Energía

La electricidad que sale del hidrógeno

Una pequeña empresa elabora una célula de combustible que servirá para alimentar aparatos electrónicos domésticos

Energía eléctrica para mantener una casa de clase media con televisor, computadora, heladera, microondas y un pequeño aparato de aire acondicionado, al margen de otros artefactos electrónicos: desde equipos audio hasta el secador de cabello, y lámparas en todas las habitaciones. Ésta es la función de la más reciente célula de combustible elaborada por UniTech, una empresa con sede en la ciudad de Cajobi, a 450 kilómetros de la capital paulista. Este equipo produce energía a partir del hidrógeno y posee una capacidad como para generar 5 kilovatios (kW) de potencia máxima de electricidad. Es el primer modelo de la empresa que se adapta al uso comercial, y servirá de base para una producción en mayor escala. Antes, UniTech había producido varios prototipos células de menor capacidad, y había colaborado en la fabricación de una célula de 1,5 kW producida por la Compañía Energética de Minas Gerais (Cemig) (lea en Pesquisa FAPESP nº 70).

Esta nueva célula es un generador estacionario de energía eléctrica armada dentro de un rack que mide 1,30 m de largo por 84 cm de ancho y 1,10 m de altura. El corazón del equipo, que es la propia célula, mide 47 cm de longitud por 30 cm de ancho y 30 cm de altura. Se destinará a una empresa del área de energía que financió su construcción. El nombre de la misma no puede todavía divulgarse, debido a un acuerdo de confidencialidad.

La célula está preparada para utilizar el hidrógeno obtenido con base en la reforma del gas natural o del etanol. Para ello, la empresa que operará la célula ha comprado un reformador, un aparato que rompe las moléculas del gas natural (que posee moléculas con un átomo de carbono y cuatro de hidrógeno, CH4), separando el hidrógeno y liberando el carbono, que se une al oxígeno atmosférico y se transforma en dióxido de carbono (CO2). “La cantidad de ese gas contaminante emitida por la célula es muy inferior a los estándares estipulados para motores de combustión, por ejemplo”, dice el químico Antônio César Ferreira, titular y fundador de UniTech.

La célula no causa contaminación cuando se la alimenta únicamente con hidrógeno. Este gas también puede extraerse de la gasolina, del metanol y del etanol, que es el alcohol empleado como combustible para automóviles en Brasil. Investigaciones realizadas en todo el mundo de dedican a probar prototipos de reformadores para este tipo de combustible, incluso en el Instituto de Física de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp). El hidrógeno también puede obtenerse por electrólisis del agua, cuando se separan el hidrógeno y el oxígeno mediante una descarga eléctrica. Pero este proceso es considerado todavía muy caro, debido a que consume energía eléctrica.

Al margen de la total ausencia o de diminutas fracciones de contaminantes, las células efectúan también un trabajo silencioso, al contrario que los generadores que funcionan con gasoil o gasolina, o incluso las termoeléctricas, todos excesivamente ruidosos. Silenciosas y no contaminantes, las células de combustible podrán instalarse en varios ambientes que requieren el suministro de energía eléctrica. “Al principio, fundamentalmente en hospitales y shopping centers, se utilizarán para aliviar la carga de la red. Cuando la producción alcance mayor escala y los costos bajen, las células podrán reemplazar a cualquier generador de producción de energía eléctrica”, dice Antônio César.

Las células de combustible suministran una energía limpia, que no oscila, por lo tanto es ideal para el suministro de computadoras y aparatos electrónicos, incluso en centros quirúrgicos, pues elimina el uso de estabilizadores de voltaje y no-breaks. “En Estados Unidos instalaron recientemente cinco células de combustible de 200 kW para mantener un sistema de seguridad de tarjetas de crédito, precisamente porque proporcionan un mayor grado de confiabilidad con menor caída de energía.”

Incluso en áreas alejadas de los grandes centros urbanos, la célula de combustible se muestra como una alternativa confiable e importante. “Las poblaciones aisladas de las regiones norte, nordeste y centro-oeste de Brasil, que actualmente utilizan generadores movidos con gasoil (un combustible transportado en camiones y hasta en barcos) podrían almacenar y hacer funcionar células con hidrógeno extraído del agua por electrólisis producida con energía solar. “Un área de 100 metros cuadrados (m²) produciría el hidrógeno suficiente como para una casa, porque es posible almacenar hidrógeno en cilindros y utilizarlos por las noches, o cuando no haya captación de energía solar suficiente, en días nublados, o en inverno. Esto evitaría el costoso y difícil proceso de almacenar la energía eléctrica obtenida de la energía solar o eólica, tradicionalmente concretado mediante el uso de baterias.” El costo del kilovatio hora (kWh) de energía eléctrica producida con el sistema de energía solar, electrólisis y célula de combustible se ubicaría en torno a 0,41 real. Este sistema completo de generación de energía eléctrica también se encuentra en desarrollo en UniTech.

Claro que el precio de una célula de combustible es todavía superior, si se lo compara con los tradicionales generadores de energía. Antônio César calcula que una célula típicamente residencial de 5 kW cuesta alrededor de 4,5 mil dólares (casi 13.500 reales). Para el consumidor, ya con las células de combustible saliendo de una línea de producción, el kW instalado saldría por entre 1 mil y 1,5 mil dólares, el mismo costo de la instalación de una termoeléctrica.

Es de esperarse que ese precio caiga cuando las pocas empresas productoras de este tipo de equipo existentes en el mundo produzcan en gran escala. “En la operación de la célula, la opción más barata es el gas natural, quecuesta de mínima 0,76 real el metro cúbico (1 m³), lo suficiente como para producir 4 m³ de hidrógeno, por consiguiente, 4 kWh de energía eléctrica. De esta forma, el kWh de energía saldría por 0,19 real”. Ese valor se elevaría a 0,65 real en caso de que el consumo trepase a más de 40 m³ por mes. A efectos de comparación: el precio del kWh de la energía eléctrica domiciliaria suministrada por las empresas energéticas en São Paulo es de 0,30 real. Actualmente, la opción de comprar hidrógeno es más cara porque el m³ de ese gas cuesta alrededor de 0,60 real, un precio que varia de acuerdo con el volumen utilizado.

Otro factor que cuenta a favor de la célula es la provisión de agua caliente. Como este equipo funciona a temperaturas de alrededor de 70ºC , es preciso utilizar agua para enfriarlo. De este proceso sobra entonces el agua caliente, que puede emplearse en duchas y grifos, eliminando el consumo de energía eléctrica destinado a esos artefactos de calentamiento de agua. “El uso del agua para generar calor lleva el rendimiento energético de la célula a entre 70% u 80%. Sin el uso de agua se reduce a un nivel de entre el 45% y el 55%”, dice Antônio César. Este rendimiento es el resultado de la transformación electroquímica del hidrógeno en energía eléctrica, más las pérdidas en generación de calor. Como comparación, el aprovechamiento de la gasolina en un motor de automóvil, por ejemplo, es del 21%. Con el gasoil, sube al 30,35%. El resto se pierde.

Pese a reunir tantas virtudes, las células de combustible todavía pasan por un proceso de evolución y pruebas en todo el mundo. Uno de los resultados ya establecidos es el mantenimiento periódico de la célula, pues se le deben cambiar sus electrodos cada ocho años. Esto es en el caso del tipo de célula producida por UniTech, denominada membrana de intercambio de protones, conocida por su sigla en inglés PEM, donde la referida membrana es un polímero conocido también como polímero conductor de protones (politetrafluoretileno sulfonado).

La PEM se ubica dentro de un sándwich, rodeada por catalizadores y electrodos de grafito con sus polos positivo y negativo, como en una batería de las que se emplean en automóviles, que funcionan como placas separadoras, conduciendo los electrones hacia fuera de las placas, generando energía eléctrica. Los protones de hidrógeno, que se producen en uno de los electrodos (ánodos) atraviesan a su vez la membrana y se juntan al oxígeno atmosférico en el otro electrodo (cátodo), formando agua.

Producción en serie
Los electrodos y los catalizadores son los principales componentes que fabricará cualquier empresa destinada a la producción de células de combustible. La membrana se encuentra en el mercado para su compra como insumo. Por eso la fabricación de los electrodos en forma automatizada y en escala es actualmente uno de los objetivos de UniTech. “Contamos con la tecnología de componentes y de montaje; ahora solamente falta automatizar la fábrica”, dice el empresario. La idea inicial es producir al menos mil unidades de 5 kW anualmente.

Por ahora, Antônio César trabaja junto a otros dos ingenieros y tres técnicos. El químico comenzó en 1998, en un proyecto en el marco del Programa de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE) después de haber pasado nueve años trabajando en Estados Unidos como investigador en la Universidad de Texas, y en empresas que ejecutaban proyectos para la Agencia Espacial de Estados Unidos y para el Ejército estadounidense. “Regresé definitivamente a Brasil y a mi ciudad natal porque obtuve una beca y el proyecto de la FAPESP”, comenta Antônio César.

“Tenía ofertas para continuar trabajando allá, pero preferí venirme a Brasil. Si no fuera por el PIPE, no habría regresado”. Posteriormente, UniTech también recibió un financiamiento por valor de 400 mil reales para la producción de los moldes de las placas separadoras proveniente del fondo Sectorial de Energía (CT-Energ), administrado por la Financiadora de Estudios e Proyectos (Finep), dependiente a su vez del Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT).

El Proyecto
Materiales avanzados para la fabricación de separadores bipolares para células de combustible de polímero conductor iónico (nº 97/07401-6); Modalidad Programa de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE); Coordinador Antônio César Ferreira – UniTech; Inversiones R$ 197.184,64 y US$ 77.482,00