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Energía

El combustible que fluye de la cerámica

Científicos del Ipen desarrollan un transformador de hidrógeno en electricidad

El conocimiento relativo a las técnicas de producción de energía eléctrica con hidrógeno avanza en todo el mundo. En Brasil, el último resultado en dicha área salió del Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen, por su sigla en portugués), donde un grupo de investigadores logró montar un prototipo de un nuevo tipo de célula de combustible. Los científicos produjeron un conductor de electricidad llamado electrolito – una pieza fundamental para estos aparatos que transforman hidrógeno y oxígeno en energía eléctrica – trabajando con un material cerámico compuesto de óxido de circón y óxido de itrio, dos materias primas halladas en abundancia en yacimientos minerales brasileños. El óxido de circón se extrae de un mineral llamado badeleita, en tanto que el de itrio se saca de la arena monazítica. Ambos materiales purificados se producen en el propio Ipen.

La cerámica es una opción frente al tipo de célula más difundida actualmente, que es compuesta por electrolitos elaborados con un polímero y lleva el nombre de PEM (de la sigla en inglés Proton Exchange Membrana, o Membrana de Intercambio de Protones), desarrollada también en el Ipen y producida en forma experimental por dos empresas brasileñas: Electrocell y UniTech (lea en Pesquisa FAPESP nºs. 92 y 103). “Los electrolitos de polímero deben importarse, mientras que el que usamos nosotros puede sintetizarse totalmente en Brasil”, dice el físico Reginaldo Muccillo, coordinador de la investigación en el Ipen. Muccillo y su grupo forman parte del Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cerámicos (CMDMC), uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid) de la FAPESP, que cuenta con la coordinación del profesor Elson Longo, de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar).

Denominadas células de combustible de óxido sólido o Sofc (de la sigla en inglés Solid Oxide Fuel Cell), éstas se diferencian de las células PEM principalmente debido a su forma de operar. Las PEM trabajan con temperaturas de alrededor de 100°C, mientras que las de cerámica, como ésta del Ipen, trabajan entre los 800 y los 1.000°C. Esta característica elimina la posibilidad de que se usen para suministrar la energía destinada a mover automóviles y otros tipos de vehículos, una función que la industria automovilística reserva a las célula PEM. Pero las altas temperaturas les proporcionan a las células de óxido sólido la capacidad de cogeneración de electricidad y calor como para accionar turbinas industriales y sistemas de calefacción, y a su vez, sirven para calentar calderas industriales y caseras por ejemplo, los llamados boilers o termotanques, que sirven para suministrar agua caliente a la ducha y a los grifos. Al margen de este atributo, la energía generada cumple las funciones normales de una célula de combustible, tales como hacer funcionar aparatos electrónicos y encender lámparas.

La células de óxido sólido pueden construirse para altas potencias, del orden de los megavatios, incluso para ajustar el desnivel provocado por las grandes industrias en las horas pico de demanda de energía eléctrica, impidiendo así la oscilación brusca que ocurre fundamentalmente al atardecer, cuando su uso es mayor. La propia industria automovilística estudia la utilización de este tipo de célula para ocupar el lugar de las baterías y para suministrar energía a los equipos de aire acondicionado. “Las células de combustible funcionan como una  batería, pero la diferencia radica en que no cesan de funcionar mientras siga el flujo de combustible”, explica Muccillo.

“Nosotros logramos llegar al funcionamiento de la célula al vigésimosegundo intento. Hubo euforia entonces por parte de los investigadores que estaban probando el aparato”, recuerda Mucillo. El trabajo se llevó a cabo entre noviembre de 2004 y marzo de 2005, sin bien que el investigador trabaja en el área de electrocerámicas para sensores y células de combustible desde 1992. La investigación que resultó en la composición cerámica para la célula de combustible empezó con un proyecto temático de la FAPESP y con financiamiento de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid), al margen de proyectos recientes de los fondos sectoriales de energía (CTEnerg) y de petróleo (CTPetro).

“El proyecto temático sirvió para avanzar en el conocimiento básico sobre los fenómenos intergranulares de las cerámicas, y el Cepid nos aportó la perspectiva de la innovación. Al final logramos producir un material igual o superior que los usados en células de óxido sólido en el exterior”, dice Muccillo. Prepararon todos los componentes en el propio Ipen en prensas y hornos que funcionan a altas temperaturas, y analizaron la microestructura y el comportamiento eléctrico de los materiales. También produjeron dos piezas esenciales, similares a las placas que sirven de lados positivo y negativo en las baterías y pilas comunes. Dichas placas, que llevan el nombre de ánodo y cátodo y que también se elaboran en cerámica, forman un sándwich, con el electrolito en el medio. En las células de óxido sólido, este conjunto es redondo, y no rectangular, como lo es en las PEM.

Para los ensayos electroquímicos que determinan la potencia de la nueva célula, Muccillo invitó a los investigadores del Departamento de Materiales del Instituto de Tecnología para el Desarrollo (Lactec) de Paraná, un grupo que también es socio en proyectos del CTEnerg y CTPetro. Estos midieron la potencia de la célula y arribaron a la conclusión de que posee 20 milivatios. Este valor es el de una sola célula y puede elevarse muchas veces haciendo algunas modificaciones al proyecto, que ya está en marcha. Para llegar a la necesidad de 5 kilovatios de una casa de clase media, se hará necesario hacer varios dispositivos iguales, y juntarlos de manera tal que alcancen esa potencia. “Las próximas etapas servirán para perfeccionar el montaje de la célula y dominar la tecnología de su fabricación”, dice Muccillo.

La evolución de los materiales
Este tipo de aparato había sido proyectado y armado en Estados Unidos hace 30 años. “El problema es que era muy caro y no llegó a comercializárselo”. Recientemente, con la evolución de los materiales, la empresa alemana Siemens volvió a pensar en las células de combustible de óxido sólido junto con otros centros de investigación en el mundo. Un ejemplo del crecimiento del interés en la investigación y el desarrollo de ese equipo quedó demostrado en marco del IX Simposio Internacional de Sofc, realizado entre el 15 y el 20 de mayo en Québec, Canadá. Alrededor de 400 personas asistieron a cien conferencias y a la presentación de centenas de trabajos de científicos de empresas, universidades y centros de investigación, con el patrocinio de la Sociedad de Electroquímica de Estados Unidos, y de la Sociedad Sofc de Japón. Muccillo y su grupo del Centro de Ciencia y Tecnología de Materiales (CCTM) del Ipen estuvieron presentes con sus proyectos elaborado en el instituto, al margen de otro trabajo en sociedad con investigadores de la Universidad de Roma, Italia, que desarrollaron una técnica química de síntesis de materiales cerámicos para cátodo de Sofc. “Ellos desarrollan los componentes y nos los envían para que los probemos acá. Pero nosotros no usamos este material en la célula del Ipen todavía.”

El camino del oxígeno
Una de las ventajas del nuevo electrolito cerámico desarrollado por los investigadores del Ipen es su capacidad para soportar altas temperaturas durante largo tiempo y sin perder sus propiedades. Es un material que debe tener una interacción directa con el oxígeno (O2) aplicado sobre éste porque es en la superficie de esta cerámica donde se rompe la molécula de gas. “El óxido de circón deja pasar al ión (O2-) impidiendo así el paso de la totalidad del gas”. Los electrones, partículas de carga negativa existentes en el cátodo, generan electricidad junto con los electrones del hidrógeno inyectado y quebrado del lado ánodo. Los protones (H+), de carga positiva, que sobran en el ánodo, reciben a los iones de oxígeno que atraviesan el electrolito, para formar agua (H2O). El agua se produce porque los iones de oxígeno, cuando atraviesan la cerámica conductora en el interior de la célula, se encuentran con el hidrógeno del otro lado. Este camino que lleva a estas reacciones transcurre de manera inversa en las células PEM. En el caso de la membrana polimérica, son los protones de hidrógeno que atraviesan la membrana hacia el otro lado en el encuentro del oxígeno y la consiguiente formación de agua.

La célula de óxido sólido, de la misma manera que otros tipos, también puede extraer el hidrógeno de combustibles tales como metanol y el gas natural, en un proceso llamado reforma. El hidrógeno se obtiene normalmente por hidrólisis de agua, un proceso que sigue aún siendo caro. “La reforma es una de nuestras preocupaciones. Pretendemos utilizar un reformador de etanol (el alcohol que en Brasil se extrae de la caña de azúcar). La alta temperatura facilita el uso de este proceso, que puede accionarse mediante el empleo del propio calor generado en la célula.”

Los investigadores del Ipen no han patentado la célula de óxido sólido. “Estos materiales que empleamos para sintetizar la cerámica se encuentran disponibles en el mercado. A nosotros lo que nos interesa es adquirir capacidad para desarrollar este tipo de células”. La síntesis de las cerámicas ha generado tres tesis doctorales, cinco tesinas de maestría y más de 20 trabajos publicados en revistas científicas durante los últimos años. “Nuestro objetivo es ahora que la célula se vuelva más competitiva y más potente, y mejorar su desarrollo en el laboratorio. Si acaso alguna industria nacional deseara desarrollar nuestra célula, no tendrá que pagar royalties afuera ni importar electrolitos.”

Los proyectos
1. Estudio de fenómenos intergranulares en óxidos cerámicos
Modalidad
Proyecto Temático
Coordinador
Reginaldo Muccillo – Ipen
Inversión
R$ 328.610,97 y US$ 217.952,29 (FAPESP)
2. Cerámicas para células de combustible Sofc
Modalidad
Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid)
Coordinador
Elson Longo – Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cerámicos
Inversión
R$ 1.200.000,00 anual para todo el Cepid

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