Opción estratégica por la energía del hidrógeno. Desarrollo de las Pilas Combustibles (SOFC)
Desarrollo sostenible, cambio climático, combustibles fósiles, efecto invernadero, consumo energético y energías renovables, son todas ellas cuestiones candentes de viva actualidad. No por conocidos y reiterados carecen de importancia, sino que reflejan la trascendencia de una problemática en la que nuestra forma de vida, basada en el consumo de energía abundante y barata, está cuestionada.
Algunas cifras ilustran con claridad la gravedad de la situación, pues tan sólo un 17% de la población mundial consume el 60% de los recursos energéticos actuales y en un 90% tienen su origen en combustibles fósiles (petroleo, gas natural y carbón) limitados y no renovables.
La perspectiva de la actual situación, ante un aumento del consumo energético en nuevos países industrializados como China o India o ante la previsión del aumento de la población mundial, de los seis mil millones actuales hasta los nueve mil en 2050, nos lleva a un escenario distinto y adverso, en el que los recursos energéticos son un bien escaso, caro, de difícil acceso y, sin duda, origen de múltiples disputas y conflictos.
Junto a esta creciente disparidad entre oferta y demanda, el aumento del consumo energético y de combustibles fósiles conlleva efectos medioambientales muchas veces difíciles de valorar, pero que definen un horizonte problemático, caracterizado por contaminación, tasas de CO2 en la atmósfera, “efecto invernadero”, cambio climático, etc.
Pese a su baja aportación en el consumo energético actual, las energías renovables (solar, eólica, hidráulica, biomasa y geotérmica) adquieren día a día una mayor relevancia, tanto que constituyen hoy el sector de más rápido crecimiento de la industria energética de la Unión Europea. En gran medida, las renovables han dejado ya de ser consideradas como “energías alternativas”, de manera que cobra importancia su carácter “complementario” y, en un sentido más estricto, lo “necesario” de las mismas. Así aparecen opciones estratégicas (Alemania, Islandia, California, etc.) por “la sociedad del hidrógeno”, definida por la generación de energía mediante procesos renovables, en el almacenamiento y distribución de la misma en forma de hidrógeno y en su eficiente transformación en energía eléctrica mediante Pilas Combustibles.
Por otra parte, la concreción de la cadena del H2 se encuentra lejos de ser una realidad sustancial y, sin embargo, su necesidad comienza a ser evidente, en la medida que el horizonte de un suministro barato y abundante de energía se desvanece.
Con todo, la necesidad de fuentes alternativas y un coste elevado de la factura energética no son los únicos factores de dinamización de las energías renovables. También son necesarios importantes desarrollos técnicos que superen las barreras existentes y que han impedido la extensión de estas alternativas energéticas. En este punto y desde la perspectiva de INASMET-Tecnalia, no puede sino considerarse la situación como una oportunidad estratégica para la realización de actividades de desarrollo en un sector con evidentes necesidades de expertos en materiales y procesos.
En esta línea, una de las áreas en las que se llevan a cabo actividades de I+D por parte de los equipos de este Centro Tecnológico son las Pilas Combustibles de tipo SOFC (Solid Oxide Fuel Cells). Conceptualmente, una pila combustible, es un proceso electroquímico inverso a la conocida electrólisis o descomposición del agua, donde hidrógeno y oxígeno son utilizados para generar agua y electricidad. Si bien son conocidas desde el siglo XIX, sólo recientemente han alcanzado popularidad y son objeto de desarrollo intensivo a una escala global. Por otra parte, existen diferentes tipos de pilas combustibles en razón a diferentes reacciones electroquímicas involucradas en cada caso.
Las pilas SOFC están constituidas por un electrólito cerámico (generalmente, ZrO2estabilizada con Y2O3) que actúa como conductor iónico a temperaturas elevadas (800-1.000 ºC) y alrededor del cual se constituyen un ánodo de NiO-ZrO2/Y2O3, en contacto con el combustible, y un cátodo (por lo general, de materiales que incluyen peroskitas como (La, Sr)(Co, Fe)O3, LSCF), en contacto con el gas oxidante. Junto a los sistemas de soporte, conducción de gases, electricidad y sellado, el conjunto define la celda básica unitaria de una pila SOFC.
Como quiera que la corriente generada por una celda sea muy baja, éstas son apiladas en número suficiente hasta alcanzar una potencia útil, constituyendo el “stack”. Dicho conjunto o stack constituye el núcleo de un sistema SOFC, aunque su funcionamiento requiere una compleja ingeniería del control y adecuación de los gases de proceso (fuel y aire), de temperaturas, de circuitos de agua y electrónica de potencia. En principio y dadas las características de las pilas SOFC (temperatura de trabajo, volumen, etc.), aparecen como especialmente indicadas para aplicaciones estacionarias, como fuentes de generación distribuida, tanto a escala particular (edificios), de 1-50 kW, como industrial, de 100 kW-MW.
El electrolito constituye un componente esencial en el funcionamiento de las celdas unitarias y, por tanto, en el rendimiento y eficiencia de la pila combustible en conjunto. De manera que es, probablemente, donde los requerimientos sean más estrictos. Para aumentar la eficiencia del sistema el electrólito debe tener una alta conductividad iónica, ser impermeable al flujo gaseoso de hidrógeno hacia el cátodo y su espesor, el mínimo posible para reducir las pérdidas eléctricas. Adicionalmente, la estrategia de fabricación del mismo debe ser compatible con el resto de los componentes de la celda (ánodo, cátodo, soporte, conductores, sellado, geometrías...), por lo que constituye el conjunto un reto de notable dificultad técnica.
En esta línea de actividad, la aportación de INASMET- Tecnalia se ha centrado en el desarrollo de nuevos electrólitos mediante técnicas de proyección térmica y específicamente en la utilización de técnicas de detonación para la deposición de capas cerámicas con las características antes indicadas. La principal ventaja de esta técnica de deposición se encuentra en su rapidez y sencillez, a la vez que, gracias a la baja consumición de gases de proceso y, en consecuencia, a la baja carga térmica transportada por los mismos, la técnica es compatible con substratos y geometrías de difícil procesamiento por otros procesos tradicionales.
Pese a los avances logrados en términos de eficiencia, la mayor problemática en el desarrollo de pilas combustibles sigue siendo su fiabilidad y comportamiento, especialmente en términos de largo plazo. Por ello, se han iniciado nuevos proyectos que se proponen lograr una reducción de la temperatura de funcionamiento de la pila, mediante el empleo de nuevos electrólitos (inicialmente ZrO2 - Sc2O3 y compuestos de CeO2 (CGO) con mayor conductividad iónica y depositados mediante procesos de detonación. De esta forma se espera que los procesos degradativos, ligados a las altas temperaturas a las que se encuentra sometido el conjunto de materiales de una pila, se vean reducidos y en esta medida su fiabilidad se vea acrecentada.
Muchas de las expectativas creadas alrededor de las pilas combustibles en el último decenio no se han visto cumplidas (generación distribuida, una pila combustible en el sótano, un coche de hidrógeno en el garaje) y el grado real de implantación de estas tecnologías es todavía muy escaso. En ello podemos apreciar una evidente infravaloración de las dificultades técnicas reales, desbancadas por un discurso voluntarista o, en muchos casos, por agresivas estrategias de marketing. Por todo ello resulta importante recordar el carácter estratégico de la tecnología de pilas combustibles, reafirmar la necesidad de un importante esfuerzo en esta área y abandonar la tentación de considerarla como una más de las “fashion technologies” que cada pocos años cruzan los programas y temarios oficiales de I+D.
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