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Energ

Avances en las células de combustibles

El Ipen desarrolla un aparato que genera energía eléctrica con etanol

EDUARDO CESAREn el Ipen, preparación, en el horno, de electrolito de cerámicaEDUARDO CESAR

Un pequeño recipiente de vidrio calentado y conteniendo alcohol burbujeante en su interior, es la fase inicial de un tipo de célula de combustible que está en desarrollo en el Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares ( IPEN ) en São Paulo. Ese equipo produce energía eléctrica por medio de una reacción química entre el hidrogeno y el oxígeno y usa el etanol, el alcohol obtenido de la caña de azúcar disponible en las gasolineras brasileñas, de forma directa sin necesidad de otro aparato, llamado reformador. Las células trabajan con hidrogeno puro de origen industrial, que cuesta caro para ser obtenido o extraen ese gas de un combustible (etanol, gas natural, gasolina, etc). “Por lo que sabemos es la primera vez en el país que el etanol es usado de forma directa en una célula SOFC”, dice el investigador del IPEN, Reginaldo Muccillo, coordinador de la investigación.

La célula llamada  SOFC , siglas en inglés de Solid Oxide Fuel Cell o célula de combustible de óxido sólido, es señalada como un generador de electricidad de gran potencia, para un futuro próximo. Basta un suministro de hidrogeno para transformar el equipo en un generador autónomo y producir hasta decenas de megawatts (MW). En comparación la Central Hidroeléctrica de Itaipu produce cerca de 12 mil MW. Grandes empresas  multinacionales  como la Siemens, General Electric, Mitsubishi y Delphi se están preparando para entrar en ese campo. El propio grupo del IPEN está cerrando un acuerdo con la Pirelli Labs, con sede en Milán, Italia, para estudios en conjunto de células SOFC .

“Muchos laboratorios y grandes empresas están con prototipos bajo análisis en itens, como durabilidad, eficiencia y precio del kilowatt”, dice Fabio Coral Fonseca, investigador del grupo que estuvo en el 2006 en un simposio sobre células SOTC en Honolulu, Estados Unidos , con la participación de investigadores de empresas y de institutos de investigaciones, bajo el patrocinio del departamento de energía de los Estados Unidos y del programa Solid State Energy Conversion Alliance (Seca), una alianza entre la industria, el gobierno y la comunidad científica para el desarrollo de generadores de hidrogeno de oxido sólido. El objetivo del Seca es el impulsar la producción de esas células en formatos de 3 a 10 kilowatts para funcionar como generadores en residencias, industrias y en aplicaciones militares.

“Lo que nosotros estamos haciendo en el IPEN es preparando lo que podríamos llamar  como una tercera generación de esa célula”, dice Muccillo. Las células SOFC son caracterizadas por poseer el conductor de electricidad o electrolito, hecho de material cerámico, que rompe las moléculas de hidrogeno o de oxigeno, permitiendo la separación de los electrones y la consecuente generación de energía eléctrica.  “Son equipos idealizados hace mas de 30 años  que solo ahora encuentran nuevos materiales, nuevas soluciones de montajes y precio, para que se conviertan comerciales”, dice Daniel Zanetti de Florio, investigador del grupo que se convirtió recientemente en profesor de la Universidad Federal del ABC (UFABC), en Santo André en la Región Metropolitana de São Paulo.

La primera generación de las células SOFC, que está en pruebas en prototipo, posee un electrolito hecho con óxido de zirconio y óxido de Itrio, sustancias como las de otras generaciones, extraídas de minerales y procesadas industrialmente. Ese tipo de célula ya fue construida de forma experimental, por el mismo grupo en el IPEN (vea Pesquisa Fapesp nº 112). La segunda es hecha con óxido de cerio, en muchos experimentos por el mundo, y la tercera con cerato de bario y zirconato de bario. Son electrolitos desarrollados en instituciones de investigaciones japonesas hace 10 años y ahora preparados por el propio equipo de investigadores del Ipen. “Otra diferencia fundamental es que las dos primeras son de concepción iónica, mientras aquella desarrollada por nosotros para funcionar con etanol es protónica”, dice Muccillo.

Rotura del oxígeno
Para entender esos conceptos es necesario saber que las células de combustibles funcionan como baterías productoras de energía eléctrica, mientras exista el suministro de combustible. Ellas poseen electrodos positivos (ánodo) y negativos (cátodo). En las generaciones listas para convertirse comerciales, la molécula de oxígeno (O2) es rota en la superficie de la cerámica. Los electrones, de carga negativa salen del cátodo de cerámica y generan electricidad junto con los electrones del hidrogeno, que es  inyectado y roto en el lado del ánodo. Los protones de hidrógeno (H+) de carga positiva, que sobran reciben los iones de oxígeno que atraviesan el electrolito para formar agua (H2O), el “residuo” de las células de combustible.

EDUARDO CESARPreparación del etanol para extracción del hidrogeno y la generación de energía eléctricaEDUARDO CESAR

El camino que lleva a todas esas reacciones en la SOFC ocurre de forma inversa en la células PEM , sigla en inglés de Proton Exchange Membrane o membrana de intercambio de protones, en que el electrolito es una membrana polimérica conductora en lugar de la cerámica. En la PEM – actualmente de uso mas difundido y con prototipos pre-industriales, inclusive en Brasil, e indicada para equipar automóviles (vea Pesquisa Fapesp nº 126) – es el protón del hidrogeno (H+) el que atraviesa la membrana y encuentra el oxígeno del otro lado formando agua, siendo caracterizada como concepción protónica. Otra diferencia importante entre las dos es que la PEM trabaja en baja temperatura, alrededor de los 80 grados Celsius (ºC), mientras la SOFC funciona en temperaturas de 600 a 900 ºC. “Lo que nosotros conseguimos fue hacer una célula de cerámica en que los protones de hidrogeno son los que atraviesan el electrolito cerámico” explica Muccillo.

Para hacer funcionar a la célula, el alcohol procesado por ella es inicialmente volatilizado y su molécula es rota a los 670 ºC, generando hidrogeno y dióxido de carbono (CO2). Ese último gas es eliminado en la atmósfera, pero ya hay experimentos en los que es aprovechado en sistemas de producción de alcohol. El nuevo prototipo alcanza la potencia de 1,1 voltios con un tamaño de 20 milímetros de diámetro por 1 milímetro de espesor y está instalado dentro de un gabinete con 5 centímetros de altura y 5 cm de largo.

Además del alcohol, los investigadores del Ipen también hicieron la célula funcionar con gas metano. “Esa fue nuestra primera idea porque imaginábamos colocar una célula de combustible sobre un vertedero para el uso del  metano, liberado en la descomposición  de la basura, en la generación de energía eléctrica para las casas de los  alrededores”, cuenta Mucillo. Pero aún se hace  necesario más estudios para perfeccionar una célula en gran escala. Los investigadores van a presentar la novedad en el 10mo. Simposio Internacional de SOFC  que tendrá lugar en la ciudad de Nara, en Japón, en junio de este año. “Queremos ahora  producir placas (electrolitos) todavía más densas para que el gas (metano o etanol) no pasen en la forma de molécula, y si sea fragmentado con mas eficiencia”, dice Muccillo, que recibe financiamiento del Centro multidisciplinario para el desarrollo de materiales cerámicos (CMDMC) , uno de los centros  de Investigaciones, Innovación y Difusión (Cepid) de la FAPESP, además de un proyecto temático de la  Fundación y del Fondo Sectorial de la Energía (CT- Energ) del Ministerio de Ciencia y Tecnología.

Los Proyectos
1. Estudio de fenómenos inter-granulares en materiales cerámicos
Modalidad
Proyecto Temático
Coordinador
Reginaldo Muccillo – Ipen
Inversión
415.463,52 reales y 163.933,14 dólares (FAPESP)
2. Cerámicas para células de combustible SOFC
Modalidad
Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid)
Coordinador
Elson Longo – Unesp/CMDMC
Inversión
1.200.000,00 reales anuales para todo el CMDMC

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