En un mundo tan industrializado como en el que actualmente vivimos, la energía eléctrica es una herramienta esencial y tendemos a buscar sustitutos que nos brinden un respaldo de energía para áreas críticas, o para generar servicios locales de energía en áreas que son inaccesibles a líneas de energía.Uno de estos sustitutos son los sistemas a base de Celdas de Energía (Fuel Cells), de los que han sido instalados más de 2500 alrededor del mundo, en hospitales, hospicios de ancianos, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, etc.
Pero qué son estas Celdas de Energía y cómo funcionan? Lee este artículo y descubre los beneficios que nos dan estas celdas al proveernos de energía.
En principio, una celda de energía funciona como una batería. A diferencia de una batería, una celda de energía no se agota o requiere recargar.
Es un dispositivo que genera la electricidad por una reacción química. Cada celda de energía tiene dos electrodos, un positivo llamado Cátodo y un negativo llamado Ánodo. Las reacciones que producen la electricidad ocurren gracias a los electrodos. Cada celda de energía también tiene un electrolito, que lleva las partículas cargadas eléctricamente de un electrodo a otro y finalmente un catalizador, que hace reaccionar los electrodos.
Es un dispositivo que genera la electricidad por una reacción química. Cada celda de energía tiene dos electrodos, un positivo llamado Cátodo y un negativo llamado Ánodo. Las reacciones que producen la electricidad ocurren gracias a los electrodos. Cada celda de energía también tiene un electrolito, que lleva las partículas cargadas eléctricamente de un electrodo a otro y finalmente un catalizador, que hace reaccionar los electrodos.
El hidrógeno es el combustible básico de las celdas de energía, pero también requieren del oxígeno para funcionar. Para que los tengamos presente: una celda de energía genera una cantidad diminuta de electricidad directa (corriente continua). En la práctica, muchas celdas de energía se reúnen por lo general en una batería para producir un nivel más alto de energía o electricidad. Celda o batería, los principios son los mismos.
Modelo de celda de energía
¿Dónde vienen realmente las celdas de energía?
La primera celda de energía fue construida en 1839 por el señor Guillermo Grove, juez y científico galés. Pero el verdadero interés por el funcionamiento de la celda de energía como un generador práctico de energía no comenzó hasta los años 1960, cuando el programa espacial estadounidense eligió las celdas de energía sobre la energía nuclear que era más arriesgada y la energía solar que era más cara. Las celdas de energía alimentaron de energía la nave espacial Apolo y Géminis, y además de esto proporcionaron la electricidad y el agua para el trasbordador espacial.
Celda de energía primitiva
En la página siguiente veremos los diferentes tipos de Celdas de Energía.
TIPOS DE CELDAS DE ENERGIA
Alcalina
Las celdas de energía de alcalina funcionan con hidrógeno comprimido y oxígeno. Ellos generalmente usan una solución de hidróxido de potasio (por medios químicos, KOH) y el agua como su electrolito. Su eficacia es aproximadamente del 70 por ciento, y su temperatura de operación es 150 a 200 grados C, (aproximadamente 300 a 400 grados F). La energía producida por este celda se extiende de 300 vatios (W) a 5 kilovatios (Kw.).
Estas celdas de energía alcalinas fueron usadas en la nave espacial de Apolo para proveer tanto electricidad como agua potable. Ellas requieren combustible de hidrógeno puro, sin embargo, sus catalizadores hechos de electrodo platino son caros. Y como en cualquier contenedor lleno de líquido, pueden producirse fugas.
Estas celdas de energía alcalinas fueron usadas en la nave espacial de Apolo para proveer tanto electricidad como agua potable. Ellas requieren combustible de hidrógeno puro, sin embargo, sus catalizadores hechos de electrodo platino son caros. Y como en cualquier contenedor lleno de líquido, pueden producirse fugas.
Carbonato Fundido
Las celdas de energía de Carbonato Fundido (MCFC) usan compuestos de sal expuestos a altas de temperaturas (como sodio o magnesio) carbonatos (por medios químicos, CO3) que funcionan como electrolito. Los rangos de eficacia son del 60 al 80 por ciento y tienen una temperatura de operaciones de aproximadamente 650 grados C (1,200 grados F).
Increíblemente, han sido construidas unidades con capacidad de producir energía hasta de 2 megavatios (MW) y existen diseños para unidades de hasta 100 MW.
Y seguimos conociendo los tipos de celdas de energía que podemos encontrar, en nuestra siguiente página…
Increíblemente, han sido construidas unidades con capacidad de producir energía hasta de 2 megavatios (MW) y existen diseños para unidades de hasta 100 MW.
Y seguimos conociendo los tipos de celdas de energía que podemos encontrar, en nuestra siguiente página…
Acido Fosfórico
Las celdas de energía de Acido Fosfórico (PAFC) usan el ácido fosfórico como electrolito. Su eficacia es del 40 a 80 por ciento, y su temperatura de operaciones está entre 150 a 200 grados C (aproximadamente 300 a 400 grados F).
Las celdas de ácido fosfórico existentes tienen la capacidad de producir energía hasta de 200 Kw., y han probado algunas de hasta 11 MW.
Toleran una concentración de monóxido de carbono aproximadamente del 1.5 por ciento, que incrementa el porcentaje de combustibles que pueden usar. Si se usara gasolina como combustible, se debe quitar el azufre, ya que no son compatibles químicamente.
Para su correcto funcionamiento son necesarios unos electrodo-catalizadores a base platino, ya que sus partes internas deben ser capaces resistir el ácido corrosivo.
Membrana de Cambio de Protón (PEM)
Estas celdas trabajan con un electrolito de polímero con la forma de una hoja delgada y permeable. La eficacia es aproximadamente el 40 a 50 por ciento, y la temperatura de operaciones es aproximadamente 80 grados C (aproximadamente 175 grados F).
La capacidad de producción de energía de estas celdas generalmente se extienden de 50 a 250 Kw. La parte sólida, el electrolito flexible no se gotea o se quiebra. Estas celdas funcionan en una temperatura bastante baja y pueden ser convenientes para casas y coches. Para esto, el combustible que usan debe ser purificado, y generalmente se usa un catalizador de platino en ambos lados de la membrana interior, lo cual aumenta los costos.
Óxido sólido (SOFC)
Las celdas de óxido sólido usan un compuesto difícil, hecho a base de cerámica de metal (como calcio o circonio) y óxidos (por medios químicos, O2) que funcionan de electrolito. La eficacia es aproximadamente el 60 por ciento, y las temperaturas de operaciones son aproximadamente 1,000 grados C (aproximadamente 1,800 grados F).
La capacidad para generar energía está a la altura de 100 Kw. En tales temperaturas no se requiere que un transformador extraiga el hidrógeno del combustible, además de eso, el calor de desecho puede ser reciclado para hacer electricidad adicional, sin embargo, la alta temperatura que emite limita la capacidad de las unidades SOFC y tienden a ser bastante grandes, aunque los electrolitos sólidos no pueden fugarse como en otro tipo de celdas de energía, pueden rajarse.
Ahora veamos los beneficios que podemos encontrar en las celdas de energía, en nuestra siguiente pagina...
BENEFICIOS
Ninguna otra tecnología generadora de energía tiene una combinación de beneficios como lo pueden ofrecer las celdas de energía. Entre estos beneficios se incluyen:
Centrales Eléctricas
Los sistemas de generación de energía que utilizan las celdas de energía a base de combustible de hidrocarbonos al día de hoy consiguen una eficacia del 40 por ciento. Ya que las celdas de energía funcionan silenciosamente, reducen la contaminación acústica así como la contaminación del aire y cuando la celda de energía se sitúa cerca del punto de uso, su calor de desecho puede ser ocupado para objetivos beneficiosos (cogeneración).
Celda de energía
Telecomunicaciones
Con el uso de las computadoras, el Internet, y las redes de comunicación constantemente en aumento, viene la necesidad por obtener una red de energía más confiable, y la celda de energía ha probado ser un 99.9999% confiable. Las celdas de energía pueden reemplazar baterías para proveer energía de 1 a 5 KW en sitios de telecomunicaciones sin ruidos o emisiones, y son durables, proveyendo energía en lugares donde es más costoso acceder o son sujetos a las inclemencias del tiempo. Dichos sistemas podrían ser usados para proveer energía de primera o de respaldo para aparatos de telecomunicación, torres para celulares, y otros sistemas electrónicos.
Transporte
Vehículos: Todos los fabricantes de vehículos poseen hoy en día un prototipo que funcione con base a celdas de energía, cuyo funcionamiento se está probando en estos momentos, y muchas de estas empresas han iniciado arrendamientos para hacer pruebas en grandes cantidades. La comercialización esta aún muy por debajo de lo esperado (algunos fabricantes dicen que saldrán en el 2012 y algunos aún después) pero cada demostración ayuda a que esta fecha esté aun más cerca.
Buses: Durante los últimos cuatro años, se han realizado más de 50 demostraciones de autobuses con funcionamiento a base de celdas de energía en el norte y sur de América, Europa, Asia y Australia. Las celdas de energía son sumamente eficientes, además que el sistema a base de celdas de energía es mucho más silencioso que los sistemas a base de diesel, y ayudan a reducir la contaminación acústica.
Motos: A pesar de su tamaño, las motocicletas son centrales eléctricas de contaminación. Las motos impulsadas por gasolina, producen emisiones de su escape mucho mayores a las esperadas, lo cual es completamente desproporcionado para su pequeño tamaño. Las motocicletas a base de celdas de energía de hidrógeno, eliminarían las emisiones – En India y Asia donde la mayoría de las poblaciones las utiliza - sería una gran aplicación para demostrar las ventajas de las celdas de energía.
Generador de Energía Portátil
Los generadores de energía portátiles a base de celdas de energía pueden proveernos de esta donde la energía eléctrica no esté disponible, además son silenciosas, y no solo nos librarían de las emisiones de contaminación auditiva, sino que no molestaríamos a nuestros vecinos con ruidos excesivos. Estos generadores podrían ser usados como respaldos de emergencia y en misiones militares, ya que los soldados llevan un equipo pesado al campo de batalla. Además de estos beneficios son mucho más ligeras que las baterías y duran más.
Consumo Electrónico
Las celdas de energía cambiarían el mundo de la telecomunicación, proveyendo energía a los teléfonos celulares, computadoras portátiles y agendas electrónicas durante más tiempo que las baterías. Las compañías de telefonía han demostrado que las celdas de energía pueden proveer de energía por 30 días sin recarga y a las computadoras portátiles por 20 horas. Otras aplicaciones son la fabricación de micro-celdas de energía que proveerían de energía a compaginadores, videograbadoras, herramientas eléctricas portátiles, y energía para dispositivos remotos como audífonos, detectores de humo, alarmas antirrobo, cerraduras para hoteles y lectores métricos. Estas celdas de energía en miniatura generalmente son hechas a base de metanol, un alcohol de madera barato que también se usa como limpia brisas.
En la siguiente página veremos algunos de los obstáculos que tienen las Celdas de Energía...
El Talón De Aquiles: Los obstáculos para las celdas de energía.
Es importante recordar que las celdas de energía no son baterías. Mientras que comparten similares características tales como la capacidad de cambiar energía química en energía eléctrica, las celdas de energía requieren de combustible de hidrógeno para continuar funcionando. El oxígeno es fácil de encontrar, por razones obvias (el que flota en el aire) y el hidrógeno (mientras que es el elemento más abundante del universo) se debe cultivar a partir otras moléculas. El hidrógeno libre es volátil y duro al almacenar.
El hidrógeno se puede extraer de varios diversos combustibles:
• Las Obras clásicas: el gas natural, la gasolina, el gas diesel y el propano, todos contienen las cantidades masivas de hidrógeno que se pueden utilizar en una celda de energía.
• Gas Verde: los gases y los combustibles renovables también ofrecen hidrógeno, estos combustibles pueden ser etanol, metanol, gas del terraplén, bio-gas, y metano.
• Agua: es la molécula más abundante en la tierra. Con electrólisis, el oxígeno y el hidrógeno pueden ser separados y ponerlos conjuntamente al uso.
• Exótico: hay formas muy exóticas de extraer combustible de hidrógeno, éstas incluye cáscaras del cacahuete, algas, y el compuesto del boro hidruro de sodio (altamente corrosivo, tóxico, inflamable, y altamente agua-reactivo).
Actualmente, los costos del hidrógeno son cerca de $3.00 por galón. Pero antes de 2010, el departamento de transporte promete reducir el costo a un dólar. El costo del hidrógeno es dependiente sobre todo en el sistema de la entrega. El hidrógeno se puede bombear a través de líneas de pipa (esto se emplea ya en ajustes industriales). La mejor alternativa para aprovisionar de hidrógeno sería la colocación de estaciones de expendio que se accionarán por vía solar, viento, o energía hidroeléctrica y usar esa electricidad para separar el hidrógeno del agua usando electrólisis. Hay ya dos de estas estaciones que funcionan en California meridional.
Las Baterías a base de Celdas de Energía, a la vuelta de la Esquina
Con la popularización de los ordenadores portátiles y de los teléfonos móviles, las baterías son una presencia constante (y un constante engorro) en la vida de muchas personas. Aunque las nuevas baterías de iones de litio tienen muchas ventajas, todavía es necesario disponer de electricidad para cargarlas, y alcanzan el límite de su rendimiento. En comparación, las baterías con base a celdas de energía sólo necesitan una pequeña cantidad de alcohol para proporcionar varias horas de funcionamiento.
El fabricante de ordenadores LG dispone desde diciembre pasado de un modelo de portátil que se alimenta con una batería que consume alcohol o gas natural. Panasonic y Toshiba también tienen modelos parecidos que funcionan con metanol y proporcionan una autonomía de 20 horas.
¿Baterías o cartuchos de recarga?
Aunque el combustible sea muy barato y accesible, el plan de negocio de estas compañías parece apuntar a que habrá que comprar cartuchos de recarga, esperando que sean compatibles unos con otros.
Según un estudio realizado, el mercado de las baterías con base a Celdas de Energía podría crecer a un ritmo del 23%, alcanzando los 3,500 millones de dólares de volumen en el 2010.
Una aproximación diferente es la de la compañía Medis Technologies, que ha desarrollado el Power Pack 24/7, una caja del tamaño de un paquete de tabaco. Cuando la batería del móvil empiece a flojear, se conecta el aparato al 'Power Pack' y se obtienen 30 horas más de conversación. También sirve para reproductores MP3 u ordenadores portátiles, aunque cuanto mayor sea el consumo, menos durará la carga.
Mientras que la mayoría de las celdas de energía que utilizan metanol requieren un catalizador de platino, Power Pack es desechable, ya que utiliza como combustible boro hidruro de sodio, que permite usar catalizadores más baratos. La empresa Medis espera que cada unidad cueste unos 15 dólares.
Muchos desafíos técnicos y de ingeniería aguardan para las Celdas de Energía, científicos y desarrolladores trabajan duro en ellos. El mayor problema de las celdas de energía es que aún son demasiado caras. Una razón clave es que no se han construido aun las suficientes para que sean usadas en economías de escala.
Esperamos que este artículo haya aclarado algunas de las dudas en referencia a las celdas de energía y esperamos que sigas visitando www.explicame.org