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Pilas de combustible: ¿sustituto energético también para pequeños dispositivos electrónicos?

Hoy día resulta inimaginable un mundo sin electricidad. Para la mentalidad moderna resulta difícil concebir cómo sería la existencia en estas condiciones, sin embargo, el uso de la electricidad no se generalizó hasta finales del siglo XIX.

 

Ahora bien, ¿cómo surgió? Sabemos, por ejemplo, que una reacción química de oxidación-reducción (redox) dio lugar, en el año 1 800, al primer generador de electricidad, denominado batería por su creador, el físico italiano Alessandro Volta, y que hoy se llama pila. Éste supuso un gran hallazgo del que se sirvieron otros científicos, como Humphry Davy y Michael Faraday, quienes consiguieron así el descubrimiento de nuevos elementos químicos en los primeros años del siglo XIX, contribuyendo de este modo al desarrollo de una rama de la química de reciente creación, la electroquímica.

 

Más tarde, en la última década del siglo XIX, el físico estadounidense Nikola Tesla patentó un motor de corriente alterna y un generador, lo que permitió establecer un sistema eléctrico similar al actual; gracias a él se dispuso de  energía eléctrica en cantidad suficiente para lograr el desarrollo industrial que hemos alcanzado.

 

No obstante, desde Volta hasta nuestros días, las pilas y baterías han provocado un importante cambio social y se han convertido en verdaderos focos de atención por su gran interés industrial y económico. No en vano son dispositivos que permiten el funcionamiento de nuestras calculadoras, el teléfono móvil, la cámara de fotos, el ordenador portátil…

 

Esta es la razón por la que la química continúa buscando procesos redox alternativos con los que obtener pilas más eficaces, duraderas, de menor tamaño y, lo más importante, menos contaminantes.

 

Existen en el mercado muchos tipos de pilas (pila seca convencional, alcalina, de botón, recargable) y todas se caracterizan por la utilización de metales pesados, razón por la que la acción de tirar una pila agotada provoca graves efectos contaminantes que no debemos permitir. De hecho, las pilas y acumuladores son considerados residuos peligrosos y existen normas estrictas para su almacenamiento, transporte y eliminación o recuperación. Conviene en esta cuestión tomar conciencia de que para minimizar los efectos nocivos de estos dispositivos debemos aplicar la “regla de las tres erres”: reducir, reutilizar, reciclar.

 

Por suerte para nosotros y nuestro medio ambiente, las investigaciones del físico alemán Gerhard Ertl permitieron conocer el funcionamiento de una de las aplicaciones tecnológicas más interesantes de los procesos redox para obtener energía eléctrica, la “pila de combustión” (o “pila de combustible”). De hecho, sus estudios de procesos químicos sobre superficies sólidas le hicieron merecedor del Premio Nobel de Química en 2 007.

 

Sin embargo, los primeros experimentos más conocidos sobre pilas de combustión fueron realizados en 1 842 por el físico y abogado inglés Sir William R. Grove, quien construyó la primera pila de combustión efectiva. Pero fue un ingeniero alemán, Christian Friedrich Schoenbein, quien descubrió el efecto generador de electricidad de las pilas de combustible.

 

Las pilas de combustión son así llamadas porque la reacción redox que en ellas se produce es entre el hidrógeno y el oxígeno obteniéndose agua como producto, con lo que el proceso es similar a una combustión, pero su objetivo no es obtener energía térmica sino eléctrica. Presentan una doble ventaja frente a las pilas convencionales; por un lado no se agotan pues permiten el suministro de reactivos de forma continua; por otro, si la especie que se oxida es directamente hidrógeno, su efecto contaminante es nulo ya que la sustancia final resultante es agua.

 

 

Debido a la fácil accesibilidad y grandes cantidades de petróleo y a la invención del motor de combustión interna, las pilas de combustible fueron olvidadas hasta mediados del siglo XX, momento en el que fueron rescatadas con el programa espacial Apolo en USA (año 1 960). El 21 de agosto de 1 965, el Géminis 5 fue la primera lanzadera espacial en usar una pila de combustible, denominada de membrana polimérica, para reemplazar  a la batería. Debido a las mejores prestaciones de las pilas de combustible alcalinas (AFC o Alcaline Fuell Cells) éstas fueron desarrolladas en las misiones Apolo y proporcionaron la potencia eléctrica en el primer viaje tripulado a la Luna en 1 969.

 

La primera crisis del petróleo en 1 973 condujo al segundo renacimiento de las pilas de combustible. Además, durante las últimas dos o tres décadas la preocupación por la contaminación ambiental ha forzado a la sociedad mundial a buscar tecnologías limpias, de manera que las pilas de combustible han experimentado una mayor atención.

 

Sin embargo, el desarrollo de las pilas de combustible ha sido ralentizado por el temor que inspira el hidrógeno, gas extremadamente explosivo  y peligroso. En este sentido quizás convenga también apuntar la existencia en la actualidad de otras barreras tecnológicas que presenta el uso del hidrógeno con fines energéticos. Algunas de estas barreras son de tipo logístico, como las que hacen referencia a la ausencia de una red distribuida territorialmente de generación y suministro. También hay que destacar las que conciernen al almacenamiento que, hasta hace poco, se producía exclusivamente en moléculas de baja densidad energética, además de con complicaciones técnicas en los sistemas de almacenamiento.

 

Pero la preocupación por la preservación del medio ambiente ha conducido a la búsqueda de alternativas energéticas limpias. Junto con otras energías renovables tales como la fotovoltaica, la hidráulica y la eólica, las pilas de combustible han experimentado un interés creciente por parte de los gobiernos y de las industrias. Las emisiones de dióxido de carbono, y su influencia en el calentamiento global, han forzado a  industrias como la del automóvil a buscar alternativas para reemplazar los motores de combustión interna. Resulta obvio decir que si el hidrógeno se obtiene del agua, y la electricidad consumida se genera con fuentes de energía renovables, ese hidrógeno se puede considerar renovable, y, prácticamente, de cero emisiones, si no consideramos aquí  las asociadas al procedimiento empleado en la generación del hidrógeno.

 

Algunos gobiernos e instituciones gastan cada año cantidades importantes de sus presupuestos en investigación y desarrollo. Como resultado de dichas investigaciones se han presentado prototipos para todos los tipos de aplicaciones, siempre con el objetivo de demostrar su viabilidad tecnológica y económica. Sin embargo, queda todavía mucho camino por recorrer antes de que sea posible una amplia distribución de las pilas de combustible en el mercado. Y es que son necesarias alternativas en las primeras etapas de introducción del hidrógeno en los sistemas energéticos. Algunas de estas alternativas ya se están desarrollando; por ejemplo, se dispone de moléculas de alta densidad energética (líquidos a temperatura y presión atmosférica) para el almacenamiento químico del hidrógeno, además de la utilización de sistemas de generación in situ del hidrógeno a partir de dichas moléculas.

 

Si en el campo de las aplicaciones de las pilas de combustible volvemos a referirnos a los vehículos de automoción, debemos exponer que el primer reto de los coches eléctricos de pila de combustible de hidrógeno consistiría en mejorar mucho su eficiencia global. Para ello se está trabajando actualmente en un doble flanco: por un lado en pilas de combustible más eficientes y, por otro, en la mayor eficiencia de los sistemas de producción de hidrógeno.

 

Además de los vehículos existe hoy día una amplia gama de dispositivos electrónicos para los que se está estudiando la posibilidad de alimentarlos con fuentes energéticas renovables como la pila de combustible. Algunos de los dispositivos citados son los teléfonos móviles y los ordenadores portátiles. En estos casos, y con la finalidad de resolver la problemática asociada al almacenamiento del hidrógeno, éste se obtiene a partir de un combustible convencional, concretamente el metanol. Esta molécula presenta ciertas ventajas frente a otros portadores químicos de hidrógeno como pueden ser la facilidad frente al reformado (transformación en hidrógeno), procesos de generación de hidrógeno con el mayor grado de desarrollo tecnológico y la posibilidad de origen renovable. Ahora bien, habrá de ser valorado el hecho de que el funcionamiento de una pila de combustible de metanol no da lugar a cero emisiones contaminantes, puesto que en la reacción química global se produce dióxido de carbono además de agua.

 

 

 

En cualquier caso, investigadores del Departamento de Química Aplicada de la UPV/EHU están consiguiendo avances en la fabricación y utilización de estas pilas mediante la elaboración de microrreactores que constan de microcanales y éstos de un recubrimiento catalítico adecuado.

 

Confiemos en que investigaciones como la aludida, en la que se utilizan energías más limpias, consigan incrementar en el futuro la autonomía de la gran cantidad de dispositivos electrónicos  que los avances en ciencia, y las correspondientes aplicaciones en tecnología,  ponen  a nuestra disposición en nuestro quehacer cotidiano.

 

Es justo agradecer a Sofía Callejo Berberana, alumna del grupo de Química de 2º de Bachillerato del IES Valle del Saja, el que nos haya hecho partícipes de la noticia que ha servido como pretexto para tratar el tema de las pilas de combustible. La dirección web que ella aporta es la siguiente: http://www.quimica.es/noticias/150018/mejoras-en-el-diseno-de-las-pilas-de-combustible.html