Celdas de combustible: volver al futuro

El agotamiento de la era del petróleo es un hecho. Acertar con la tecnología que lo reemplace es vital. Por modularidad, capacidad de adaptación a usos estacionarios o móviles, posibilidad de usar gran variedad de combustibles, por eficiencia y por ser no polucionantes, las celdas de combustible parecen ser el candidato. Qué son y cómo funcionan.

El petróleo fue. Para la planificación estratégica, el petróleo fue. Más allá de que las reservas duren aun varias décadas, el aumento exponencial de la demanda de energía, la amenaza medioambiental y la prudencia de guardar lo más que se pueda para usos petroquímicos, hacen que el horizonte para el fin del uso del petróleo como combustible se acerque más y más. ¿Con qué reemplazarlo?

La hidroelectricidad, el renacimiento de la generación nuclear o encontrarle la punta a la fusión son soluciones parciales o aún promesas. Pero todas ellas van orientadas a un segmento de la oferta de energía: los usos estacionarios y masivos.

Existe sin embargo una solución que puede cubrir prácticamente todo el espectro de la demanda. El hidrógeno, puro o presente en los más diversos combustibles, puede alimentar celdas de combustible y microturbinas, llevando la energía allí donde se necesita, sea una casa, una ciudad o un auto. Sin líneas de transmisión. Sin riesgos medioambientales.

Esta tecnología está hoy a mitad de camino entre el laboratorio y la producción masiva. Los problemas a resolver son muchos. Se está viendo si lo que vamos a cargar en nuestros autos será hidrógeno, gas natural o metanol. Pero lo que resulta cada vez más claro es que el vector serán, solas o en cogeneración, las celdas de combustible.

Currículum y prontuario de las celdas de combustible

Las celdas de combustible (fuel cells) son dispositivos electroquímicos que convierten directamente energía química en eléctrica, sin combustión y con alta eficiencia.

Estructuralmente, no son otra cosa que una pila, con un par de electrodos separados por un electrolito.

Funcionalmente, como toda pila, hay un intercambio iónico proveniente de los electrodos a través del electrolito, con una corriente electrónica que cierra el circuito a través de una carga externa. La reacción responde al potencial electroquímico que existe entre las sustancias presentes en los electrodos.

Pero las similitudes llegan hasta aquí.

A diferencia de las pilas galvánicas comunes, los reactivos no se agotan, sino que se aportan continuamente desde afuera, y la pila funciona mientras se asegure este aporte de combustible –de allí su nombre-. Los reactivos son hidrógeno y oxígeno, con un fuerte potencial electroquímico. La reacción debe ser provocada por la presencia de catalizadores (Pt, Pd, Ni) presentes en los electrodos y/o por altas temperaturas de operación. Los productos de escape son agua pura y calor utilizable. Las pilas de combustible pueden alimentar cualquier cosa entre un teléfono celular y una ciudad, pasando por un automóvil, una escuela o un taxi espacial. Son modulares: pueden tener el tamaño de una pila AAA o el de un vagón de ferrocarril. Generan potencia en un rango que va de los mW hasta los MW. No tienen partes móviles. Son silenciosas. Su eficiencia arranca en el 40% y puede llegar, en cogeneración, hasta un 75%. Adecuadamente reformado, pueden utilizar cualquier combustible que les aporte hidrógeno –gas natural, combustibles fósiles, metanol, metano de digestión biológica, hidrógeno electrolítico…-

Poseedora de cada una –y otras muchas- de las grandes ventajas descriptas, la de celdas de combustible es aún una tecnología en desarrollo. Es una gran promesa, pero también un gran desafío. Los problemas aún no resueltos caen en dos categorías que se imbrican dinámicamente: costo y soluciones técnicas. Los desarrollos se centran en optimizar los electrodos y sus catalizadores, tipos de electrolitos y combustibles y sus sistemas de generación o reformado.

Pero estos temas a resolver están fuertemente relacionados con una economía de escala que permita reducir costos y a su vez potenciar los desarrollos. No es desacertado suponer que puede en este caso suceder lo mismo que con la informática. Una espiral de crecimiento de la capacidad con decrecimiento de los precios.

Retrato de familia

En las últimas décadas, y con notable aceleración en los últimos años, se han sucedido grandes aportes. Las diferentes soluciones encaradas se pueden clasificar en general de acuerdo al tipo de electrolito usado. La siguiente es una breve descripción de los tipos existentes (conservando las siglas en inglés):

AFC
Celda de combustible alcalina. Históricamente, la primera utilizada. Sirvió en los programas espaciales Géminis/Apolo de los ‘60 proveyendo electricidad y agua potable a los astronautas. Con electrolito líquido alcalino y alimentada con hidrógeno y oxígeno puros es sólo apta para ambientes aislados, dado que el dióxido de carbono del aire la contamina.

PAFC
Celda de ácido fosfórico. Utiliza ácido fosfórico como electrolito y es la primera clase de celdas comercializadas para generación de energía en usos estacionarios. Existe en funcionamiento una celda de 11MW. La temperatura de trabajo está en el orden de los 220°C

MCFC
Celda de carbonatos fundidos. Tiene como electrolito sales carbonatadas que funden a la temperatura de operación de 650°C.

SOFC
C elda de óxidos sólidos. El electrolito (sólido) es de cerámica. Permite una temperatura de operación de 1000°C. Tanto las MCFC cómo las SOFC, al trabajar a altas temperaturas, permiten utilizar combustibles que contengan monóxido de carbono con poco o ningún catalizador para la reacción de oxidación del hidrógeno. El calor remanente, en forma de vapor presurizado, se utiliza para accionar turbinas que, asociadas a la celda alcanzan eficiencias del orden del 75%.

PEMFC
Celda de membrana de intercambio protónico. Utiliza como electrolito un polímero conductor a través del cual viajan los protones (iones H). Puede ser pequeña, de gran densidad de potencia (cantidad de Watts por unidad de masa), tiene electrolito sólido y baja temperatura de operación (60 a 100°C), por lo que es muy adecuada para usos móviles.

DMFC
Celda de metanol directo. A diferencia de las anteriores, se la identifica por el combustible: admite metanol directo, sin ningún tipo de reformado. Muy prometedora para usos portátiles, recibe actualmente un fuerte impulso de desarrollo.

Y por casa cómo andamos

El manejo de la tecnología del vapor marcó la explosión industrial del siglo XIX. El petróleo fue el eje de los avances y los conflictos mundiales del siglo XX. El éxito fue de aquellos que dominaron su tecnología y sus recursos.

Estamos hoy, en estos precisos momentos, en los albores de una nueva reformulación energética. Este no es un problema simplemente técnico. Es un problema estratégico. Debe ser una política de estado. Del posicionamiento de cada nación en el tema energético depende fuertemente su futuro.

Estamos en un momento equivalente a 1760, cuando Watt desarrolla la máquina de vapor, o en los inicios de la era del petróleo: todo va a cambiar en breve. Ya, a escala histórica.

Nuestro país no tiene la entidad para encarar por sí solo soluciones como la reformulación nuclear o la fusión. Pero otra faceta extraordinaria que se suma a lo dicho más arriba respecto de la tecnología del hidrógeno es que, además de su modularidad en el uso, permite una modularidad en la inversión en investigación y desarrollo. Todavía estamos a tiempo de estar en carrera. De generar conocimiento propio. Patentes. Recursos. Está a nuestra escala.

En el país existen hoy varios grupos trabajando en el tema.

Corresponde a las universidades impulsar grupos de investigación y desarrollo. Pero corresponde al estado generar una política que centralice, coordine y solvente el trabajo. Para no superponer esfuerzos. Para potenciar resultados. Para entusiasmar a los jóvenes profesionales. Así como en los ‘50 se tuvo la visión de crear la CNEA, de frente a una tecnología que prometía ser el futuro, poniendo a la Argentina en el pelotón de punta, ahora estamos en un momento histórico como para relanzarnos, creando una Comisión Nacional de Energías Renovables o algo equivalente, que coordine y aúne, que impulse y soporte.

Aún estamos a tiempo.

Lic. Osvaldo Ruffo
Colaborador externo GESE (Grupo de Estudios Sobre Energía)
FRBB-UTN