- ¿Qué es una pila de combustible de hidrógeno?
- ¿Cómo funciona una pila de combustible de hidrógeno?
- Tecnologías de las pilas de combustible de hidrógeno
- Tipos de combustible de hidrógeno
- Sistemas de pilas de combustible de hidrógeno
- Principios de diseño de un sistema de pilas de combustible de hidrógeno
- ¿Se pueden utilizar las pilas de combustible de hidrógeno bidireccionalmente?
- Ventajas y desventajas de las pilas de combustible de hidrógeno
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¿Qué es una pila de combustible de hidrógeno?
En las pilas de combustible alimentadas con hidrógeno, la reacción del gas hidrógeno con el oxígeno del aire ambiente genera electricidad.
La tecnología de las pilas de combustible de hidrógeno está hoy a la vanguardia del desarrollo de las pilas de combustible. Las pilas de combustible alimentadas con hidrógeno son hoy el tipo de pila de combustible más utilizado. El hidrógeno es el combustible más sencillo de utilizar. En su estado licuado, el hidrógeno tiene una alta densidad energética. El hidrógeno se quema de forma limpia en vapor de agua, lo que ofrece la oportunidad de desprenderse por completo de un ciclo de generación de energía basado en el carbono.
Por ello, las pilas de combustible de hidrógeno ofrecen varios beneficios que las convierten en una parte importante de la transición hacia un sistema energético más sostenible.
- En primer lugar, una pila de combustible de hidrógeno proporciona una fuente de energía limpia y eficiente. Las pilas de combustible de hidrógeno producen electricidad mediante una reacción química entre el hidrógeno y el oxígeno, cuyo único subproducto es el agua. Esto las convierte en una alternativa ecológica y con bajas emisiones de carbono a las fuentes de energía tradicionales basadas en combustibles fósiles.
- En segundo lugar, las pilas de combustible de hidrógeno son muy versátiles y se pueden utilizar en una amplia gama de aplicaciones. Se pueden utilizar para propulsar vehículos, así como para proporcionar electricidad a hogares, empresas y otros tipos de infraestructuras. Esto las convierte en una parte potencialmente importante de la transición hacia un sistema energético más sostenible.
¿Cómo funciona una pila de combustible de hidrógeno?
En primer lugar, una pila de combustible de hidrógeno proporciona una fuente de energía limpia y eficiente. Las pilas de combustible de hidrógeno producen electricidad mediante una reacción química entre el hidrógeno y el oxígeno, cuyo único subproducto es el agua. Esto las convierte en una alternativa ecológica y con bajas emisiones de carbono a las fuentes de energía tradicionales basadas en combustibles fósiles.
En segundo lugar, las pilas de combustible de hidrógeno son muy versátiles y se pueden utilizar en una amplia gama de aplicaciones. Se pueden utilizar para propulsar vehículos, así como para proporcionar electricidad a hogares, empresas y otros tipos de infraestructuras. Esto las convierte en una parte potencialmente importante de la transición hacia un sistema energético más sostenible.
Tecnologías de pilas de combustible de hidrógeno
Existen varias tecnologías de pilas de combustible diferentes, y no todas ellas utilizan hidrógeno como combustible. Algunas utilizan otros combustibles, como el gas natural o el metanol. Sin embargo, debido a su alta densidad energética y sus propiedades de combustión limpia, el hidrógeno es el combustible más común que se utiliza en las pilas de combustible en la actualidad. Algunos ejemplos de tecnologías de pilas de combustible de hidrógeno son:
- Celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM): utilizan hidrógeno
- Celdas de combustible de óxido sólido: pueden utilizar hidrógeno, gas natural u otros combustibles
- Celdas de combustible de ácido fosfórico: utilizan hidrógeno
- Celdas de combustible alcalinas: utilizan hidrógeno u otros combustibles como metanol o etanol
- Celdas de combustible de carbonato fundido: pueden utilizar hidrógeno, gas natural u otros combustibles
- Celdas de combustible de metanol directo: utilizan metanol como combustible
- Celdas de combustible regenerativas: pueden utilizar hidrógeno, gas natural u otros combustibles
Ejemplo: Pruebas y validación de la pila de combustible de hidrógeno
Tipos de combustible de hidrógeno
También existen diferentes tipos de hidrógeno que se pueden utilizar como combustible.
- Gas de hidrógeno comprimido
- Hidrógeno líquido
- Hidruro
Las principales taxonomías del hidrógeno incluyen:
- Hidrógeno renovable, también conocido como “hidrógeno verde”, que se produce a partir de fuentes de energía renovables como la solar o la eólica.
- Hidrógeno gris, que se produce a partir de combustibles fósiles como el gas natural.
- Hidrógeno azul, que se produce a partir de gas natural con tecnología de captura y almacenamiento de carbono (CCS).
Sistemas de pilas de combustible de hidrógeno
Un sistema de hidrógeno hace referencia a la infraestructura y los equipos necesarios para producir, almacenar y distribuir gas hidrógeno. Puede incluir instalaciones de producción de hidrógeno, tuberías y tanques de almacenamiento.
Un sistema de pilas de combustible de hidrógeno, por otro lado, se refiere al equipo utilizado para convertir el hidrógeno en electricidad. Puede incluir pilas de combustible, inversores y otros componentes eléctricos.
Las pilas de combustible de hidrógeno pueden utilizarse en una gran variedad de configuraciones de sistemas para generar electricidad e hidrógeno. A continuación se ofrece un breve resumen de las diferentes configuraciones de sistemas:
| Configuración del sistema | Descripción |
| Electrólisis | El hidrógeno se produce mediante la electrólisis del agua, utilizando electricidad como insumo. El hidrógeno resultante puede utilizarse como combustible o almacenarse para su uso posterior. |
| Pila de combustible | El hidrógeno reacciona con el oxígeno en una pila de combustible para producir electricidad y agua. |
| Híbrido | Una combinación de un sistema de electrólisis y un sistema de pila de combustible, en el que el exceso de electricidad se utiliza para producir hidrógeno y el hidrógeno se utiliza después en la pila de combustible para generar electricidad cuando es necesario. |
Principios de diseño de un sistema de pila de combustible de hidrógeno
Para diseñar y producir un sistema de celdas de combustible de hidrógeno altamente eficiente que produzca electricidad, hay algunos principios de diseño clave que se deben tener en cuenta:
- Uso de materiales de alta calidad: las celdas de combustible requieren materiales de alta calidad para funcionar de manera eficaz. Esto incluye el uso de materiales que sean resistentes a la corrosión y puedan soportar altas temperaturas.
- Control de las condiciones de funcionamiento: las celdas de combustible funcionan mejor dentro de un rango específico de temperatura y humedad. Es importante diseñar el sistema para controlar estas condiciones de funcionamiento para optimizar el rendimiento.
- Uso eficiente del hidrógeno: las celdas de combustible son más eficientes cuando funcionan a plena carga, por lo que es importante diseñar el sistema para aprovechar todo el hidrógeno disponible.
- Minimización de la pérdida de energía: la pérdida de energía puede ocurrir debido a factores como la transferencia de calor y la resistencia eléctrica. Para maximizar la eficiencia de las celdas de combustible de hidrógeno, es importante diseñar el sistema para minimizar dichas pérdidas.
¿Pueden utilizarse bidireccionalmente las pilas de combustible de hidrógeno?
Es posible utilizar una pila de combustible tanto para la producción de hidrógeno como para la generación de electricidad. En esencia, esto es similar a utilizar un motor en sentido inverso, como generador. Sin embargo, la pila de combustible incluye además la funcionalidad de una batería o un buffer de energía.
- El uso bidireccional se logra normalmente mediante el uso de un sistema híbrido, que combina un sistema de electrólisis con un sistema de celdas de combustible.
- En un sistema híbrido, el exceso de electricidad se utiliza para producir combustible de hidrógeno mediante la electrólisis del agua, de modo que el hidrógeno se pueda utilizar más adelante en la pila de combustible para generar electricidad cuando sea necesario.
Hay varias razones por las que la mayoría de los sistemas de pilas de combustible están actualmente diseñados para un solo propósito, como la producción de hidrógeno o la generación de electricidad.
- Una de las razones es que cada aplicación tiene requisitos específicos que deben cumplirse para que el sistema funcione de manera eficaz. Por ejemplo, los sistemas de producción de hidrógeno pueden requerir altos niveles de pureza en el gas hidrógeno producido, mientras que los sistemas de generación de electricidad pueden requerir un alto nivel de potencia de salida.
- Además, algunas tecnologías de celdas de combustible de hidrógeno son más adecuadas para una aplicación que para otra. Por ejemplo, algunas tecnologías de celdas de combustible son más eficientes para producir hidrógeno, mientras que otras son más eficientes para generar electricidad.
En general, la elección de la configuración del sistema (por ejemplo, electrólisis, pila de combustible o híbrido) y la tecnología de celda de combustible empleada dependerá de los requisitos específicos de la aplicación y del rendimiento deseado del sistema.
Ventajas y desventajas de las pilas de combustible de hidrógeno
Ventaja: la alta densidad energética mejora la productividad
Las pilas de combustible de hidrógeno no producen emisiones de dióxido de carbono durante su funcionamiento, aunque la producción de pilas de combustible de hidrógeno o de combustible de hidrógeno no se realice todavía de forma libre de emisiones de carbono. En el caso de las soluciones de movilidad basadas en hidrógeno, el funcionamiento libre de emisiones de carbono supone una ventaja frente a los vehículos con motor de combustión, que, además de emitir dióxido de carbono a la atmósfera, pueden emitir pequeñas cantidades de monóxido de carbono, que es tóxico.
El proceso de reabastecimiento de las pilas de combustible de hidrógeno es sencillo y dura unos tres minutos, un rendimiento comparable al de los vehículos de combustión interna. Las aplicaciones estacionarias podrían abastecerse con un flujo constante de combustible de hidrógeno procedente de sistemas de tuberías. La carga de baterías, en comparación, sigue siendo hoy en día un proceso considerablemente más largo y complejo.
La alta densidad energética del combustible de hidrógeno en estado líquido ofrece una ventaja frente a otros tipos de combustibles, ya que los intervalos de reabastecimiento se reducen para el mismo peso de combustible transportado.
Ventaja: Posibilidad de eliminar el uso de combustibles fósiles en la producción de combustible de hidrógeno
Es posible y factible generar hidrógeno mediante electrólisis, mediante la extracción del agua y la separación de la molécula de oxígeno mediante una corriente eléctrica.
La corriente eléctrica utilizada para este proceso puede proceder de cualquier fuente. Una forma verdaderamente libre de carbono de utilizar la energía de las pilas de combustible de hidrógeno es mediante el uso de energía solar, eólica u otros tipos de energía renovable para generar electricidad para el proceso de electrólisis del hidrógeno.
Ventaja: El hidrógeno verde puede eliminar la necesidad de almacenamiento y transporte centralizados de combustible
El hidrógeno se puede almacenar en forma de gas en tanques de alta presión o en forma líquida a temperaturas criogénicas. A primera vista, todos los métodos de almacenamiento de hidrógeno implican una pérdida inherente de energía. La compresión del hidrógeno requiere alrededor del 13% del contenido energético total del propio hidrógeno, y si se licúa, estas pérdidas teóricas ascienden a aproximadamente el 40%.
Sin embargo, si se utiliza hidrógeno verde, la producción, el almacenamiento y la distribución de combustible de hidrógeno pueden descentralizarse verdaderamente. En comparación con los combustibles fósiles, ya no sería necesario contar con refinerías a escala industrial, grandes instalaciones de almacenamiento y complejas redes de tuberías de larga distancia, porque el combustible de hidrógeno se puede generar, almacenar de forma provisional y distribuir poco después de su generación, todo en un mismo lugar.
Seguridad en la manipulación y materiales sofisticados requeridos — ¿Inconveniente o ventaja?
El gas hidrógeno es altamente inflamable y puede escapar fácilmente de su contención. Si el gas hidrógeno se escapa, puede corroer los metales. Esto, a su vez, puede hacer que estos metales contaminados se vuelvan frágiles y propensos a romperse, lo que plantea un riesgo de seguridad en términos de fatiga del metal.
Sin embargo, esta desventaja percibida solo da más sustento al argumento a favor de una economía descentralizada del hidrógeno verde, que eliminaría la necesidad de almacenamiento y transporte de combustible a largo plazo a grandes distancias, porque los combustibles fósiles también son altamente inflamables, y la mayoría de los accidentes que involucran este factor ocurren durante ese almacenamiento a largo plazo y en el curso del transporte del combustible al destinatario final a través de complejas redes transnacionales de tuberías y entregas. Lo mismo se aplica al impacto ambiental de los desastres que ocurren dentro de esta infraestructura, cuya posibilidad se eliminaría por completo en una economía descentralizada del hidrógeno verde.
Eficiencia de las pilas de combustible: ¿desventaja o ventaja?
Las pilas de combustible de hidrógeno son, por sí mismas, más eficientes energéticamente que los motores de combustión interna. Y, si bien las baterías de iones de litio, por ejemplo, son una de las fuentes de energía de mayor rendimiento para las soluciones de movilidad, debe tenerse en cuenta la energía necesaria para generar combustible de hidrógeno o para cargar una batería, y compararla con la energía necesaria para producir y poner a disposición los combustibles fósiles que aún prevalecen en la actualidad.
En términos de eficiencia "de tanque a ruedas", la eficiencia de las pilas de combustible de hidrógeno puede ser de hasta el 60%. En comparación, los motores de combustión interna de gasolina típicos tienen una eficiencia del 20 al 30%, un motor diésel obtiene hasta un 46%. Las baterías de iones de litio ofrecen una de las calificaciones de eficiencia más altas, del 99%.
Sin embargo, estas calificaciones no tienen en cuenta las pérdidas desde la producción hasta la utilización. Al considerar las pérdidas incurridas para poner a disposición el combustible a una densidad de energía determinada, la fuente y el método de producción del combustible de hidrógeno, es decir, hidrógeno "verde", "gris" o "azul", se convierte en el factor más importante para determinar la eficiencia general de la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno.
Última actualización: 15.02.2023