El conocimiento relativo a las t\u00e9cnicas de producci\u00f3n de energ\u00eda el\u00e9ctrica con hidr\u00f3geno avanza en todo el mundo. En Brasil, el \u00faltimo resultado en dicha \u00e1rea sali\u00f3 del Instituto de Investigaciones Energ\u00e9ticas y Nucleares (Ipen, por su sigla en portugu\u00e9s), donde un grupo de investigadores logr\u00f3 montar un prototipo de un nuevo tipo de c\u00e9lula de combustible. Los cient\u00edficos produjeron un conductor de electricidad llamado electrolito – una pieza fundamental para estos aparatos que transforman hidr\u00f3geno y ox\u00edgeno en energ\u00eda el\u00e9ctrica – trabajando con un material cer\u00e1mico compuesto de \u00f3xido de circ\u00f3n y \u00f3xido de itrio, dos materias primas halladas en abundancia en yacimientos minerales brasile\u00f1os. El \u00f3xido de circ\u00f3n se extrae de un mineral llamado badeleita, en tanto que el de itrio se saca de la arena monaz\u00edtica. Ambos materiales purificados se producen en el propio Ipen.<\/p>\n
La cer\u00e1mica es una opci\u00f3n frente al tipo de c\u00e9lula m\u00e1s difundida actualmente, que es compuesta por electrolitos elaborados con un pol\u00edmero y lleva el nombre de PEM (de la sigla en ingl\u00e9s Proton Exchange Membrana, o Membrana de Intercambio de Protones), desarrollada tambi\u00e9n en el Ipen y producida en forma experimental por dos empresas brasile\u00f1as: Electrocell y UniTech (lea en Pesquisa FAPESP<\/em> n\u00bas. 92 y 103). “Los electrolitos de pol\u00edmero deben importarse, mientras que el que usamos nosotros puede sintetizarse totalmente en Brasil”, dice el f\u00edsico Reginaldo Muccillo, coordinador de la investigaci\u00f3n en el Ipen. Muccillo y su grupo forman parte del Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cer\u00e1micos (CMDMC), uno de los Centros de Investigaci\u00f3n, Innovaci\u00f3n y Difusi\u00f3n (Cepid) de la FAPESP, que cuenta con la coordinaci\u00f3n del profesor Elson Longo, de la Universidad Federal de S\u00e3o Carlos (UFSCar).<\/p>\n Denominadas c\u00e9lulas de combustible de \u00f3xido s\u00f3lido o Sofc (de la sigla en ingl\u00e9s Solid Oxide Fuel Cell), \u00e9stas se diferencian de las c\u00e9lulas PEM principalmente debido a su forma de operar. Las PEM trabajan con temperaturas de alrededor de 100\u00b0C, mientras que las de cer\u00e1mica, como \u00e9sta del Ipen, trabajan entre los 800 y los 1.000\u00b0C. Esta caracter\u00edstica elimina la posibilidad de que se usen para suministrar la energ\u00eda destinada a mover autom\u00f3viles y otros tipos de veh\u00edculos, una funci\u00f3n que la industria automovil\u00edstica reserva a las c\u00e9lula PEM. Pero las altas temperaturas les proporcionan a las c\u00e9lulas de \u00f3xido s\u00f3lido la capacidad de cogeneraci\u00f3n de electricidad y calor como para accionar turbinas industriales y sistemas de calefacci\u00f3n, 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 energ\u00eda generada cumple las funciones normales de una c\u00e9lula de combustible, tales como hacer funcionar aparatos electr\u00f3nicos y encender l\u00e1mparas.<\/p>\n La c\u00e9lulas de \u00f3xido s\u00f3lido 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 energ\u00eda el\u00e9ctrica, impidiendo as\u00ed la oscilaci\u00f3n brusca que ocurre fundamentalmente al atardecer, cuando su uso es mayor. La propia industria automovil\u00edstica estudia la utilizaci\u00f3n de este tipo de c\u00e9lula para ocupar el lugar de las bater\u00edas y para suministrar energ\u00eda a los equipos de aire acondicionado. “Las c\u00e9lulas de combustible funcionan como una\u00a0 bater\u00eda, pero la diferencia radica en que no cesan de funcionar mientras siga el flujo de combustible”, explica Muccillo.<\/p>\n “Nosotros logramos llegar al funcionamiento de la c\u00e9lula al vig\u00e9simosegundo intento. Hubo euforia entonces por parte de los investigadores que estaban probando el aparato”, recuerda Mucillo. El trabajo se llev\u00f3 a cabo entre noviembre de 2004 y marzo de 2005, sin bien que el investigador trabaja en el \u00e1rea de electrocer\u00e1micas para sensores y c\u00e9lulas de combustible desde 1992. La investigaci\u00f3n que result\u00f3 en la composici\u00f3n cer\u00e1mica para la c\u00e9lula de combustible empez\u00f3 con un proyecto tem\u00e1tico de la FAPESP y con financiamiento de los Centros de Investigaci\u00f3n, Innovaci\u00f3n y Difusi\u00f3n (Cepid), al margen de proyectos recientes de los fondos sectoriales de energ\u00eda (CTEnerg) y de petr\u00f3leo (CTPetro).<\/p>\n “El proyecto tem\u00e1tico sirvi\u00f3 para avanzar en el conocimiento b\u00e1sico sobre los fen\u00f3menos intergranulares de las cer\u00e1micas, y el Cepid nos aport\u00f3 la perspectiva de la innovaci\u00f3n. Al final logramos producir un material igual o superior que los usados en c\u00e9lulas de \u00f3xido s\u00f3lido 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 el\u00e9ctrico de los materiales. Tambi\u00e9n produjeron dos piezas esenciales, similares a las placas que sirven de lados positivo y negativo en las bater\u00edas y pilas comunes. Dichas placas, que llevan el nombre de \u00e1nodo y c\u00e1todo y que tambi\u00e9n se elaboran en cer\u00e1mica, forman un s\u00e1ndwich, con el electrolito en el medio. En las c\u00e9lulas de \u00f3xido s\u00f3lido, este conjunto es redondo, y no rectangular, como lo es en las PEM.<\/p>\n Para los ensayos electroqu\u00edmicos que determinan la potencia de la nueva c\u00e9lula, Muccillo invit\u00f3 a los investigadores del Departamento de Materiales del Instituto de Tecnolog\u00eda para el Desarrollo (Lactec) de Paran\u00e1, un grupo que tambi\u00e9n es socio en proyectos del CTEnerg y CTPetro. Estos midieron la potencia de la c\u00e9lula y arribaron a la conclusi\u00f3n de que posee 20 milivatios. Este valor es el de una sola c\u00e9lula y puede elevarse muchas veces haciendo algunas modificaciones al proyecto, que ya est\u00e1 en marcha. Para llegar a la necesidad de 5 kilovatios de una casa de clase media, se har\u00e1 necesario hacer varios dispositivos iguales, y juntarlos de manera tal que alcancen esa potencia. “Las pr\u00f3ximas etapas servir\u00e1n para perfeccionar el montaje de la c\u00e9lula y dominar la tecnolog\u00eda de su fabricaci\u00f3n”, dice Muccillo.<\/p>\n La evoluci\u00f3n de los materiales El camino del ox\u00edgeno La c\u00e9lula de \u00f3xido s\u00f3lido, de la misma manera que otros tipos, tambi\u00e9n puede extraer el hidr\u00f3geno de combustibles tales como metanol y el gas natural, en un proceso llamado reforma. El hidr\u00f3geno se obtiene normalmente por hidr\u00f3lisis de agua, un proceso que sigue a\u00fan siendo caro. “La reforma es una de nuestras preocupaciones. Pretendemos utilizar un reformador de etanol (el alcohol que en Brasil se extrae de la ca\u00f1a de az\u00facar). La alta temperatura facilita el uso de este proceso, que puede accionarse mediante el empleo del propio calor generado en la c\u00e9lula.”<\/p>\n Los investigadores del Ipen no han patentado la c\u00e9lula de \u00f3xido s\u00f3lido. “Estos materiales que empleamos para sintetizar la cer\u00e1mica se encuentran disponibles en el mercado. A nosotros lo que nos interesa es adquirir capacidad para desarrollar este tipo de c\u00e9lulas”. La s\u00edntesis de las cer\u00e1micas ha generado tres tesis doctorales, cinco tesinas de maestr\u00eda y m\u00e1s de 20 trabajos publicados en revistas cient\u00edficas durante los \u00faltimos a\u00f1os. “Nuestro objetivo es ahora que la c\u00e9lula se vuelva m\u00e1s competitiva y m\u00e1s potente, y mejorar su desarrollo en el laboratorio. Si acaso alguna industria nacional deseara desarrollar nuestra c\u00e9lula, no tendr\u00e1 que pagar royalties afuera ni importar electrolitos.”<\/p>\n Los proyectos
\n<\/strong>Este tipo de aparato hab\u00eda sido proyectado y armado en Estados Unidos hace 30 a\u00f1os. “El problema es que era muy caro y no lleg\u00f3 a comercializ\u00e1rselo”. Recientemente, con la evoluci\u00f3n de los materiales, la empresa alemana Siemens volvi\u00f3 a pensar en las c\u00e9lulas de combustible de \u00f3xido s\u00f3lido junto con otros centros de investigaci\u00f3n en el mundo. Un ejemplo del crecimiento del inter\u00e9s en la investigaci\u00f3n y el desarrollo de ese equipo qued\u00f3 demostrado en marco del IX Simposio Internacional de Sofc, realizado entre el 15 y el 20 de mayo en Qu\u00e9bec, Canad\u00e1. Alrededor de 400 personas asistieron a cien conferencias y a la presentaci\u00f3n de centenas de trabajos de cient\u00edficos de empresas, universidades y centros de investigaci\u00f3n, con el patrocinio de la Sociedad de Electroqu\u00edmica de Estados Unidos, y de la Sociedad Sofc de Jap\u00f3n. Muccillo y su grupo del Centro de Ciencia y Tecnolog\u00eda 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 t\u00e9cnica qu\u00edmica de s\u00edntesis de materiales cer\u00e1micos para c\u00e1todo de Sofc. “Ellos desarrollan los componentes y nos los env\u00edan para que los probemos ac\u00e1. Pero nosotros no usamos este material en la c\u00e9lula del Ipen todav\u00eda.”<\/p>\n
\n<\/strong>Una de las ventajas del nuevo electrolito cer\u00e1mico 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 interacci\u00f3n directa con el ox\u00edgeno (O2) aplicado sobre \u00e9ste porque es en la superficie de esta cer\u00e1mica donde se rompe la mol\u00e9cula de gas. “El \u00f3xido de circ\u00f3n deja pasar al i\u00f3n (O2-) impidiendo as\u00ed el paso de la totalidad del gas”. Los electrones, part\u00edculas de carga negativa existentes en el c\u00e1todo, generan electricidad junto con los electrones del hidr\u00f3geno inyectado y quebrado del lado \u00e1nodo. Los protones (H+), de carga positiva, que sobran en el \u00e1nodo, reciben a los iones de ox\u00edgeno que atraviesan el electrolito, para formar agua (H2O). El agua se produce porque los iones de ox\u00edgeno, cuando atraviesan la cer\u00e1mica conductora en el interior de la c\u00e9lula, se encuentran con el hidr\u00f3geno del otro lado. Este camino que lleva a estas reacciones transcurre de manera inversa en las c\u00e9lulas PEM. En el caso de la membrana polim\u00e9rica, son los protones de hidr\u00f3geno que atraviesan la membrana hacia el otro lado en el encuentro del ox\u00edgeno y la consiguiente formaci\u00f3n de agua.<\/p>\n
\n<\/strong>1. Estudio de fen\u00f3menos intergranulares en \u00f3xidos cer\u00e1micos
\nModalidad
\n<\/em><\/strong>Proyecto Tem\u00e1tico
\nCoordinador<\/em><\/strong>
\nReginaldo Muccillo – Ipen
\nInversi\u00f3n<\/em><\/strong>
\nR$ 328.610,97 y US$ 217.952,29 (FAPESP)
\n2. Cer\u00e1micas para c\u00e9lulas de combustible Sofc
\nModalidad<\/em><\/strong>
\nCentros de Investigaci\u00f3n, Innovaci\u00f3n y Difusi\u00f3n (Cepid)
\nCoordinador<\/strong><\/em>
\nElson Longo – Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cer\u00e1micos
\nInversi\u00f3n<\/em><\/strong>
\nR$ 1.200.000,00 anual para todo el Cepid<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Cient\u00edficos del Ipen desarrollan un transformador de hidr\u00f3geno en electricidad","protected":false},"author":10,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[192],"tags":[],"coauthors":[97],"class_list":["post-80310","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-tecnologia-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/80310","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/10"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=80310"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/80310\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=80310"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=80310"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=80310"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=80310"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}