Pilas de combustible

Vamos a ser un poco divulgativos.

Ayer mi clase habitual de Preparación de Compuestos Inorgánicos (vulgo PCI) fue un pequeño seminario sobre pilas de combustible. Voy a intentar explicar en pocas palabras qué es y cómo funciona una de estas pilas.

La pila de combustible es la mejor forma de aprovechamiento de energía química que se conoce. Es la única forma con futuro que se conoce para el aprovechamiento del hidrógeno como combustible. Una pila de combustible es parecida a una pila galvánica o batería, pero se produce la alimentación en continuo.
Normalmente, la energía química de un combustible se aprovecha por uno de los siguientes métodos:
- Como agente generador de energía mecánica en un motor:
Energía química => Energía térmica => Energía mecánica
- Como agente generador de corriente eléctrica mediante un sistema de turbinas:
Energía química => Energía térmica => Energía mecánica => Energía eléctrica

Por el Segundo Principio de la Termodinámica o principio de degradación de la energía sabemos que todo cambio energético supone una pérdida de eficacia. Además, la Termodinámica nos dice que las transformaciones de energía en energía térmica o los flujos de calor son especialmente poco eficaces, perdiéndose mucho rendimiento. La pila de combustible, en lugar de producir reacciones químicas eminentemente exotérmicas y aprovechar el calor que liberan, lo que hace es llevar a cabo reacciones de oxidación-reducción que generan directamente y con escasa disipación calorífica una corriente eléctrica aprovechable. Esto es lo que ocurre en cualquier pila de casa, pero la pila de combustible se alimenta en continuo, de forma que es una mezcla entre una batería y un generador eléctrico, optimizándose el aprovechamiento energético.
La mayoría de estas pilas obtienen ese hidrógeno de los procesos de reformado de hidrocarburos, produciéndose hidrógeno molecular (H2) pero también óxidos de carbono, con lo que en principio estos métodos tienen un efecto contaminante cualitativamente similar al del uso del petróleo, pero cuantitativamente muy inferior, por el mayor aprovechamiento; pero también se puede extraer el hidrógeno del agua por electrólisis (ruptura inducida por electricidad, H2O ---> H2 + 1/2 O2) o pirólisis de hidrocarburos (ruptura térmica en torno a 1600 ºC, CH4 --> C + 2H2). Estos son los llamados "métodos limpios" de obtención de H2. Sin embargo, ambos requieren un consumo energético brutal: las electrólisis son muy caras en energía (no hay más que ver la producción de aluminio) y la pirólisis requiere mantener temperaturas tremendamente elevadas. Las fuentes tradicionales para este gran consumo energético serían energía nuclear de fisión o energía térmica, con lo que el aspecto "limpio" de la producción de H2 es sólo ilusorio, pero se han hecho experimentos avanzados en la utilización de energía solar, eólica o geotérmica, con buenos resultados. Al fin y al cabo, el principal problema de la energía eólica, por ejemplo, es que el viento es muy irregular y no coincide con los picos de consumo, pero si utilizamos el viento cuando lo haya para generar H2 y luego utilizamos ese H2 cuando no hay viento no existe ningún problema.
El tipo más utilizado de pilas de combustible es el llamado PEMFC, las pilas de combustible de membrana polimérica o de membrana de intercambio protónico, desarrolladas en torno a 1960 por General Electric y que se han utilizado con éxito en la nave espacial Gemini. Se alimentan de H2 gas o bien, últimamente, de alcohol metílico (MeOH), lo que permite, al ser el combustible licuado, reducir brutalmente el volumen de depósito necesario. Hasta tal punto son eficaces estas pilas que todo el transporte público de Islandia, país que tiene energía geotérmica para dar y regalar, funciona o va a funcionar en breve con estas pilas de combustible.