencias de 1 a 100 w, hasta sistemas de genera-ción doméstica (1 a 5 kW) o residencial (200kW), pasando por la alimentación del vehículoeléctrico. Las MCFC y SOFC tienen un enormefuturo como generadores de electricidad o deelectricidad y calor, aunque su nivel de desarro-llo, especialmente el de estas últimas, es muchomenor.

COCHESY AUTOBUSES A PILALos autobuses que ya circulan por Madrid y Bar-celona son un ejemplo de las ventajas de unatecnología que se presenta como una alternati-va real, limpia y silenciosa a los actuales motoresde combustión interna.Así se moverán tambiénalgún día las motos, los camiones, los submari-nos y hasta los aviones; pero, sobre todo, los co-ches. En los últimos diez años DaimlerChrysler,Ford, General Motors/Opel, Honda, Hyundai,

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A la izquierda, pila de combustible de los autobuses de Madrid y Barcelona. En la páginasiguiente, empleados de la mensajería FedEx en Tokio descargan paquetes del HydroGen 3,coche a pila basado en el Opel Zafira, que utiliza como combustible H2 líquido.

Las mayoría de las pilas de combustible son, enrealidad, una suma de pilas individuales, quereciben el nombre de células o celdas decombustible (fuel cell, en inglés). El corazón decada célula, la unidad formada por el electrolito ylos dos electrodos (Membrane ElectrodeAssembly, MEA) está comprimido entre dosplacas (plates) que, además de protegerla,canalizan y distribuyen los gases en los electrodos,conducen los electrones y, en muchos casos,facilitan la conexión de las células individuales enserie. El conjunto de células conectadas en seriepor medio de estas placas bipolares (bipolarplates) constituye la pila de combustible (stack), encuyos extremos se sitúan dos placas terminales(end plates), que actúan de terminales eléctricos.

La pila por dentro

placas terminales de la pila,con los conectores

electrodo

electrodo

catalizador

placas bipolarescon canalespara el oxígeno y el hidrógeno

membrana deintercambiode protones

(PEM)

hidrógeno H2 aire O2

aire y agua

células individuales

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lard

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rcedes

-Benz


Mazda, Mitsubishi, Nissan, Peugeot-Citroen, Re-nault,Honda,Toyota y Volswagen han desarrolla-do al menos un prototipo de coche a pila cadauno. Alimentados por diferentes combustibles(hidrógeno frente a metanol o gasolina con ba-jo contenido en azufre reformados) y con siste-mas de almacenamiento diversos (hidrógenogaseoso, líquido e incluso combinado en hidru-ros metálicos), todos ellos se mueven parcial ototalmente gracias a la electricidad que generauna pila tipo PEM, que es la más utilizada en au-tomoción.Además de por su tamaño y una bue-na relación potencia/volumen, porque la bajatemperatura a la que funciona permite que elcoche arranque rápidamente y que responda deforma inmediata a las variaciones de demandaenergética del motor, habituales durante la con-ducción. El objetivo de la Unión Europea es que

en 2020 se muevan con pilas de combustible ali-mentadas por hidrógeno el 2% de los cocheseuropeos. Aunque para eso hace falta, entreotras cosas, una red de hidrogeneras dondepuedan repostar hasta llegar a su destino. Peroésta es sólo una de las muchas posibilidades deesta tecnología.

UN ABANICO DE APLICACIONESLos dispositivos electrónicos portátiles son otrode los posibles campos de aplicación de las pilasde combustible.Como sus requerimientos de po-tencia y energía son mínimos, las micro-pilas PEMy las alimentadas por metanol directamente seperfilan como la mejor alternativa. Ordenadoresportátiles, cámaras, teléfonos móviles o PDAsmejoran ostensiblemente si son alimentados con

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Tipos de pilas,combustiblesposibles y aplicaciones

Pilas de combustible

Metanol,Etanol

por Carretera

Marítimo Aéreo

Transporte

Portátil

H 2

AFC

PEM

DMFC...

Esta

ciona

ria

BiogásReformado

Biomasa

GN Gaso-linaCarbón

...

Resid

encia

lIn

dust

ria

MCFC

PAFC

PEM

SOFC

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torola

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Fuente: High Level Group for Hydrogen and Fuel Cells, Comisión Europea


una pila de este tipo, ya que éstas duran más quelas baterías convencionales. Por eso grandes em-presas como Motorola, NEC o Toshiba estánapostando fuertemente por esta tecnología.

En 2002, Panasonic ha anunciado el lanza-miento para 2004 de un "nuevo tipo de electro-doméstico" que produciría energía eléctrica yagua caliente. El aparato, capaz de generar perma-nentemente 1,5 kWh y calentar 300 l de agua a 70ºC no es sino una pila de combustible de mem-brana polimérica diseñada para el consumo do-méstico, sector en el que ya trabajan empresascomo Ballard,Fuji, Idatech,Nuvera,Toyota o UTC.

Pero hay más. La alta eficiencia de las pilasde combustible, su funcionamiento silencioso ysus nulas o bajas emisiones permiten que sepuedan instalar minicentrales cerca e incluso

dentque gía yna ngranedificontde eciónque cialminstade mácidotrabMTUtigaclos dtos f

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La electricidad producida por una sola célulade combustible depende de factores como tipo,tamaño, temperatura de funcionamiento opresión a la que se suministran los gases. Una célula tipo PEM genera poco más demedio vatio por cm2 a una tensión de 0,5-0,7voltios, suficientes sólo para las aplicacionesmóviles más pequeñas. Para conseguir laenergía necesaria en el resto de lasaplicaciones, suele ser necesario conectar enserie hasta cientos de células individuales. El número de células de la pila determina elvoltaje total de la pila y la superficie de cadacelda, la intensidad de la corriente.Multiplicando el voltaje por la intensidad seobtiene la potencia total de la pila. Algunaspilas del alta temperatura están formadas pormás de 5.000 células.Las pilas de más de 100 vatios necesitan para"funcionar" cierto equipamiento extra, más omenos complejo según los casos. Reformadorde combustible, alternador de corriente,regulador de potencia, bomba de aire,compresor y mecanismos de refrigeración yrecuperación de calor determinan en granmedida el buen o mal funcionamiento de todoel sistema.

Hasta miles de células y un complicado sistema

■■ bomba de aire

■■ radiador del sistema de pila decombustible

■■ motor eléctrico ■■ radiador del sistema eléctrico

■■ unidad de controlde potencia

■■ contenedor del sistemade pila de combustible

■■ unidad humidificadora

■■ condensador■■ depósito de hidrógeno■■ pila decombustible

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nda

Honda FCX


dentro de los núcleos de población, de maneraque cada barrio podría generar su propia ener-gía y desconectarse de la red eléctrica.Una bue-na noticia también para poblaciones aisladas ygrandes superficies como fábricas, hospitales,edificios públicos, hoteles o urbanizaciones, quecontarían con un suministro continuo y segurode energía y calefacción. De hecho, la genera-ción de electricidad estacionaria es la aplicaciónque mayor atención ha recibido y está comer-cialmente más desarrollada: desde 1970 se haninstalado en todo el mundo unos 650 sistemasde más de 10 kW, la mayoría basados en pilas deácido fosfórico de 250 kW. En esta direccióntrabajan también empresas como la alemanaMTU o Siemens, que, después de años de inves-tigación e inversiones, han desarrollado módu-los de 250 kW con las tecnologías de carbona-tos fundidos y óxidos sólidos, respectivamente.

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Una historia de más de 150 años

En 1838, Christian F. Schoenbein,catedrático en la Universidad deBasilea, enviaba a Michael Faradayuna carta comunicándole que habíadescubierto que un electrolito ácidoera capaz de generar corrienteeléctrica a partir dehidrógeno y oxígeno o clorosin que los electrodos deplatino sufriesen cambiosquímicos. No obstante, laprimera pila de combustiblefue inventada en 1839 porWilliam R. Grove, juez ycientífico galés, quien se diocuenta de que el "efectoSchoenbein" no era más que el proceso inverso dela electrólisis del agua, y reconocía su potencialidadcomo generador electroquímico continuo. Casi un siglo más tarde, en 1932, Francis ThomasBacon "resucitaba" el invento de Grove, con ligeroscambios, que incluían la sustitución del platino delos catalizadores por níquel y del ácido sulfúrico porpotasa: en 1959 conseguía que su pila alcalinaprodujera 5 kW. El interés por las pilas decombustible llegó definitivamente a principios de losaños 60, cuando la NASA promovió el desarrollo deéstas para abastecer de electricidad y agua a lasnaves de los programas espaciales Géminis y Apolo.Una década más tarde la crisis del petróleo haríadespegar definitivamente la investigación y eldesarrollo de esta nueva tecnología.

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Pilas de combustible utilizadas en elprograma espacial Apolo.Las tres pilas alcalinas, de 1,4 kWcada una, estaban conectadas enparalelo: una sola bastaba para volvera la Tierra. Funcionaron sin incidentesdurante 10.000 h en 18 misiones.

Las pilas de combustible pueden suministrar energía a pequeña y a granescala. En las fotos, una pila doméstica de GM y la oficina de Correos deAlaska, que cuenta con 5 PAFC de 200 kW cada una.A su izquierda, pila MCFC de 250 kW en la planta de Izar en Cartagena.


VENTAJAS MEDIOAMBIENTALESLa pareja hidrógeno-pila de combustible es unagran aliada de la naturaleza. La oxidación del hi-drógeno –sea en un motor de explosión, sea através de una pila– no genera emisiones de SO2,hidrocarburos no quemados y, sobre todo, CO2.Por el tubo de escape de un coche a pila sólo sa-le vapor de agua. Las altas temperaturas que segeneran en el interior de un motor térmicoprovocan la formación de óxidos de nitrógeno(NOx), que, sin embargo, pueden reducirse conayuda de catalizadores que disminuyan la tem-peratura del proceso. BMW (en la foto), MAN yrecientemente Ford han apostado por los mo-tores de combustión de hidrógeno, una tecno-

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■■ depósitos de hidrógeno gaseoso

■■ motor eléctrico

■■ pilas de combustible

■■ controlador delmotor

■■ controlador de corriente continua

■■ baterías

■■ controlador dela pila de

combustible

Emisiones de CO2 según tecnología y combustible

■■ 1 H2 por electrólisis de fuente renovable■■ 2 H2 reformado de gas natural■■ 3 Motor híbrido PC-gasolina■■ 4 PC metanol

■■ 5 PC gasolina■■ 6 H2 por electrólisis de fuente no renovable■■ 7 Motor de combustión interna gasolina

25020015010050

7001 2 3 4 5 6 7

150 160195

240 250kg CO2 equiv/1.000 km

Fuente: National Renewable Energy Laboratory (NREL)/APPICE


logía limpia y mucho más barata hoy que la pilade combustible.

El proceso que se produce en los dos casoses básicamente el mismo, una oxidación, pero elcamino es diferente: mientras que una pila trans-forma la energía química del combustible directa-mente en energía eléctrica, en un motor de ex-plosión la energía química se convierte primeroen energía térmica, que se transforma, a su vez,en energía mecánica.Y en este paso intermediose pierde mucha energía, algo que siempre seráasí por mucho que se mejoren los motores tra-dicionales: lo dicen las leyes de la termodinámica,contra las que no se puede luchar.

La eficiencia de la pila permite también re-ducir el número de emisiones de CO2 y otrassustancias aunque se empleen combustiblesmenos limpios que el hidrógeno: como, para elmismo número de kilómetros, un coche a pilanecesita menos combustible que uno con unmotor tradicional, en su recorrido habrá emiti-do menos contaminantes.

■■ Asociación Española del Hidrógeno: www.aeh2.org

■■ Asociación Española de Pilas de Combustible: www.appice.es

■■ Ciemat: www.ciemat.es/proyectos/pdcfpilas.html■■ CSIC: www.csic.es/redes/pilas/principal.html■■ INTA: www.inta.es■■ Pilas de combustible:

www.pilasde.com■■ Fundación Bellona:

www.bellona.org■■ Agencia Internacional de la Energía:

www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/hydrogen/iea

■■ Departamento de Energía de EEUU: www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells

■■ Los Álamos National Laboratory: www.lanl.gov

■■ Fuel Cells 2000: www.fuelcells.org

■■ Listado de LBST: www.h2cars.de

Más información

“Energías Renovables para todos”es una colección elaborada por

Haya Comunicación, editora de la revista“Energías Renovables”,

(www.energias-renovables.com)con el patrocinio de Iberdrola.

■■ Dirección de la colección:Luis Merino / Pepa Mosquera

■■ Asesoramiento: Iberdrola. Gonzalo Sáenz de Miera

■■ Diseño y maquetación:Fernando de Miguel

■■ Redacción de este cuaderno:Paloma Asensio

■■ Agradecimientos: ARIEMA, Rafael Luque.CSIC, Miguel A. Peña. APPICE, Juan de Blas

■■ Impresión: Sacal

Créditos

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hidrógeno y pila de combustible

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