PILAS DE COMBUSTIBLE EN EL SECTOR AERONÁUTICO

Realizado por : Ana Isabel Castro Romero Sevilla, Junio 2014 Tutor: Felipe Rosa Iglesias

Contenido 1.- OBJETIVO PFC.................................................................................................................... 4 2.- PILAS DE COMBUSTIBLE..................................................................................................6 2.1. PILAS DE COMBUSTIBLE..................................................................................................6 2.1.1. Introducción...................................................................................................................6 2.1.2. Ventajas e Inconvenientes..............................................................................................6 2.1.3. Historia...........................................................................................................................8 2.1.4. Partes principales de una celda......................................................................................9 2.1.5. Sistema de celdas (apilamiento).- TIPOS Y COMPARATIVA..................................12 2.2. COMBUSTIBLE EMPLEADO.- EL HIDRÓGENO...........................................................19 2.2.1. Introducción. El Hidrógeno.........................................................................................19 2.2.2. Métodos de obtener el hidrógeno................................................................................20 2.2.3. Almacenamiento de hidrógeno a bordo de un vehículo..............................................23 2.3. APLICACIONES DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE EN EL TRANSPORTE............................................................................................................................26 2.3.1. Aplicaciones en el transporte ......................................................................................26 2.3.2. Aplicaciones en el sector aeronáutico/aeroespacial ....................................................28 3.- NECESIDADES ENERGÉTICAS EN EL AVIÓN...........................................................30 3.1. SISTEMAS DE LAS AERONAVES....................................................................................30 3.2. SISTEMA ELÉCTRICO DEL AVIÓN................................................................................32 3.2.1. Evolución histórica......................................................................................................32 3.2.2. Normativa aplicable.....................................................................................................33 3.2.3. La calidad de la energía empleada...............................................................................34 3.2.4. Condiciones ambientales a las que están sometidas los equipos.................................34 3.2.5. Tipos de tensiones a bordo CC/CA..............................................................................35 3.2.6. Generación, almacenamiento y consumidores de energía eléctrica en el avión......................................................................................................................................35 3.2.7. El concepto de Hibridación.........................................................................................36 3.3. TENDENCIAS FUTURAS EN EL AVIÓN.........................................................................37 2

4.- PILAS DE COMBUSTIBLE EN EL SECTOR AERONÁUTICO Y AEROESPACIAL................................................................................................................40 4.1. Líneas de investigación y Proyectos....................................................................................40 4.1.1.Introducción..................................................................................................................40 4.1.2. Proyectos destacados en el sector aeronáutico.............................................................40 4.1.3. Líneas de investigación y mejora de pilas de combustible en el sector aeronáutico...44 4.1.3.1. Reformado de queroseno como fuente de hidrógeno a bordo del avión...........44 4.1.3.2. Pilas PEM de alta temperatura..........................................................................52 4.2. Pilas de combustible como nuevos generadores de energía en los aviones.........................53 4.2.1.APU/RAT con celdas de combustible..........................................................................54 4.2.2. Tendencia Boeing. MEA.............................................................................................60 4.2.3. Concepto de Airbus. Multifuncional fuel cells............................................................62 4.3. Ejemplos de avionetas y UAVs propulsados eléctricamente .............................................65 4.3.1. Reseña histórica...........................................................................................................66 4.3.2. Requerimientos para la propulsión..............................................................................67 4.3.3. Ventajas y desventajas de la propulsión eléctrica........................................................67 4.3.4. Ejemplos de aviones propulsados eléctricamente........................................................68      

Helios- NASA....................................................................................................68 EC-003. Boeing..................................................................................................70 E-430. China.......................................................................................................72 Antares DLR-H2................................................................................................73 Ion Tiger-US Naavy...........................................................................................74 AVIZOR- INTA.................................................................................................75

5.- CONCLUSIONES FINALES..............................................................................................79 6.- BIBLIOGRAFÍA Y WEBSITES.........................................................................................81

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1.-OBJETIVO PFC El creciente volumen del transporte en la sociedad actual está contribuyendo a una mayor presión sobre el medio ambiente, especialmente por lo que al cambio climático y a la pérdida de biodiversidad se refiere. Las medidas adoptadas en la actualidad para contrarrestar dicha tendencia pretenden desacelerar esta tasa de crecimiento. Los progresos tecnológicos están consiguiendo reducir, pese a los crecientes volúmenes de tráfico, los niveles de contaminación atmosférica generados por diversos tipos de transporte. Son el transporte aéreo y por carretera los que crecen a mayor velocidad en la actualidad y por ello, los que mayores emisiones de CO2 generan. Una de las principales vías de desarrollo de nuevas tecnologías en este campo son las pilas de combustible, ya que una de sus características inherentes es la emisión cero si se utiliza como combustible hidrogeno puro. Es por esto que están siendo consideradas para su futura incorporación en vehículos híbridos ultraligeros. El uso de las pilas de combustible como alternativa a otros métodos de generación de energía es una opción muy interesante en el sector de la aeronáutica y de la industria aeroespacial. Estas pilas de combustible se alimentan principalmente de hidrógeno, aunque también pueden trabajar con alimentaciones de metano, monóxido de carbono, metanol, hidrocarburos,…. La ventaja de utilización de este combustible radica en el hecho de que no produce residuos contaminantes, como el CO2 responsable del efecto invernadero, además de producir agua como subproducto, susceptible de ser aprovechada en otras necesidades a bordo del avión (cocina, aseos, calor,…). Su aplicación en el campo de la aviación tiene gran interés, sobretodo en el terreno militar, porque son muy silenciosas (al no tener partes móviles no hacen ruido, y los componentes no sufren tanto desgaste), producen una baja señal térmica y la gran potencia que son capaces de desarrollar en un corto intervalo de tiempo les confiere la habilidad de poder ganar gran altura rápidamente. Una de las limitaciones actuales para el desarrollo de la tecnología de las pilas de combustible es la necesidad de encontrar una forma de producir y almacenar hidrógeno de forma eficiente y con un coste asumible. El hidrógeno se puede obtener por la electrolisis del agua, pero es un método bastante caro. Una forma más económica es por reformado de combustibles, entre ellos el queroseno. El uso extendido de la tecnología de las pilas de combustible permitirá optimizar la energía que se puede extraer de los combustibles fósiles.

 Pilas de combustible para el sector de la aeronáutica Ya se han hecho diferentes pruebas en vehículos aéreos. Se han probado pilas de combustible en UAVs (vehículos aéreos no tripulados) con gran éxito, pero la alimentación de hidrógeno era externa, es decir, que el avión se cargaba de combustible hidrógeno y volaba durante el tiempo estimado que durase el combustible. El Cryoplane de Airbus es un buen ejemplo. El UAV dispone de una serie de tanques de almacenamiento de hidrógeno en la parte superior del armazón. El problema radica en que aún no existen “hidrogeneras” en los aeropuertos, y el almacenamiento de hidrógeno es muy costoso, ya que requiere tanques a elevada presión y muy voluminosos, debido a la baja capacidad de almacenamiento volumétrico que posee. Una de las soluciones más eficaces pasa por la generación de hidrógeno a bordo del avión a partir de hidrocarburos que emplean los aviones, en este caso, queroseno y todos los 4

combustibles de avión basados en él (Jet-A, JP-8, JP-10,…). Diseñar e implementar una nueva infraestructura para el alimentar con hidrógeno las aeronaves es un proceso muy lento y costoso, por lo que la mejor solución sería reformar éste combustible en el propio avión, puesto que la infraestructura para repostar los aviones comerciales ya está montada en los aeropuertos.

 Pilas de combustible para el sector espacial El uso de las pilas de combustible como fuente de energía en misiones espaciales, tanto para satélites como para estaciones espaciales, es considerada una alternativa muy válida respecto a las usuales baterías de níquel/hidrógeno. De hecho, ya han sido usadas para proporcionar electricidad en diversos sistemas de transporte espacial (Geminis, Apolo,…). El principal problema es el alto coste, y la corta vida útil, pero son una opción muy atractiva por la elevada densidad energética que poseen. Se están llevando a cabo investigaciones en torno a incorporar pilas de combustible en el vehículo espacial de maniobras (SMV) de la Fuerza Aérea estadounidense (US Air Force). La alimentación de este vehículo aéreo no tripulado se basa en JP-10 (un fuel basado en queroseno) y peróxido de hidrógeno. Su diseño está concebido para pasar un año en órbita. Un funcionamiento óptimo del mismo pasaría por la incorporación a su estructura de pilas de combustible de bajo coste y larga vida útil que puedan operar directamente con el JP-10. La finalidad de este proyecto será en primer lugar dar una visión general de los tipos de pilas que existen en el mercado, el combustible empleado, así como los diferentes usos en la actualidad.

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2.- PILAS DE COMBUSTIBLE 2.1) PILAS DE COMBUSTIBLE 2.1.1. Introducción En esencia, una pila de combustible es un sistema electroquímico que convierte directamente la energía química de un combustible, alimentado ininterrumpidamente, en energía eléctrica (corriente continua) . La pila de combustible presenta muchas ventajas pera también una serie de inconvenientes. 2.1.2. Ventajas e Inconvenientes  VENTAJAS - BENEFICIOS MEDIOAMBIENTALES a) Altas eficiencias en la utilización de combustible. El hecho de que las pilas de combustible realicen, a través de una conversión electroquímica, una conversión directa del combustible a energía, hace que estos dispositivos sean capaces de producir más energía con la misma cantidad de combustible de la que se produce en una combustión tradicional. De esta forma su eficiencia no está vinculada a su temperatura máxima de funcionamiento. Este proceso directo genera que las eficiencias puedan alcanzar valores entre un 30-65% dependiendo del sistema de pila de combustible utilizado y que además, el calor adicional producido pueda ser aprovechado. La Fig. 1 establece una comparativa entre la eficiencia de las pilas de combustible comparada con otros sistemas de generación de energía eléctrica.

Fig. 1 Comparativa de la eficiencia de las pilas de combustible y otros sistemas de generación de energía eléctrica. [Ref 4]

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b) Emisión cero de contaminantes. Cuando el combustible es hidrogeno, los productos obtenidos en la reacción electroquímica catalizada de la pila de combustible son H2O, calor y electricidad, en lugar de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y otras partículas inherentes a la combustión de combustibles fósiles. La extracción de hidrogeno puro se produce haciendo pasar a los combustibles fósiles por un reformador. Este proceso emite tan solo una fracción de las emisiones que produciría una combustión tradicional de la misma cantidad de combustible. c) Reducción del peligro medioambiental inherente de las industrias extractivas. Cuando el hidrogeno es producido a partir de fuentes renovables, las pilas de combustible no generan el deterioro ambiental asociado a la extracción de combustibles fósiles de la Tierra. Un escape de hidrogeno supone la evaporación instantánea del mismo debido a que este es más ligero que el aire. De este modo, la utilización de hidrogeno seria una posible solución para atenuar el impacto ambiental que han generado las perforaciones petrolíferas, el transporte, el refino y los productos de desecho asociados. - BENEFICIOS EN LA INGENIERIA a) Admisión de diversos combustibles. Cualquier combustible que incluya hidrogeno en su composición, puede ser reformado. De este modo, pueden emplearse para este proceso combustible como el gas natural, el gasóleo o el metanol. b) Altas densidades energéticas. La cantidad de energía que puede generar una pila de combustible es dada generalmente en kph/l. Esta capacidad aumenta conforme se realizan nuevas investigaciones y desarrollos en esta tecnología. c) Bajas temperaturas y presiones de operación. Si se compara el rango de temperatura que puede alcanzar una pila de combustible (entre 80 y 1000⁰ C dependiendo del tipo de pila) con las temperaturas que alcanza una combustión interna en un vehículo (unos 2300⁰C) estos dispositivos trabajan a temperaturas que pueden considerarse bajas. d) Flexibilidad de emplazamiento. Las pilas de combustible pueden ser instaladas en multitud de lugares dadas sus características inherentes: operatividad sin ruidos, emisión cero y requerimientos mínimos. e) Capacidad de cogeneración. El calor residual generado por la reacción electroquímica que realiza la pila de combustible puede ser reutilizado dentro del sistema alimentado por la misma. La capacidad de generación puede aumentar la eficiencia del sistema hasta el 65%. f) Carácter modular. La construcción modular de las pilas de combustible supone una ventaja adicional: un cambio de escala en la potencia requerida se obtiene fácilmente mediante la interconexión de módulos. g) Simplicidad del dispositivo. Las pilas de combustible carecen de partes móviles, lo que permite un diseño más simple, una mayor fiabilidad y operatividad, y un sistema menos propenso al deterioro. - SEGURIDAD ENERGÉTICA. El hidrogeno utilizado como combustible puede ser producido a través del reformado de gas natural, electrolisis del agua o fuentes renovables (eólica o fotovoltaica). El rápido consumo de combustibles fósiles que requiera la sociedad moderna está acabando con un recurso limitado. La utilización de hidrogeno es ilimitada, y es por ello que una transición hacia una economía basada en la utilización del mismo evitaría los problemas actuales asociados al agotamiento del petróleo. - INDEPENDENCIA DE LA RED DE SUMINISTRO. Un sistema basado en pilas de combustible permite una independencia del mismo respecto a la red de suministro eléctrico. Esto evita problemas cuando existen irregularidades en dicha red, como cortes de corriente, que pueden causar daños al sistema.

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- PILA DE COMBUSTIBLE FRENTE A BATERIAS TRADICIONALES. Las celdas de combustible ofrecen reducción en el peso y el tamaño para la misma cantidad de energía disponible frente a las baterías tradicionales. Además, un incremento de energía en las mismas tan solo supone un aumento de la cantidad de combustible a introducir en el dispositivo. Para aumentar la energía en una batería, es necesario adicionar mas baterías, con las desventajas que esto supone en incremento de coste, tamaño y complejidad. Una pila de combustible nunca se agota: produce electricidad mientras se le suministre combustible. Cuando una batería se agota debe ser sometida a un tiempo de recarga donde se reemplaza la electricidad gastada: dependiendo de donde se genere la electricidad, la contaminación, los costes y los problemas de eficiencia se transfieren de las baterías a la planta central.  INCONVENIENTES - La producción de hidrogeno resulta costosa al no ser una fuente primaria. - La obtención del hidrogeno puro supone un precio elevado. - Alto coste destinado a los sistemas de almacenamiento y suministro. - Elevado peso de las pilas de combustible para los prototipos actuales. - Elevado gasto energético para licuar el hidrogeno. - La producción de algunos componentes, al no ser a gran escala, aumenta el coste. - Tecnología en desarrollo. Algunos problemas aún no resueltos afectan al funcionamiento de las pila de combustible, especialmente en lo que respecta a su vida útil. Esto repercute en su comercialización ya que cuenta todavía con una baja demanda, no pudiendo competir con tecnologías convencionales. Conforme la demanda se incremente, los precios irán disminuyendo. - Sensibilidad hacia los venenos catalíticos. Los electrodos de los que se componen las pilas de combustible incorporan catalizadores que favorecen el desarrollo de las reacciones electroquímicas. El contacto con los llamados venenos catalíticos (monóxido de azufre o monóxido de carbono) provocan su desactivación irreversible. En la actualidad se está estudiando la sustitución de estos catalizadores por materiales más resistentes.

2.1.3. Historia Las celdas de combustible cuentan ya con una larga historia. Los primeros experimentos datan de 1838, cuando William Robert Grove, un abogado y científico de Gales, creó la "pila de Grove". Ese dispositivo tenía un electrodo de platino inmerso en ácido nítrico y un electrodo de zinc inmerso en sulfato de zinc. Generaba 12 amperios de corriente a 8 voltios y Grove lo llamó: batería de celda húmeda. Luego creó una celda de combustible que contaba con dos electrodos de platino. Uno de los extremos de cada electrodo se sumergía en ácido sulfúrico, mientras que el otro se sellaba en receptáculos que contenían hidrógeno y oxígeno. El dispositivo producía una corriente estable entre los dos electrodos y una cantidad cada vez mayor de agua en los receptáculos cerrados. Con este dispositivo, Grove pudo descomponer el agua y luego volver a formarla. Combinó una cantidad de conjuntos de estos electrodos en una "batería de gas". En 1889 los químicos británicos Ludwig Mond y Charles Langer utilizaron aire y gas de alumbrado en un intento por construir una versión práctica de la batería de gas de Grove y llamaron a este dispositivo "celda de combustible".

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En 1932 el ingeniero británico Francis Thomas Bacon modificó el diseño de la celda de combustible de Mond y Langer. Bacon substituyó la tela metálica de níquel por la de platino en los electrodos y reemplazó el ácido sulfúrico utilizado como electrolito por potasio alcalino, que es mucho menos corrosivo. A esto lo denominó la "pila Bacon", una primera versión de la pila alcalina. Pero no fue sino hasta 1959 que Bacon finalmente creó un dispositivo capaz de producir una cantidad considerable de energía. Su dispositivo producía 5 kilovatios que alimentaban una soldadora. Fig 2.Ilustración cortesía de Royal Society,

Ese mismo año Harry Karl Ihrig, ingeniero Museo Nacional de Historia Natural. de la fábrica estadounidense de equipos agrícolas Diagrama de la celda de combustible Allis-Chalmers, construyó el primer tractor de William Robert Grove propulsado a celdas de combustible. Ihrig creó una batería de celdas de combustible de 1008 celdas, que propulsaba un tractor de 20 caballos de fuerza. El siguiente campeón en producción de energía mediante celdas de combustible fue el organismo estadounidense NASA. A principios de la década de 1960, la NASA necesitaba una forma de proporcionarles electricidad a los vuelos espaciales tripulados y las celdas de combustible eran la solución. Eran más seguras que la energía nuclear, más barata que la solar y más liviana que las baterías. Los problemas que la importación de petróleo ocasionó en la década de 1970 en los Estados Unidos incremento el interés por el uso de celdas de combustible en la Tierra. Los investigadores continúan buscando las mejores combinaciones de combustible, electrodos y electrolitos para todo tipo de aplicaciones.

2.1.4. Partes principales de una celda Una celda de combustible es un dispositivo relativamente simple. Consta de dos electrodos: el ánodo (electrodo negativo) y el cátodo (electrodo positivo). Todas las reacciones químicas tienen lugar en los electrodos y, para acelerar la reacción química, se recubren ambos electrodos con un catalizador. Esta celda de combustible también contiene un electrolito que transporta las partículas cargadas de un electrodo al otro. Pero la celda de combustible necesita dos cosas más para que se produzca la reacción: oxígeno y, por supuesto, combustible. La mayoría de las celdas de combustible que están en desarrollo utilizan hidrógeno como combustible.

Fig 3.Ejemplo de una celda de combustible de hidrógeno.[Ref 9]

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El hidrógeno ingresa a la celda y mediante una serie de reacciones químicas se combina con el oxígeno para producir agua y electricidad.  Cómo funciona El modelo más sencillo de pila consta de dos electrodos, un ánodo, negativo, y un cátodo, positivo, ambos con platino como catalizador separados por un electrolito. El hidrógeno entra en la pila por el ánodo y allí se disocia en iones hidrógeno y electrones. Los iones hidrógeno pasan a través del electrolito hasta el cátodo. Los electrones del ánodo emigran por un circuito exterior hasta el cátodo donde reaccionan con los iones hidrógeno y el oxígeno para dar agua. Un esquema conceptual se presenta en la figura 3.  Reacciones químicas que tienen lugar. Las reacciones que tienen lugar tanto en el ánodo como en el cátodo dependen del tipo de pila de combustible, pero a modo de ejemplo, se describe la reacción más sencilla que es aquella que ocurre entre hidrógeno y oxígeno puros. (Más adelante se verá en la clasificación de las pilas de combustible la reacción que realmente ocurre en cada una de ellas). El hidrógeno gaseoso es el combustible mayormente elegido dada su elevada reactividad (con el catalizador adecuado) y su elevada densidad energética; el oxidante más común es el oxígeno, dada su enorme disponibilidad. La reacción global que se produce es: H2 + 1/2 O2 H2O Si bien en realidad tienen lugar dos reacciones distintas: H2 2H+ + 2e- (ánodo) 1/2O2 + 2e- + 2H+ H2O (cátodo) El hidrógeno y el oxígeno reaccionan entre sí espontáneamente a 580ºC (se produce una violenta explosión) si bien esta reacción puede tener lugar a menor temperatura si es provocada (con una chispa o llama, o en su caso con un catalizador adecuado). La velocidad de reacción en una pila de combustible está controlada por el electrolito que separa físicamente a ambos gases. El comportamiento ideal de una pila de combustible viene caracterizada por el potencial de Nernst, que es su voltaje ideal. La ecuación de Nernst proporciona una relación entre el potencial ideal normal (EO) y el potencial ideal de equilibrio. Conocido el potencial de Nernst en condiciones normales (25ºC y 1 atm), y a través de su ecuación se puede conocer el potencial para distintas presiones y temperaturas. E = EO + (RT/2F) ln (PH2/PH20) + (RT/2F) ln (P1/2 O2) Donde E y EO son los potenciales ideales en distintas condiciones, R la constante universal de los gases, T la temperatura de trabajo de la pila, y P las distintas presiones de los gases (en este caso hidrógeno, oxígeno y agua). El máximo trabajo eléctrico que se puede obtener de una pila de combustible es: Wel = ∆G = -n F E Donde Wel es el trabajo eléctrico (o energía), ∆G la energía libre de Gibbs (que se define como ∆G =∆H – T ∆S y es una medida de la energía generada), n el número de electrones intercambiados en la reacción, F la constante de Faraday y E el potencial electroquímico de la celda. El máximo potencial que puede producir una pila de combustible (suponiendo comportamiento ideal y condiciones normales: 25ºC y 1 atm) es 1’229 V si el producto es agua en estado líquido o 1’18 V si el agua se encuentra en estado gaseoso (la diferencia entre ambos no es más que el calor de vaporización del agua). El potencial depende del tipo de pila y de las condiciones de operación, aunque generalmente está en torno a la unidad. Como se ha visto, la tensión está limitada por lo que para obtener mayores valores de tensión hay que conectar varias celdas en serie. La intensidad por el contrario depende del área superficial de la pila de combustible (normalmente se habla de densidad de corriente): cuanto mayor sea ésta, mayor 10

será la corriente que es capaz de suministrar. La densidad de corriente depende de cada tecnología, aunque un valor medio puede ser 200 mA/cm2. La potencia que es capaz de producir una pila de combustible depende de los valores de intensidad y voltaje de la misma (obviamente la potencia es el producto de ambas). La forma de obtener mayor de potencia es combinando las distintas celdas en un stack (conexión en serie para aumentar el voltaje, o en paralelo para incrementar la intensidad, dependiendo de la aplicación final). Cuántas más celdas tenga el satck mayor será el voltaje de éste en bornas y cuanto mayor sea el área superficial de la pila mayor corriente será capaz de suministrar. Por tanto, el comportamiento real de una pila depende de las variables de operación, tales como temperatura, presión, composición de los gases, densidad de corriente, etc. y de otros factores como las impurezas o la edad de la propia pila. Una vez se ha diseñado físicamente, la variación de parámetros como la temperatura o presión de operación pueden mejorar o empeorar su comportamiento. El comportamiento real de una pila difiere del ideal por la existencia de una serie de pérdidas: de activación, óhmicas y de concentración.

Fig.4. Curva del comportamiento real de una pila de combustible [Ref 10]

Cuando la densidad de corriente es pequeña predominan las pérdidas de activación (de la reacción); en ese punto las barreras electrónicas han de ser superadas por la corriente iónica. Éstas pérdidas aumentan con la corriente. Las pérdidas óhmicas varían directamente con la corriente: aumentando en casi todo el rango de intensidades (la resistencia de las celdas permanece constante). Y por último, las pérdidas de concentración, que predominan sobre todo para corrientes de valor elevado, cuando es difícil suministrar suficiente flujo de reactivos a las celdas, lo que ralentiza la reacción. El rendimiento máximo de la transformación directa viene dado por el cociente entre la energía libre y la entalpía del proceso. De ambas magnitudes se obtiene: η = energía útil / ∆H = ∆G / ∆H = 1-T*(∆S/ ∆H) La eficiencia máxima de una pila de combustible es de 0’83 suponiendo comportamiento ideal. En la realidad esta eficiencia se encuentra entre un 40 y un 60%, dependiendo del tipo de pila. Este rendimiento depende del voltaje que a su vez se incrementa al disminuir la intensidad de corriente, lo que conlleva un aumento de rendimiento. No obstante, esto provoca que el área de 11

la pila sea mayor para poder dar la potencia requerida. Es por ello que se llega a una solución de compromiso. Comparando esta eficiencia con la de las máquinas térmicas, se observa claramente que es mucho mayor, lo que viene justificado por la no-existencia del límite del ciclo de Carnot. No se trata de un proceso termodinámico sino electroquímico. En una máquina térmica (ya sea una turbina o un motor de combustión interna) el rendimiento se encuentra limitado superiormente por la eficiencia del ciclo termodinámico de Carnot. Recordemos que la eficiencia máxima de un proceso térmico viene dada por la siguiente expresión: η= 1- T1 / T2 donde T1 es la temperatura mínima del proceso y T2 la máxima.

2.1. 5. Sistema de celdas (apilamiento).- TIPOS Y COMPARATIVA Una única celda de combustible no produce suficiente electricidad para la mayoría de los usos. Para producir una cantidad adecuada de energía, las celdas de combustible se colocan en baterías de celdas de combustible. El tamaño de esta batería depende de la cantidad de electricidad necesaria para el uso previsto, el tipo y el tamaño de la celda de combustible, su temperatura operativa y la presión de los gases involucrados. Algunos sistemas de celdas de combustible utilizan hidrógeno puro como combustible; sin embargo, muchas otras usan hidrógeno no purificado o hidrocarburos, como el metanol, la gasolina o el diesel. El problema con estos combustibles radica en que contienen moléculas, como las de sulfuro de hidrógeno o de carbonilo, y estas moléculas pueden "envenenar" las celdas de combustible y reducir considerablemente su eficacia. Las celdas de combustible que utilizan este hidrógeno no purificado o combustibles hidrocarburos necesitan utilizar un procesador de combustible. Este procesador de combustible convierte el combustible rico en hidrógeno en una sustancia que la celda de combustible pueda utilizar. El tipo de proceso realizado dependerá del combustible. Con el hidrógeno casi puro sólo es necesario filtrarlo. Los hidrocarburos deben convertirse en compuestos de gas hidrógeno y carbono, una mezcla denominada reformado. En algunos casos, este reformado también necesita que se lo procese para eliminarle las impurezas antes de que se lo pueda utilizar en la celda de combustible. Las celdas de combustible que operan a temperaturas muy altas pueden realizar este proceso en su interior. El proceso de reformado genera un poco de CO2, aunque siempre en menor cantidad que la que genera un típico motor de combustión.

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Fig 5. Sistema de apilamiento de varias celdas en serie [Ref 7]

La electricidad generada por las celdas de combustible constituye una corriente continua que fluye en una dirección. Sin embargo, la mayor parte de la electricidad que se le suministra a las aplicaciones industriales es de corriente alterna, que fluye en ambas direcciones en ciclos que se alternan. También se deben controlar el flujo, el voltaje y la frecuencia de una corriente eléctrica, por lo que las celdas de combustible necesitan inversores y acondicionadores de corriente para adaptar la electricidad generada. La pieza final de un sistema de celdas de combustible consiste en el sistema de recuperación del calor. Las celdas de combustible generan bastante calor o muchísimo calor durante su funcionamiento, lo que depende del tipo de celda. A este calor se lo puede utilizar para producir vapor para operar una turbina o un generador y generar así más electricidad. De esta forma se incrementa la eficiencia energética de un sistema de celda de combustible.  Tipos de celdas de combustible En este momento están en desarrollo muchas celdas de combustible en laboratorios de todo el mundo. Cada una de ellas utiliza distintos electrolitos y catalizadores y funcionan a diferentes temperaturas operativas. Entre otras diferencias podemos mencionar su eficiencia energética y la durabilidad del material. Algunas de estas celdas de combustible deben funcionar sólo a base de hidrógeno puro, en tanto que otras pueden extraer el hidrógeno de combustibles fósiles. Estas diferencias hacen que determinadas celdas de combustible sean más adecuadas para usar en automóviles o autobuses, mientras que otros tipos de celdas funcionan mejor para usos estáticos, como la generación de electricidad. 

AFC (Alkaline Fuel Cell)

Estas pilas de combustibles trabajan entre 65 y 220 ºC y 1 bar. Su desarrollo comenzó en los años 60, y ya fueron empleadas en las primeras misiones espaciales. El electrolito conduce iones hidróxido, desde el cátodo hasta el ánodo. Suele ser una mezcla fundida de hidróxido de potasio, de mayor concentración cuanto mayor sea la temperatura de funcionamiento. Este electrolito permanece en una matriz, generalmente de asbestos. Permite el uso de gran variedad de electrocatalizadores como níquel, plata, óxidos metálicos, etc. lo que significa un menor coste de construcción (al poder emplearse un metal no noble como catalizador). Por esta razón alcanzaron un gran desarrollo en todo el mundo y se pensó

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aplicarlas a la automoción. No obstante, los requisitos de pureza de los reactivos (son intolerantes al CO2) han frenado su desarrollo. Los electrodos suelen ser de níquel o carbón activo, aunque se sigue investigando en nuevos materiales, como resina epoxy, polisulfuros, etc. Como ventajas se pueden citar su baja temperatura de operación, corto tiempo de arranque, alta eficiencia, catalizador no excesivamente costoso, la ausencia de corrosión y peso y volumen reducidos. Por el contrario, el monóxido de carbono actúa como un veneno y el dióxido de carbono, reacciona con el electrolito, alterando su comportamiento (reduce su conductividad). La vida de estas pilas es algo corta, y al ser el electrolito líquido su manejo es más complicado. El control del agua resulta complejo. Trabajan con oxígeno e hidrógeno puros. Las aplicaciones características de las pilas de combustible alcalinas han sido siempre aeroespaciales (se usaron ya en las misiones “Apollo” y “Gemini”, aunque también se emplean en aplicaciones móviles y estacionarias, para sistemas muy exigentes (dadas sus ya mencionadas características de pureza del combustible que las alimenta). 

MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)

Las celdas de combustible de carbonato fundido, originariamente desarrolladas a mediados de la década de 1960, hoy en día se fabrican para uso industrial, militar y en servicios públicos. El motivo principal: funcionan a altas temperaturas, alrededor de 650 °C (unos 1.200 °F, a una presión entre 1 y 10 bar. Esta temperatura es requerida para lograr una suficiente conductividad de su electrolito, el cual conduce iones carbonato desde el cátodo al ánodo. La composición del electrolito es una mezcla fundida de carbonatos de litio y potasio, para operación a presión atmosférica y de litio y sodio, para trabajar a presión. Estos compuestos que constituyen el electrolito poseen una serie de propiedades muy interesantes como su elevada conductividad entre los 600 y 700ºC, un punto de fusión bastante bajo y su ausencia de toxicidad. Esta mezcla permanece en la pila gracias a la matriz cerámica de aluminato de litio y a las fuerzas de capilaridad existentes. Los electrodos suelen ser de aleaciones de níquel, generalmente níquel reducido con cromo en el ánodo y níquel oxidado con litio en el cátodo Como ventajas, se ha comprobado que el electrolito de carbonato de litio y sodio es mejor para trabajar a elevadas presiones y además ofrecen mayor resistencia a la corrosión. Además pueden funcionar tanto con hidrógeno puro como con hidrocarburos ligeros. El hidrocarburo (por ejemplo metano) sufre una reacción de reformado al llegar al ánodo en presencia de agua y absorber calor. Además dada su alta temperatura de operación no requieren de electrocatalizador para que la reacción ocurra. Otras ventajas que caben citar son una cinética de reacción es rápida y una eficiencia elevada. Como inconvenientes, cabe citar el requisito de materiales adecuados para resistir elevadas temperaturas, su elevada intolerancia al azufre, el electrolito líquido, y el excesivo período de calentamiento requerido para su puesta en marcha. El voltaje de cada celda está entre 0’7 y 1 V de corriente continua. Las aplicaciones de estas pilas son típicamente estacionarias: generación centralizada de energía eléctrica y cogeneración para aplicaciones industriales.

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SOFC (Solid Oxid Fuel Cell)

Las celdas de óxido Sólido se encuentran dentro de las pilas de combustible de alta temperatura; su temperatura de operación es de unos 1.000 ºC a una presión de 1 bar. Al ser la temperatura de operación tan alta no se requiere de ningún electrocatalizador para que la reacción tenga lugar. El electrolito es un óxido sólido no poroso (material cerámico), normalmente de zirconia estabilizado con alguna tierra rara, como el ytrio, aunque también se puede dopar con calcio, escandio o lantano para mejorar las propiedades. Es necesario que sea no poroso para evitar la difusión de los gases de un lado del electrolito al otro, es decir, para evitar que las corrientes de gases se mezclen y la pila de combustible pueda seguir funcionando correctamente. El transporte iónico en el electrolito es llevado a cabo por el oxígeno, es decir los iones oxígeno van desde el cátodo hasta el ánodo. Existen dos configuraciones típicas: plana y tubular, dependiendo de la forma de las celdas.

Fig.6. Disposición tubular y plana (flujo cruzado) de dos pilas de combustible de óxido sólido [Ref 6]

La disposición tubular, como puede observarse en la Figura 6, consiste en tubos en paralelo conectados entre sí por placas de níquel. Esta disposición lleva en desarrollo desde los años cincuenta. Operan en un rango de temperaturas algo más elevado (entre 900 y 1.000ºC) que las SOFC de disposición plana. La disposición planar resulta ser una disposición más compacta y simple. Su temperatura de operación está en torno a los 800ºC, lo que permite el empleo de mayor diversidad de materiales para su construcción (en comparación con la configuración tubular). Se construye por deposición de capas de material ultrafinas, con el fin de que la resistencia eléctrica tanto del electrolito como de los electrodos sea lo más pequeña posible, y así lograr mayores eficiencias. Los electrodos suelen ser de níquel o cobalto, y son materiales porosos, para permitir la difusión de los gases hacia el electrolito y así conseguir una buena superficie de reacción. El voltaje de celda oscila entre 0’8 y 1 V de corriente continua (DC). Este tipo de tecnología presenta la ventaja de que puede reformar a tiempo real y en su interior un hidrocarburo, ya que los iones que transporta el electrolito no son de hidrógeno sino de óxido; este combustible puede estar húmedo o seco, y la elevada eficiencia de este tipo de tecnología no se ve afectada. Además, la reacción que tiene lugar es muy exotérmica (este calor puede emplearse para cogeneración) y su cinética muy rápida. Por el contrario, requiere también el desarrollo de nuevos materiales para trabajar a altas temperaturas: el material debe ser químicamente estable, y el coeficiente de dilatación ha de ser el mismo para todos los materiales que constituyan la celda. Además son moderadamente intolerantes al azufre. Las aplicaciones típicas son para sistemas auxiliares en automóviles (pueden reformar gasolina), pero sobre todo para generación de electricidad y calor (cogeneración) o también de forma híbrida con una turbina de gas o de vapor

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PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

La celda de combustible de membrana de electrolito polimérico, también denominada de membrana de intercambio de protones (PEM) está en desarrollo con el fin de que reemplace los motores de gasolina y diesel. Al igual que muchas de las otras celdas, en un primer momento estas celdas proporcionaron electricidad a las naves espaciales. Las celdas PEM viajaron al espacio con la misión estadounidense Geminis de la década de 1960. Estas pilas de combustible trabajan entre 70 y 90 ºC y a presión comprendida entre 1 y 2 bar. En este rango de operación son muy estables y resistentes, pero fuera de él, el comportamiento decae drásticamente. El electrolito en las PEMFC es una membrana de polímero sólido. En este tipo de membrana, los iones negativos permanecen en su estructura, y los iones positivos, en este caso protones (H+), están libres y se mueven del ánodo al cátodo, generando así la corriente de electrones a través de los electrodos. La conductividad iónica de esta membrana depende de la temperatura, de la concentración ácida y de su hidratación o contenido en agua. Además, debe de separar eficazmente los gases: no puede permitirse contacto entre los gases; de ser así se produciría un cortocircuito químico y la pila de combustible dejaría de generar electricidad.

Fig 7. Celda tipo PEM [Ref 13]

Como ventajas de este tipo de pila se puede mencionar su alto rendimiento ( hasta un 40%), ser una tecnología limpia, bajo mantenimiento, fiabilidad y silencio (ya que no está compuesta de elementos mecánicos ni móviles, por lo que no produce ruidos). También cabe citar su carácter portátil ya que se pueden fabricar pilas desde unos cuantos watios, hasta cientos de kw, y en el tramo intermedio se pueden conseguir aplicaciones perfectamente portátiles como requiere un vehículo. Como inconvenientes se puede decir que no existe la infraestructura necesaria para el abastecimiento de hidrógeno, ni capacidad suficiente para el almacenaje ni sistemas de distribución. También es una tecnología de elevado coste, ya que se trata de una tecnología aún en fase de desarrollo. Se utilizan membranas de intercambio de protones con un precio muy elevado, metales nobles como el platino, cuyo precio aumenta continuamente. Se presentan como el tipo de pilas más prometedoras para aplicaciones móviles; de hecho han sido empleadas en la mayoría de prototipos de automóviles construidos hasta el momento, dadas sus características de baja temperatura de funcionamiento, simplicidad de fabricación, su reactividad y su buen rendimiento por debajo de la potencia nominal. En la actualidad existen numerosos prototipos de vehículos impulsados por pilas de combustible poliméricas. No obstante también se han empleado en aplicaciones estacionarias, sobre todo para potencias pequeñas, entre 1 y 5 Kw.

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PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)

Las Pilas de combustible de ácido fosfórico trabajan entre 150 y 205 ºC de temperatura y 1 bar de presión (aunque en una planta de demostración basada en PAFC de 11 MW, se alcanzaron presiones de más de 8 atm.); sin embargo la aparición de un vapor corrosivo de este ácido, provoca que se trabaje a presiones ambientales (este vapor puede provocar corrosión en las celdas de la pila de combustible. El electrolito, como su propio nombre indica, es ácido fosfórico puro (concentración 100%), que conduce los iones hidrógeno del ánodo al cátodo. A temperaturas menores el ácido fosfórico es muy mal conductor iónico. Además, al emplear la máxima concentración de ácido, la presión del agua es menor, lo que facilita su evacuación. Los electrodos son láminas delgadas realizadas de carbón activo recubiertas de platino: 0’1 mg/cm2 en el ánodo y cinco veces más en el cátodo. El carbón activo sirve como capa base para el catalizador, a la vez que actúa como colector de corriente. Los mecanismos de reacción que se dan son en realidad más complejos (son los mismos que para las pilas PEM), pero se pueden entender de esta forma. El voltaje en cada celda puede ser de hasta 1’1 V. Como ventajas podemos decir que las PAFC son tolerantes al CO2: admiten hasta una concentración del 30% en el electrolito, el cual sólo reacciona con el dióxido de carbono al superar esa concentración. Además el ácido fosfórico no es volátil hasta alcanzar los 200ºC de temperatura. No obstante, sólo permiten hasta un 2% monóxido de carbono, y hasta 50 ppm de compuestos de azufre. Además como ya se ha mencionado, el electrolito (H3PO4) es un líquido corrosivo, y el peso y volumen de estos dispositivos son excesivos. También el tiempo de calentamiento para arranque resulta ser excesivo. En este momento están en un alto nivel de desarrollo (se ha estado investigando e ellas desde los años 70), pues parecen tener una gran fiabilidad: se ha probado su funcionamiento durante más de 40.000 horas. Se aplican normalmente a sistemas estacionarios 

DMFC (Direct Metanol Fuel Cell)

Las celdas de combustible de metanol directo están en sus primeras etapas de desarrollo, unos tres o cuatro años detrás del resto de las tecnologías de celdas de combustible. Algún día, los pequeños dispositivos como computadoras portátiles y teléfonos celulares se abastecerán con celdas de metanol directo. Otro tipo de celda en desarrollo es la celda de combustible de zincaire. Esta celda es una especie de híbrido entre una batería tradicional y una celda de combustible. El ánodo, que se hace de zinc, se desgasta con el tiempo y es necesario reemplazarlo. Algunos vehículos eléctricos ya utilizan este tipo de celdas.

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 Comparativa de celdas de combustible A continuación se muestran una serie de tablas donde se comparan distintos aspectos entre los principales tipos de celdas:

TABLA 1. Características de las diversas pilas de combustible [Ref 7]

TABLA 2. Reacciones electroquímicas de las diversas pilas de combustible [Ref 7]

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TABLA 3. Las pilas de combustible y otros medios de transporte [Ref 7]

TABLA 4. Las pilas de combustible y otros medios de producción de electricidad [Ref 7]

2.2) COMBUSTIBLE EMPLEADO. EL HIDRÓGENO 2.2.1. Introducción. El Hidrógeno Hasta ahora se ha explicado como las pilas de combustible se alimentan de hidrógeno y oxígeno durante su funcionamiento. Sin embargo, todavía no se ha planteado de donde se obtiene ese combustible. Los principales combustibles que están siendo actualmente considerados son el hidrógeno, metanol y en menor medida la gasolina. Así pues, la elección del combustible es una de las más importantes decisiones en cualquier programa de investigación y desarrollo . El metanol y otros tipos de combustible como la gasolina o el gas natural son una alternativa minoritaria y usada en la industria automovilística. El hidrógeno, se encuentra en condiciones ambientales en estado gaseoso, y posee además los puntos de ebullición y fusión más bajos de todas las sustancias conocidas: 20 K o – 253 °C para pasar a estado líquido y 14 K o –25 °C para pasar a estado sólido (sólo el helio tiene puntos más bajos). Estas temperaturas son extremadamente bajas (por debajo de los – 100°C son consideradas criogénicas).

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La densidad másica de este elemento es la más baja de la naturaleza, incluso en estado líquido es muy pequeña; un metro cúbico de hidrógeno puro en estado líquido contiene 71 kg. y paradójicamente, un metro cúbico de agua también en estado líquido contiene 111 kg. de hidrógeno. El contenido energético de este gas por unidad de masa es muy elevado en relación con otros combustibles, como puede observarse en la Tabla 5, pero dada su baja densidad másica, el contenido energético por unidad de volumen resulta ser pequeño:

Hidrógeno Gas natural Metanol

MJ/kg 120 50 20

MJ/m3 1.08 39.77 16

TABLA 5. Contenido energético de los principales combustibles empleados en FC.

Esto representa ser un problema a la hora de almacenar el hidrógeno. Además este elemento no tiene color ni olor; una corriente del mismo es casi invisible a la luz del sol. Sin embargo, cuando el hidrógeno se obtiene a partir de otro combustible no se encuentra totalmente puro. No se trata de un elemento tóxico si bien puede causar asfixia por desplazamiento del aire. De cualquier forma, su dispersión en el aire es extremadamente rápida por lo que escapa casi instantáneamente en caso de existir un espacio abierto. El hidrógeno reacciona con el oxígeno produciendo agua y calor, (290 kJ/mol H2). Esta combustión sólo produce agua y en ocasiones óxidos de nitrógeno (NOx), de la reacción entre el propio oxígeno y nitrógeno del aire (para que se de esta reacción deben alcanzarse temperaturas superiores a los 600ºC). No obstante los límites de inflamabilidad de esta sustancia son bajos y altos, para el límite inferior y superior respectivamente (4 y 75%), y además la energía de activación, es decir la necesaria para activar los mecanismos de reacción es muy baja (sobre todo respecto a la mayoría de hidrocarburos). Por otro lado puede producirse tanto detonación como deflagración en caso de hallarse confinado. Se habla con frecuencia de la bondad del hidrógeno como vector energético, o de las pilas de combustible como dispositivo para la transformación de hidrógeno en electricidad; de este modo, es habitual asociarlos al término de "energía renovable", aunque esto no sea siempre del todo exacto. Así, el hidrógeno será o no "limpio" en la medida en que lo sea su producción, y las pilas de combustible serán o no una fuente de energía renovable en tanto que lo sea el combustible que las alimenta.

2.2.2. Métodos de obtención del Hidrógeno  REFORMADO Para la producción de energía eléctrica, las pilas de combustible requieren el aporte de hidrógeno y oxígeno (genéricamente). La disponibilidad del oxígeno es elevada ya que puede obtenerse del aire. Por el contrario, la situación del hidrógeno es muy distinta. Su almacenamiento y manejo hacen que, con frecuencia, se acuda a combustibles que lo “transporten”, reformándolos (en hidrógeno) en tiempo real a medida que se consume. El proceso de reformado consiste básicamente en la ruptura de hidrocarburos, u otros productos como alcoholes, en sus componentes elementales: hidrógeno, carbono y oxígeno. Tal ruptura se realiza mediante la reacción del combustible a reformar con agua (en forma de

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vapor), obteniéndose además del producto que se busca (el hidrógeno), otros no deseados como óxidos de carbono (CO y CO2). El primero de estos subproductos (el monóxido de carbono, CO) es nocivo para el ánodo de algunas pilas de combustible, como es el caso de las tipo PEM, por lo que será a veces necesario añadir otra etapa antes de la pila de combustible, para eliminar este compuesto del gas de salida. Y no sólo eso, sino que además las pilas de combustible tipo PEM son especialmente sensibles a la pureza del hidrógeno que las alimenta, por lo que, de nuevo, puede ser necesario incluir una etapa intermedia de purificado del hidrógeno a la salida del reformado.

TIPOS DE COMBUSTIBLES QUE SE EMPLEAN EN EL REFORMADO: 

Gas natural El metanol es un combustible líquido procedente de plantas petroquímicas y, como tal, presenta ventajas en cuanto al almacenamiento y al transporte, así como en lo referente al contenido energético específico (por unidad de peso) respecto a otros combustibles convencionales. El metanol parece vislumbrarse como uno de los combustibles más adecuados para los reformadores, en un gran número de aplicaciones, especialmente las de transporte, a pesar de ciertos inconvenientes como el ser un producto químico venenoso, con una temperatura de ebullición extremadamente baja (64,6 ºC), lo que complica su almacenamiento y transporte respecto a otras alternativas que se tratarán. Por el contrario, una ventaja que presenta frente al resto de productos derivados del petróleo es la baja temperatura necesaria para la operación del reformado, que ronda los 250ºC. El nivel de rendimiento que ofrece para los motores es el más alto posible, exceptuando por supuesto al hidrógeno puro, superando en un punto escaso al bioetanol del que más tarde se hablará. La cantidad de emisiones que genera el empleo de metanol es la más baja de entre los productos petroquímicos, aunque no llega a alcanzar los valores generados por los combustibles procedentes de la biomasa. 

Gasolina Los reformadores que actualmente se dedican a tratar este tipo de combustibles tratan las gasolinas (o cualquiera de los anteriormente citados) para convertirlos en hidrógeno apto para pila de combustible en cualquiera de sus aplicaciones. La razón de su uso como combustibles se debe a su disponibilidad. El proceso de conversión se desarrolla en un tren de procesado. Una parte crítica del proceso es la etapa de desulfurización que se debe llevar a cabo previamente, para alcanzar un alto grado de pureza (acondicionamiento del combustible). Este alto contenido en azufre es una característica común a los derivados del petróleo, mucho más notorio en el caso del diesel, lo cual supone un problema a tener muy en cuenta a la hora de considerarlos como posibles combustibles. El paso siguiente es el reformado propiamente dicho, en el que se obtiene básicamente hidrógeno y óxidos de carbono. Finalmente se purifica y acondiciona el flujo gaseoso, retirando impurezas como el amoníaco, y ajustando la temperatura y la humedad de la corriente de acuerdo a las condiciones de entrada que exige la pila de combustible. La mayor o menor necesidad de estos últimos pasos depende de lo completamente que se produzca la reacción en los primeros pasos (reformado) y del tipo de combustible empleado. 

Bioetanol El bioetanol es una fuente de energía renovable procedente (mediante procesos químicos o fermentativos) de azúcares, cereales o biomasa, lo que lo convierte en un producto “ecológicamente aceptable”. 21

El bioetanol es, además, un combustible líquido fácil de transportar y de almacenar, al contrario que el hidrógeno en sí, que presenta problemas derivados de su almacenamiento (como se verá en el siguiente apartado) . De hecho se podría almacenar y distribuir empleando las mismas instalaciones e infraestructuras existentes para la distribución de los derivados del petróleo. Constituye una alternativa que presenta ventajas adicionales: menor cantidad de emisión de gases de efecto invernadero (del orden de cinco veces menos que en el caso del metanol o del hidrógeno puro) y mayor contenido en hidrógeno (casi un 4% más que el metanol), por lo que se necesita menor cantidad de combustible para producir la misma cantidad de hidrógeno. Por otra parte, no presenta venenos catalíticos, como sí sucede en el caso del metanol. Por todo esto, el empleo de bioetanol como combustible productor de hidrógeno parece ser una alternativa lógica y con futuro, presentando muchas ventajas con respecto a otras planteadas, entre las que cabe destacar su carácter renovable, su reducida toxicidad, su escaso poder de corrosión, la sencillez de su transporte y almacenamiento, la alta disponibilidad logística del mismo, existiendo plantas de producción en España, y su elevada eficiencia energética.  ELECTROLISIS DEL AGUA Este proceso usa la electricidad generada por energías renovables para descomponer las moléculas del agua mediante electrólisis en hidrógeno y oxígeno. Estas energías renovables pueden ser: energía solar, energía eólica, energía hidráulica o energía de la biomasa. El principal problema de la obtención de hidrógeno a partir de la descomposición electroquímica del agua es el alto costo energético, por lo que se precisa contar con fuentes primarias accesibles, de bajo costo y preferiblemente no fósil. La electrólisis descompone el agua en sus dos componentes: hidrógeno y oxígeno. Para algunos expertos es el mejor método de obtención de hidrógeno: el que obtiene es de elevada pureza, y además es aplicable tanto a pequeña como a gran escala.  PROCESO TÉRMICO DIRECTO Cuando la temperatura de un vapor sobrecalentado se eleva a 2500ºC, las moléculas de agua comienzan a disociarse en hidrógeno y oxígeno. Para lograr tales temperaturas pueden utilizarse concentradores solares como fuente suministradora de calor. El problema aquí consiste en evitar la recombinación del hidrógeno y el oxígeno. Este método posee alta eficiencia térmica; no produce contaminación ambiental (o muy poca) y no necesita de sustancias químicas intermedias. Sin embargo, tiene el inconveniente de mantener tan elevada temperatura, asociado a los problemas de los materiales.  PROCESO FOTOLÍTICO Se trata de un proceso de electrólisis en el que la energía eléctrica requerida para que tenga lugar procede de la energía solar (fotovoltaica). Cuando las moléculas de agua absorben energía a partir de radiación ultravioleta en principio el hidrógeno puede ser liberado. Este proceso se conoce con el nombre de fotólisis. Sin embargo, el agua por sí sola es incapaz de absorber las radiaciones ultravioleta del sol, al ser transparente. El método más común consiste en emplear una serie de celdas, cada una con un par de fotoelectrodos inmersos en un electrolito acuoso y separados por una membrana, que permite la transferencia iónica e impide la mezcla de los gases. El cátodo es un semiconductor de tipo "p" (defecto de electrones) y el ánodo un semiconductor tipo "n" (exceso de electrones). Cuando el ánodo recibe la incidencia de la luz solar, los electrones absorben esta energía y pasan a través de un circuito externo al cátodo. Esto genera un par "electrón-hueco"; Este hueco cargado positivamente reacciona con el agua para producir iones hidrógeno, que atraviesan la membrana para recombinarse con los electrones en el cátodo, y convertirse así en hidrógeno.  CONVERSIÓN DE MATERIA ORGÁNICA EN HIDROCARBUROS A través de procesos de gasificación, de oxidación parcial, la pirólisis y el reformado por vapor.

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 FERMENTACIÓN ANAÉROBICA DE ALGAS Colecta de hidrógeno generado como producto de subprocesos celulares en bacterias o algas. En este apartado caben destacar investigaciones que se están llevando a cabo en la Universidad de Berkeley y en el National Renewable Energy Laboratory, ambos en los EEUU. El proceso de laboratorio consta de dos etapas. En la primera de ellas, se engordan las células bajo un proceso de fotosíntesis normal. En la segunda etapa, se elimina todo el azufre del cultivo y las células comienzan a emitir hidrógeno, usando material celular almacenado durante la fotosíntesis. Las células producen hidrógeno de esta manera durante varios días, después de los cuales deben reanudar el proceso de fotosíntesis. Este proceso se repite cíclicamente. La producción de hidrógeno alcanzada en el laboratorio ha sido de hasta 6ml/hora y litro de cultivo. Evidentemente esta es una pequeña porción de la producción requerida para hacer el proceso atractivo para una producción a mayor escala. En el siguiente esquema se reflejan las diversas fuentes en la obtención de hidrógeno

Fig.8 . Diversas fuentes en la producción de hidrógeno [Ref 13]

2.2.3 Almacenamiento de Hidrógeno a bordo de un vehículo Si la obtención del hidrógeno a gran escala supone un importante desafío, no lo es menos el almacenamiento del hidrógeno a bordo de vehículos. Este tema es el centro de un gran debate entre los grandes fabricantes que han optado por este combustible. A continuación se presentan todas las posibles opciones existentes para el almacenamiento del hidrógeno a bordo del vehículo. Algunas como los tanques de hidrógeno gaseoso comprimido o los tanques de hidrógeno líquido han alcanzado un estado de desarrollo aceptable, y están muy cerca de representar una opción real para los vehículos con pila de combustible. Otras opciones, como la del almacenamiento en forma de hidruros metálicos necesitan alcanzar todavía un mayor desarrollo. Por último, tecnologías como las de nanotubos de carbono son todavía proyectos a largo plazo que requieren aún de mucha experimentación.

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Fig.9 . Diversas formas de almacenamiento de hidrógeno [Ref 13]

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Almacenamiento a presión (hidrógeno gaseoso comprimido) El almacenamiento del hidrógeno como gas comprimido, en un depósito de alta presión, se presenta como la forma más sencilla y económica de almacenar el hidrógeno a bordo del vehículo. Este sistema tan solo necesita un tanque presurizado y un compresor.  Compresor: Antes de almacenar el hidrógeno, éste deberá ser comprimido.  Almacenamiento: Suele realizarse en botellas cilíndricas similares a las empleados para el almacenamiento del gas natural. Sus paredes deben ser suficientemente gruesas para soportar la presión. Estos cilindros suelen llevar una serie de válvulas y sensores para el suministro del hidrógeno de una forma adecuada y segura. Según sea la composición de estos cilindros se pueden clasificar en cuatro tipos, según sean completamente metálicos (acero o aluminio), totalmente fabricados de composite, o combinaciones de ambos. Cuanto menor sea el contenido en metal del cilindro, menor será también su peso.

Fig.10 . Ejemplo de tanque de hidrógeno [Ref 13]

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La presión de almacenamiento suele ser de 250 o 350 bar, si bien puede verse incrementada en un 10% si la temperatura ambiental es elevada. Reducir el tamaño del almacenamiento aumentando la presión no es conveniente, pues a partir de cierto punto el volumen total del almacenamiento es también creciente con la presión. Pese al peligro potencial que aparenta tener este modo de almacenamiento, resulta ser extremadamente seguro. Estos cilindros deben cumplir estrictas normas de seguridad como: - Seguridad frente explosión -Impacto -Fuego - Escape.  Almacenamiento como gas licuado El almacenamiento de hidrógeno como líquido resuelve algunos de los problemas de tamaño y peso existentes en el almacenamiento gaseoso. Debido al bajo punto de ebullición del hidrógeno (aproximadamente 20K,-253ºC), se requieren recipientes criogénicos para mantener tan bajas temperaturas (tanque de doble pared con fuerte aislamiento). Sin embargo el hidrógeno no puede ser almacenado de forma líquida por tiempo ilimitado. Cualquier depósito, independientemente del tipo de aislamiento que lleve, intercambia calor con el ambiente que le rodea. Estas pérdidas dependen del diseño y tamaño del depósito (cuanto mayor sea menor trasferencia de calor tendrá lugar). Este calor provoca que parte del hidrógeno se evapore y que la presión en el depósito aumente. A menudo la forma de estos depósitos es esférica, al ser la forma geométrica con menor relación superficie/volumen. Los depósitos de almacenamiento de hidrógeno líquido están diseñados para soportar una sobrepresión de hasta 5 bar. Si la velocidad de consumo es menor que la de evaporación, la presión aumenta hasta un punto en el que parte del hidrógeno es expulsado a través de una válvula de alivio, lo que en realidad significa una pérdida que además podría resultar peligrosa de estar ubicado en un lugar cerrado (por su inflamabilidad). El hidrógeno puede extraerse tanto en estado líquido como gaseoso. El proceso de licuefacción es energéticamente costoso y tiene lugar en tres etapas: a) compresión y enfriamiento hasta –195ºC (temperatura del nitrógeno líquido) b) expansión a través de turbinas c) conversión catalítica hasta su forma estable (parahidrógeno). La cantidad total de energía requerida para este proceso representa el 40% del poder calorífico inferior del gas. El almacenamiento del hidrógeno en forma criogénica tiene como ventajas que puede almacenarse energía con alta densidad y que el peso del contenedor es más bajo para igual cantidad de energía almacenada que en los otros métodos. Pero las bajas temperaturas requeridas traen con sigo problemas de seguridad, además del hecho de que en la licuefacción se consume una alta fracción de energía almacenada como hidrógeno líquido. Por otra parte el costo de una unidad de licuefacción se consume una alta fracción de energía almacenada como hidrógeno líquido. Por otra parte el costo de una unidad de licuefacción es comparativamente elevado. En las aplicaciones dónde el peso es el factor más importante (como el caso de la aeronavegación), la forma más conveniente de almacenamiento del hidrógeno es como líquido criogénico. Para este tipo de almacenamiento habrá que sobredimensionar el depósito, debido a las pérdidas por evaporación, que como ya se ha visto son inevitables y que oscilan entre un 0,4 y un 2% dependiendo de la geometría y el tipo de aislamiento.  Almacenamiento en forma de hidruros El hidrógeno tiene una tercera forma de ser almacenado que le es característica y que no existe en el caso de otros combustibles líquidos o gaseosos: el hidrógeno reacciona con distintos metales o compuestos intermetálicos formando hidruros. Estos pueden guardar aún más hidrógeno por unidad de volumen que el hidrógeno líquido. Como bajo adecuadas condiciones de temperatura y presión esta reacción es reversible, una dada masa metálica puede ser cargada 25

y descargada un número prácticamente ilimitado de veces, pudiendo utilizarse como un tanque para el almacenamiento sólido del hidrógeno. Esta forma de almacenamiento tiene la ventaja de que se requieren bajas presiones (menores que 1’01 atm. ) y además son muy seguros, pues en caso de producirse una pérdida brusca de oxígeno, el sistema reaccionará inhibiendo la producción de liberaciones adicionales del gas. La desventaja de esta forma de almacenamiento es el peso relativamente alto asociado al material absorbente: en el mejor de los casos se llega a aproximadamente el 7% del peso del hidrógeno total. Esto impide la utilización de este método en el caso de la aeronavegación, por ejemplo, tiene escasa relevancia en el caso de unidades estacionarias de almacenamiento. El almacenamiento del hidrógeno como hidruros es especialmente útil y conveniente en el caso de pequeños sistemas energéticos aislados, como hogares en zonas rurales, dónde la electricidad puede generarse a partir de las energías eólica, solar o pequeñas plantas hidroeléctricas.  Otras formas de almacenamiento Actualmente, se están investigando otras formas de almacenamiento del hidrógeno, como las microfibras de carbono (nanotubos) o microesferas de cristal. Ambas formas están aún en desarrollo.  Nanotubos de carbón Aparecen como una nueva forma de almacenamiento de hidrógeno en estado sólido, capaces de almacenar grandes cantidades de este gas a temperatura ambiente. Son tubos de carbón microscópicos que almacenan hidrógeno en sus microporos y entre los propios tubos. También se investiga acerca de cómo dopar este material con metales de forma que se logre aumentar su capacidad de almacenamiento El mecanismo de almacenamiento y extracción del gas es similar al de los hidruros metálicos, liberando el gas a temperaturas menores de 100ºC; pero la gran ventaja es la gran cantidad de gas que son capaces de almacenar (pueden llegar a contener hasta un 65% de su propio peso en hidrógeno).  Microesferas de cristal Pequeñas burbujas de cristal pueden ser empleadas para el almacenamiento del hidrógeno de una forma más segura. Su forma de trabajo sería: se calientan las esferas aumentando así la permeabilidad de sus paredes; para llenarlas se introducen en un ambiente de hidrógeno a alta presión y después se enfrían quedando el hidrógeno en su interior. Cuando éste se necesite basta con aumentar la temperatura de las esferas. De cualquier forma estos métodos están aún en fase de desarrollo e investigación, por lo que se desconoce el alcance que puedan llegar a tener.

2.3) APLICACIONES DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE EN EL TRANSPORTE 2.3.1. Aplicaciones en el transporte La pila de combustible tuvo su incursión en el sector transportes aplicándose en vehículos de tracción eléctrica terrestre. En una fase inicial de prueba, fueron integradas en autobuses y coches consiguiendo resultados exitosos. Sin embargo, aunque la pila de combustible acabe siendo el dispositivo principal de generación de energía en este tipo de transportes, otros elementos, como baterías, son necesarios para su correcto funcionamiento. Estos dispositivos, aun en fase de desarrollo, constituyen una alternativa real a los motores de combustión. Actualmente, algunos vehículos de combustible alternativo (no dependen exclusivamente de combustibles derivados del petróleo) utilizan el hidrogeno como fuente primaria de energía para propulsarse. Pueden hacerlo mediante combustión o a partir de pilas de combustible, donde el hidrogeno se convierte en electricidad para mover motores eléctricos. A pesar de que la principal ofensiva en este campo llega desde dos frentes industriales: Japón y EE.UU, donde Honda y General Motors avanzan en sus prototipos por delante de 26

otros grupos industriales, la mayor parte de los fabricantes de automóviles están desarrollando prototipos basados en pilas de combustible. Por ejemplo, la compañía Ford presento su primer vehículo de célula de combustión, el P2000 HFC, en enero de 1998. Posteriormente, en el año 2000, desarrollo el Ford Focus FCV con célula de combustible propulsado por hidrogeno directo. Las prestaciones de este modelo no pueden competir con las ofrecidas por los vehículos de motor de combustión que ocupan la totalidad del mercado automovilístico actual. El motor de un Focus FCV tiene una potencia de 67 CV, una velocidad máxima de 128 km/h y pasa de 0 a 100 km/h en 14 segundos .  Tipos de celdas más comúnmente usadas en el transporte. Por lo visto anteriormente existen numerosos tipos de pilas de combustible. Sin embargo, es necesario realizar un estudio de cada aplicación concreta para determinar el modelo de pila de combustible más adecuado para garantizar un correcto funcionamiento. De los tipos de pilas de combustible disponibles en el mercado, las más apropiadas para la generación de energía en sistemas eléctricos, dentro del sector transporte, son las pilas de combustible tipo PEM (Proton Exchange Membrane) y las tipo SOFC (Solid Oxide Fuel Cells).  Pila de combustible tipo PEM Las pilas de combustible tipo PEM operan a temperaturas relativamente bajas y se caracterizan por tener una alta densidad de potencia y capacidad para variar rápidamente su salida a la hora de atender a cambios en la demanda de la misma. Estas características las hacen adecuadas para aplicaciones donde se requiere un arranque rápido, ya que necesitan menos tiempo de calentamiento que otros tipos de pila. Además, la utilización de un polímero solido como electrolito evita los problemas asociados a los electrolitos líquidos, por ejemplo, reduce la corrosión, lo que supone un menor desgaste de los componentes del sistema y por tanto, una mayor durabilidad de los mismos. Es importante destacar que este tipo de pila mantiene una relación favorable entre su dimensión (pueden considerarse pequeñas y relativamente ligeras) y la energía que producen. Las pilas de combustible tipo PEM operan con un catalizador de platino. Esto, además de encarecer el sistema, supone otra desventaja: hace a esta tecnología extremadamente sensible a la contaminación por CO, por lo que es necesario utilizar un reactor adicional para reducir el nivel del mismo en el gas combustible. Este problema se agudiza cuando el hidrogeno utilizado proviene de un combustible alcohol o hidrocarburo.  Pila de combustible tipo SOFC Las pilas de combustible tipo SOFC se caracterizan por trabajar a temperaturas muy elevadas. Esto supone una serie de ventajas derivadas de dicha temperatura de trabajo: mayor eficiencia, posibilidad de utilizar catalizadores más baratos que el platino y flexibilidad a la hora de utilizar otros tipos de combustibles (incluso hidrocarburos). Además, la construcción de cerámica solida de la celda remite el problema de corrosión característico de pilas con electrolito liquido. La ausencia de liquido también elimina el problema de movimiento de electrolito y no inunda los electrodos. Las altas temperaturas de trabajo en las pilas de combustible tipo SOFC también suponen una serie de desventajas en su funcionamiento. Así como la utilización de un electrolito cerámico reduce la corrosión en los componentes de la pila, el rango de temperaturas a las que actúa dicha tecnología (800-1000ºC) aumenta la corrosión y la ruptura de los componentes de la misma, ralentiza su arranque y hace necesaria una abundante protección para evitar fugas de calor. Las altas temperaturas afectan también a la duración de los materiales: una de las claves del reto tecnológico al que se somete a las pilas de combustible tipo SOFC es el desarrollo de materiales a bajo precio y de larga duración que soporten las temperaturas a las que funciona esta tecnología.

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Pilas Combustible PEM

Aplicaciones Tecnologías móviles, transporte, vehículos espaciales, aplicaciones militares, sistemas de almacenamiento de energía o instalaciones estacionarias. Aplicaciones de alta potencia, estaciones centrales de generación de electricidad a gran escala. Algunos fabricantes extienden su uso al campo de los vehículos automotores, desarrollando unidades de potencia auxiliares (APUs). Las desventajas derivadas de las altas temperaturas de funcionamiento hacen que esta tecnología no sea demasiado adecuada para aplicaciones de transporte o generación de energía en algunos dispositivos portátiles.

SOFC

TABLA 6. Características técnicas de las pilas de combustible tipo PEM y SOFC [ ref. 10]

Piles combustible

Tª de trabajo (⁰ C)

Tiempo de Densidad de Eficiencia Combustibles encendido potencia Eléctrica(%) (h) -2 (mWcm )

60-100

↓η

Más de 100kW

No hace falta reformar el combustible

TABLA 7. Aplicaciones de las pilas de combustible tipo PEM y SOFC.[ ref 10]

2.3.2. Aplicaciones en el sector aeronáutico/aeroespacial En el transporte aéreo, la tecnología de pilas de combustible PEM ofrece la posibilidad, de propulsar vehículos aéreos pequeños. Actualmente, aunque no se considera que las pilas de combustible sean capaces de generar la energía suficiente para propulsar aviones grandes de pasajeros, se sigue trabajando en el desarrollo de su potencial como fuente alternativa de combustible que mejore el rendimiento medioambiental. Sin embargo, si se considera que esta tecnología pueda ser aplicada en la implementación de APUs (Auxiliary Power Unit) en transporte terrestre, marítimo y aéreo; debido a su eficiencia, sus bajas emisiones (si se utiliza un combustible adecuado), su fiabilidad y su duración. Se espera que los beneficios potenciales de las pilas de combustible en el dominio de la aviación sean numerosos, especialmente en el contexto actual de reducción de emisiones y disminución del consumo de combustible. Debido a su alta densidad de energía y a su potencial, estos sistemas son atractivos en aplicaciones eléctricas. Las pilas de combustible ofrecen una alta producción de energía eléctrica a baja presión y temperatura, comparadas con los motores alimentados por hidrocarburos. Los aviones consumen potencia eléctrica para el suministro de sistemas tales como la iluminación o actuadores electro-hidráulicos. En un avión convencional esta potencia eléctrica proviene de generadores que son impulsados por el eje de un motor. En tierra, cuando los motores están apagados, los aviones utilizan unidades auxiliares para el suministro de potencia. Los sistemas 28

basados en pilas de combustible pueden ser una alternativa a la combinación de motores de generación y unidades auxiliares de potencia. Como estos dispositivos son independientes del motor, podrían generar potencia eléctrica en el aire y también en tierra. Por tanto, el desarrollo de sistemas de generación de energía mediante sistemas alternativos como las pilas de combustible, pretende aumentar la eficiencia de los sistemas tradicionales reduciendo el consumo de combustible y las emisiones. Aún así, no está clara la tecnología de pila de combustible más adecuada para cada aplicación aeronáutica, si bien es cierto que sólo se han encontrado referencias de PEM y SOFC. Las pilas PEM presentan algunos inconvenientes como son su intolerancia al CO, su duración y la dificultad de gestión de agua y calor. Las pilas PEM de alta temperatura pueden mejorar de manera eficiente estos problemas. Las pilas SOFC presentan algunas ventajas frente a las PEM pero también algunas desventajas como su lento encendido y un menor desarrollo. A continuación se muestra una tabla comparativa entre pilas PEM y SOFC, pero de forma más enfocada al transporte aeronáutico, no como en el anterior apartado que se trataba de un modo más genérico. PEM

SOFC

Tiempo de arranque

Segundos-minutos (Cortos)

Temperatura de Operación Eficiencia Fuel Procesado del fuel Monóxido de Carbono Sulfuros Densidad de potencia Nivel de desarrollo

Aproa 60-80 ºC Más del 40% Queroseno No contaminación residual CO debe ser eliminado Sulfuros deben ser eliminados < 1Kg/Kw Pendiente en concepto de sistema

30-50 minutos (Relativamente altos) Aproa 800-1000 ºC Más del 60% Queroseno Contaminación residual tolerable Menos susceptible al CO Menos susceptible a los sulfuros < 1Kg/Kw Necesaria mejora

TABLA 8 . Comparativa de pilas PEM Y SOFC en el sector aeronáutico [Ref 21]

En el capítulo 4, "PILAS DE COMBUSTIBLE EN EL SECTOR AERONÁUTICO/AEROESPACIAL", "Líneas de Investigación y proyectos", se tratarán líneas de investigación sobre estas pilas. Por un lado se piensa en construir una pila SOFC de conversión directa, lo cual sería más eficiente desde el punto de vista de peso y costes. Por otro lado se investiga la pila PEM de alta temperatura, una alternativa a la convencional que la hace más apta para sectores como el aeronáutico donde se pretende mejorar su tolerancia al CO, su dificultad a la gestión del agua y calor, entre otras.

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3.- NECESIDADES ENERGÉTICAS EN EL AVIÓN 3.1) SISTEMAS DE LAS AERONAVES En la práctica, la mayor parte de los sistemas de la aeronave consumen energía procedente de los motores. A continuación comentaremos brevemente los diversos sistemas del avión y cómo son alimentados. Los sistemas de la aeronave se clasifican por capítulos según una codificación de la Asociación de Transporte Aéreo (ATA). De este modo, todas las aeronaves tienen sus sistemas divididos según esta codificación, lo que aparece en todos los manuales de las aeronaves. - El ATA 21 hace referencia a los sistemas de aire acondicionado, presurización y ventilación. Estos sistemas operan con aire sangrado de baja y alta presión del compresor del motor. Tiene múltiples válvulas de control de flujo de aire, válvulas de regulación, sistemas de control y supervisión, válvulas de descarga de aire al exterior, válvulas de seguridad, válvulas de sobre presión y de presión diferencial negativa. La regulación se realiza mediante señales eléctricas y muchos de esos procesos son automáticos, teniendo algunos sistemas de reversión manuales. Mediante estos sistemas del ATA 21 se controla tanto la calidad y cantidad del airea bordo, como el acondicionamiento en temperatura y humedad así como la presurización de la aeronave en todas las cabinas (de pilotos, de pasajeros y bodegas de carga). - El ATA 22 versa sobre el vuelo automático y todos los sistemas a bordo que lo hacen posible. Las aeronaves modernas tienen sistemas de ordenadores que asisten a los tripulantes técnicos en la conducción segura y automatizada del vuelo. Dentro de estos sistemas se encuentran los FMS (Flight Management System) y FMGS (Flight Management and Guidance System). Tienen interfaces de presentación para los pilotos, modos automáticos y manuales, realizan predicciones de navegación, ruta, gestión de combustible, gestión del centro de gravedad, detección de elementos peligrosos para la navegación, de niveles de exactitud en la precisión de la navegación –tanto vertical como horizontal-, de optimización del vuelo, de selección de rutas primarias y alternativas, y de predicciones a campos alternativos con sus características y datos para el aterrizaje, etc. Tienen conexiones con determinados sistemas del avión para captar informaciones de altimetría, velocidad, peso, sensores de posicionamiento y navegación, etcétera. Los FMS/FMGS generan datos de salida a instrumentos para la tripulación técnica, para la tripulación auxiliar y pasajeros, así como para los sistemas de control de tráfico aéreo y para las unidades en tierra que realizan el seguimiento a distancia de los vuelos de cada compañía. - El ATA 23 recoge todas las comunicaciones a bordo de las aeronaves, tanto internas como externas. Las comunicaciones hacia el exterior tanto en VHF (Very High Frequency), como en HF ( High Frequency), los sistemas de comunicación - de voz y de datos-, vía satélite y los registradores de datos de vuelo y de comunicaciones, así como los sistemas de emergencia y de seguimiento y control de la operación (ACARS: ARINC Communications Addressing And Reporting System, conocido también en Europa como AIRCOM, es un sistema digital de transmisión de datos que permite el intercambio de datos y mensajes entre un avión y un centro de operaciones con base en tierra). La energía necesaria para la operación de todos los equipos de este ATA, se obtiene de las barras de corriente continua y alterna del sistema eléctrico del avión. - El ATA 24 engloba todo el sistema eléctrico de una aeronave, tanto la generación eléctrica a bordo, como las conexiones de la aeronave con fuentes de energía externa. En la mayor parte de las aeronaves comerciales existe un generador de corriente alterna arrastrado por cada uno de los motores. Además de estos, existen otros generadores auxiliares como el de la APU, otros de emergencia accionados por hélices desplegables o por potencia hidráulica. Todos los sistemas eléctricos del avión son abastecidos desde las barras de corriente alterna conectadas a los generadores o desde las barras de corriente continua alimentadas a su vez por las anteriores mediante transformadores. La corriente sufre multitud de transformaciones para acomodarse a las necesidades específicas de cada elemento e instrumento instalado a bordo. 30

- El ATA 26 trata de los sistemas de protección contra incendios instalados en toda la aeronave, tanto en motores y APU como en los compartimentos de aviónica, lavabos, bodegas, sistemas de entretenimiento de los pasajeros y los alojamientos del tren de aterrizaje. La mayor parte de este sistema tiene controles eléctricos que dependen del sistema eléctrico del avión. - El ATA 27 mandos de vuelo. Los mandos de vuelo de los aviones modernos son accionados mecánica o eléctricamente, y movidos mediante martinetes hidráulicos y eléctricos. Los modernos aviones con sistemas de control “Fly by Wire” suelen estar controlados eléctricamente y actuados hidráulicamente. Algunos de sus elementos pueden ser controlados también mecánicamente. En estos casos no existe control directo de los pilotos sobre las superficies de mando, ya que las acciones de estos sobre los mandos son interpretadas por los ordenadores que mueven los mandos de vuelo como sea necesario para seguir las órdenes del piloto. En algunos modelos de avión (Airbus), existen unas denominadas “leyes de vuelo” que proporcionan protecciones en la envolvente de vuelo del avión, evitan maniobras excesivas y acciones que sobrepasen los límites de seguridad, cualesquiera que sean las acciones de los pilotos. Con los sistemas del ATA 27 se mueven las superficies aerodinámicas del avión (alerones, timón de dirección, timón de profundidad), o elementos estructurales como el estabilizador horizontal de cola o superficies hipersustentadoras, de borde de ataque (Slats), o de borde de salida (Flaps). Se accionan, además, otras superficies que sirven para control y coordinación de viraje (Spoilers) y los aerofrenos. - El ATA 28 hace referencia al sistema de combustible del avión. El almacenamiento del combustible en los aviones se realiza habitualmente en los planos. En algunos aviones con determinadas cargas de combustible se llenan también depósitos en la parte central del fuselaje junto a los planos y en el estabilizador horizontal de cola. Este sistema utiliza energía eléctrica neumática y mecánica de los motores para su funcionamiento; almacena, controla y suministra el combustible a los motores y al APU; realiza transferencias de combustible para controlar el centro de gravedad del avión; controla el sistema de repostado, hace recircular el combustible en intercambiadores de calor aceite/combustible y, en algunos aviones, permite el lanzamiento de combustible al exterior para una rápida reducción de peso en caso de contingencia o emergencia. - El ATA 29 contempla el sistema hidráulico del avión. Este sistema dotado de bombas, depósitos, tuberías de transmisión de líquido hidráulico a presión y actuadores, obtiene su energía de bombas accionadas por los motores y bombas eléctricas auxiliares. La presión nominal de funcionamiento es de 3.000 psi (libras por pulgada cuadrada), casi de manera generalizada. Habitualmente se utiliza para actuación de mandos de vuelo, tren de aterrizaje, frenos, etcétera. En algunos aviones en fase de certificación tales como el Boeing 787, en aras de la eficiencia de combustible y de restar menos carga a la caja de engranajes del motor, se están sustituyendo las bombas hidráulicas actuadas por el motor por otras de actuación eléctrica. Hasta aquí, hemos desarrollado, de manera individualizada, los sistemas que mayor consumo de energía presentan. Sin embargo, existen otros muchos sistemas, con sus capítulos ATA correspondientes, que también consumen energía, los cuales mencionaremos de manera somera a continuación: - El ATA 30 trata de los sistemas de protección contra hielo y lluvia. Utilizan energía del aire sangrado a presión de los motores y energía eléctrica. - El ATA 31 instrumentos de vuelo, que utilizan esencialmente energía eléctrica, tanto alterna como continua de características diversas. - El ATA 32 tren de aterrizaje, que utiliza energía hidráulica y eléctrica para la operación de los ciclos de salida y entrada del tren, así como para los frenos y los controles de accionamiento y supervisión. - El ATA 33 trata de las luces tanto internas como externas, utilizando esencialmente energía eléctrica. - El ATA 34 recoge todos los elementos de navegación y utiliza básicamente energía eléctrica aunque recibe información de instrumentos estáticos (sondas estáticas utilizadas para altimetría etc), y de presión dinámica (sondas pitot) y de sondas de temperatura eléctricas. 31

- El ATA 35 controla el oxígeno a bordo, tanto de pasajeros como de tripulantes, y utiliza energía eléctrica para su activación y control. - El ATA 36 hace referencia al sistema neumático del avión. Controla los sangrados de motores y APU, así como los de los de los equipos auxiliares de tierra. Esencialmente utiliza energía eléctrica para el control y la supervisión. Pese a ser un sistema discreto, sangra potencia del motor para entregarlas a otros sistemas que son consumidores de aire como los de anti hielo, ventilación, presurización y acondicionamiento. En algunos aviones modernos (Boeing 787) se están sustituyendo los sangrados de motor por compresores operados eléctricamente. - El ATA 38 actúa sobre las aguas y residuos a bordo. Utilizan aire a presión y energía eléctrica. - El ATA 49 trata de las unidades de energía auxiliar (APU). Genera energía eléctrica y neumática como veremos a continuación. - El ATA 52 lo hace de las puertas, que utilizan energía eléctrica y pequeños martinetes neumáticos. - El ATA 70 es, dentro de los sistemas de una aeronave, el que se ocupa de los motores. Mención aparte merecen las Unidades de energía auxiliar (APU) del ATA 49. Normalmente situadas en un compartimento en el cono de cola de los aviones, las unidades de energía auxiliar -que son esencialmente un motor a reacción-, están concebidas para proporcionar energía eléctrica y neumática en las fases iniciales anteriores al vuelo que sirvan para el arranque de los motores, suministro de aire a presión para utilizaciones varias dentro del avión y para mover accesorios hidráulicos o eléctricos. El arranque del APU se hace habitualmente mediante un motor eléctrico integrado en la misma unidad con energía procedente de las baterías del avión o de una fuente externa. En ocasiones se arrancan en vuelo para proporcionar energía eléctrica y neumática para arranque de motores o para usos varios a bordo del avión. En la actualidad está ganando una importancia esencial en el transporte aéreo, y es causa de competencia entre las compañías, el sistema de entretenimiento al pasaje que genera un consumo, habitualmente de energía eléctrica, considerable. En algunas aeronaves el IFE (In Flight Entertainment System) tiene controles y cabinas separadas de actuación en la cabina de pasaje. Otro de los elementos de elevado consumo de energía eléctrica son los sistemas de los Galleys o cocinas a bordo utilizados por los tripulantes auxiliares para la atención de los pasajeros y tripulación.

3.2) SISTEMA ELÉCTRICO DEL AVIÓN(ATA 24) 3.2.1. Evolución histórica Desde los orígenes de la aviación fue preciso disponer energía eléctrica a bordo, aunque de un modo casi simbólico, puesto que las bujías de los motores de combustión de los primeros voladores requerían de un sistema elemental capaz de producir la chispa. Este dispositivo consistía en un generador eléctrico especial, actualmente desaparecido, denominado magneto. Pronto surgió la necesidad de instalar a bordo un equipo transmisor-receptor de radio y por ello se hizo necesario disponer de una fuente de energía eléctrica que lo alimentase. En principio se trató de una sencilla batería de acumuladores, pero enseguida se vio la necesidad de disponer de un generador de CC o dinamo para recargar la batería y alimentar la radio de forma permanente. Este dinamo era accionado por una hélice situada en el exterior del fuselaje, que a su vez era movida por la acción del viento. Por este medio se obtenía una potencia del orden de 200 a 300 W. Con el desarrollo de la aviación, sobre todo como medio de transportar correo, comenzaron a realizarse vuelos nocturnos y en consecuencia fue necesario iluminar la cabina y el cuadro de instrumentos, al cual se iban agregando además nuevos equipos que necesitaban 32

más energía eléctrica para funcionar. Esto provocó la necesidad de que el generador produjese cada vez mayor potencia y que la batería tuviera mayor capacidad de almacenamiento. Por todo ello la solución del molinete en el exterior del avión quedó obsoleta y se recurrió a acoplar mecánicamente el generador eléctrico al motor del avión a través de un sistema de engranajes. En esta época las potencias instaladas eran del orden de 2 a 3kw. Durante la II Guerra Mundial se incorporaron a los aviones militares más sofisticados equipos de navegación y comunicaciones, además de numerosos equipos auxiliares para accionamiento de armas. Esto obligó a incrementar nuevamente la energía eléctrica generada a bordo. Por ejemplo el bombardero B-17 estaba equipado con tres generadores de 12KW cada uno, funcionando en paralelo. Después de la guerra se produjo un fuerte impulso en el transporte aéreo civil. Esto llevó consigo un gran incremento en el tamaño de los aviones para transporte de pasajeros y de carga. Además, los nuevos aviones civiles comenzaron a equipar los sistemas desarrollados durante la guerra para los aviones militares. En consecuencia volvió a producirse un notable aumento de las necesidades de energía eléctrica a bordo. Hoy en día, en los actuales aviones de transporte de pasajeros, no basta con iluminar la cabina de la tripulación y con alimentar un escaso número de instrumentos de vuelo. Ahora hay que alimentar a bordo nuevos y más sofisticados subsistemas y equipos que dependen de la energía eléctrica para funcionar, tales como los ordenadores de gestión integrada de vuelo o los sistemas de control y aumento de estabilidad (Sistemas Fly by wire), que además tienen una responsabilidad vital en el mantenimiento de la seguridad del vuelo. Por otro lado, para seguir manteniendo el alto nivel de calidad en el servicio que históricamente ha proporcionado el transporte aéreo, es necesario atender al máximo el confort de los pasajeros a bordo, lo que ha provocado un aumento extraordinario en la potencia eléctrica instalada, que puede llegar actualmente en algunos aviones a unos cientos de KW. 3.2.2. Normativa aplicable Cuando se realiza cualquier actividad relacionada con el sistema eléctrico del avión, se deberán conocer las normas específicas que le afectan. La relación de normas publicadas en la actualidad sobre este tema es enorme. Algunas de ellas tienen un carácter meramente orientativo, otras son de obligatorio cumplimiento para obtener la certificación de un avión. Algunas tratan de la concepción global del sistema, otras se ocupan de los detalles en apariencia más insignificantes. A continuación se cita alguna normativa que se consideran más relevantes agrupadas según el punto de vista adoptado. - Desde el punto de vista DISEÑO  F.A.R (J.A.R) 25-Subpart F- Equipment- Electrical Systems and Equipment.  MIL-E-7016F- Electric load and power source capacity, Aircraft, Analysis of  MIL-STD-704E- Aircraft electric power characteristics.  ISO 1540- Aerospace- Characteristics of aircraft electrical systems.  MIL-W-5088L- Wiring, Aerospace vehicle.  MIL-STD-810C- Environmental test methods and engineering guidelines. -

Desde el punto de vista de MANTENIMIENTO  ATA24- Aircraft Maintenance Manual- Electrical Power.  MIL-STD-470B- Maintainability program for systems and equipment. Desde el punto de vista de OPERACIÓN  Manuales de operación específicos de cada avión.

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3.2.3. La calidad de la energía empleada La calidad de la energía eléctrica viene definida fundamentalmente por la amplitud de los márgenes de variación admitidos para sus principales magnitudes características y por el nivel de fiabilidad con el cual se puede disponer de ella. Es sistema eléctrico de los aviones está sometido a diversas exigencias, según se justifica a continuación, que se traducen en la necesidad de disponer a bordo de energía eléctrica de muy alta calidad. Además en el diseño aeronáutico hay que contemplar exigentes criterios con objeto de minimizar su peso y su tamaño que no está obligado a satisfacer una instalación de tierra. Por otra parte, algunos equipos eléctricos a bordo tienen una responsabilidad crítica en el mantenimiento de la seguridad del vuelo y por ello su fiabilidad deberá ser muy elevada. Finalmente, el uso creciente de ordenadores encargados del control automático y centralizado del vuelo y de todos los sistemas del avión (incluidos los motores principales), obliga a incorporar dispositivos que garanticen su alimentación ininterrumpida en cualquier circunstancia de funcionamiento por severa que sea.

3.2.4. Condiciones ambientales a las que están sometidas los equipos  Temperaturas extremas y fuertes gradientes de temperatura El material eléctrico a bordo de avión puede llegar a estar sometido a temperaturas extremas incluso durante un solo vuelo. En la atmósfera estándar la temperatura disminuye con la altitud a razón de 6,5ºC/km, y se estabiliza en -56,5ºC a 11000m de altitud sobre el nivel del mar. En el extremo opuesto, durante la operación en algunos aeropuertos en determinadas épocas del año la temperatura ambiente puede llegar a ser superior a 50ºC. Además, los componentes del sistema eléctrico cercanos a los motores u otras zonas calientes del avión pueden alcanzar fácilmente temperaturas superiores a 90ºC. Por último, no solo habrá que demostrar que el material eléctrico es operativo en cualquiera de las dos circunstancias de temperatura extrema (máxima y mínima), sino también, que puede soportar los fuertes gradientes de temperatura (choques térmicos) a que está sometido, ya que puede pasarse de una a otra situación en apenas unos minutos.  Altos niveles de humedad Al operar en algunos aeropuertos situados en zonas cálidas cerca del mar, el material eléctrico a bordo puede verse sometido a una humedad próxima al 100% junto con elevada temperatura. El vapor de agua puede penetrar en cualquier dispositivo y afectar a circuitos y a mecanismos provocando oxidación. Con el tiempo afecta también a cables pudiendo producir moho que deteriora la cubierta de los mismos.  Ambientes salinos En operaciones próximas al mar, el aire puede tener gran contenido en sal que puede depositarse en los contactos y los dispositivos eléctricos en general, produciendo corrosión, aumentos locales indeseados de conductividad o incluso pares galvánicos con resultado de fuertes oxidaciones en muy poco tiempo.  Ambientes con polvo y arena Al operar sobre pistas de tierra, en vuelos a baja cota o incluso durante el almacenamiento del material, puede introducirse polvo y arena que afectaría a su funcionamiento, sobre todo en dispositivos con partes móviles como generadores o motores.  Entornos agresivos Algunos componentes del sistema eléctrico pueden estar inmersos en, o próximos a, zonas donde puede haber combustible, líquido del sistema hidráulico, agua o gases diversos (del combustible, de las baterías, etc) que pueden resultar agentes agresivos para ellos. En consecuencia, deberá demostrarse que los dispositivos que puedan razonablemente estar expuestos a estas situaciones son capaces de funcionar sin sufrir deterioros graves y sin provocar explosiones.

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 Atmósfera con baja densidad del aire La densidad del aire baja con la altitud. Concretamente, en una atmósfera estándar la densidad a 6.5 Km de altitud es la mitad que al nivel del mar, y a 17,5 Km es la décima parte. En consecuencia, debe tenerse en cuenta la influencia de la densidad del aire, sobre la calidad de la refrigeración de un determinado dispositivo. Hasta los 6 Km de altitud aproximadamente, el efecto de disminución de temperatura es más importante que el de disminución de densidad del aire y la refrigeración es más eficaz conforme nos elevamos. A partir de esta altitud, el efecto de disminución de la densidad adquiere mayor importancia relativa que el de bajada de la temperatura y en consecuencia las condiciones de refrigeración empeoran. Todo esto afecta a los motores y a los generadores eléctricos ya que la potencia máxima que pueden desarrollar estas máquinas de forma permanente sin sufrir deterioro está fuertemente influida por la temperatura de funcionamiento y a su vez ésta depende de la calidad de la refrigeración.  Vibraciones, aceleraciones e impactos Estas son condiciones mecánicas que afectan principalmente a los elementos de conexión y fijación de los componentes del sistema eléctrico. Se tendrán en cuenta diversos espectros de carga con frecuencias entre 10 y 3000 cps con amplitudes diversas, según indica la norma, para simular desde vibraciones puramente mecánicas hasta las producidas por ruido. Se considerarán las cargas producidas por aceleraciones de hasta 18g en cualquier dirección. Los impactos se simularán mediante aceleraciones súbitas de hasta 75g con duraciones inferiores a 9ms. La mayor parte de ensayos del material eléctrico simulan cada una de las situaciones extremas de forma independiente. Pero también se deberá tener en cuenta el efecto combinado de algunas de ellas, tales como baja temperatura junto con baja densidad del aire, vibraciones y aceleraciones, temperatura elevada con humedad, etc 3.2.5. Tipos de tensiones a bordo: CC/CA La producción y distribución de energía eléctrica a bordo puede realizarse en forma de corriente continua exclusivamente (CC), o mediante sistemas mixtos con una parte de corriente continua (CC) y otra de corriente alterna (CA)  CC.- En los principios de la aviación la generación de energía eléctrica se hacía exclusivamente en forma de corriente continua. Actualmente, todavía se utiliza este sistema único en algunos aviones militares y aviones civiles pequeños.  Sistemas mixtos de CC-CA.- Conforme fueron aumentando las necesidades de energía eléctrica en los aviones, adquirieron más relevancia las ventajas relativas que tienen los sistemas de generación y distribución en forma de corriente alterna trifásica. Estos alternadores trifásicos son movidos por motores principales que generan ondas de tensión sinusoidales. Sin embargo, debido a la necesidad de acumular energía eléctrica en las baterías para cubrir situaciones de emergencia y también para atender las necesidades concretas de algunos equipos del avión, es necesario mantener a bordo una parte del sistema de corriente continua. Esta se puede obtener rectificando la corriente alterna a través de unidades compuestas por un transformador y un puente rectificador, o bien a través de dispositivos como las pilas de combustible (fuel cells) las cuales obtienen directamente CC) 3.2.6. Generación, almacenamiento y consumidores de energía eléctrica en el avión Como principales características los sistemas de generación y almacenamiento de energía eléctrica en el avión caben citar las siguientes:  Los generadores principales son arrastrados por los motores del avión y en consecuencia se instalan junto a ellos.

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 La unidad de potencia auxiliar (A.P.U) se instala normalmente en la popa del avión para facilitar una salida segura de los gases de escape producto de la combustión por la parte trasera del fuselaje.  Los generadores de emergencia se pueden situar en lugares muy diversos, aunque su emplazamiento dependerá fundamentalmente del sistema que se utilice para arrastrarlos. Los que son arrastrados por los propios motores del avión se instalan en sus carenados, igual que en el caso de los generadores principales. Cuando son arrastrados directamente por una R.A.T, el generador irá adosado al eje de la hélice. En cualquier caso la R.A.T irá situada en la parte inferior del fuselaje. Una posible clasificación de las cargas eléctricas en el avión puede ser según su función :  Cargas relacionadas con la cualidades de vuelo - Superficies de control - Encendido de los motores - Control de los motores - Instrumentación del motor - Instrumentación de vuelo - Sistema hidráulico y de combustible  Cargas de navegación y comunicaciones - Sistemas de radio HF, VHF y UHF - Receptores VOR, DME Y ADF (Sistema IAPS) - Aterrizaje instrumental (LOC Y GS) - Radares ( Meteorológico, de navegación)  Cargas de calentamiento y acondicionamiento - Iluminación - Acondicionamiento de cabina - Calentamiento, ventilación y deshielo - Atención, confort y ocio del pasaje  Cargas de armamento 3.2.7. El concepto de Hibridación En este campo, el concepto de sistema híbrido se asocia a aquellos sistemas de suministro de potencia eléctrica integrados por dos o más fuentes de energía de diferente naturaleza. Con esto se pretende hacer un mejor uso de sus características de funcionamiento y aumentar la eficiencia que se obtiene si sólo se utiliza una única fuente. En el caso concreto de los sistemas híbridos de pilas de combustible, se refiere a los sistemas de generación de potencia integrados por un sistema de pila de combustible y otra u otras fuentes de energía diferentes. El objetivo de combinar varias fuentes de energía es el de anular o minimizar las principales desventajas que presentan las pilas de combustible: lenta respuesta transitoria y baja eficiencia a potencias altas. Sin embargo, un sistema basado simplemente en una pila de combustible no posee ningún atractivo desde el punto de vista práctico, ya que la carga a la que puede alimentar debe ser muy concreta y con unas restricciones muy limitadas.

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3.3) TENDENCIAS FUTURAS EN EL AVIÓN.-Conceptos MEA,AEA Las tendencias en la arquitectura de los sistemas de propulsión en un avión se ven afectadas por los numerosos avances que tienen lugar en las tecnologías empleadas. Tradicionalmente los aviones han sido impulsados por una combinación de sistemas mecánicos, eléctricos, hidráulicos y neumáticos. A pesar de ser los más usados, no son los que proporcionan mayor rendimiento, fiabilidad y ciclo de vida. Es por esto que actualmente, se tiende cada vez más a la utilización de otros sistemas con mejores prestaciones, por ejemplo, cada vez existe una mayor utilización de la potencia eléctrica para la generación de energía en los subsistemas que forman una aeronave. La figura 11 muestra la ubicación de las fuentes de potencia convencionales (baterías, motores principales, APU y RAT), así como el tipo de potencia que suministran. Las fuentes de potencia convencionales que se emplean son: - Potencia neumática, proveniente del sangrado de aire de los motores y que se emplea para el aire acondicionado en cabina o el arranque de los motores principales. - Potencia eléctrica, que se utiliza para todo el tema de luces, iluminaria, entre otros. - Potencia hidráulica, que es la que se emplea por el ejemplo para accionar los controles de vuelo.

Fig.11. Fuentes de potencia convencionales en el avión [Ref 23]

El rango de potencia que cada fuente ofrece se muestra en la siguiente tabla: Potencia (eléctrica, neumática o hidráulica) KW

MOTORES PRINCIPALES

APU

RAT

BATERIAS

~ 1000

~550 (tierra)

~25

~3

TABLA 9 . Potencia ofrecida por las diversas fuentes principales del avión [Ref 23]

En la figura 12 se muestran los consumidores de potencia más importantes dentro de la arquitectura convencional del avión. Estos son los sistemas de aire acondicionado, sistema antihielo, arranque de motores, tren de aterrizaje, sistemas de cabina y tren de aterrizaje.

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Fig.12. Consumidores de potencia principales del avión [Ref 23]

El rango de potencia que consume cada uno se muestra a continuación: Máximo consumo de potenciaKW

AIRE ACONDICIONADO

PROTECCIÓN ANTI-HIELO Y LLUVIA

SISTEMAS DE CABINA

ARRANQUE DE MOTORES

TREN DE ATERRIZAJE

CONTROLES DE VUELO

~ 500

~250

~100

~300

~50

~150

TABLA 10 . Potencia consumida por los principales sistemas eléctricos del avión [Ref 23]

De las nuevas tendencias y oportunidades de mercado (celdas de combustible, motores principales más avanzados, sistemas más electrificados,etc) surge la idea del uso, cada vez mayor de la potencia eléctrica como medio de propulsión para aeronaves; de ahí surgen los conceptos de avión mas eléctrico (MEA) y avión totalmente eléctrico (AEA). Estos conceptos son principalmente desarrollados desde la filosofía Boeing. Los subsistemas electrificados de estas aeronaves son: control de vuelo, sistema eléctrico, antihielo, sistemas ambientales, accionamiento eléctrico de frenos, aire acondicionado, bombeo de combustible... La diferencia entre ambas (MEA y AEA) reside en la cantidad de subsistemas que tiene electrificados cada una. Como su nombre indica, los aviones AEA (avión totalmente eléctrico – all electric aircraft) tienen más partes eléctricas que los aviones MEA (avión mas eléctrico – more electric aircraft). Los diferentes tipos de cargas existentes en los subsistemas eléctricos de estos aviones, requerirán distintos suministros de potencia, que no provendrán de los generadores principales, sino de otros generadores que conviertan la potencia del eje de un motor en potencia eléctrica. Además, se dispondrá de unidades de potencia auxiliar en tierra, cuando los motores están apagados. Esta mayor demanda de potencia conlleva un inevitable aumento de la corriente circulante o de la tensión. Un aumento de la corriente supondría la necesidad de emplear cableado de mayor sección, con el consecuente aumento de peso. El peso del sistema eléctrico es un aspecto critico en un avión, por lo que, se hace necesario que la variable a aumentar sea el voltaje. Es por esto, que las especificaciones técnicas de un avión fijan la tensión de su bus principal en 270 Vcc. Sin embargo, determinados componentes requieren suministros de 28 Vcc o 115 Vac para su correcto funcionamiento. Los futuros aviones necesitaran el empleo de sistemas de energía multinivel de voltaje CC y sistemas CA. Los recientes avances en las áreas de electrónica de potencia, accionamientos eléctricos, electrónica de control y microprocesadores están proporcionando el impulso necesario para mejorar el rendimiento de las aeronaves y la fiabilidad de sus sistemas eléctricos.

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Las mejoras que los sistemas MEA y AEA proporcionan, comparándolos con los sistemas tradicionales, son: menor complejidad, menores costes de mantenimiento, mayor fiabilidad, detección de fallos, mayor eficiencia, ahorro de peso y volumen. Todos estos detalles recién mencionados llevan a los aviones MEA y AEA a ser considerados la dirección hacia una nueva generación de aeronaves. Estos nuevos sistemas de arquitectura en aeronaves para el desarrollo de aviones más/totalmente eléctricos (MEA/AEA) tienen como resultado un incremento en la demanda de potencia eléctrica. En consecuencia, se hace necesario no solo el uso de componentes que conviertan la energía eléctrica de un modo a otro, sino también de componentes que transformen el voltaje a niveles superiores o inferiores, es decir, convertidores electrónicos de potencia. De este modo, los sistemas de distribución eléctrica MEA/AEA estarán compuestos principalmente por convertidores de potencia. Como conclusión final se pueden establecer una serie de ventajas del nuevo sistema de pilas de combustible frente al tradicional:  Bajas Emisiones.- Significante reducción de NOx tanto en tierra como en vuelo  Alta eficiencia.- La eficiencia se incrementa debido a las tecnologías aplicadas  Economía de Fuel.- En tierra una turbina típica suministra a la APU una potencia con un 15% de eficiencia. En el futuro la APU alimentada con una SOFC (Boeing) cuenta con un 60% de eficiencia a nivel del mar. Esto conlleva un ahorro de fuel de más del 75%. Por otro lado, en vuelo la APU tradicional presenta un 40-45% de eficiencia , y JET-A se encarga del suministro eléctrico en crucero. Por su parte, el nuevo modelo basado en SOFC cuenta con un 75% cubriendo todas las necesidades de los sistemas en crucero. Con todo esto la reducción de fuel que se alcanza es aproximadamente un 40%  Reducción de Ruidos.- Excelente potencial para una significativa reducción de ruidos. en tierra.

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4.PILAS DE COMBUSTIBLE AERONÁUTICO/AEROESPACIAL

EN

EL

SECTOR

4.1) LINEAS DE INVESTIGACIÓN Y PROYECTOS 4.1.1. Introducción Las aplicaciones de las pilas de combustible en la aeronáutica y el espacio no son las únicas, pero sí fueron las primeras. La primera pila de combustible (de tipo PEM) la desarrolló General Electric en los años 60 para las misiones espaciales Geminis de la NASA. Actualmente hay proyectos de avión, no para conseguir un avión operado por pilas de combustible, algo que por el momento está fuera de toda visión realista, sino para sustituir algunos sistemas auxiliares. Hoy por hoy es un sistema caro y quizá por ello la pionera ha sido la industria aeroespacial, donde priman otros intereses frente al económico. Destacan otras aplicaciones como las desarrolladas para automoción y producción estacionaria de potencia a pequeña escala aunque no hay que olvidar que este mercado está aún en fase de desarrollo. Una de las primeras ventajas que acuden a la mente es la reducción de contaminantes al evitar la combustión propiamente dicha. Se llega a hablar de emisiones cero en el caso de las pilas de hidrógeno, que únicamente desprenden agua. Otro aspecto beneficioso es la mayor eficiencia o rendimiento, que no está limitada por el rendimiento de Carnot, puesto que es un proceso electroquímico y no un ciclo termodinámico. A ello hay que añadir las bajas presiones y temperatura de operación y la capacidad de cogeneración (usos combinados de calor y energía en los que la mayoría de la energía no transformada en electricidad se utiliza como calor) en las de óxido sólido. La reducción de espacio es una mejora importante en la aplicación de las pilas de combustible en dispositivos portátiles como el ordenador o el teléfono móvil, donde nos olvidaríamos de la red de suministro eléctrico. Pero lejos de estas ventajas propias de las características y del funcionamiento de las pilas de combustible se encuentra un valor muy relevante: la diversificación. Todo va encaminado hacia la diversificación de los procedimientos de generación de energía eléctrica y a diversificar la fuente y el uso del combustible, de manera que no provenga todo del petróleo. Desde un punto de vista político la diversificación supone seguridad y estabilidad, más aun cuando las reservas de petróleo se encuentran en países con una gran inestabilidad política. Frente a todas esas ventajas, únicamente dos inconvenientes: es una tecnología en desarrollo y su precio es elevado, junto con el problema del almacenamiento y transporte del hidrógeno en el caso de las pilas que utilizan dicho combustible. Ello podría subsanarse empleando otro combustible y convirtiéndolo en hidrógeno, pero el reformador en sí puede suponer una penalización en el peso. 4.1.2. Proyectos destacados en el sector aeronáutico El sector aeronáutico está analizando en los últimos años la posibilidad de utilizar tecnologías de pilas de combustible en dispositivos aéreos. Los UAV, debido a sus dimensiones más reducidas, a que la mayoría de sus actuadores son eléctricos y a la ausencia de tripulación a bordo, son los primeros candidatos para el ensayo y validación de pilas de combustible en vuelo. De entre éstos, además, los micro UAV son, debido a su reducido tamaño, coste y alcance, en los que se han realizado las primeras pruebas, este es el caso, por ejemplo, del Hornet de la empresa americana AeroVironment. El Hornet es una evolución del Black Widow, de la misma empresa, que tiene como principal modificación la alimentación mediante pilas de combustible de tipo PEM. También en Europa se han desarrollado esfuerzos en este sentido, en concreto la Agencia francesa ONERA ha desarrollado el demostrador Mirador con una envergadura de 25 cm. y una autonomía de vuelo de 20 min. Dentro de los UAV de mayor tamaño hay varios proyectos, algunos ya demostrados y otros todavía en desarrollo. Dentro de este grupo la empresa AeroVironment también ha 40

desarrollado el PUMA, un SUAV de 2.5 m. de envergadura, este SUAV tiene un sistema de alimentación híbrido pilas PEM/baterías en cuyo desarrollo han participado las empresas Protonex y Millenium Cell. Se han demostrado vuelos de hasta 7 horas con el sistema híbrido mientras que con alimentación sólo con baterías la máxima duración era de 4. Otro proyecto de AeroVironment es el Helios, un UAV de elevada altitud y larga duración (HALE en sus siglas en inglés). Inicialmente este UAV estaba propulsado únicamente por placas fotovoltaicas pero se ha modificado el concepto para permitir vuelos nocturnos añadiendo una pila PEM de 10 KW. En este caso el oxígeno y el hidrógeno necesarios para el funcionamiento de la pila PEM se obtiene mediante un electrolizador alimentado por parte de la energía fotovoltaica y aprovechando el agua generada por la pila, con una fase posterior de almacenamiento. Otro prototipo de la misma empresa es el Global Observer, adaptado para el vuelo con una pila de combustible alimentada mediante un tanque de hidrógeno líquido. Este prototipo voló por primera vez en el 2005 durante una hora. Otro concepto sobre el que está trabajando AeroVironment es el Centurión, una evolución del Helios también de propulsión híbrida solar/pilas de combustible, con el que esperan obtener tiempos de vuelo de semanas. En España, en el campo de los UAV con propulsión mediante pilas de combustible destaca el INTA con el proyecto AVIZOR en el que se pretende realizar la propulsión de un UAV mediante una pila PEM. Este proyecto aprovecha la existencia de otro UAV desarrollado en los últimos años en el INTA, el SIVA, sobre el que, entre otras modificaciones, se substituye el sistema de energía por uno basado en pilas de combustible. Siguiendo con el caso español hay una iniciativa importante para desarrollar tecnologías relativas a pilas de combustible siendo una de sus aplicaciones principales la aeronáutica. Se trata del proyecto DEIMOS (Desarrollo E Innovación en pilas de combustible de Membrana polimérica y Óxido Sólido). Este proyecto está liderado por la empresa Compañía Española de Sistemas Aeronáuticos (CESA) y cuenta entre sus socios con Airbus y EADS, además de contar con la colaboración de otros centros aeroespaciales como Inasmet o el INTA. El fin último del proyecto es conseguir un buen posicionamiento de la industria española en las tecnologías de pilas de combustibles en general. Como objetivo específico aeronáutico se tiene el desarrollo de tecnología propia para construir un sistema auxiliar de generación de potencia basado en tecnología PEM de alta temperatura (>120ºC) que suministre una potencia de 10 Kw.

Fig 13 .Esquema del sistema de propulsión alimentado por pilas PEM del proyecto AVIZOR desarrollado por el INTA[Ref 32]

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En el proyecto CRYOPLANE, de Airbus, se estima que la sustitución de APUs por pilas de combustible va a suponer una reducción del 80% de la emisión de gases NOx. Según la NASA las APUs tradicionales son responsables del 20% de las emisiones en tierra del avión. Ya se han hecho diferentes pruebas en vehículos aéreos. Se han probado pilas de combustible en UAVs (vehículos aéreos no tripulados) con gran éxito, pero la alimentación de hidrógeno era externa, es decir, que el avión se cargaba de combustible hidrógeno y volaba durante el tiempo estimado que durase el combustible. El Cryoplane de Airbus es un buen ejemplo. El UAV dispone de una serie de tanques de almacenamiento de hidrógeno en la parte superior del armazón. El problema radica en que aún no existen “hidrogeneras” en los aeropuertos, y el almacenamiento de hidrógeno es muy costoso, ya que requiere de tanques a elevada presión y muy voluminosos, debido a la baja capacidad de almacenamiento volumétrico que posee.

En cuanto a posibles aplicaciones de las pilas de combustible en la aviación comercial, aparecen dos como las más estudiadas y adecuadas; en primer lugar la sustitución de las APU actuales, actuadas con motores de combustión interna, (Boeing ha ensayado con una SOFC, la cual supone un ahorro de combustible estimado durante el vuelo del 40% y en tierra del 75%); la otra aplicación es la sustitución de las Ram Air Turbines (RAT) que generan energía en casos de emergencia aprovechando la velocidad del avión, al modo de un aerogenerador convencional. En el caso de sustitución de las RAT son las pilas PEM habituales, es decir, las que trabajan a temperatura ordinaria, las que podrían ser empleadas en un plazo de tiempo relativamente corto. Para hacerse una idea de la viabilidad de estas aplicaciones con pilas de combustibles es interesante comentar el artículo" Exploring the role of fuel cell electric power systems for commercial applications", publicado por General Electric en el 2007, en el que se realiza un estudio de la sustitución de las APU y RAT convencionales por otras basados en pilas PEM. En este estudio se analizan las consecuencias en términos de peso, coste, logística, duración de vuelo y respeto por el medioambiente. A modo de resumen es interesante destacar que la sustitución de la RAT parece ser viable para un futuro próximo, ya que se obtiene reducción de peso frente al sistema convencional; La APU se estudia tanto para su utilización en tierra como en vuelo. En la aplicación en tierra los resultados no son concluyentes y la decisión dependería de nuevos desarrollos más optimizados y de si la presión por el respeto al medioambiente aumenta. La utilización de la APU en vuelo únicamente parece interesante para vuelos que superen las 6 horas. Diseñar e implementar una nueva infraestructura para el alimentar con hidrógeno las aeronaves es un proceso muy lento y costoso, por lo que la mejor solución sería reformar éste combustible en el propio avión, puesto que la infraestructura para repostar los aviones comerciales ya está montada en los aeropuertos. En cuanto a proyectos en esta línea, dentro del proyecto POA (Power Optimized Aircraft), el instituto alemán Fraunhofer ISE y el Centro Aeroespacial alemán (DLR), ha desarrollado un sistema auxiliar de energía para aviones combinando un reformador de queroseno autotérmico (ATR) con una pila de combustible de óxido sólido (SOFC). Esta nueva alimentación del sistema eléctrico auxiliar permitirá una reducción en el consumo de combustible entre el 40 y el 70%. En el Laboratorio de Investigación de los Álamos (LANL)llevan a cabo un programa de investigación para desarrollar tecnologías apropiadas para el reformado a bordo de combustible diesel para las pilas SOFC aplicadas a APUs. Otro programa que llevan a cabo es para el reformado a bordo de gasolina en la pila PEM. El reformado a bordo del avión, es por tanto una de las soluciones más eficaces por el momento. El proyecto GAES: Beneficios potenciales del uso de pilas de combustible en aviación, evalúa el impacto de la sustitución de las APU de los aviones por pilas de combustible. El uso de pilas de combustible SOFC sería una buena elección puesto que pueden operar sin mucho problema con el hidrógeno “sucio” procedente del reformado de queroseno. En el caso de que el hidrógeno estuviera disponible a bordo del avión, las pilas PEM son más eficientes.

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El proyecto CELINA (Fuel Cell Integration in a New Aircraft), liderado por Airbus Alemania, desarrollan pilas PEM y SOFC para aplicaciones aeroespaciales. Está llevando a cabo además otros proyectos en este sentido: CONMID (Conversion of Middle Distillates for PEM Applications in Aircraft and Ships), incluye reformado de queroseno, y MOET (More Open Electrical Technology) – que se desarrolla en el ámbito de la tecnología SOFC para aplicaciones aeroespaciales. Por su parte, la NASA están investigando en pilas de combustible SOFC apropiadas para el uso en APU de los aviones. Lo lleva a cabo a través del programa NEXCAP. Centrado en esta línea es interesante el estudio particularizado sobre SOFC, de la NASA, "Solid Oxide Fuel Cell APU Feasibility Study for a Long Range Comercial Aircraft Using UTC ITAPS Approach".

El mercado de pilas de combustible para aviones es relativamente pequeño comparado con el de otros mercados como el del automóvil o de plantas estacionarias generadoras de electricidad, es por ello que el esfuerzo de desarrollo debe ser compartido. Una vez las dificultades genéricas de la tecnología sean superadas, las empresas aeronáuticas podrán adaptar las soluciones a las particularidades del sector. Hay que tener en cuenta que las condiciones de trabajo en vuelo son muy diferentes a las que se tienen en tierra. Un avión vuela a varios miles de metros de altura y en esas situaciones las condiciones del aire son muy diferentes a las de tierra. Para el funcionamiento de una pila es necesaria la entrada de aire/oxígeno por el cátodo, debido a las diferentes condiciones del aire y, en concreto, a las menores presión atmosférica, temperatura y concentración de oxígeno es de esperar que el rendimiento de la pila PEM a altas altitudes se vea perjudicado seriamente. Boeing también ha realizado estudios al respecto, como muestra, por ejemplo, el artículo "Altitude testing of fuel cell systems for aircraft applications" del 2004, publicado junto a la empresa Cessna, donde se analizan condiciones de vuelo por debajo de los 5000 pies. En él se comentan pérdidas de rendimiento cercanas a un 30%. Un ejemplo más completo y reciente es el artículo "performance of protón Exchange membrane fuel cell at high-altitude conditions", publicado por la Universidad de California en Irving en el 2007. Esta problemática puede ser superada por un sistema de presurización pero sería interesante poder evitarlo para no tener que perjudicar al sistema en peso. También hay otro artículo de 2005 de estos mismos autores que aborda la misma temática, "Experimental Performance of an Air-Breathing PEM Fuel Cell at High Altitude Conditions". Aún así, el uso de pilas de combustible presenta varios puntos de interés frente a las soluciones actuales: en primer lugar el respeto por el medioambiente representa cada vez más un tema importante en todos los vehículos de transporte, las pilas de combustible son un sistema de generación de energía limpia; el rendimiento de una pila de combustible es mayor al de un motor de combustión interna esto conlleva un ahorro en combustible y, por tanto, en coste; por último otro tema importante es la reducción de ruidos, las pilas de combustible son un sistema silencioso.

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4.1.3. Líneas de investigación y mejora de pilas de combustible en el sector aeronáutico. 4.1.3.1 REFORMADO DEL QUEROSENO COMO FUENTE DE HIDRÓGENO A BORDO DEL AVIÓN. Una de las ideas que se están desarrollando son los métodos de reformado de queroseno que se puedan llevar a cabo a bordo del avión, y acoplar al reformador una pila de combustible. En este sentido cabrían dos opciones. La primera de ellas sería tener un reformador externo a la pila de combustible, obteniendo una corriente rica en hidrógeno, para pasarlo posteriormente a la pila y allí producir la energía eléctrica:

Fig 14. Método del reformador externo [Ref 17]

La otra opción que se baraja, y que tiene más ventajas, es la conversión directa del hidrocarburo en CO2 y H2O dentro de la misma pila de combustible. Es un sistema más sencillo, eficiente y rentable. Se tendría así una pila de combustible de conversión directa de hidrocarburos. La construcción de este tipo de pilas pasa por buscar un electrocatalizador más duradero y resistente tanto a la descomposición, como a los residuos carbónicos que se forman durante la conversión. S. Park, en el año 2000, divulgó en el artículo “Direct oxidation of hydrocarbons in a solid-oxide fuel cell”, que, sustituyendo el óxido de circonio por óxidos de cobre y cerio, se evita la carbonización del ánodo a una temperatura de 700ºC. Por otro lado, T. Hibino en el artículo publicado en Science “A Low-Operating-Temperature Solid Oxide Fuel Cell in Hydrocarbon-Air Mixtures”, logra una pila de combustible de conversión directa con mayor rendimiento.

Fig 15. Método directo [Ref 17]

A continuación se describen los métodos de reformado , una comparación de los mismos, los tipos de pilas de combustible que emplean este método y su comparación. A continuación, se tratan las pilas de conversión directa de hidrocarburos.  Pilas de combustible con reformador externo El reformado de queroseno es actualmente la mejor solución para poder aplicar las pilas de combustible en los aviones, puesto que es el único combustible que existe a bordo. Se trata, pues, de colocar un proceso previo a la pila que rompa el fuel en sus componentes principales (CO e H2). En esta corriente existen también otros componentes que resultan venenosos para los 44

elementos de las membranas, catalizadores,… de las pilas. Son el monóxido de carbono y los sulfuros, que deben ser eliminados del proceso. 

TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN CONVENCIONALES

Para producir hidrógeno a partir de queroseno existen varios métodos de reformado que se van a describir a continuación: a. Reformado con vapor de agua (SR) En este proceso ocurren dos reacciones. En la primera de ellas, el hidrocarburo se transforma en hidrógeno y monóxido de carbono. En la segunda, se produce hidrógeno adicional a partir del monóxido de carbono obtenido en la primera reacción. El hidrocarburo se mezcla con vapor de agua a temperaturas elevadas, del orden entre 700ºC y 900ºC y se hace pasar a través de un catalizador (normalmente a base de Ni o metales nobles), según la siguiente reacción: CnHm + n H2O

n CO + (m/2+n) H2 Endotérmica

De forma general, y no exclusivamente asociado a este método de reformado, se puede obtener hidrógeno adicional mediante una reacción de desplazamiento del monóxido de carbono con vapor de agua a una temperatura más baja: CO + H2O

CO2 + H2

Exotérmica

Es necesario trabajar a una presión moderada, en torno a 20 bar, si se instala una unidad PSA aguas abajo para purificar el hidrógeno. El calor necesario para llevar a cabo la reacción se obtiene de un quemador incorporado al reformador. Para que este método opere en condiciones óptimas es preferible que el hidrocarburo esté en forma gaseosa y libre de impurezas (azufre entre otras) que pudiesen desactivar el catalizador. Aún así, se está investigando soluciones para operar con queroseno líquido en el reformador de vapor. El monóxido de carbono obtenido como subproducto deteriora el catalizador del ánodo de la pila de combustible, por lo que se ha de disminuir su concentración por debajo de los 20 ppm. Esto se logra pasando la corriente de salida por un lecho catalítico selectivo a CO. Los catalizadores basados en níquel se envenenan fácilmente por los sulfuros del fuel, por lo que, en el método tradicional de SR, aguas arriba es necesario colocar un sistema para eliminar el H2S que puede ser un lecho absorbente de algún oxido metálico de forma que se reduzcan al máximo los niveles de sulfuros presentes en la alimentación. Este proceso aumenta el coste y la complejidad del proceso. Para que el procesador de fuel opere de forma eficiente es necesario controlar el ratio vapor de agua / carbono de la alimentación. El tamaño actual de estos reactores es grande (normalmente son tubos de 10-20 cm de diámetro y varios metros de largo), lo que los hace económicamente viable para la producción de hidrógeno a escala comercial. De hecho, es el método de obtención que más se usa en la industria petroquímica para obtener hidrógeno, con un rendimiento entre 70-90%. Pero para poder usarlo junto a las pilas de combustible, que por definición han de ser compactas y de poco peso, es necesario que los reactores tengan un tamaño menor. 45

En el Laboratorio de la Fuerza Aérea estadounidense (AFRL) se ha creado una pila SOFC alimentada a partir de JP-8. El fuel es convertido previamente a la entrada en la pila por reformado por vapor en una corriente rica en hidrógeno. Prevén el uso de esta pila en dispositivos móviles. Una de los inconvenientes de este método es que posee una dinámica lenta en comparación con el resto de los métodos. Su lenta respuesta a cambios en la demanda hace que sea un factor negativo a la hora de aplicarlo en uso embarcado. b. Oxidación parcial no catalítica (POX) En este proceso, desarrollado por Texaco y Shell, el hidrocarburo se mezcla con el oxígeno, se calientan, se mezclan y queman dentro del reactor. Al operar en ausencia de un catalizador las temperaturas de operación son superiores a 1100ºC, según la siguiente reacción: CnHm + n/2 O2 ↔ n CO + m/2 H2 Exotérmica El calor necesario para llevar a cabo la reacción se aporta, normalmente, por la oxidación de una parte del fuel de entrada. Los productos principales son CO y H2, y se obtienen como subproductos CO2 y H2O, de modo que la composición de la corriente gaseosa de salida vendrá definida por el equilibrio termodinámico. La eficiencia de esta reacción es relativamente elevada, pero es menos eficiente que el reformado por vapor debido a que opera a elevadas temperaturas y existe el problema de la recuperación del calor. En este método de reformado no es necesario que haya una desulfuración previa del hidrocarburo para operar, pero, en contraposición, tiene unos costes de inversión y operación elevados si se opera con oxígeno puro.

c. Oxidación parcial catalítica (CPOX) Se basa en la combustión incompleta del hidrocarburo en presencia de vapor de agua. Este vapor de agua también reacciona con la alimentación, de modo que, controlando las cantidades, se puede controlar la temperatura de reacción, puesto que la reacción de oxidación es exotérmica y la reacción con el vapor de agua endotérmica. CnHm + n/2 O2 ↔ n CO + m/2 H2 Exotérmica CnHm + n H2O ↔ n CO + (m/2+n) H2 Endotérmica

La oxidación parcial se refiere a la conversión exotérmica de hidrocarburos pesados. Las cantidades de oxígeno y vapor de agua se controlan para que la reacción ocurra sin necesidad de aporte de energía externa. La oxidación parcial presenta ventajas con respecto al reformado por vapor. En primer lugar, utiliza aire en vez de vapor, y es una reacción exotérmica, con lo que no se requiere aporte de energía externa durante el proceso. En contrapunto, se produce una menor cantidad de hidrógeno (la relación molar estequiométrica H2/CO de la reacción de oxidación parcial es 2 y de la de reformado por vapor es 3) La oxidación parcial ha sido objeto de investigación en los últimos años por empresas fabricantes de pilas de combustible, para ser aplicada por la industria del automóvil para el reformado in situ de hidrocarburos. No obstante, presenta muchos problemas en cuanto a

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desactivación de catalizadores, recuperación del calor residual y la excesiva dilución que introduce el trabajar con aire como agente oxidante El tipo de catalizador más comúnmente usado es el compuesto por metales nobles sobre un lecho cerámico. El empleo del catalizador hace que se dé la reacción de reformado a menores temperaturas que la oxidación parcial no catalítica (POX). Los investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de Case Western, en EE.UU. describen en su artículo Optimization of jet-a fuel reforming for aerospace applications un método optimizado para reformar Jet-A (tipo de combustible con aplicaciones aeroespaciales basado en queroseno) usando oxidación parcial catalítica con un tiempo de contacto reducido y añadiendo una cantidad mínima de agua. El hidrógeno que se obtiene está especialmente preparado para operar con una pila de combustible de oxido sólido. d. Reformado autotérmico (ATR) El reformado autotérmico es una combinación de la oxidación parcial (POX) y la de reformado por vapor (SR). La temperatura se regula usando el calor que genera la combustión como fuente de energía en la reacción de reformado con vapor de agua. CnHm + H2O+ n/2 O2 ↔ n CO + m/2 H2 En el reformado autotérmico, el hidrocarburo reacciona con el vapor de agua y con el aire para producir un gas rico en hidrógeno. Las reacciones de reformado por vapor (SR) y de oxidación parcial (POX), tienen lugar de forma conjunta. Con la correcta combinación de alimentación de entrada (fuel, aire y vapor), el calor de reacción de la oxidación parcial es suficiente para que se dé la reacción de reformado por vapor. Como ocurre en los otros métodos de reformado, se hace necesario un reactor y una etapa de purificación de la corriente de hidrógeno para eliminar los óxidos de carbono (CO). Los reformadores autotérmicos típicos emplean un lecho catalizador de metales nobles y operan en un rango de temperaturas que oscila entre 800ºC y los 1300ºC. Comparándolos con los reformadores por vapor, la ventaja de operar a tan elevadas temperaturas hace que los sulfuros del fuel no sean tan venenosos para el catalizador. Aún así, debido al elevado contenido en azufre del queroseno (400-600 ppm) la desulfuración previa del combustible sigue siendo necesaria ya que no existe ningún catalizador para este método capaz de soportar estos niveles de contaminación sin envenenarse. Otra ventaja de este método de obtención es que los tiempos de respuesta son menores que los del reformado por vapor. Un ejemplo de test de reformado autotérmico de un queroseno desulfurizado para aplicaciones en aviones lo presentan los investigadores del Fraunhofer ISE, de Alemania, en el artículo "Catalytic autothermal reforming of jet fuel". Como los sulfuros actúan como elementos tóxicos en la pila de combustible es necesario poner unidades de desulfuración aguas arriba de la corriente de entrada de la alimentación de la pila. En el Centro de Investigación Jülich, de Alemania, se está investigando en desulfuradores que se colocarían delante de la unidad de reformado. Además están desarrollando, en el marco del proyecto APAWAGS (Advanced Power and Water Generating System), financiado por el Ministerio de Economía alemán, un reformador compacto para obtener hidrógeno a partir de queroseno. El prototipo actual es cilíndrico con el catalizador en el interior. La mezcla de gas de síntesis se introduce directamente en una pila de combustible de alta temperatura. En el transcurso del desarrollo del proyecto POA se ha desarrollado una unidad de este tipo. Por otro lado, también se ha dedicado recursos a investigar catalizadores que permitan el reformado de alimentaciones que contengan sulfuros. Desde la Universidad de Notre Dame

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(Perovskite catalysts for the auto-reforming of sulfur containing fuels) se propone el uso de catalizadores de perovskita, para reformar JP-8. Los inconvenientes que presenta este método tienen que ver, el primero de ellos, con el tamaño de todo el equipo en conjunto. Al llevar asociado un sistema de recuperación del calor, el equipo es muy grande y costoso. Por otra parte, es difícil vaporizar la alimentación si es de hidrocarburos pesado, y que pase de forma uniforme sobre todo el lecho catalizador. Este método presenta la ventaja de que al no ser necesario un aporte de calor al sistema el coste de funcionamiento y operación se reduce considerablemente frente a los otros sistemas de reformado. Aún así, el reformado autotérmico es una de las tecnologías que más se están estudiando en los últimos tiempos para la producción in situ de hidrógeno para aplicaciones móviles, puesto que combina las ventajas e inconvenientes del reformado con vapor y la oxidación parcial.

COMPARATIVA DE LAS TECNOLOGIAS DE PRODUCCIÓN CONVENCIONALES En primer lugar, es necesario señalar que los reformadores de fuel convencionales, para su aplicación en transporte, son demasiado grandes, lo que supone que ocupan mucho espacio, pesan bastante y su coste asociado es elevado. Por ello, las investigaciones tienen que tender a reducir el tamaño y el peso de los reformadores pero sin perder eficiencia en su producción. Los métodos convencionales de reformado de hidrocarburos son el reformado por vapor (SR), la oxidación parcial no catalítica (POX), la oxidación parcial catalítica (CPOX) y el reformado autotérmico (ATR). Todos estos métodos tienen sus ventajas y sus inconvenientes. En la siguiente tabla se va a hacer una comparativa de estas tecnologías de producción.

TABLA 11. Comparativa de las tecnologías de producción convencionales[ ref 17]

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TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN EMERGENTES

La producción de hidrógeno a partir de los métodos convencionales es relativamente cara. Es una tecnología bien establecida para aplicaciones estacionarias, pero para aplicaciones móviles se han de solucionar las limitaciones técnicas que poseen (tamaño y tiempos de arranque/parada fundamentalmente). Por ello, los investigadores han tratado de buscar nuevas soluciones para que el uso de la tecnología de pilas de combustible pueda extenderse en el campo de las aplicaciones móviles.

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Se podría conseguir un importante avance considerando el desarrollo que está experimentando la tecnología de membranas. Así, científicos del Argonne National Laboratory y Amoco trabajan con tecnología de membranas cerámicas (oxido de estronciohierro-cobalto), de bajo coste, que permiten separar oxígeno puro del aire. Con tan sólo alimentar los procesos de oxidación parcial y reformado autotérmico con este oxígeno, se estima que los costes de producción de hidrógeno se reducirían en un 30%. Con todo esto, métodos novedosos de reformado, son los siguientes: e. Reformado a presión oscilante (PSR) Un nuevo método de producción de hidrógeno a partir de hidrocarburos ha sido desarrollado por los investigadores de “ExxonMobil Research and Engineering Company”. En la patente Pressure swing reforming for fuel cell systems (Mayo 2007) describen el proceso. El proceso se desarrolla en dos pasos. En primer lugar, se introduce la alimentación de hidrocarburo, junto con una corriente de vapor y CO2, en el reactor que contiene el catalizador. En el reactor la presión es elevada y la temperatura durante el proceso va desde los 700ºC hasta los 2000ºC. De este primer reactor se obtiene la corriente de gas de síntesis. Este gas de síntesis pasa a una segunda zona donde se enfría hasta alcanzar una temperatura cercana a la temperatura de entrada de la alimentación. Esto se logra mediante la transferencia de calor al material de empaquetado en la zona de recuperación. El calor necesario para llevar a cabo el reformado del hidrocarburo en la primera zona proviene del calor que almacena el material de empaque de la zona de recuperación, y además se quema una fracción de fuel cerca de la interfase de las dos zonas, lo que produce un gas caliente que viaja hasta la primera zona, recalentándola hasta la temperatura suficiente como para que se dé el reformado. La segunda parte del reformado se lleva a cabo a baja presión. Este método de reformado produce un gas de síntesis rico en hidrógeno a elevada presión que puede ser usado en las pilas de combustible. Es un método muy eficiente y además el sistema es compacto. f.

Reformado por plasma

Es un proceso desarrollado recientemente. Emplea un arco eléctrico para generar las elevadas temperaturas necesarias para reformar el gas. Las altas temperaturas alcanzadas evitan el uso de catalizadores. En el proyecto “A Plasma-Based Multi-Fuel Reformer” de la empresa Lynntech, Inc ha desarrollado para la Fuerza Aérea estadounidense un reformador por plasma que utiliza como alimentación JP-8. La corriente saliente contiene entre un 80-90% de hidrógeno, lo que aumenta la eficiencia y reduce el esfuerzo necesario para purificar el hidrógeno que ha de entrar en la pila PEMFC. Además, propone la reutilización de la energía de los residuos de carbono, aumentando así la eficiencia. g. Descomposición termocatalítica El desarrollo de pequeños reformadores de fuel basados en la descomposición catalítica de los hidrocarburos es un área de investigación de creciente interés. Se basa en la descomposición de los hidrocarburos por craking o pirólisis, en atmósfera libre de aire y agua (JP-8 catalytic cracking for compact fuel processors).

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 Pilas de combustible de conversión directa En este sub-apartado se trata de ver cuales de los tipos de pilas existentes que se podrían usar con una alimentación directa de hidrocarburos. La mayoría de las pilas de combustible se alimentan con hidrógeno, sin embargo se abre una nueva vía de investigación que trata de ver las posibilidades que habría de operar directamente con hidrocarburos, llevando a cabo un reformado interno del mismo. Esta tecnología es muy reciente, y su investigación y desarrollo va retrasada en el tiempo en un intervalo aproximado de tres o cuatro años, respecto a las que operan directamente con hidrógeno. 

SOFC

Actualmente se llega a la conclusión que la pila SOFC es la mejor tecnología para reformar el hidrocarburo internamente. Es de suponer que, con el paso del tiempo, también los demás tipos de pilas podrán reformar el hidrocarburo internamente.

Fig. 16. Pila de combustible de óxido sólido de conversión directa de hidrocarburo (SOFC) [ ref 15]

Tendencias El punto de partida de las investigaciones en este campo está en la publicación de S. Park y col, en 2000, Direct oxidation of hydrocarbons in a solid-oxide fuel cell, donde ya apuntaba que las pilas SOFC podían oxidar directamente los hidrocarburos. Estas pilas poseen dos ventajas importantes que las hacen susceptibles de este uso. Por un lado, el CO no actúa como veneno, sino que puede utilizarse como combustible. Por otro, son resistentes al azufre contenido en combustibles como el queroseno. A estas ventajas hay que añadir, que las altas temperaturas a las que operan (600-1000ºC) permitirán el reformado interno, los materiales usados para su fabricación son relativamente baratos, y produce una corriente de vapor a alta temperatura que puede usarse para cogeneración dentro del vehículo. A estas ventajas hay que añadir que, al eliminar el reformador, el peso se reduce. Este es un parámetro favorable para que puedan ser embarcadas en sistemas aéreos. 50

Los primeros logros de reformado interno de hidrocarburos en pilas SOFC se hicieron alimentando la pila con hidrocarburos como el metano o el metanol. En 2002, Barnett, Scott A. y Liu, Jiang, patentaron Direct hydrocarbon fuel cells, una pila de combustible SOFC que opera directamente con hidrocarburos en un amplio rango desde C1 hasta C10: metano, etanos, gas natural, alcoholes, éteres, combustibles aéreos basados en queroseno como el JP-8,… En estudios más recientes, como el publicado por los científicos del Instituto Tecnológico Indio en el artículo Fabrication of a direct hydrocarbon solid oxide fuel cell (SOFC), ya muestran ya que las pilas SOFC pueden operar directamente, sin necesidad de un reformado previo con combustibles tan variados como: diesel, queroseno, biogás, etanol,… Además esta pila permite operar con eficiencias energéticas elevadas, del orden del 60%, lo que unido a la gran variedad de tipos de alimentación que permite, hace que sea la tecnología más prometedora. Su línea de investigación se basa en desarrollar pilas SOFC con los ánodos mejorados. Los estudios convergen en que para que en este tipo de pilas se pueda usar una alimentación directa de hidrocarburo se ha de investigar diferentes materiales para los ánodos. Esta teoría es la que están siguiendo en sus investigaciones los científicos del CEA Grenoble. En el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Japón ensayaron una pila SOFC con un ánodo construido con una aleación de metales y materiales cerámicos NI-SCSZ. La alimentaban directamente con n-dodecano (componente típico del queroseno). En el articulo Feasibility of ndodecane fuel for solid oxide fuel cell with NI-SCSZ, exponen los resultados. En los laboratorios de la Universidad de Penn, los investigadores trabajan con una pila SOFC alimentada con diferentes gasolinas y diesel. El punto conflictivo de esta tecnología está en que las elevadas temperaturas a las que operan suponen barreras tecnológicas, a la vez que reducen la duración de estas pilas. La generación de hidrógeno y la deposición de carbón en el ánodo de una pila SOFC alimentada con hidrocarburos es dependiente de la temperatura, por lo que será necesario estudiar para cada tipo de hidrocarburo, el rango de temperaturas óptimo para operar. 

OTRO TIPO DE PILAS

Se han detectado esbozos de aplicaciones de otro tipo de pilas con alimentación directa de hidrocarburos. En primer lugar, se habla de las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC). Las temperaturas de operación en torno a los 600ºC es adecuada para el reformado interno de gases como el metano. En la publicación “Power generation and energy usage in a pressurized Mars Rover” mencionan la posibilidad de usar estas pilas alimentadas por hidrocarburos directamente. Las pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC) las mencionan en el articulo “Performance Improvements for Liquid-Hydrocarbon-Fueled PEM Fuel Cell Systems” de Elizabeth De Lucia y Paul George de Battelle. La compañía japonesa Idemitsu Kosan Co. Ltd., junto a Ishikawajima-Harima Heavy Industries (IHI) ha desarrollado recientemente una unidad PEMFC alimentada con queroseno.

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4.1.3.2. PILAS "PEM" DE ALTA TEMPERATURA Este estudio fue realizado a petición de la empresa Compañía Española de Sistemas Aeronáuticos (CESA). En él se pretende dar al lector una visión general de cuáles son las líneas de investigación básicas en las que se está trabajando en pilas PEM de alta temperatura, es decir aquellas que trabajan por encima de los 90 ºC y, típicamente, por debajo de 200ºC. Trabajar en este rango de temperaturas ofrece varias ventajas, tal y como se comentó anteriormente y, debido a ello, hay una gran cantidad de investigación en torno a esta tecnología. Como bien se ha tratado anteriormente, existen diferentes tecnologías de pilas de combustible ya en el mercado. De ellas las que parecen más aptas para el uso en transporte son las denominadas de intercambio protónico (PEM de sus siglas en inglés) debido a su alta densidad de potencia y a que su reducida temperatura de trabajo (