Por David Marrero López
Profesor de Física Aplicada de la Universidad de Málaga

04/05/11. Opinión. “Se necesita urgentemente de nuevas formas de obtener la energía de la que depende nuestra sociedad, buscando en la medida de lo posible un mayor compromiso con el medio ambiente. Es precisamente aquí donde el hidrógeno y el desarrollo de las llamadas energías renovables...

Por David Marrero López
Profesor de Física Aplicada de la Universidad de Málaga

04/05/11. Opinión. “Se necesita urgentemente de nuevas formas de obtener la energía de la que depende nuestra sociedad, buscando en la medida de lo posible un mayor compromiso con el medio ambiente. Es precisamente aquí donde el hidrógeno y el desarrollo de las llamadas energías renovables, puede encontrar la solución a nuestros problemas, ofreciendo energía con bajo impacto medioambiental”, explica el profesor de Física Aplicada de la Universidad de Málaga (UMA) David Marrero en este artículo en el que defiende el uso de las pilas de combustible de óxidos sólidos para producir energía eléctrica. Sus argumentaciones protagonizan este mes la sección de EL OBSERVADOR / www.revistaelobservador.com dedicada a la investigación, el desarrollo y la innovación, que se hace en colaboración con la universidad malagueña.

Pilas de combustible de óxidos sólidos: una manera más eficiente de producir energía eléctrica

EL encarecimiento de los combustibles fósiles y el cambio climático producido por una excesiva emisión de gases de efecto invernadero parecen ser dos poderosas razones que justifican la búsqueda de nuevas formas más limpias y eficientes de producir energía eléctrica.

EN España en la última década el consumo de energía eléctrica prácticamente se ha duplicado, aunque este crecimiento parece haberse estabilizado en los últimos años debido a la crisis económica y a la menor actividad industrial. Más del 50% de la energía eléctrica que se consume actualmente proviene de los combustibles fósiles (gas natural y carbón) y tan solo un 28% proviene de energías renovables (Fig. 1). Esto hace que España sea uno de los países europeos más dependientes de los combustibles fósiles estando nuestra economía fuertemente influenciada por el precio del petróleo.

SEA de una manera o de otra, se necesita urgentemente de nuevas formas de obtener la energía de la que depende nuestra sociedad, buscando en la medida de lo posible un mayor compromiso con el medio ambiente. Es precisamente aquí donde el hidrógeno y el desarrollo de las llamadas energías renovables, puede encontrar la solución a nuestros problemas, ofreciendo energía con bajo impacto medioambiental.

AHORA bien, a corto y medio plazo, será difícil cambiar la dependencia de los combustibles fósiles en el modo de producir energía eléctrica. Esto se debe a intereses económicos y a que la mayoría de las fuentes alternativas renovables son todavía muy costosas. En el tránsito a fuentes de energías alternativas, hay que incidir necesariamente en la eficiencia energética, y las menores emisiones de CO₂ responsables del cambio climático. Los generadores actuales, basados en la quema de combustibles fósiles, son poco eficientes y las pilas de combustible alimentadas con hidrógeno o hidrocarburos podrían ser una alternativa para producir energía eléctrica de manera más eficiente y contribuir en un menor consumo del petróleo.

SIN embargo, la implantación del hidrógeno como combustible no será inmediata y requiere dar aún respuesta a importantes retos tecnológicos, económicos y sociales. A pesar de que el hidrógeno es el elemento más abundante en la naturaleza, no es una fuente primaria de energía, ya que se obtiene principalmente de métodos costosos basados en la gasificación de combustibles fósiles a altas presiones y temperaturas. Otro problema con el uso del hidrógeno es su almacenamiento, el cual es complicado debido a su baja compresibilidad y alta fugacidad. En definitiva, la producción del hidrógeno y especialmente su almacenamiento parece ser, actualmente, un serio inconveniente que debe solventarse. Por tanto, las pilas de combustible que funcionan con hidrógeno necesitan de costosos y voluminosos reformadores externos para extraer el hidrógeno de los hidrocarburos, limitando así la eficiencia de estos dispositivos.

UNO de los tipos de pilas que han tenido mayor interés en los últimos años han sido las de óxidos sólidos (en inglés, Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs). Una pila SOFC consta de dos electrodos cerámicos (el ánodo y el cátodo) y un electrolito conductor de iones óxidos. Su funcionamiento es muy sencillo: en el ánodo, el combustible es oxidado generando protones y electrones; los electrones se mueven a través de un circuito externo hacia el cátodo generando una corriente eléctrica e interviniendo en la reducción del oxígeno. Los iones óxido formados en el cátodo migran a través del electrolito hacia el ánodo, combinándose con los protones para formar únicamente agua como producto de reacción.

LA principal ventaja de las pilas de combustibles es su mayor eficiencia de conversión de energía química en eléctrica. En un generador convencional, la energía química del combustible se transforma primero en energía térmica, después en energía mecánica y finalmente en eléctrica. En cada transformación se va reduciendo la eficiencia y especialmente en la transformación de calor a energía mecánica (Imagen siguiente). En cambio, las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que transforman directamente los combustibles en energía eléctrica, sin la necesidad de una combustión, y ofreciendo por tanto una mayor eficiencia en el empleo de hidrocarburos como combustible. La eficiencia que se puede alcanzar con una pila de combustible es del 85%, mientras que en un generador de combustión es inferior al 30%. Es decir con la misma cantidad de combustible se podría obtener, a partir de una pila de combustible, hasta casi tres veces más de electricidad que con un generador convencional.



OTRO de los beneficios de estos dispositivos es su versatilidad en la elección de combustibles. A diferencia del resto de pilas de combustible que necesitan hidrógeno, las SOFCs pueden operar tanto con hidrocarburos (gas natural, fracciones de petróleo) como con hidrógeno u otros compuestos susceptibles de ser oxidados electroquímicamente como alcoholes, amoniaco, sulfuro de hidrógeno, etc.

ESTAS pilas están pensadas para generar una potencia entre 10 kW y 100 MW y podrían ser utilizadas para proporcionar electricidad y calefacción en edificios, fábricas, automóviles, etc., e incluso se están diseñando micropilas para dispositivos más pequeños como ordenadores portátiles.

ESTOS dispositivos pueden ser móviles o fijos de manera que la energía eléctrica se consumiría en el mismo sitio donde se necesite, evitándose así las pérdidas por transporte a través de una red eléctrica.

EL principal inconveniente de las pilas de combustible de óxidos sólidos es su elevada temperatura de trabajo entre 800 y 1000ºC, lo cual dificulta su aplicación a cualquier dispositivo electrónico. Para solventar este problema se están investigando nuevos materiales más eficientes para su fabricación y reducir la temperatura a 400-600ºC.

DESDE hace más de 10 años, diferentes investigadores de la Universidad de Málaga, Tenerife y Castilla La Mancha trabajan conjuntamente en el desarrollo de nuevos materiales y métodos de preparación para la construcción de SOFCs. Estos materiales cerámicos son preparados en nuestros laboratorios y sus propiedades se determinan mediante diferentes técnicas de caracterización para saber si pueden funcionar adecuadamente en una pila. Además, se investiga en el procesado y diseño de pilas en forma de capas delgadas, mediante el control de la microestructura a nivel nanométrico con el fin de mejorar y hacer más eficientes estos materiales para su futura aplicación en pilas de combustible de óxidos sólidos (Fig. 4).