Hidrógeno como combustible: Beneficios y desventajas

Ventajas e inconvenientes del hidrógeno como combustible

Beneficios medioambientales

• Altas eficiencias en la utilización del combustible: La conversión directa del combustible a energía a través de la reacción electroquímica hace que las pilas de combustible puedan producir más energía con la misma cantidad de combustible si lo comparamos con la combustión tradicional. El proceso directo hace que las eficiencias puedan alcanzar entre 30% y 90%, dependiendo del sistema de pila de combustible, y además se puede emplear el calor adicional producido. La generación de energía basada en la combustión convierte previamente el combustible en calor, limitándose el proceso a la ley de Carnot de la termodinámica, y después a energía mecánica, la cual produce movimiento o conduce a que las turbinas produzcan energía. Los pasos adicionales implicados en la combustión hacen que la energía escape en forma de calor, fricción y otras pérdidas de conversión, provocando la disminución de la eficiencia del proceso global. Las pilas de combustible, al no ser máquinas térmicas, no ven su rendimiento limitado por el ciclo de Carnot y se puede alcanzar teóricamente el 100%. Únicamente las limitaciones en el aprovechamiento de la energía generada y en los materiales empleados en su construcción impiden alcanzar este valor.
• Emisión cero de contaminantes: Cuando el combustible es hidrógeno, los productos obtenidos en la reacción electroquímica catalizada de la pila de combustible entre el hidrógeno y el oxígeno son agua, calor y electricidad, en lugar de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y otras partículas inherentes a la combustión de combustibles fósiles. Para extraer hidrógeno puro, los combustibles fósiles deben pasar primero por un reformador. En este proceso las emisiones de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y otros contaminantes, son solamente una fracción de aquellos producidos en la combustión de la misma cantidad de combustible.
• Reducción del peligro medioambiental inherente de las industrias extractivas: Las pilas de combustible no producen el deterioro ambiental asociado a la extracción de combustibles fósiles de la tierra cuando el hidrógeno es producido a partir de fuentes renovables. Si se produce un escape de hidrógeno, este se evaporará de forma instantánea debido a que es más ligero que el aire. Esta sería una solución para paliar el dramático legado que ha sido dejado en nuestro planeta debido a las perforaciones petrolíferas, el transporte, el refino y los productos de desecho asociados.
• Funcionamiento silencioso: Al carecer de partes móviles, se ha estimado que el nivel de ruido a 30 metros de una pila de combustible de tamaño medio es únicamente de 55 decibelios. Es por ello que podrían usarse pilas de combustible en recintos urbanos.

Beneficios en la ingeniería de pilas de combustible

• Admisión de diversos combustibles: Cualquier combustible que incluya hidrógeno en su composición puede ser reformado. Pueden emplearse para este proceso, por ejemplo, gas natural, carbón gasificado, gasóleo o metanol.
• Altas densidades energéticas: La cantidad de energía que puede generar una pila de combustible con un volumen determinado es normalmente dada en kW/litro. Estos números continúan aumentando conforme se realizan nuevas investigaciones y desarrollos asociados a los productos respectivos.
• Bajas temperaturas y presiones de operación: Las pilas de combustible, dependiendo del tipo, operan desde 80 ºC a más de 1000 ºC. Estos números parecen ser altos, pero tenemos que pensar que la temperatura dentro de los vehículos con motores de combustión interna pueden alcanzar más de 2300 ºC.
• Flexibilidad de emplazamiento: Las celdas de combustible, con su inherente operatividad sin ruido, emisión cero y requerimientos mínimos, pueden ser instaladas en multitud de lugares, de interior o exterior, residenciales, industriales o comerciales.
• Capacidad de cogeneración: Cuando se captura el calor residual generado por la reacción electroquímica de la pila de combustible, este puede emplearse, por ejemplo, para calentar agua o en aplicaciones espaciales para calentar la nave. Con las capacidades de cogeneración, la eficiencia de una pila de combustible puede alcanzar el 90%.
• Rápida respuesta a variaciones de carga: Para recibir energía adicional de la celda de combustible, se debe introducir más combustible en el sistema. La respuesta de la carga en la celda es análoga a la presión que realicemos en el acelerador de nuestro vehículo, a más combustible, más energía.
• Carácter modular: La construcción modular supone una menor dependencia de la economía de escala. La disponibilidad de las pilas de combustible como módulos independientes supone una ventaja adicional, ya que un cambio de escala en la potencia requerida se consigue fácilmente mediante la interconexión de módulos.
• Simplicidad del dispositivo: Las pilas de combustible carecen de partes móviles. La falta de movimiento permite un diseño más simple, una mayor fiabilidad y operatividad, y un sistema que es menos propenso a estropearse.

Seguridad energética

El hidrógeno usado como combustible en las pilas de combustible puede ser producido a nivel doméstico a través del reformado de gas natural, electrólisis del agua o fuentes renovables como eólica o fotovoltaica. La generación de energía a este nivel evita la dependencia de fuentes extranjeras que pueden localizarse en regiones del mundo inestables. El rápido consumo de los combustibles fósiles que la sociedad moderna requiere para el estado de vida actual está acabando con un recurso limitado. La utilización del hidrógeno, el elemento más abundante en el universo, es ilimitada. La transición hacia una economía del hidrógeno es posible y evitaría los problemas asociados al agotamiento del petróleo.

Independencia de la red de suministro energético

Un sistema de celdas de combustible residencial permite una independencia a sus habitantes respecto a la red de suministro eléctrico, la cual puede tener irregularidades. Una de estas serían los cortes de corriente que pueden causar daños importantes a sistemas informáticos, a equipamientos electrónicos y en general a la calidad de vida de las personas.

Pilas de combustible frente a baterías tradicionales

Las celdas de combustible ofrecen una reducción en el peso y en el tamaño para la misma cantidad de energía disponible respecto a las baterías tradicionales. Para incrementar la energía en una pila de combustible, simplemente debe introducirse más cantidad de combustible en el dispositivo. Para aumentar la energía de una batería, se deben adicionar más baterías, viéndose incrementado el coste, el peso y la complejidad del sistema. Una pila de combustible nunca se agota, mientras haya combustible continúa produciendo electricidad. Cuando una batería se agota debe experimentar un largo e inconveniente tiempo de recarga para reemplazar la electricidad gastada. Dependiendo de dónde se genere la electricidad, la contaminación, los costes y los problemas en cuanto a la eficiencia se transfieren desde el emplazamiento de las baterías a la planta generadora central.

Desventajas

• La producción del hidrógeno resulta muy costosa al no ser este una fuente primaria.
• La obtención del hidrógeno puro supone un precio elevado.
• Alto coste destinado a los sistemas de almacenamiento y suministro (de hidrógeno, metanol o gas natural).
• Alto peso de pilas de combustible para los prototipos actuales.
• Elevado gasto energético para licuar el hidrógeno.
• La producción de algunos componentes, al no efectuarse a gran escala, implica un coste elevado. Se estima que un coche con pila de combustible cuesta un 30% más que uno de gasolina o diésel con prestaciones similares.
• Tecnología emergente: Determinados problemas aún no resueltos afectan al funcionamiento de las pilas de combustible, especialmente en lo que respecta a su vida útil, lo que repercute en su comercialización.
• Al tratarse de una tecnología en desarrollo y contar todavía con una baja demanda de unidades, su precio no puede, hoy en día, competir con el de las tecnologías convencionales. Es de esperar que, conforme la demanda se incremente, los precios se vayan equiparando.
• Sensibilidad hacia los venenos catalíticos: Los electrodos empleados incorporan catalizadores para favorecer el desarrollo de las reacciones electroquímicas. El contacto de estas sustancias con los llamados venenos catalíticos, tales como el monóxido de azufre u otros compuestos de azufre, o el monóxido de carbono provocan su inactivación irreversible. En la actualidad se está estudiando la sustitución de estos catalizadores por materiales más resistentes.