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Los caminos del hidrógeno

La empresa Electrocell realiza los ajustes finales de la célula de combustible que será usada por la distribuidora de energía Eletropaulo

miguel boyayanEl primer prototipo de Electrocell produjo 25 vatios de energía eléctricamiguel boyayan

Un artefacto de 1,5 m de ancho, 2 m de altura y 1 m de profundidad, que produce energía eléctrica con hidrógeno, es el resultado de cinco años de investigaciones llevadas a cabo en la empresa paulistana Electrocell. Al final de este año, dicho equipo será entregado a AES Eletropaulo, la distribuidora de energía que atiende a 24 localidades – incluida la capital – pertenecientes a la Región Metropolitana de São Paulo. Dentro del mismo está instalada la así llamada célula de combustible, un conjunto de módulos de electrodos y membranas conductoras capaz de producir 30 kilovatios (kW) de energía, suficientes como para suministrar energía a dos o tres pisos de un edificio, o a 40 viviendas populares.

Dicha célula funcionará con hidrógeno acondicionado en cilindros, aunque está preparada para extraer también ese combustible del gas natural y del etanol (el alcohol utilizado en los vehículos). De esta forma se inaugurará una nueva fase energética en São Paulo, que pasará a integrar un selecto grupo de ciudades en el mundo en las cuales existen células de combustible en uso actualmente, aunque por ahora tan solo en forma alternativa y experimental.

Son equipamientos que suscitan gran interés tecnológico y son considerados por los expertos del área como una novedad energética, con grandes posibilidades de diseminarse en este comienzo de siglo. Empresas canadienses, estadounidenses y alemanas producen las células desde hace poco más de cinco años, pero únicamente a pedido, sin líneas de producción consistentes. Esta producción comercial sigue en la senda del programa espacial estadounidense, iniciado en la década de 1950, que produjo células para las naves de las series Gemini y Apollo, y luego para los transbordadores espaciales. El objetivo en el espacio era producir, además de energía eléctrica, agua para los astronautas, un subproducto de estos equipamientos.

Con los avances tecnológicos de los materiales y de la electrónica durante los últimos 15 años, las células se volvieron más baratas y adecuaron su formato para usos en situaciones más comunes. Las células de combustible funcionan como una batería o una pila, transformando la energía química en energía eléctrica, rompiendo las moléculas de hidrógeno que reaccionan con el oxígeno del aire. En la forma estacionaria son parecidas y desempeñan las mismo funciones de un generador, pero en tamaño reducido. La diferencia más importante reside en que lo hacen en forma silenciosa y sin emitir contaminantes. Quien ha estado ya al lado de un generador alimentado con gasoil en funcionamiento sabe muy bien el ruido y la humareda que éste exhala. Así, las células abren nuevos espacios y se erigen en una poderosa herramienta en la que la preocupación ambiental y el silencio ganan importancia y puntos.

Para Eletropaulo, las células pueden significar el comienzo de formas alternativas de producción de energía eléctrica. “Cuando recibamos la célula, la llevaremos probablemente al edificio donde se simulará el reemplazo de un no break (un equipo que evita la paralización de una red de computadoras)”, explica la ingeniera electrónica Mara Ellern, experta en análisis de negocios de Eletropaulo. “Verificaremos su funcionamiento y las posibles fallas”. Antes de pasar a las pruebas de campo, las células también pasarán por el análisis final del profesor José Antônio Jardini, del Departamento de Ingeniería de Energía y Automación Eléctrica de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (USP).

Los no breaks normalmente abastecen a la red de computadoras durante 15 minutos, funcionan con enormes pilas y su costo es de alrededor de mil dólares por kW. Las células, para efectuar el mismo trabajo, saldrían por un precio de 1,5 mil dólares por kW. “Pero la ventaja de las células reside en que operan por un tiempo que solamente es limitado por la capacidad de almacenamiento de combustible, y pueden llegar a tener una autonomía de muchos días de operación si se las conecta a tuberías de gas natural.

Con ello el gasto en mantenimiento se reduce, y a su vez disminuyen las exigencias de espacio físico y la emisión de contaminantes. “Mi sueño es que en el futuro las células tengan una aplicación noble, como en los hospitales, pues al margen de la energía eléctrica limpia, silenciosa e ininterrumpida, pueden suministrar agua caliente para la esterilización”, dice Mara. El agua se produce porque los protones de hidrógeno (luego de que los electrones desempeñan su acción en la producción de energía eléctrica), cuando atraviesan la membrana polimérica conductora ubicada en el interior de la célula encuentran oxígeno del otro lado.

Los planes y las expectativas
Eletropaulo invirtió 1,7 millones de reales en la fabricación de la célula, con recursos del Fondo Sectorial de Energía (CTEnerg), controlado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT) y administrado por la Agencia Nacional de Energía Eléctrica (Aneel). Del lado de Electrocell la expectativa es grande para entregar el primer producto comercial. “Los primeros prototipos los desarrollamos en el marco del proyecto del Programa de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE) de la FAPESP; un trabajo que se inició en el año 2000 y que significó el despegue de la empresa”, comenta el ingeniero electrónico Gilberto Janólio, uno de los cuatro socios.

“Dentro del proyecto del PIPE hicimos prototipos de 25 vatios (W), de 75 W y uno de 10 kW”. En esos proyectos, incluso en el de Eletropaulo, que comprende el conjunto final de cinco módulos de 10 kW cada uno, los investigadores de Electrocell están utilizando un 90% del material desarrollado en Brasil. El único producto importado es la Membrana de Intercambio de Protones, llamada PEM por su sigla en inglés, característica del tipo de célula. Ese polímero, llamado nafion, considerado el corazón de este tipo de célula, fue desarrollado por la empresa estadounidense Dupont en la década de 1960 para la producción electrolítica (por electrólisis, la reacción química por medio de la aplicación de una corriente eléctrica en medio acuoso) de cloro. Esta membrana va instalada en el interior de la célula como si fuese un sándwich, y tiene de cada lado catalizadores y electrodos, uno positivo y el otro negativo. Este conjunto lleva el nombre de Ensamble de Membrana y Electrodos, o MEA en inglés.

Para armar la célula, los cuatro socios y otros 20 colaboradores desarrollaron toda la ingeniería que requiere este equipamiento. “Son las ingenierías de construcción del stack (el conjunto de MEAs), y de control y procesamiento de energía, al margen de los procesos de sellado, refrigeración e integración”, dice Janólio. Otro producto elaborado y fabricado por Electrocell son las placas bipolares de grafito. Éstas sirven para llevar a cabo la conducción y distribución del gas hidrógeno dentro de la célula, además de hacer la conexión entre un MEA y otro. Más allá del trabajo directo en la célula, fue necesario armar todo el sistema eléctrico que transforma la energía de corriente continua (CC) que la célula produce en corriente alterna (CA) que es la que utilizamos usualmente.

Para Electrocell, el momento es de consolidación. “No arriesgamos más, estamos produciendo un equipo que es fruto del desarrollo tecnológico”, afirma Janólio. “Pero no podemos equivocarnos”, agrega. “Nuestra meta es erigir una fábrica de células de combustible para la producción en serie en Brasil. Para ello ya hemos diseñado las cosas como para operar con un equipo compuesto por 58 personas”, comenta el ingeniero químico Gerhard Ett, otro de los socios.

La empresa, instalada en el Centro Incubador de Empresas de Tecnología (Cietec), en las instalaciones del Instituto de Investigaciones Energéticas e Nucleares (Ipen, sigla en inglés) de la Ciudad Universitaria de São Paulo, contó con un vasto apoyo científico y tecnológico. “En el área teórica y de investigación básica contamos con la colaboración del profesor Ernesto Gonzalez, del Instituto de Química de São Carlos de la Universidad de São Paulo (USP), y en el área tecnológica, con el del profesor Marcelo Linardi, del Ipen”, informa Janólio.A causa de la convivencia dentro del Ipen, la gente de Electrocell estuvo en los últimos años muy cerca del profesor Linardi y de su grupo de ocho investigadores. Entre las contribuciones del instituto a los proyectos de Electrocell existe un contrato formal de asociación para el desarrollo de los electrodos y los catalizadores. Linardi está finalizando la producción en laboratorio de un nuevo tipo de MEA.

“Desarrollamos capas de electrodos y de catalizadores que se aplican al nafion”, comenta el investigador del Ipen, que también recibe financiamiento de la FAPESP y del Fondo Sectorial de Petróleo y Gas (CTPetro). “Hemos requerido una patente nacional sobre este producto y podremos transferirle la tecnología a Electrocell. “Para Linardi, la adopción de catalizadores y electrodos propios será muy útil para reducir el precio de la célula de Electrocell. Otro factor importante es que estos equipos del tipo PEM son candidatos naturales a usarse en automóviles. “Es el tipo de célula más versátil, para su uso tanto en vehículos como en su forma estacionaria, para la generación de energía eléctrica”, dice Linardi. En la actualidad todas las automotrices se encuentran abocadas a la realización de pruebas con células PEM en vehículos experimentales, para reemplazar al motor de combustión, o como complemento de éste.

Otra ventaja de la PEM es que trabaja con bajas temperaturas, de alrededor de 80° Celsius (C), lo que facilita su instalación en vehículos automotores. Si las bajas temperaturas facilitan el uso automotor, las altas aportan nuevas ventajas. “En otro proyecto estamos desarrollando una célula de combustible del tipo óxido sólido cerámico (Sofc, sigla en inglés)”, informa el investigador. Esta célula opera a altas temperaturas, de entre 800° y 1.000° C, y en una unidad estacionaria trabaja como co-generadora, suministrando vapor de agua a una caldera y produciendo así más energía eléctrica.

Sea cual sea el tipo de célula, la dependencia del hidrógeno es total. Y la manera más sencilla de obtenerlo, que sería por medio de la electrólisis del agua, es un proceso que consume energía eléctrica y es muy caro. El uso de la célula en estos casos se restringe a las centrales hidroeléctricas. Como éstas no cuentan con medios como para almacenar este tipo de energía, las centrales, fuera de los horarios pico, pueden producir hidrógeno con el excedente no utilizado en la red.

Reforma energética
Pero lo que asegurará el éxito de las células de combustible son los reformadores, equipos capaces de extraer hidrógeno del gas natural, la gasolina o el metanol. En esta línea, en julio de este año, el Laboratorio de Hidrógeno del Instituto de Física de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) presentó un reformador de etanol, el alcohol producido con base en la elaboración de la caña de azúcar. “Es una reacción termoquímica en la que reactivos y catalizadores se utilizan para transformar el etanol en hidrógeno”, explica el investigador Antônio José Marin Neto.

La idea del profesor Ennio Peres da Silva, coordinador del laboratorio y también secretario ejecutivo del Centro Nacional de Referencia en Energía de Hidrógeno (Ceneh), también con sede en la Unicamp, es perfeccionar este primer prototipo e instalarlo en una camioneta (lea en Pesquisa FAPESP n° 82) dotada de una célula de combustible: la están ensamblando en el Ceneh, y estaría lista a comienzos de 2004.

Una carrera mundial

En los años 1970 era un sueño. La llamada “Era del Hidrógeno” surgió en medio a la gran crisis del petróleo, cuando los países productores resolvieron aumentar en demasía el precio del crudo y sembraron dudas en el aire sobre la real capacidad de sus reservas. Así, el elemento químico más abundante en el planeta empezó a ser apuntado como el reemplazante de los combustibles fósiles. Pero la crisis pasó y el hidrógeno fue olvidado hasta los años 90, cuando la degradación ambiental, la contaminación y el efecto invernadero impulsaron la una búsqueda de energías limpias. Una inquietud plasmada en el Foro Mundial de Kyoto, Japón, en 1997, cuando una gran parte de los países se comprometió a reducir el nivel de contaminantes arrojados a la atmósfera.

La preocupación ambiental, sumada al surgimiento de nuevos materiales, y el abaratamiento de las células de combustible, éste último también un logro de la década pasada, catapultaron al hidrógeno nuevamente al centro de la escena energética. Desde entonces, miles de millones de dólares se gastan anualmente para la implementación y la popularización de las células que producen energía eléctrica de manera limpia y silenciosa. Solamente el gobierno estadounidense invertirá 5.500 millones de dólares en células durante los próximos diez años. En junio de este año, Romano Prodi, presidente de la Comisión Europea, anunció que los países miembro invertirán 2 mil millones de euros en cinco años en investigaciones con hidrógeno.

En el comunicado de Prodi consta también la intención de catapultar este combustible y las células a la delantera de la economía energética en 20 ó 30 años. En Japón, el gobierno pretende que 50 mil vehículos impulsados por células de combustible estén circulando en las calles en 2010. Solamente en 2003 se gastarán en dicho país 190 millones en investigaciones con hidrógeno.Con todo esto, es de esperar que Brasil no se quede demasiado atrás, aun cuando los recursos financieros disponibles en el país no sean tan abultados. Brasil demostrado ya su capacidad para producir células de combustible con dos empresas: Electrocell y Unitech (lea en Pesquisa FAPESP n° 70), que ya tienen prototipos de células listos.

Varios institutos de investigación y de enseñanza con sede en el país se encuentran abocados al desarrollo de estudios de las células y de sus componentes, y varias empresas del área energética financian proyectos de investigación y desarrollo, como Eletropaulo, Petrobras, Copel (de Paraná) y Cemig (de Minas Gerais). El año pasado, con la coordinación del Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT) y del Fondo Sectorial de Energía, se lanzó el Programa Brasileño de Células de Combustible, que pretendía aglutinar a los investigadores del área de este tipo de equipamiento que actúan en el país.

A su vez, se estipuló una meta de 50 megavatios (MW) – como comparación, la hidroeléctrica de Itaipí produce 12 mil MW – de producción de energía eléctrica vía células de combustible en diez años. Pero, hasta ahora, poco y nada se ha hecho. “Está todo parado”, dice el coordinador del Centro Nacional de Referencia en Energía de Hidrógeno (Ceneh), Ennio Peres da Silva. “Falta destinar recursos para este año y para el que viene; y los grupos no están trabajando en forma integrada, carecen de una saludable concentración de esfuerzos”. Menos mal que todavía se está a tiempo como para corregir este derrotero, antes de que el país deba comprar en forma sistemática las células de combustible en otros países.

El Proyecto
Desarrollo de Células de Combustible Integrado con Software y Hardware de Monitoreo, Diagnóstico, Control y Periféricos (nº 00/13120-4); Modalidad Programa de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE); Coordinador Gerhard Ett – Electrocell; Inversión R$ 241.580,00 y US$ 24.000,00

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