Pilas de combustible frente a la red

Para una estación generadora de energía eléctrica, Mohegan-2 tiene una figura singularmente poco impresionante. No hay torres de enfriamiento que rastrien el cielo, no hay bosques de torres de transmisión, no hay grandes turbinas, no hay paletas gigantes que giran en ríos caudalosos. Básicamente, parece un contenedor de basura muy alto.

Pero cuando se instala como un generador de respaldo en el casino de Connecticut Mohegan Sun, que da nombre a su nombre, el suave zumbido Mohegan-2 tendrá un rendimiento que cualquier planta de generación convencional sería difícil de igualar: obtendrá energía de combustible sin quemarlo, produciendo 200 kilovatios de electricidad, calor utilizable y agua de una pureza que ningún manantial de montaña podría igualar y que solo produce una modesta cantidad de dióxido de carbono. Lo más impresionante de todo es que, con el tiempo, es muy posible que pueda hacer todo esto de forma casi tan económica y fiable como las centrales eléctricas convencionales.

Esta historia fue parte de nuestro número de enero de 2002

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Mohegan-2, junto con una serie de centrales eléctricas de hidrógeno similares que ahora saltan de largos esfuerzos de investigación y desarrollo a la arena comercial, podrían estar marcando el comienzo de la era de la pila de combustible. Las pilas de combustible, que extraen energía electroquímicamente del hidrógeno, son tan silenciosas, limpias y mecánicamente sencillas como una batería, pero tan fáciles de repostar como un motor de combustión interna. Durante mucho tiempo, alabadas por muchos como el sucesor inevitable de los motores de automóviles que consumen mucha gasolina y escupen contaminación, las celdas de combustible siempre se han visto obstaculizadas por los altos costos de fabricación. Pero un número cada vez mayor de empresas confía en que ahora están a punto de reducir los precios de las pilas de combustible a niveles en los que puedan competir, si no con los motores de los automóviles, con los equipos convencionales de generación de energía eléctrica. Si el mercado de tales unidades despega, ese éxito muy bien podría llegar a la fabricación de otras celdas de combustible para el mercado masivo para hogares e incluso electrodomésticos individuales. La economía de hidrógeno resultante, donde la sustancia más abundante de la naturaleza reemplaza a los combustibles fósiles como el elixir de electricidad de elección, eventualmente sería una eficiencia enormemente mayor y un aire dramáticamente más limpio.

No es que la próxima dinastía del hidrógeno sea algo seguro. Además de una serie de problemas técnicos que quedan por resolver, también existen desafíos de infraestructura, como cómo hacer que el hidrógeno puro esté disponible para los consumidores y dónde hacer el mantenimiento de las celdas de combustible. Incluso hay preguntas fundamentales sobre el potencial de mercado de las pilas de combustible, a saber, ¿estará el público dispuesto a deshacerse de las tecnologías conocidas en favor de las pilas de combustible que probablemente tengan un sobreprecio? Muchos expertos creen que lo hará. Después de años de investigación realmente intensa, no vemos ningún obstáculo que no sepamos cómo sortear para convertir nuestros sistemas de energía en celdas de combustible a gran escala, dice Kenneth Stroh, quien dirige los esfuerzos de investigación de celdas de combustible en Los Alamos. Laboratorio Nacional de Nuevo México. Todavía tenemos mejoras por hacer, pero si podemos conseguirlas, este será un evento que cambiará las reglas del juego.

Poder para los protones

El sueño de una economía del hidrógeno es antiguo. Las pilas de combustible han existido desde 1839, cuando el físico británico William Robert Grove construyó un dispositivo que podría revertir la electrólisis, que la mayoría de nosotros recordamos de la química secundaria como el proceso de dividir las moléculas de agua en sus átomos de hidrógeno y oxígeno constituyentes, simplemente enviando una luz suave. Corriente eléctrica a través del agua.

En una pila de combustible, el hidrógeno y el oxígeno se combinan para producir agua y electricidad. El componente central de la mayoría de las pilas de combustible en la actualidad es un electrolito recubierto de catalizador intercalado entre dos placas conductoras. El hidrógeno entra en una de las placas y el oxígeno del aire entra en la otra; el hidrógeno luego empuja a través del electrolito para llegar al oxígeno. En el camino, el catalizador induce a los átomos de hidrógeno a ceder sus electrones solitarios, que son bloqueados por el electrolito, dejando un grupo de electrones abandonados en la primera placa mientras que los iones de hidrógeno migran a la otra placa. Conectar un cable entre las dos placas da como resultado una corriente eléctrica, ya que los electrones fluyen a través del cable para unirse de nuevo con los iones de hidrógeno, momento en el que los átomos de hidrógeno reconstituidos se combinan con los átomos de oxígeno para crear agua. La corriente continuará mientras se introduzca hidrógeno fresco en la primera placa. Para lograr salidas de alta potencia, los juegos de placas se pueden apilar juntos.

El petróleo barato y las economías del motor de combustión interna producido en masa conspiraron durante más de un siglo para mantener las pilas de combustible fuera de la vista y de la mente. Pero en la década de 1970, las preocupaciones sobre la contaminación del aire y la confiabilidad del suministro de petróleo inspiraron un renovado interés en la tecnología. Debido a que los procesos de celdas de combustible se escalan hacia arriba y hacia abajo sin pérdida de eficiencia, el desarrollo de productos hoy en día abarca todo el mapa. Motorola, por ejemplo, quiere poner pilas de combustible en chips que puedan alimentar teléfonos móviles que lleven recargas de hidrógeno como cartuchos de pluma estilográfica. (ver Una pila de combustible en su teléfono, NIÑOS Noviembre de 2001) . Otros buscan usarlos para operar estaciones generadoras de energía eléctrica lo suficientemente grandes como para satisfacer las necesidades de una ciudad pequeña. El gobierno federal ha estado gastando alrededor de $ 90 millones al año en investigación de celdas de combustible (aunque se espera que la financiación para todos los proyectos de energía alternativa se reduzca bajo el presidente Bush).

Pero la atención real en la investigación de las pilas de combustible se ha centrado en los automóviles. Frente a la presión siempre presente para reducir las emisiones contaminantes y las limitaciones naturales del motor de combustión interna, los fabricantes de automóviles han invertido colectivamente más de $ 2 mil millones en investigación y desarrollo de celdas de combustible, tanto internamente como en apoyo de empresas conjuntas como la colaboración de DaimlerChrysler con combustible. fabricante de células Ballard Power Systems, de Burnaby, Columbia Británica (ver Llenarlo con hidrógeno, NIÑOS Noviembre / diciembre de 2000) . Pero las mejores pilas de combustible de la actualidad, aunque de combustión más limpia, todavía no se encuentran a la distancia de los motores de peor rendimiento de Detroit cuando se trata de obtener buena potencia de un paquete ligero, económico y compatible. Y además, el motor de combustión interna puede ser la tecnología más arraigada que existe: con herramientas y reequipamiento durante un siglo y medio para alcanzar los límites de rendimiento y confiabilidad, fabricado en cantidades enormes y respaldado por una infraestructura omnipresente de reabastecimiento y reparación. Dado que nadie va a producir muchas pilas de combustible sin antes establecer un gran mercado, y dado que la industria del automóvil carece del incentivo inmediato para perfeccionar la tecnología, la búsqueda de pilas de combustible automotrices se enfrenta a un problema. La gente se entusiasma con la economía del hidrógeno, dice Joel Swisher, consultor del Rocky Mountain Institute en Snowmass, CO. Pero cuando se trata de averiguar cómo llegar de aquí para allá, el pensamiento se detiene.

Durante los últimos dos años, los fabricantes de pilas de combustible se han convencido de que han visto una ruta para resolver este dilema. Su pensamiento básico ahora es que la mejor manera de entrar en el mercado automotriz es construir primero la infraestructura de producción de celdas de combustible y las economías de escala necesarias vendiendo los dispositivos en un mercado más pequeño pero menos resistente a los desafíos. Ese mercado, según un creciente consenso de expertos y empresas, es la generación de energía eléctrica: aunque las celdas de combustible cuestan alrededor de 10 veces más de fabricar que un motor de automóvil típico, ahora son solo aproximadamente dos veces más caras que los generadores de energía de combustibles fósiles comparables. . La I + D y la inversión a gran escala han estado en el lado del automóvil, dice Stroh de Los Alamos. Pero probablemente sea cierto que los primeros productos estarán en el lado de la generación de energía.

Muchos actores del negocio de la fabricación de pilas de combustible han desplazado, al menos en parte, su atención del sector del automóvil al mercado de la generación de energía. Entre ellos: Ballard, que ahora trabaja para sacar unidades para aplicaciones residenciales y portátiles; H Power en Clifton, Nueva Jersey, que está preparando una unidad de 4,5 kilovatios; y Plug Power en Latham, NY, una empresa respaldada por General Electric que comenzará a distribuir GE HomeGen 7000 este año. Incluso General Motors ha anunciado planes para lanzar un producto de generación de energía a base de pilas de combustible.

Una empresa que indiscutiblemente tiene una ventaja en esta subindustria repentinamente glamorosa es International Fuel Cells de South Windsor, CT. La empresa no solo lleva mucho tiempo desarrollando pilas de combustible destinadas a aplicaciones de generación de energía, sino que las vende desde hace casi 40 años. En la década de 1960, la compañía entregó las tres celdas de combustible utilizadas en la nave espacial Apollo para generar electricidad, y luego hizo lo mismo con los transbordadores espaciales. Si bien esas celdas de combustible nunca han tenido ninguna aplicación comercial, dependen de costosos componentes chapados en oro, por un lado, International Fuel Cells aprovechó su experiencia con ellas para diseñar una unidad llamada PC25, un dispositivo que genera 200 kilovatios de potencia, suficiente. para cubrir las necesidades de un edificio de oficinas de tamaño medio. Durante los últimos seis años, la compañía ha vendido más de 220 PC25 en 17 países a una variedad de empresas, escuelas y agencias gubernamentales que querían reemplazar, complementar o respaldar la electricidad de los servicios públicos locales.

El componente central del PC25 tiene el diseño tipo sándwich que se encuentra en la mayoría de las pilas de combustible. El exterior del sándwich está compuesto por dos placas conductoras plagadas de canales para la entrada y salida de gases. Entre las placas hay un electrolito eficaz para conducir protones; el electrolito está rodeado por un catalizador a base de platino.

El proceso de producción de electricidad en el PC25 comienza cuando el gas natural se canaliza a través de una conexión de servicio público de gas estándar al reformador de combustible de la unidad, que es esencialmente una mini planta química que utiliza una pequeña serie de procesos basados ​​en calor para convertir gas natural, metano o incluso gasolina en hidrógeno, con dióxido de carbono sobrante. Después de la conversión, el gas hidrógeno se tira a través de los canales de una de las placas y entra en contacto con el electrolito recubierto de catalizador, donde el catalizador quita los electrones de los átomos de hidrógeno.

Después de que los electrones llegan a la segunda placa y se unen de nuevo con los protones, los átomos de hidrógeno reconstituidos se combinan con los átomos de oxígeno en el aire para crear agua, ayudados por el catalizador. Parte del agua es absorbida por el electrolito, que no funcionará si se seca; el resto del agua se canaliza a un tanque, donde se puede drenar. Cada sándwich, o celda, en el PC25 produce menos de un kilovatio de energía; Para lograr su salida total de 200 kilovatios, una PC25 usa una pila de 272 de estas celdas.

Cuando se emplea como respaldo de energía de la red pública, la PC25 generalmente permanece en funcionamiento constante, produciendo energía eléctrica que se dirige a la red eléctrica de la red eléctrica (por lo que el propietario de la PC25 normalmente recibe crédito); Si la energía de la red pública se apaga o se corta, un interruptor eléctrico redirige la salida de la PC25 desde la red a la instalación local en una fracción de segundo, manteniendo la instalación con energía.

¿Por qué alguien querría cambiar de fuentes de energía eléctrica convencionales a una pila de combustible como la PC25? Se podría suponer que la mayor virtud de una celda de combustible es que elimina la necesidad de combustible fósil, que actualmente es la fuente de aproximadamente dos tercios de la energía eléctrica de los EE. UU. Teniendo en cuenta que el hidrógeno representa aproximadamente dos tercios de todos los átomos que constituyen nuestro planeta, poder aprovecharlo como fuente de energía casi suena demasiado bueno para ser verdad.

Está. El problema es simple: el hidrógeno puede estar a nuestro alrededor, pero está químicamente encerrado en el agua y otras moléculas. Resulta que la única fuente práctica de hidrógeno disponible ahora es la misma en la que hemos confiado durante mucho tiempo: hidrocarburos ricos en hidrógeno, lo que, en términos prácticos, significa combustibles fósiles. Para extraer hidrógeno, los mismos reformadores de combustible deben estar alimentados.

Obviamente, tener que hacer funcionar las celdas de combustible con combustibles fósiles, y calentarlas y enfriarlas, socava algunas de sus ventajas sobre las centrales eléctricas convencionales, como las que utilizan turbinas de gas natural o hornos de carbón. Pero no elimina esa ventaja. Incluso cuando se cargan con reformadores alimentados con gas natural, las pilas de combustible no producen más emisiones que el dióxido de carbono. Sin duda, el dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero; pero debido a que las celdas de combustible son más eficientes que las plantas que queman combustible, producen mucho menos.

Esa eficiencia es la clave para vender generadores de energía de celda de combustible. El PC25 funciona con una eficiencia de aproximadamente el 40 por ciento, lo que significa que casi la mitad de la energía que consume se convierte en electricidad y el resto se pierde en forma de calor. En comparación, las turbinas de gas de 250 kilovatios que las organizaciones normalmente compran como alternativas o suplementos a la energía de los servicios públicos operan con una eficiencia de alrededor del 30 por ciento. (ver Poder para la gente, NIÑOS Mayo de 2001) . La ventaja de la eficiencia de la PC25 se traduce en un ahorro de alrededor del 30 por ciento en los costos de combustible. El margen se amplía para los clientes que pueden hacer uso del calor residual de una celda de combustible, gran parte del cual se captura fácilmente del aire limpio y el agua que se extrae de la celda; el calor de las turbinas, en comparación, suele estar ligado a emisiones nocivas.

Desafortunadamente, para la mayoría de los usuarios avanzados, esta ventaja se ve borrada por el precio de compra más alto de las celdas de combustible. Una configuración típica de PC25 que comprende un banco de 800 kilovatios de cuatro unidades cuesta casi $ 4 millones, en comparación con menos de $ 2 millones para un generador de turbina de gas comparable. Pero James Bolch, director de fabricación de International Fuel Cells, cree que puede llevar los costes de producción de la próxima generación de pilas de combustible de la empresa a niveles competitivos. Para empezar, la compañía está abandonando su diseño de celda actual, con su electrolito de ácido fosfórico, y se está moviendo a una celda cuyo electrolito es una membrana de plástico delgada, que se está convirtiendo en un estándar de la industria porque es menos costosa de producir. Además, la compañía está explorando nuevas técnicas para aplicar el catalizador a base de platino de $ 20 por gramo en capas más delgadas sin sacrificar el rendimiento, así como diseños de placas que agregan eficiencia al llevar el hidrógeno a la membrana de manera más efectiva y canalizar el agua residual.

Por supuesto, International Fuel Cells primero tiene que aumentar su volumen antes de poder comenzar a aprovechar estas oportunidades. Para ello, la empresa se ha centrado en clientes potenciales que pueden estar dispuestos a pagar un sobreprecio significativo para aprovechar las ventajas de la pila de combustible. Dichos clientes incluyen aquellos que requieren una fuente de energía especialmente confiable, o simplemente más energía de la que se puede obtener de la red pública, además de calor, y no quieren vivir con las emisiones de una turbina de gas. Hay aplicaciones en las que pagar 4.500 dólares por kilovatio de capacidad es un buen negocio, insiste Guy Hatch, director de negocios residenciales de la empresa.

Resulta que hay muchos clientes potenciales de este tipo. Los centros de datos, por ejemplo, requieren una fuente de electricidad constante y constante y, por lo general, usan un generador local para suavizar la energía de la red o respaldarla en caso de una interrupción. First National Bank of Omaha en Nebraska instaló un conjunto de PC25 después de que una interrupción provocó la caída de su red de verificación de tarjetas de crédito, lo que le costó a uno de sus clientes, The Gap, $ 6 millones en ventas. Y no son solo las computadoras las que necesitan energía confiable: la instalación principal del Servicio Postal de los EE. UU. En Anchorage, Alaska, decidió desconectarse de la red en favor de las PC25 cuando las repetidas caídas de voltaje que duraron tan solo una fracción de segundo provocaron un atasco en su equipo de clasificación. En la ceremonia de dedicación del nuevo equipo, un apagón dejó la región circundante a oscuras mientras la instalación permanecía en pleno funcionamiento; los dignatarios presentes tuvieron que asegurar a los observadores que no se trataba de una manifestación planificada. Incluso los sitios en el corazón de las grandes ciudades pueden encontrar que el suministro eléctrico no está disponible porque los cables existentes casi han agotado su capacidad para traer más energía. Nueva York es una de esas ciudades; Las deficiencias de energía llevaron a la estación de policía de Central Park a instalar un PC25 en lugar de estropear el ambiente bucólico con el gemido y los vapores de una turbina de gas tradicional. El edificio Cond Nast en Times Square opera un PC25 en su cuarto piso.

La capacidad de poner en funcionamiento el calor residual del generador de energía basado en pilas de combustible es el factor que hace que los números funcionen para algunos compradores. Además de ayudar a calentar los edificios en el invierno, el calor en los meses más cálidos puede impulsar un tipo de acondicionador de aire llamado enfriador de absorción. First National estima un ahorro anual de $ 200,000 en costos de calefacción e incluso usa el agua tibia que sale de la celda de combustible para derretir el hielo y la nieve en la plaza de su sede. Una posible gran reducción en las facturas de calefacción y aire acondicionado del hogar es una de las razones por las que International Fuel Cells, junto con Ballard, H Power y otros rivales, cree que puede lograr que los propietarios de viviendas de alto nivel y conscientes del medio ambiente busquen unidades que produzcan alrededor de cinco kilovatios y que eventualmente podría venderse por tan solo $ 5,000 o más, aunque es probable que las primeras unidades se vendan cuatro veces más. Hablamos con un propietario que había estado considerando gastar $ 50,000 en paneles solares, dice Hatch de International Fuel Cells, quien piensa que $ 20,000 por una celda de combustible no parece tan escandaloso en ese contexto.

¿Hasta dónde pueden crecer estas mini centrales eléctricas? Al menos una empresa espera producir generadores de pilas de combustible que compitan en precio no solo con los pequeños generadores de turbinas de gas, sino con los grandes generadores empleados por las empresas de servicios públicos. FuelCell Energy de Danbury, CT, ha evitado los electrolitos sólidos empleados por prácticamente todos los demás fabricantes de celdas de combustible en favor de un carbonato fundido. El material realiza aproximadamente la misma función: conduce protones desde la placa cargada negativamente a la cargada positivamente mientras repele los electrones. Pero permite un proceso más simple para reformar el hidrógeno, lo que supone una gran ventaja técnica cuando se trata de producción en masa. Como resultado, FuelCell cree que puede producir unidades que generan hasta tres megavatios de potencia y funcionan con una eficiencia de casi el 80 por ciento. Eso es mejor de lo que puede lograr incluso la estación central de generación de energía más grande. Además, la electricidad se puede producir en el estacionamiento de la empresa consumidora, en lugar de viajar a través de kilómetros de líneas eléctricas que son costosas de instalar y mantener. Las empresas de servicios públicos pueden producir electricidad a bajo precio, dice Jerry Leitman, director ejecutivo de FuelCell Energy. Pero la mayor parte del costo está en distribuirlo y transmitirlo.

Hidrógeno para las masas

Incluso a medida que los generadores de celdas de combustible se vuelven más poderosos y eficientes, la mayoría de las personas en el campo ven su desarrollo más como un medio para llegar al mercado potencialmente enorme de automóviles impulsados ​​por celdas de combustible que como una base para la red eléctrica de próxima generación. En términos de tecnología básica, la transición sería bastante simple: las mismas membranas intercaladas de placas que alimentan los productos del generador eléctrico se pueden colocar en pilas más pequeñas y relativamente livianas capaces de producir los 50 kilovatios aproximadamente necesarios para alimentar un generador eléctrico. automóvil equipado con motor eléctrico mientras se coloca en el maletero o debajo del asiento trasero. A pesar de su largo interés en la generación de energía eléctrica, International Fuel Cells, por ejemplo, está bastante abierto a utilizar el campo como un trampolín hacia el codiciado mercado de automóviles. El transporte es obviamente un objetivo atractivo y las aplicaciones de generación de energía son parte del camino hacia allí, dice el jefe de fabricación de Bolch. La compañía ya ha trabajado con BMW para producir un automóvil que funcione en parte con sus celdas de combustible, y con Hyundai para desarrollar un automóvil que funcione con celdas de combustible, y afirma estar en conversaciones con al menos otros cuatro importantes fabricantes de automóviles. También ha llegado a acuerdos con Thor, un fabricante líder de autobuses lanzadera en América del Norte, e Irisbus, un importante productor europeo de autobuses.

Sin embargo, faltan años para los coches de pila de combustible comercialmente viables, y pueden tardar décadas sin que se produzca un gran avance en la batalla para reducir los costes. En este momento, dice Stroh, incluso las economías de producción en masa no permitirían que las celdas de combustible se acerquen al precio de los motores de combustión interna, que se venden por alrededor de $ 50 por kilovatio de celdas de combustible que superan la capacidad de generación de energía en un factor de aproximadamente un centenar. El costo de los materiales por sí solo los haría demasiado costosos, dice Stroh.

Quizás es por eso que algunos expertos creen que los mercados de generación de energía y automóviles basados ​​en pilas de combustible estarán, en última instancia, fuertemente entrelazados, con generadores y automóviles alimentados por las mismas fuentes. Swisher del Rocky Mountain Institute imagina un escenario en el que los empleados en los sitios industriales con generadores de energía de celda de combustible llenarán sus autos de celda de combustible con hidrógeno mientras están en el trabajo, e incluso usarán sus autos estacionados como generadores de energía suplementarios. La capacidad de interconectar las instalaciones de celdas de combustible sería un catalizador en el mercado, dice, lo que eventualmente conduciría a aplicaciones similares para los propietarios de viviendas.

¿El resultado final? Mirando más allá, no es difícil evocar imágenes de una economía de hidrógeno en toda regla, en la que las celdas de combustible alimentan todo, desde computadoras portátiles hasta aviones y bicicletas; de hecho, ya se están desarrollando versiones experimentales de los tres. Es más, si cada hogar, negocio y comunidad opera pilas de combustible generadoras de energía, entonces podría tener sentido vincularlas todas juntas en una red eléctrica nacional masiva, tal vez controlada a través de Internet, de modo que el excedente de energía en cualquier lugar pueda ser espontáneamente trasladado a aquellos lugares que sufren escasez.

Por supuesto, como señala Stroh, incluso si ningún obstáculo para la economía del hidrógeno parece técnicamente insuperable, todavía hay que superar innumerables obstáculos más pequeños. Pero dado que el hidrógeno constituye el 75 por ciento de toda la materia conocida y es el combustible de las estrellas, tal vez el universo esté tratando de decirnos algo.

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