La pila de combustible estacionaria y su aplicación en la generación distribuida

Una pila de combustible consiste en un sistema electroquímico que utiliza hidrógeno como combustible, y se extrae agua y electricidad derivada de la reacción química.

Las pilas de combustible que se emplean generalmente para el uso estacionario proporcionando energía (tanto electricidad como calor) a un edificio son:

• Pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC) en las que el electrolito es una membrana de polímero sólido y el catalizador suele ser platino. Operan a temperaturas relativamente bajas y son ideales para respuesta de funcionamiento rápida.
• Pilas de ácido fosfórico (PAFC) en las que el electrolito es un ácido fosfórico líquido y como catalizador se utiliza platino sobre una base de carbono. La temperatura de operación es más alta que en las PEMFC.
• Pilas de carbonatos fundidos (MCFC), que utilizan carbonatos alcalinos sobre una matriz cerámica como electrolito. Las elevadas temperaturas a las que trabajan (650°C) aumentan su eficiencia.
• Pilas de combustible de óxidos sólidos (SOFC), en las que el electrolito está constituido por un sólido cerámico u óxido metálico no poroso. Estas pilas operan a temperaturas muy elevadas (en torno a 1.000 ºC), que permiten reducir su coste al no ser necesario utilizar metales nobles como catalizadores.
• Pilas de combustible alcalinas (AFC), que tienen como electrolito una solución de hidróxido de potasio en agua. Necesitan hidrógeno y oxígeno puros, lo que puede ser una limitación para el ámbito residencial.

Aplicaciones

Las pilas de combustible estacionarias son una tecnología de generación distribuida capaces de generar electricidad y calor cerca del punto de consumo.

Presentan diferentes aplicaciones según su potencia:

• Sector doméstico (1 – 5 kW), por ejemplo en viviendas unifamiliares donde el calor para calefacción conlleva un consumo significativo.
• Sector residencial y comercial (10 – 50 kW), por ejemplo hospitales o polideportivos, donde también es significativo el consumo de calor para calefacción.
• Sector industrial (250 kW – 1 MW), usado por ejemplo en plantas depuradoras o en la fabricación de productos químicos, cuyos procesos de producción tienen consumos significativos tanto de calor como de electricidad.

Las pilas más utilizadas a nivel mundial para la producción combinada de calor y energía eléctrica son las pilas de ácido fosfórico (PAFC), capaces de alcanzar eficiencias combinadas (de calor y electricidad) del 90%. Las MCFC y SOFC también se utilizan en sistemas de cogeneración, logrando una eficiencia eléctrica muy elevada cercana al 60%. Se utilizan menos por tener precios más elevados, poca duración y porque necesitan almacenar agua caliente, lo que aumenta demasiado los costes para ser utilizadas en el sector residencial.

La tecnología más madura de las pilas de combustible es la que se usa en microcogeneración, en el rango de potencia de 0,3 a 1,5 kW eléctricos, para suministrar calor y electricidad en viviendas. El mercado no está muy desarrollado para el resto de aplicaciones, estando muchas de ellas aún en fase de investigación.

Beneficios

Los sistemas estacionarios de energía eléctrica y térmica basados en pilas de combustible empiezan a ser una opción con mucho potencial gracias a sus ventajas:

• Consiguen mayores niveles de eficiencia eléctrica que otros combustibles. Existen pilas de combustible de óxido sólido que ofrecen niveles de eficiencia eléctrica del 60%. Además, al combinarse con la cogeneración, consiguen valores del 90%.
• Se eliminan las emisiones de CO2 y otros gases contaminantes (como NOx y SOx, y partículas) si, en lugar de usar combustibles convencionales en la combustión, se utiliza hidrógeno puro procedente de la hidrólisis del agua, apostando entonces por la electricidad de fuentes renovables.
• Permiten el incremento de la participación de las energías renovables en la red eléctrica.
• Esta tecnología tiene, además, un gran potencial para lograr el equilibrio de la red por su capacidad de modulación y alta eficiencia a cargas parciales.
• Favorecerán la generación distribuida y la seguridad en la continuidad del suministro.

Su comercialización ya está en funcionamiento en Japón, Corea del Sur y Estados Unidos. En el mercado europeo, se encuentra con el obstáculo de los altos costes de producción. Cuando aumente el volumen de producción en Europa, quizá se reduzcan los costes, y estos sistemas pasen a ser más competitivos.