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La próxima revolución de las pilas de combustible: lo que necesita saber

Conversaciones sobre celdas de combustible tienden a oscilar peligrosamente entre un optimismo infundado y una desesperación excepcional. Para comprender esto visualmente, no es necesario mirar más allá de la historia gráfico de cotizaciones de FuelCell Energy Inc., el actor más grande en la industria de las pilas de combustible. Tres veces en los últimos cuatro años, las acciones de la compañía se han duplicado en varios días, antes de caer a nuevos mínimos. Si bien el sentimiento público con respecto a las pilas de combustible parece tendencia pesimista, tres fuerzas tecnológicas se han estado filtrando silenciosamente en segundo plano, creando una especie de tormenta perfecta que podría impulsar la tecnología de celdas de combustible de la oscuridad a una adopción generalizada.

La primera y quizás la más sorprendente de estas fuerzas es el estancamiento de la eficiencia de las baterías. Si bien apenas pasa un día en el que alguna nueva publicación académica promete haber resuelto la crisis mundial de baterías, estas innovaciones han tardado tentadoramente en llegar al mercado. El efecto neto es que todavía estamos usando la misma tecnología de batería de iones de litio que ha existido durante décadas. Y debido a la demanda cada vez mayor de una solución al dilema del almacenamiento de energía, muchas empresas han optado por mirar más allá de la caja de la batería y, a menudo, sus ojos se han posado en las pilas de combustible. Dos boletines de noticias recientes sugieren que el dinero inteligente está pasando de la búsqueda de mejores baterías a la adopción de pilas de combustible.

Apple Inc. recientemente hizo olas al emitir una patente para un sistema basado en pilas de combustible que sería capaz de alimentar una MacBook durante varias semanas sin recarga. La patente utiliza especificaciones que ya existen en el cargador MagSafe de Apple, lo que sugiere que la celda de combustible también podría usarse con iPhones y iPads. Si bien las celdas de combustible funcionan típicamente mezclando un combustible como hidrógeno con un agente oxidante como agua u oxígeno, la patente de Apple también enumera borohidruro, silicato de sodio, hidruro de litio, hidruro de magnesio y otros compuestos como fuentes de combustible. La patente de Apple llega inmediatamente después de que una empresa británica anunciara que habían desarrollado una celda de combustible de hidrógeno incorporada capaz de alimentar un iPhone durante una semana entera.

La otra empresa que ha revelado planes para abandonar la batería en favor de las pilas de combustible es Toyota, el mayor fabricante de automóviles del mundo. Esto es aún más sorprendente dado el éxito pionero de Toyota con vehículos a batería como el Prius. Después de varios años de investigación exhaustiva, el gigante automovilístico parece haber llegado a la conclusión de que los vehículos que funcionan con baterías finalmente serán etiquetados como un callejón sin salida histórico y han puesto su mirada en los vehículos que funcionan con pilas de combustible. El razonamiento detrás de la sorprendente reversión de Toyota con respecto a las baterías merece un análisis cuidadoso (especialmente si está buscando un Tesla u otro vehículo eléctrico).

El problema insuperable con los vehículos que funcionan con baterías, como lo ve Toyota, es el problema del tiempo que se tarda en recargar. Incluso con los tan publicitados «supercargadores» de Tesla, el tiempo que se tarda en recargar un vehículo eléctrico no se acerca a lo que se necesita para cargar combustible en un automóvil normal. Toyota hizo los cálculos y concluyó que los conductores no estarán satisfechos esperando alrededor de 40 minutos para que se recargue su vehículo eléctrico. Con la tecnología actual, la carga más rápida introduce ineficiencias masivas que obvian las ventajas tecnológicas de un vehículo eléctrico.

Sintiendo un callejón sin salida, Toyota ha apostado su baúl de guerra en un nuevo vehículo impulsado por pila de combustible llamado Mirai. A diferencia del Tesla, el Mirai se puede repostar por completo en tan solo cinco minutos, lo que lo ajusta a la cantidad de tiempo que los consumidores están acostumbrados a pasar en el surtidor.

Equipo de medios pululando alrededor del Mirai impulsado por pila de combustible.

El personal de los medios invadió el Mirai con pilas de combustible.

Desmentir a aquellos que creen que Mirai podría ser una especie de excepción que se abandona rápidamente, informes Han salido a la luz que Lexus también lanzará un sedán LS propulsado por celdas de combustible en el próximo año. Mark Templin, vicepresidente ejecutivo de Lexus International, ha hablado de manera optimista sobre las ventajas de las celdas de combustible sobre otros vehículos eléctricos, citando ineficiencias de diseño intrínsecas a los híbridos enchufables. “Desafortunadamente, cuando construye un híbrido enchufable, agrega peso al vehículo y lo hace menos eficiente en el consumo de combustible”, dijo Templin en una entrevista con Green Car Reports. Si bien no dejaría constancia del potencial de un sedán de celda de combustible fabricado por Lexus, dio a entender que este sería su tren motriz preferido en el futuro.

Además de estabilizar la eficiencia de las baterías, la segunda fuerza a favor de las celdas de combustible son las leyes de contaminación más estrictas, específicamente la legislación reciente que requiere que las centrales eléctricas de carbón adopten estándares de emisión más estrictos. Si bien las plantas de energía de carbón y las celdas de combustible pueden parecer compañeros de cama poco probables, esto es exactamente lo que parece estar en las cartas, gracias a un proyecto conjunto a cargo del Departamento de Energía de Estados Unidos y FuelCell Energy Inc. Juntos están desarrollando una innovadora tecnología de captura de carbono que secuestrará CO2 y dióxido de nitrógeno de las centrales eléctricas de carbón y lo utilizará para alimentar una celda de combustible de 2 megavatios adjunta. El modelo con el que están trabajando actualmente está diseñado para capturar alrededor de 60 toneladas de CO2 por día.

Si bien el concepto de usar celdas de combustible para capturar las emisiones de carbono ha existido desde la década de 1990, solo en la última década el costo de la tecnología habilitadora ha disminuido lo suficiente como para convertirla en una solución comercial viable. Los costos más altos se deben en gran parte a la naturaleza única de las celdas de combustible en cuestión, que se denominan celdas de combustible de carbonato fundido y dependen del CO2 para funcionar. Obviamente, este es un tipo de celda de combustible más complicado y costoso de lo que podría encontrar para alimentar su MacBook algún día pronto.

El tercer cambio tecnológico que crea una marea creciente para las pilas de combustible es la invención de nuevos medios para crear de forma asequible los combustibles que los componen. Si bien la belleza de las celdas de combustible siempre ha sido su eficiencia y falta de emisiones, tienen un gran inconveniente: los gases que las alimentan son costosos de suministrar y, a menudo, requieren insumos de fuentes de energía más tradicionales como el gas natural. El hidrógeno, por ejemplo, el componente principal utilizado para alimentar la mayoría de las pilas de combustible, está contenido en el agua. Pero para separarlo del oxígeno en un proceso llamado electrólisis, a menudo se utilizan fuentes de energía más tradicionales, anulando así muchos de los beneficios ambientales y de eficiencia que se obtienen de una celda de combustible.

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Gráfico que muestra el nuevo material que las investigaciones de la Universidad de Rice han creado para generar hidrógeno utilizando la luz solar.

Recientemente, sin embargo, ha habido algunos avances prometedores en la creación de nuevos mecanismos para generar hidrógeno para pilas de combustible sin recurrir al gas natural. Por ejemplo, investigadores de la Universidad de Rice en Houston, Texas, han ideado una forma relativamente simple y de bajo costo de separar el hidrógeno del oxígeno utilizando la luz solar. En el corazón de su innovación se encuentra un material de tres capas hecho de aluminio, óxido de níquel y oro. Las nanopartículas de oro convierten la luz solar que incide en el material en electrones «calientes» de alta energía. Estos «electrones calientes» se secuestran en la capa superior del material y se utilizan para generar una fotocorriente suficiente para dividir el agua y extraer el gas hidrógeno resultante. Este hidrógeno se puede utilizar para alimentar pilas de combustible.

Si el sistema anterior resulta comercialmente viable y se puede escalar, podría cambiar las reglas del juego para las celdas de combustible, impulsándolas de una industria de nicho a la fuente de energía más sensible del mundo.

Consulte nuestra serie ExtremeTech Explains para obtener una cobertura más detallada.