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Utilización del biogás en pilas de combustible

Usaremos los residuos como fuente de energía sostenible

El crecimiento económico está basado en un uso cada vez mayor de energía, hecho que obliga a la búsqueda de energías más sostenibles. Las energías renovables tradicionales están dejando paso a nuevos sistemas de generación de energía, aún a día de hoy en un estado emergente, pero que tienen un gran potencial y pueden convertirse en la base del sistema energético del siglo XXI.

Una de estas fuentes de energía está basada en la utilización del hidrógeno para la obtención de energía eléctrica y energía térmica. Las dos ventajas principales que a priori ofrece el uso del hidrógeno como fuente de energía son que: (1) su combustión no contamina, tan sólo genera agua, y (2) es inagotable.

No obstante, aunque la disponibilidad de hidrógeno esté asegurada, se trata de un elemento que no se encuentra en estado puro en la Tierra y que, por tanto, se necesitan tecnologías capaces de generarlo de forma eficiente. El hidrógeno se puede encontrar en la naturaleza, combinado, formando parte del agua, de los combustibles fósiles y de la materia orgánica. Se puede obtener hidrógeno del agua descomponiendo ésta mediante el uso de electricidad, proceso conocido como electrólisis. También se puede obtener hidrógeno a partir de los combustibles fósiles a través del proceso de reformado, en el cual mediante el uso de un catalizador, agua y energía se transforma el combustible fósil en hidrógeno y CO2. Por último, también se puede obtener hidrógeno de la biomasa. Ésta puede ser tratada mediante un proceso de biometanización para producir biogás, y posteriormente el metano convertido en hidrógeno a través del proceso de reformado. La principal diferencia entre la obtención del hidrógeno del biogás, o bien de los combustibles fósiles, reside en el hecho de que el CO2 producido en el caso del biogás no supone un aumento de emisiones a la atmosfera, puesto que previamente ya se encontraba en la atmosfera y fue fijado por las plantas, mientras que el CO2 generado en la utilización de los combustibles fósiles es una contribución neta de emisiones productoras del efecto invernadero.

El uso potencial de las pilas de combustible para la obtención de energía se basa en el consumo del hidrógeno producido a partir del biogás procedente de la biometanización de biomasa, de la fracción orgánica de los RSU, de los subproductos carbonatados de la industria, etc. Después de eliminar los contaminantes presentes, generalmente el metano debe ser concentrado y después sometido a un proceso de reformado para la obtención del hidrógeno que se alimentará a la pila de combustible. El reformado no es preceptivo en todos los casos, puesto que cierto tipo de pilas de combustible pueden funcionar con alimentación de metano directamente (en realidad, la pila incorpora internamente su reformador).

La pila de combustible es el sistema que transforma, vía un proceso electroquímico, el hidrógeno en energía eléctrica y en energía térmica. Aunque en función del tipo de pila existen numerosas diferencias, todas se basan en la utilización de dos electrodos conductores separados por un electrolito iónico (celda electroquímica). El hidrógeno y el oxígeno reaccionan, por separado, cada uno en un electrodo diferente. En el ánodo, una molécula de hidrógeno produce dos protones y dos electrones. Simultáneamente, en el cátodo reaccionan cuatro protones, cuatro electrones y una molécula de oxígeno para formar dos moléculas de agua. Tanto los protones como los electrones se forman en el ánodo y migran hacia el cátodo. Pero mientras los protones se abren paso a través del electrolito, los electrones pasan por un circuito eléctrico externo, generando así una corriente eléctrica. De este modo el hidrógeno se combina con el oxígeno para dar agua sin que lleguen a entrar en contacto.

En cuanto a los elementos que constituyen la pila de combustible, cabe destacar el conjunto de monoceldas, llamado stack, necesario para obtener una potencia mayor, un sistema que haga posible el suministro y evacuación de los gases y un mecanismo que disipe la energía calorífica formada. Existen diferentes tipos de pilas de combustible y el elemento diferenciador es el tipo de electrolito utilizado. Se pueden encontrar:

  • Pilas de combustible poliméricas (PEMFC)
  • Pilas de combustible alcalinas (AFC)
  • Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC)
  • Pilas de combustible de carbonatos fundidos (MCFC)
  • Pilas de combustible de óxidos sólidos (SOFC)
  • Pilas de combustible de metanol directo (DMFC)

En la tabla se resumen las características de cada tipo de pila de combustible.

biogas en pilas de combustible

Las pilas de combustible son un sistema interesante para aprovechar el biogás generado por varias razones. Primeramente, presentan mayor eficiencia que otras tecnologías de conversión de la energía. Mientras que los motores de combustión tienen una eficiencia eléctrica de 35%-40% y las microturbinas de 25%-30%, las pilas de combustible actualmente ofrecen una eficacia eléctrica cercana al 50%. Además, no producen ningún tipo de contaminación, ya que ni generan gases contaminantes ni tampoco ruido ambiental. También supone una ventaja su naturaleza modular, pues se varía la escala añadiendo o retirando módulos independientes. Finalmente, se debe destacar su elevada flexibilidad de operación. Una pila de combustible puede operar a elevado rendimiento y de forma continuada en un amplio rango de potencias. Uno de los requisitos indispensables para la utilización de la pila de combustible es disponer de un biogás libre de contaminantes. Hecho que no es un problema grave pues las tecnologías actuales de tratamiento del biogás son robustas, eficaces y económicas.

No obstante, para que el uso de la pila de combustible sea competitivo económicamente, se deben mejorar aspectos como la eficacia eléctrica –actualmente se sitúa sobre el 50% y aún tiene margen de mejora–, así como la durabilidad y el coste de las pilas.


 

Cada día se está más cerca de la profecía que Julio Verne lanzó en 1875 en su novela “La isla misteriosa”:

residuos orgánicos para combustible de automoción

Residuos orgánicos para combustible de automoción.
Créditos: ©1985 “Back to the Future” Universal Pictures

Creo que un día el agua será un carburante, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizados solos o conjuntamente, proporcionarán una fuente inagotable de energía y de luz, con una intensidad que el carbón no puede; que dado que las reservas de carbón se agotarán, nos calentaremos gracias al agua. El agua será el carbón del futuro.

Todavía no estamos ni tan siquiera cerca de una solución autotransportada que aproveche directamente cualquier residuo orgánico tal como en cine nos sugirió con “Regreso al futuro” en la forma de un Delorean convertido en máquina del tiempo que permitía introducir directamente en el “depósito” todo tipo de desperdicios que serían el combustible del reactor de fusión que se supone era la planta motriz del susodicho vehículo venido de un hipotético futuro.

Por el momento tenemos que conformarnos con producir hidrógeno de forma económica y sostenible y tal como hemos estado explicando anteriormente, conseguir llevar las pilas de combustible a un techo de eficiencia superior que permita conseguir las prestaciones y autonomía de los más avanzados motores de combustión.

Condorchem ayuda a la industria

Desde Condorchem podemos ayudar a la industria a obtener biogás a partir de residuos orgánicos, ya sea para su combustión en sistemas de cogeneración como para fraccionarlo en hidrógeno, metano y resto de componentes.

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