1.7.1.
Crisis energética
La crisis relativa a los combustibles fósiles, junto con la necesidad de reducir las emisiones responsables del efecto invernadero han incrementado la necesidad de encontrar nuevas fuentes de energías renovables y no contaminantes.
La necesidad energética se halla en pleno crecimiento a nivel mundial debido al desarrollo de países como China e India, donde se concentra aproximadamente el 40 % de la población mundial. Según datos de la Organización Económica para la Cooperación y Desarrollo, el consumo de energía de estos países representa la mitad del consumo energético a nivel mundial[30].
La principal fuente de energía en la actualidad es el combustible fósil, el cual junto con sus derivados y el modo en que hemos estado utilizandolos, su combus- tión, son los principales responsables del efecto invernadero. El ciclo de carbono a escala global se halla en un gran desequilibrio debido a las emisiones deCO2 hacia
la atmósfera, producto principalmente (85 %) de la combustión de combustibles fósiles y en menor mediada (15 %) a la disminución de áreas verdes por diversos factores como la tala de árboles y edificaciones[31].
continúa creciendo. En las últimas tres décadas, estas emisiones se han incremen- tado a razón de un 1.6 % por año, con un crecimiento de las emisiones de CO2
producto de la quema de combustibles fósiles, de un 1.9 % anual[32]. Las concentra- ciones deCO2 en la atmósfera se han incrementado cerca de 100 ppm comparado
con el nivel de la era preindustrial, alcanzando valores de 385 ppm en el año 2009. Surge por esto la necesidad de una revolución real en la manera que produ- cimos y consumimos energía, que involucra mejoras en la eficiencia en la forma de utilizar la energía y desarrollo de nuevas tecnología para fuentes de energía renovables y para el confinamiento sustentable del CO2.
1.7.2.
El hidrógeno como combustible
Una solución ambientalmente eficiente a la dependencia de los combustibles fósiles son las celdas de combustibles, debido a que su funcionamiento se basa en el aprovechamiento de recursos renovables y es compatible con el medio ambiente. El hidrógeno es ideal para las celdas de combustible con polímeros como elec- trolito debido a que poseen un gran desempeño. Sin embargo, el uso de hidrógeno a gran escala presenta problemas relacionados con la facilidad de su obtención a costos bajos, el almacenamiento en vehículos y facilidades para su distribu- ción. Por lo tanto, para la aplicación de esta tecnología a gran escala es necesario resolver previamente dichos inconvenientes.
La celda de combustible es básicamente un generador electroquímico en el cual un combustible (típicamente hidrógeno, gas natural, metanol, gasolina, etc.) y un oxidante (oxígeno o aire) ingresan a la celda, produciendo una corriente eléctrica continua, agua y calor, por lo que carecen de ciclos de carga-descarga. Éstas son silenciosas, eficientes y limpias por lo que superan a las baterias convencionales y a los generadores, eliminando las desventajas principales de ambos sistemas (el tiempo ocioso de recarga en las baterías y los procesos de combustión con emisión de gases perjudiciales). Existen diferentes tipos de celda de combustible, las cuales suelen clasificarse en base al electrolito utilizado, lo que generalmente afecta directamente el rango de temperatura de funcionamiento, el tipo de iones y la dirección en la que se difunden a través de la celda.
membrana de intercambio de protones (PEMFC por sus siglas en inglés). Éstas operan mediante oxidación electroquímica, generando electricidad mientras se forma agua.
Figura 1.6: Esquema del funcionamiento de una celda de combustible tipo PEM.
El combustible utilizado en las celdas de combustible debe tener caracterís- ticas técnicas de seguridad al menos comparables con las de los vehículos con- vencionales: alta densidad energética, facilidad en la producción, acumulación y distribución, gran disponibilidad y finalmente la toxicidad deben ser al menos equivalente a la de los combustibles convencionales.
1.7.3.
El almacenamiento del hidrógeno
Existen varias maneras de afrontar el problema del almacenamiento del hidró- geno, dado que puede hacerse de manera líquida (−253◦C), como gas comprimido (200−700bar) o en materiales diseñados especialmente para dicho almacenamien-
to tales como hidruros metálicos y nanotubos de carbono, aunque cada una de estas opciones tienen actualmente desventajas asociadas al costo de almacena- miento o a la seguridad. La elección de la tecnología apropiada depende de la aplicación y representa un compromiso entre características físicas, tecnológicas, económicas y de seguridad. Los requerimientos para un sistema de almacena- miento portátil son obviamente mucho más estrictos que aquellos para un sistema estacionario, dado que las dimensiones y el peso del tanque son restricciones en el caso de los vehículos.
Almacenamiento de hidrógeno en estado gaseoso: La acumulación en for-
ma gaseosa es la manera más simple de almacenar hidrógeno de manera portátil; sin embargo, la baja densidad del hidrógeno es una desventaja, ya que implica que se almacene menos energía por unidad de volumen que con otros gases com- primidos. Debido a esto, el almacenamiento requerirá grandes volúmenes y altas presiones. Los tanques más utilizados para el almacenamiento son de acero y estos operan a presiones por debajo de los 200bar. Este hecho los hace poco prácticos debido a la baja energía específica del hidrógeno (0,4−0,5kW h/kg), lo cual constituye un inconveniente para su implementación en vehículos. El desarrollo en la actualidad de tanques ultraligeros con recubrimientos metálicos o termo- plásticos capaces de operar a presiones más elevadas (350−700bar) representa un progreso considerable.
Almacenamiento de hidrógeno en estado líquido: El hidrógeno puede ser
también almacenado en forma líquida. Debido al bajo punto de ebullición del hidrógeno (aproximadamente −253◦C), se requieren recipientes criogénicos para mantener tan bajas temperaturas. Este método posee la ventaja de que puede almacenarse energía con alta densidad en un contenedor de menor peso para igual cantidad de energía almacenada mediante otros métodos. Sin embargo, las bajas temperaturas requeridas acarrean problemas de seguridad, además del hecho de que en la licuefacción se consume una alta fracción de energía almacenada (apro- ximadamente el 30 %), comparado con un el 4−7 % del costo de almacenarlo como gas comprimido. Los tanques se diseñan con el fin de minimizar la transmi- sión de calor y consisten en una doble coraza metálica con una sección de vacío
entre medio a fines de mejorar la aislación térmica. La complejidad del sistema y el alto costo de manufacturación de los mismos representan en la actualidad una gran desventaja.
Almacenamiento en forma sólida como hidruros metálicos: El hidrógeno
puede ser también almacenado en forma de hidruro, aprovechando la habilidad de éste para crear enlaces químicos con diferentes metales y aleaciones, penetrando dentro del metal y ocupando sitios intersticiales. Desarrollos tecnológicos en este área están siendo llevados a cabo en la actualidad, tratando de mejorar tanto la cinética del proceso de absorción y desorción, como los costos de manufacturación de estos materiales.
En el avance tecnológico, que sigue abriendo camino y mostrando nuevos ho- rizontes para su almacenamiento, actualmente está poniendo especial atención en aleaciones metálicas que conforman nanoclusters, nanopartículas, nanotubos, etc.. A través de la aleación de diferentes metales cambiando su concentración y composición y de la variación de su tamaño y forma, se logra variar y contro- lar una gran cantidad de propiedades de estos nuevos materiales. Por ejemplo, nanopartículas de tamaños cercanos a 1nm muestran aumento de la capacidad disociativa del H2 respecto de su aleación equivalente en forma de superfície[33],
lo cual es importante al ser el primer paso para su posterior almacenamiento.