pilas de combustible en el sector...
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PILAS DE COMBUSTIBLE EN EL
SECTOR AERONÁUTICO
Realizado por : Ana Isabel Castro Romero
Sevilla, Junio 2014
Tutor: Felipe Rosa Iglesias
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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
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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
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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.
Ese mismo año Harry Karl Ihrig, ingeniero
de la fábrica estadounidense de equipos agrícolas
Allis-Chalmers, construyó el primer tractor
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]
Fig 2.Ilustración cortesía de Royal Society,
Museo Nacional de Historia Natural.
Diagrama de la celda de combustible
de William Robert Grove
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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
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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
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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.
15
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
16
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 zinc-
aire. 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]
19
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).
20
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:
MJ/kg MJ/m3
Hidrógeno 120 1.08
Gas natural 50 39.77
Metanol 20 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
21
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”.
22
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.
23
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.
24
Fig.9 . Diversas formas de almacenamiento de hidrógeno [Ref 13]
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]
25
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
26
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
27
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.
28
TABLA 6. Características técnicas de las pilas de combustible tipo PEM y SOFC [ ref. 10]
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
Pilas Combustible Aplicaciones
PEM Tecnologías móviles, transporte, vehículos espaciales, aplicaciones
militares, sistemas de almacenamiento de energía o instalaciones
estacionarias.
SOFC 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.
Piles
combustible
Tª de
trabajo
(⁰ C)
Tiempo de
encendido
(h)
Densidad de
potencia
-2
(mWcm )
Eficiencia
Eléctrica(%)
Combustibles
P (kW)
Intolerancia
frente al
combustible
reformado
PEM
60-100
<0.1
420
45-60%
Hidrogeno
puro y
reformado
1-10kW
CO=>↓η
SOFC
800-1000
-
120
50-65%
(70%
Trabajando
con turbina)
Hidrógeno, gas
metano y
natural, CO
Más de
100kW
No hace
falta
reformar el
combustible
29
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) 30-50 minutos (Relativamente
altos)
Temperatura de Operación Aproa 60-80 ºC Aproa 800-1000 ºC
Eficiencia Más del 40% Más del 60%
Fuel Queroseno Queroseno
Procesado del fuel No contaminación residual Contaminación residual tolerable
Monóxido de Carbono CO debe ser eliminado Menos susceptible al CO
Sulfuros Sulfuros deben ser eliminados Menos susceptible a los sulfuros
Densidad de potencia < 1Kg/Kw < 1Kg/Kw
Nivel de desarrollo Pendiente en concepto de
sistema
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.
30
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.
31
- 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.
32
- 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
33
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.
34
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.
35
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.
36
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.
37
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 anti-
hielo, arranque de motores, tren de aterrizaje, sistemas de cabina y tren de aterrizaje.
38
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
potencia-
KW
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.
39
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.
40
4.- PILAS DE COMBUSTIBLE EN EL SECTOR
AERONÁUTICO/AEROESPACIAL
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
41
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]
42
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.
43
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.
44
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 H
2O 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
45
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:
CnH
m + n H
2O n CO + (m/2+n) H
2 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 CO
2 + H
2 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.
46
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:
CnH
m + n/2 O
2 ↔ n CO + m/2 H
2 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.
CnH
m + n/2 O
2 ↔ n CO + m/2 H
2 Exotérmica
CnH
m + n H
2O ↔ n CO + (m/2+n) H
2 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
47
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.
CnH
m + H
2O+ n/2 O
2 ↔ n CO + m/2 H
2
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
48
(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]
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.
49
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 estroncio-
hierro-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).
50
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.
51
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 n-
dodecane 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.
52
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 (<80ºC) facilita un rápido
encendido y una buena capacidad de respuesta a los cambios de solicitación.
Además los materiales que la componen le confieren unas características mecánicas que la
hacen apta para soportar vibraciones e impactos.
El límite de 80ºC de temperatura del que se habla habitualmente al referirse a pilas PEM viene
impuesto por el material de membrana que se usa actualmente, el Nafion® de Dupont. Ésta es la
membrana que está dando las mejores prestaciones, se ha impuesto sobre el resto, y se usa en
prácticamente la totalidad de las pilas tipo PEM. Pero este material presenta el problema de que
a partir de los 80ºC el agua, imprescindible para permitir la conductividad de protones a través
de la membrana, empieza a desaparecer de la membrana ya que pasa a fase gaseosa y la
estructura del Nafion se empieza a degradar, con lo que se observan pérdidas significativas en el
rendimiento de la pila. Otra desventaja del Nafion es que se trata de un material caro.
Por otro lado se ha comprobado que un aumento en la temperatura de trabajo de la pila
mejoraría varios de los procesos que ocurren en su interior. Algunas de las mejoras que se
lograrían son:
- � Aumento de la tolerancia a la entrada de CO en la pila. La presencia de CO en el
caudal de hidrógeno entrante a la pila inhabilita el catalizador (normalmente partículas
de platino, Pt, o aleaciones del mismo), ya que se asocia a éste evitando que pueda
interactuar libremente con el H2 para llevar a cabo su disociación en protones y
electrones. Este aspecto es muy importante en hidrógenos provenientes de reformado
(tratado en el apartado anterior, ("Tecnologías de producción de hidrógeno a partir del
reformado de queroseno para aplicaciones aeronáuticas y espaciales"), y por tanto
permitiría aprovechar combustibles que puedan estar disponibles a bordo de un avión
para obtener el H2 necesario para el funcionamiento de la pila.
- � Se simplifica la gestión del agua y del calor. Al hallarse el agua en fase gaseosa hay
garantía de que no se bloquearán los poros del catalizador, ni los canales de las placas
bipolares (las que limitan cada celda), ni los canales de evacuación del agua en el
sistema de gestión externo a la pila.
- � Se aumenta la cinética de las reacciones. Con lo que mejora la velocidad de las
reacciones que transcurren en la pila.
- � Posibilidades de cogeneración. El calor sobrante se puede aprovechar para otras
necesidades de calor o refrigeración próximas al lugar de uso de la pila.
- � Disminución de coste de material. La búsqueda de nuevos materiales que cumplan
con estas especificaciones de temperatura abre la esperanza a la posibilidad de encontrar
materiales con buenas prestaciones en el rango de temperaturas de -20 a 200ºC y
desligar esta tecnología del uso de un material con un coste tan elevado como el Nafion.
- � Reducción de la cantidad de electrocatalizador. El aumento de temperatura de
operación mejora las cinéticas de oxidación y reducción de la pila de combustible, lo
53
que permite la reducción de la cantidad de platino utilizado, e incluso su sustitución
(parcial o total) por otros metales de menor coste: rutenio, níquel, etc.
- � Utilización alternativa de otros combustibles. La mejora de las cinéticas de
reacción abre la posibilidad al empleo de otros combustibles de oxidación más lenta
como es el caso del metanol.
Por tanto, podemos concluir que debido a estas razones se ha detectado un aumento creciente de
la investigación en pilas de combustible PEM de altas temperaturas.
4.2) PILAS DE COMBUSTIBLE COMO NUEVOS GENERADORES DE ENERGÍA
EN LOS AVIONES. En este apartado se describirán de forma más detallada algunos de los proyectos
mencionando en el apartado anterior, aquellos que se realizan en la línea MEA. ("More
Electrical Aircraft").
El paso hacia el avión totalmente eléctrico “All-electric aircraft” se debe ir haciendo
gradualmente. Se pretende sustituir todos los sistemas neumáticos e hidráulicos del avión por
sistemas eléctricos. El primer estudio de la aplicación de las pilas de combustible se ha hecho
para los sistemas auxiliares de potencia (APU – Auxiliary Power Units) para terminar
sustituyendo el sistema principal de propulsión del avión. Es decir, la intención es hacer una
sustitución gradual de todas las fuentes de alimentación del avión por pilas de combustible. Para
aviones pequeños esto ya se ha logrado. En los UAVs las pilas de combustible pueden
proporcionar suficiente energía. Además pueden ser una solución barata y eficaz para los
satélites.
Está claro que la mejor alternativa es sustituir las APUs por pilas de combustible, pero
hay que considerar diversos aspectos tecnológicos y económicos. Por ejemplo, el reformado a
bordo aumenta la complejidad del sistema, es necesaria una eliminación más eficiente de los
sulfuros que contienen el fuel, lo que aumenta el coste de la pila. Otros obstáculos a los que se
tiene que enfrentar la tecnología es la necesidad de reducir el tamaño y el peso.
4.2.1. APU/RAT con celdas de combustible.
En primer lugar recordemos los conceptos de APU y RAT.
Un sistema auxiliar de potencia (APU) es un generador eléctrico autónomo, situado
generalmente en la cola de los aviones comerciales modernos, que se emplea para arrancar los
motores y proporcionar energía eléctrica y aire comprimido mientras el avión está en tierra y
opcionalmente en vuelo. Se alimenta con fuel de aviación y produce ruido y emisiones similares
a las de los motores principales del avión. También los transbordadores espaciales poseen
unidades APU, que funcionan solo durante el ascenso y la reentrada en la atmósfera y el
aterrizaje. Proporcionan fuerza hidráulica para controlar los motores de los cohetes y las
superficies de vuelo. Durante el aterrizaje controlan los frenos.
Una turbina de aire de impacto (término abreviado a veces con las siglas «RAT»,
del inglés Ram Air Turbine) es una pequeña turbina conectada a una bomba hidráulica o
un generador eléctrico, instalado en una aeronave para generar electricidad. Las turbinas de aire
de impacto generan electricidad al girar las aspas por el flujo de aire producido por la propia
54
velocidad de la aeronave. Los aviones modernos sólo utilizan turbinas de aire de impacto en
caso de emergencia: en caso de haber perdido los sistemas primarios y auxiliares. La turbina de
aire de impacto puede mantener sólo sistemas vitales (controles de vuelo y sus correspondientes
accionadores hidráulicos e instrumentación de vuelo crítica).
En condiciones normales la turbina de aire de impacto está recogida dentro del fuselaje del
aparato, desplegándose en caso de pérdida total de energía. En principio unas baterías alimentan
el avión durante el tiempo que transcurre entre la pérdida de energía y el funcionamiento del
esta turbina auxiliar.
Las RAT se usan comúnmente en aviación militar ya que estos aparatos deben sobrevivir en
caso de pérdida total de energía. La mayoría de aviones comerciales modernos están equipos
con turbina de aire de impacto, siendo el Vickers VC-10 uno de los primeros en usarlas.
El Airbus A380 tiene la turbina de aire de impacto con las hélices más grandes, alcanzando los
1,63 metros de diámetro, si bien la mayoría de modelos usan hélices alrededor de 80 cm de
diámetro. Una turbina de aire de impacto media produce entre 5 y 70 Kw de potencia.
Según una evaluación de Boeing y Cessna Aircraft Company se establecen una serie de
requerimientos a una APU basada en un sistema de pilas de combustible para poder sustituir
las convencionales baterías y generadores de emergencia. Estos son los siguientes:
- Tiempo de arranque: menos de 120 segundos
- Salida eléctrica: 115 kVA, 110 kVA en 41.000 pies de altitud
- La capacidad de sobrecarga eléctrica: 155 kVA durante 5 minutos 218 kVA durante 5
segundos hasta 35.000 pies de altitud.
- Sistema auto-controlado por su propio controlador electrónico.
- El sistema tiene que ser iniciado desde sistema a/c eléctrico (baterías incluidas).
- El sistema debe ser capaz de ofrecer el rendimiento necesario después de un
tiempo de deterioro de 10,000 horas.
- El APU está instalado en un compartimiento a prueba de fuego (soportar aprox. 1.100
° C durante 15 min).
- El consumo específico de combustible está por debajo de 0,4 kg de combustible / kWh
Por otra parte la aeronave debe de contar con una serie de requisitos para poder alojar dicho
sistema APU con pila de combustible:
1.- El procesamiento de combustible a bordo incluye un sistema de desulfuración y reformado
del queroseno.
2.- Requisitos y normas aeronáuticas:
- Bajo peso de instalación / alta densidad de potencia
- La supervisión del sistema y el control del mismo.
- Una alta fiabilidad y robustez del sistema
3.-Condiciones ambientales de funcionamiento:
- La variación de la presión y la temperatura fuera de la aeronave. Por ejemplo, a 41.000
pies 0.18 bar, -57 ° C .
- Cargas de maniobra de aeronaves
4.-Turbomaquinaria es un suplemento óptimo en condiciones ambientales de alta altitud para
sistemas de pila de combustible.
55
5.-Los sistemas híbridos de pila de combustible son más pequeños, más ligeros y tienen una
mejor respuesta dinámica en comparación a los sistemas de pilas de combustible no híbridos.
6.- Los sistemas híbridos de pila de combustible tienen una alta densidad de energía y ofrecen
una mejor eficiencia de combustible que los sistemas de células de combustible no presurizados.
Las condiciones de operación también influirán en el rendimiento de las pilas de
combustible. La presión ambiente y la temperatura disminuye a medida que incrementamos la
altura. Esto es de considerar ya que en un vuelo de crucero típico a 36000 ft habrá una presión
ambiente de 0.2 bar, y una reducción de temperatura de 70K. Puesto que el voltaje de Nerst
decrece con la temperatura como se vio al principio del documento; también la eficiencia de la
pila se reduce en un 5-6%. Por su parte aumento el flujo de aire requerido para obtener la misma
cantidad de oxígeno que es necesario en el nivel del mar.
Como se mencionó anteriormente, el artículo "Exploring the role of fuel cell electric
power systems for commercial applications", realiza un estudio de la sustitución de los APU y
RAT convencionales por otros basados en pilas PEM. A continuación se detallan algunos de los
aspectos más relevantes llevados a cabo.
Se examinaron varias aplicaciones FC ("Fuel Cell") que implican diferentes arquitecturas de
sistema de potencia basados en pilas de combustible En primer lugar se explicaran los tipos de
aplicación referenciados en la tabla 12:
- La Aplicación 1 ilustra la arquitectura de una celda de combustible convencional con una
modesta eficacia en el almacenamiento de H2 gaseoso (5 %) . Opera estrictamente en el suelo ,
el compresor de aire no contribuye significativamente a la pérdida de eficiencia global . El peso
total del sistema de celda de combustible supera a la de la APU convencional en un 6 % . Como
beneficio principal son las reducciones en emisiones de CO y NOx .
- En la Aplicación 2 , un sistema de energía de emergencia funciona como un reemplazo a la
RAT convencional en vuelo, así que es la elegida para eliminar el compresor por la pre-
compresión gaseosa del O2 a alta presión (por lo menos 1800 psi ) y su almacenamiento en
tanques compuestos . Mejoramos la eficiencia de almacenamiento de H2 a un14 % usando
tanques de composite de fibra de carbono avanzada para minimizar los impactos de peso.
Vemos una reducción general de peso relativa a la RAT convencional de ~ 30 % . El desafío
técnico , en este caso se está desarrollando sobre la fuga de gas a presión en los tanques de
almacenamiento.
- En la Aplicación 3 , se sustituye la APU convencional con un sistema de energía basado en la
celda de combustible que opera en vuelo. Se eligió para eliminar el compresor ( como en la
sustitución RAT ) por la pre - compresión del O2 gaseoso a alta presión y para mejorar la
eficiencia de almacenamiento de H2 en un14 % usando tanques de compuestos de fibra de
carbono avanzados . Vemos una reducción general de peso en relación con la APU
convencional de ~ 10 % . El desafío técnico en este caso es la re-suministro de H2 gaseoso y O2
en régimen de vuelo.
- En la Aplicación 4 , mejoramos la eficiencia de almacenamiento de H2 en un 20% debido al
uso de almacenamiento LH2 (hidrógeno líquido). El uso de LH2 reduce la carga de
refrigeración térmica. Aquí, vemos una reducción sustancial de peso del sistema (~ 25 % ). El
desafío técnico es el reabastecimiento de LH2 en régimen de vuelo .
- En la Aplicación 5 , examinamos la sustitución tanto de la APU convencional y RAT,
empleando el O2 existente para la misión de la RAT , pero se utiliza un reformador para generar
el combustible de H2 de la Jet-A .La eficiencia del sistema se reduce en un 20 %, pero la
56
eficiencia de almacenamiento de H2 (H2 se almacena en el combustible Jet - A y se extrae por
el reformador en tiempo real ) se incrementa a 30 % . Una vez que la celda de combustible
produce agua , se utiliza en el proceso de reforma. Sin embargo , tenemos que llevar un poco de
agua adicional con el fin de iniciar el proceso de reforma . Dado que el proceso del "reformado"
es una tecnología inmadura y que conlleva un sistema pesado (se utilizó una potencia específica
de ~ 0,44 Kw / kg), el peso adicional necesario para generar 250 Kw es sustancial. Esta
arquitectura es la más pesada , con mucho , y probablemente no debería ser implementado
dentro de la aeronave si la mayoría de los vuelos son de corta duración.
- En la Aplicación 6 , se ilustra el impacto de la extracción de O2 del aire ambiente en vuelo (a
través del compresor frente a la alternativa de almacenar O2 gaseoso como en la aplicación 5 )
para una APU basada en un una celda de combustible con reformador . Aquí, vemos un
aumento de peso de 4 % frente al Convencional APU + RAT , pero mejora del 18 % frente a la
arquitectura de la aplicación 5 . Un reto técnico clave sería la separación del CO del H2 que se
suministra a la celda de combustible . Cabe señalar que el uso de un reformador no reduciría el
nivel de las emisiones de CO2 ya que por ser un cambio de dos etapas es necesaria la reacción
con vapor de agua para convertir el CO en CO2 .
- En la Aplicación 7 , se ilustran las ventajas de un sistema de energía basado en la celda de
combustible, a base de H2 puro . Asumimos un almacenamiento LH2 con eficiencia de 70 %.
La alta eficiencia de almacenamiento de LH2 junto con la eficacia de la refrigeración térmica
mejora más que compensa el peso adicional del compresor y su reducción en la eficiencia total
del sistema. Vemos una reducción sustancial de peso del sistema ( ~ 68 %) y la reducción de
emisiones. La desventaja de esta opción es la arquitectura, ya que conlleva un aumento de
volumen debido al sistema de almacenamiento de combustible y la logística de
reabastecimiento de LH2 .
Las opciones de arquitectura se basan sobre cómo el oxidante ( O2 ) se suministra a la
celda de combustible - almacenamiento a bordo (GO2, oxígeno en forma de gas) frente extraída
del aire ambiente, y cómo se almacena H2 - a bordo en tanques de composite de fibra de
carbono ( GH2, hidrógeno en forma gaseosa), en forma líquida (LH2), o como parte de Jet -A
que se reforma (Refmr ) para producir el H2 .
La diferencia entre una APU convencional y otra basado en pilas de combustible se examinan
en términos de procesamiento de combustible y el almacenamiento , y la mejor opción para su
implementación.
Los requisitos clave son los mostrados en la Tabla 13
Como punto de referencia de la APU convencional se muestran valores típicos en la Tabla 14
siguiente. Dicho muestreo se construye a partir de varios sistemas de APU convencionales.
Como una comprobación de validez , observamos que una APU existente, el PW- 301, produce
175 KVA potencia a una potencia específica en tierra de 0,5 KVA / kg y con una potencia
específica basada en la altitud de 0,2KVA / kg.
57
APLICACIÓN TIPO DE
ARQUITECTURA
TIPO DE
APLICACIÓN
APU-Tiempo
Operativo (hr)
Operación de
la aplicación
Comentarios
1 GH2/Aire APU 1 Tierra Bajo costo del almacenamiento de
GH2 y eficiencia másica del 5%
2 GH2/GO2 Reemplazo
RAT
0 Aire Alta eficiencia del GH2,
almacenamiento de G02 y eficiencia
másica del 14% y 50%
respectivamente
3 GH2/GO2 APU 2 Tierra y aire Ventajas del almacenamiento GH2 y
eficiencia másica del 14%. Se elimina
el compresor por el GO2
4 LH2/GO2 APU 2 Tierra y aire Almacenamiento LH2 y eficiencia
másica del 20%. %. Se elimina el
compresor por el GO2
5 Refmr/GO2 APU+
Reemplazo
RAT
2 Tierra y aire El Reformado elimina el re-
abastecimiento de H2 y se elimina el
compresor por el GO2
6 Refmr/Aire APU+ RAT 2 Tierra y aire El Reformado elimina el re-
abastecimiento de H2. Se usa
compresor, y elimina el
almacenamiento de O2.
7 LH2/Aire APU+
Reemplazo
RAT
6 Tierra y aire Gran cantidad de masa de LH2, y
eficiencia másica del 70%. Elimina a
gran escala el almacenamiento de O2.
TABLA 12 . Aplicaciones estudiadas con pilas de combustible. [Ref 19]
REQUERIMIENTOS VALOR UNIDADES
Tiempo de
arranque/inicio
≤4 Seg
Nivel de potencia 250 KVA
Voltaje 230 VAC
TABLA 13 . Requisitos del sistema [Ref 19]
58
PARÁMETRO VALOR UNIDADES
Potencia específica 0.5 KVA/Kg
Densidad de potencia 0.17 KVA/l
Eficiencia 15 %
Emisiones CO 2.74 g/Kg fuel
Emisiones NOX 9.8 g/Kg fuel
TABLA 14 . Valores típicos de APU convencional [Ref 19]
El impacto de peso de una APU de la aeronave puede ser determinada a partir de la siguiente
ecuación:
donde;
- Peso - Peso total de la APU o FC hardware, combustible consumido , y el tanque de
almacenamiento de combustible
- Potencia - potencia neta total de energía - potencia neta instantánea
- Densidad - Potencia del sistema específico
- Eficiencia - Generación de energía La eficiencia del sistema o APU FC
- Energía específ - Energía específica de Jet- combustible o H2
- Stor Eff - eficiencia de almacenamiento de combustible (Jet -A o H2)
La siguiente Tabla 15 muestra los resultados del estudio de comercio, aplicación y arquitectura
.
APLICACIÓN
TIPO DE ARQUITECTURA
TIPO DE APLICACIÓN
APU-
Tiempo Operativo
(hr)
Peso total
estimado (Kg) FC-
APU
Ratio de
peso
FC-APU/Conv
APU+RAT
Reducción
CO (Kg/año)
Reducción
NOx (Kg/año)
Vuelos
por día
1 GH2/Air APU 1 739 1.06 837 2963 6
2 GH2/GO2 RRAT 0 168 0.69 NA NA NA
3 GH2/GO2 APU 2 805 0.90 1674 5926 6
4 LH2/GO2 APU 2 687 0.76 1674 5926 6
5 Refmr/GO2 APU+RAT 2 1397 1.22 1674 5926 6
6 Refmr/Air APU+RAT 2 1160 1.04 1674 5926 6
7 LH2/Air APU+RAT 6 630 0.32 2092 7407 2.5
TABLA 15 . Resultados obtenidos en las aplicaciones anteriores [Ref 19]
peso de fuel peso del sistema
59
Como aspectos más relevantes, la columna 5 muestra el peso total estimado ( en kg ) de
la APU y/o RAT basado en la celda de combustible.
La columna 6 muestra la relación entre el peso de la APU y/o RAT basado en celda de
combustible y la APU y/o RAT Convencional .
Las columnas 7 y 8 muestran las estimaciones en kg de la reducción de CO y NOx por año para
una sola aeronave suponiendo que el tiempo de operación es el de la columna 4, y el número de
vuelos diarios el mostrado la columna 9.
Los resultados de la Tabla 15 indican que el papel de las células de combustible en los
aviones comerciales depende del tiempo de la misión y de la importancia de las emisiones frente
al peso y frente al combustible de reabastecimiento como requerimientos en el diseño del
sistema. Si la reducción en las emisiones es significativa y principal en los requisitos de diseño
, entonces la opción de emplear un sistema APU / RAT basados en FC es el idóneo. Si el peso
total del sistema es el requisito principal , entonces es más idóneo un sistema de extracción de
energía a través de los motores principales a menos que el tiempo de funcionamiento del
sistema de potencia exceda significativamente las 10 horas.
Conclusiones del estudio
El foco central del estudio anterior estaba en el impacto de peso global del sistema de
pila de combustible en la aeronave, teniendo en cuenta tanto el hardware como contribuciones
de los combustibles. Por supuesto , también de suma importancia para la viabilidad del sistema
de células de combustible para estas aplicaciones son el costo del ciclo de vida
y fiabilidad , que no se explora anteriormente.
El sistema basado en células de combustible , en general se encontró que era
aproximadamente un 70 % del peso de los sistemas RAT convencionales . Dado que el uso no
es muy frecuente, los problemas logísticos derivados del suministro de hidrógeno y oxígeno
reactivos al sistema probablemente será más manejable por las compañías aéreas que en algunos
otros casos investigados , lo que requeriría una alternativa mucho más compleja impulsando
infraestructuras. En última instancia , la determinación de la viabilidad de los sistemas de pilas
de combustible como reemplazos del sistema RAT requerirá un análisis del coste del ciclo de
vida de estos sistemas , así como su fiabilidad .
Para los escenarios que desean sustituir suministro de energía en tierra a través de la
APU con los sistemas de células de combustible , los hallazgos son menos convincentes. El
análisis se centró en los sistemas en el suministro d hidrógeno , viendo una desventaja
significativa de peso impuesta por un reformador jet- combustible en el vehículo . Aun así , los
resultados no muestran un incremento de peso considerable desde la perspectiva de peso relativa
a la tecnología APU convencional. Algo más que complica la viabilidad de esta aplicación es la
necesidad de una infraestructura de combustible alternativo en los aeropuertos , y los problemas
asociados a la logística multi-combustible.
Para los escenarios que buscan beneficio de los sistemas de pila de combustible para producir
energía eléctrica durante el vuelo, los resultados son negativos. En el mejor de los casos ,
considerando el combustible de hidrógeno líquido a bordo, el sistema basado en la pila de
combustible sólo comienza a ser atractivo para los vuelos de más de 6 horas de duración, como
si la generación de energía mediante generadores en los motores es suficientemente eficiente.
Esta arquitectura puede , sin embargo , ser muy adecuada para aplicaciones de aviación
militares o científicos que buscan rendimiento larga resistencia , donde los problemas de
infraestructura para la alimentación de combustible pueden ser más fácilmente abordados.
60
4.2.2. Tendencia Boeing. MEA
Boeing apuesta por un futuro en el desarrollo de pilas de combustible y el sistema de
alimentación de energía en el avión debido a los posibles beneficios de esta arquitectura,
buscando un avión más eléctrico en el futuro(MEA). Estos beneficios incluyen: reducción del
ruido y las emisiones, reducción en el sistema de potencia, reducida extracción de la potencia
del motor, la sustitución de los sistemas de poco uso con sistemas de seguros y útiles, el
aumento de la flexibilidad y la utilidad del sistema de potencia, nuevos escenarios operacionales
donde se requieren sistemas de potencia que mejoren la seguridad, mejoren la gestión de carga ,
y ofrezcan el potencial para una mayor fiabilidad, facilidad de mantenimiento y reducción del
coste del ciclo de vida.
Viendo el papel que juega el sistema de potencia, cada vez más importante, el desarrollo de la
tecnología de células de combustible podría ser crucial para el futuro progreso de las
capacidades de aviones comerciales como así en otros vehículos aéreos que pueden beneficiarse
de la arquitectura "más eléctrico" (UAV, etc)
Hay dos cambios primarios en el 787 que mejoran su eficiencia: el cambio de un avión de
aluminio, por uno con mayor cantidad de composite, y por otro lado el desarrollo de un motor
eficiente sin sangrado.
Con el cambio a los motores sin sangrado, la energía eléctrica sustituye al sangrado (energía
neumática) para suministrar energía a casi todos los sistemas (incluyendo el arranque del motor,
el sistema de control ambiental (ECS), el sistema de presurización e incluso algunos de la
actuación).
Las únicas excepciones son la mayoría de los controles de vuelo y el tren de aterrizaje que se
mantuvo hidráulico y también una pequeña cantidad de sangrado de los motores que se utilizan
para eliminar la capa de hielo.
A modo de resumen se muestran tales cambios en la siguiente tabla:
FUENTE DE POTENCIA Sistema con sangrado Sistema sin sangrado-MEA
Eléctrica -Luces de cabina
-Aviónica
-Bombas de combustible,
Etc
-Arranque de motores,
- Anti-hielo,
- ECS y presurización.
-Luces de cabina
-Aviónica
-Bombas de combustible
-Frenos
-Controles de vuelo,
Etc
Hidráulica -Frenos
- Controles de vuelo
- Tren de aterrizaje
Etc
-Controles de vuelo
-Tren de aterrizaje
Neumática - Arranque de motores
-Anti-hielo
-Presurización y ECS
- Capa de hielo (des-hielo)
TABLA 16. Cambios sistema convencional vs MEA [Ref 20]
En el concepto de MEA, se plantea tener prácticamente un tipo de sistema distribuido a través
del avión en lugar de múltiples sistemas, lo que hace más fácil la posible introducción de nuevos
subsistemas en varios puntos del sistema global. Esto es posible si el sistema utiliza una
arquitectura abierta que es fácilmente capaz de aceptar nuevos componentes o subsistemas
como son los supercondensadores, nueva tecnología de baterías o pilas de combustible.
61
Fig. 17 Ejemplo de integración de una tecnología avanzada de potencia eléctrica en una arquitectura
MEA. [Ref 20]
La capacidad de integrar nuevas fuentes de potencia eléctrica y nuevas formas de
almacenamiento de energía eléctrica en cualquier ubicación de la estructura, hace que este
sistema proporcione un nuevo nivel de flexibilidad que no estaba disponible anteriormente.
La adición de un nuevo Sub - sistema eléctrico implica la conexión al sistema de control y
alimentación del alimentador de alambre a través de un contactor .
Alternativamente, un cambio o una adición al sistema neumático implicaría la adición de tubos
de alta temperatura y válvulas y probablemente conllevará una significativa re- configuración de
la aeronave y , potencialmente, incluso la modificación de algunos de los principales
componentes estructurales.
El cambio en un sistema hidráulico sería también un impacto en la configuración del avión, lo
que lo haría un cambio o adición de un nuevo sub- sistema eléctrico del avión .
Por lo tanto , el MEA proporciona más flexibilidad que otras arquitecturas en virtud de su
naturaleza distribuida y abierta y también por el hecho de que es eléctrica .
Otra ventaja de la naturaleza distribuida de la MEA es que los componentes y subsistemas
pueden ser potencialmente ubicados en áreas no tradicionales de la aeronave. Esto ofrece
ventajas potenciales en el mantenimiento de un sistema si este está situado ahora en un área que
puede ser más fácilmente accesible .
" Más eléctrico " es una creciente tendencia de la industria y la tecnología de la energía eléctrica
está mejorando constantemente . Muchas de estas mejoras también están siendo impulsados por
otras industrias distintas de la industria aeroespacial . Por ejemplo , las industrias de
automoción en la línea de vehículos híbridos han impulsado mejoras en la tecnología de motor y
generador , así como los semiconductores de potencia tales como carburo de silicio que operan a
temperaturas más altas y la eficiencia . Estos avances en la energía eléctrica se pueden también
trasladar a la industria aeroespacial , donde estas tecnologías avanzadas se pueden utilizar para
mejorar la MEA .
La investigación inicial de Boeing Commercial Airplane fue una APU de pila de combustible
basado en una Tecnología híbrida SOFC porque proporcionó la mayor eficiencia y fue capaz de
utilizar el Jet A como combustible. Este estudio mostró que esa célula de combustible híbrida
SOFC de 440 Kw encajaría en el espacio reservado para una APU tradicional como se muestra
en la figura
62
Fig.18. APU basada en una SOFC [Ref 20]
La APU de pila de combustible ( FCAPU ) sería probablemente una buena opción ,
proporcionando una mejor eficiencia y reducción de ruido y las emisiones de un futuro avión "
MEA . "
Boeing también ha considerado otra aplicación de la tecnología de pila de combustible de más
corto plazo , como es el caso de una PEM aplicable para sistemas como la turbina Ram Air
( RAT ),ya que se utiliza solamente para propósitos de emergencia y no requeriría una
infraestructura muy desarrollada para el almacenamiento y producción de hidrógeno debido a la
poca frecuencia de recarga de combustible .
También otras cuestiones en el desarrollo de células de combustible , son estudiar cómo es el
almacenamiento de hidrógeno , la reforma del combustible y de- sulfatación , peso, volumen ,
temperatura de operación , etc.
4.2.3. Concepto de Airbus. Multifunctional fuel cells.
Airbus se ha asociado con el Centro Aeroespacial Alemán DLR y Parker Aerospace para
estudiar el uso de una " célula de combustible multifuncional " del sistema ( MFFC ) en los
aviones para reemplazar las unidades de potencia auxiliar a base de turbina de gas de hoy. El
sistema puede proporcionar un estimado de 100 Kw de electricidad , que actúa como una fuente
independiente capaz de proporcionar energía a lo largo de un avión.
El posicionamiento de la célula de combustible multifuncional se prevé en la bodega del
avión, mientras que los tanques de hidrógeno líquido, intercambiadores de calor y los
ventiladores del sistema se encuentra en la sección del cono de cola.
Fig.19 Sistema MFFC [Ref 21]
63
En cuanto al suministro de Hidrógeno, de este aspecto se ocupa el ATA 85. Se prevé la
instalación de un tanque de hidrógeno líquido en el cono de cola, como muestra la siguiente
imagen. El por qué emplear hidrógeno líquido atiende a razones de peso y volumen. Como se
comentó en el apartado referente al hidrógeno como combustible, su forma de almacenamiento
líquida presenta mejores característica para esta aplicación. (mayor cantidad de energía
aportada, menos peso, seguridad, pureza…)
Fig.20 Ubicación del tanque de hidrógeno líquido en el avión [Ref 21]
A continuación se detallan varios aspectos que se han estudiado en este nuevo sistema
MFFC:
Generación de energía
Los sistemas de células de combustible pueden alcanzar el 50 % de eficiencia eléctrica y es
ventajoso poder reemplazar los sistemas de potencia tradicionales. De hecho , una de las
principales deficiencias de los sistemas de potencia convencionales es que a menudo funcionan
de manera ineficiente (a veces consumen demasiada energía ) . Como ejemplo , la unidad de
potencia auxiliar convencional (APU ) tiene una baja eficiencia de sólo el 20 % e incluso
inferior en condiciones de carga parcial .
Otro sistema que no es muy eficiente hoy en día en aeronaves civiles es un sistema de energía
de emergencia, la Turbina Ram Air ( RAT ) , que genera electricidad a partir de la corriente de
aire ( esencialmente la RAT es una hélice ) . En caso de que todos los motores principales fallen
(que es un caso muy raro) el sistema hidráulico y el sistema eléctrico de la aeronave se pierden.
Durante crucero, la energía eléctrica es proporcionada por los generadores de los motores
principales. La eficiencia de este suministro de energía es bastante alta alrededor de 30 - 40 % .
El objetivo principal de los sistemas de pilas de combustible en los aviones es evitar fases
de operación ineficientes en las aeronaves. Respecto a esto , se prevé eliminar APU y RAT
convencional . Un importante hito en los esfuerzos de desarrollo han sido las primeras pruebas
de una pila de combustible de una aeronave civil. En 2008, Airbus, DLR y Michelin realizaron
evaluaciones en vuelo de un sistema de energía de emergencia de pila de combustible en un
banco de pruebas A320. La primera pila de combustible se instaló en una plataforma de carga y
produjo unos 25 Kw de potencia eléctrica – haciendo funcionar la bomba de motor eléctrico
respaldando el circuito hidráulico de la aeronave, y controlando spoilers, alerones y el actuador
del elevador. El sistema de pila de combustible ha demostrado un comportamiento robusto en
todos los test hasta el momento.
Además de ser fuente de alimentación, los sistemas de pilas de combustible también pueden
ofrecer nuevas funciones y productos como el agua y un poco oxígeno que contiene el aire de
escape para la inertización del depósito de combustible en los aviones. Otra función puede ser el
uso del calor de las pilas de combustible para el sistema anti-hielo. La Figura 21 muestra
esquemáticamente las funciones que un sistema multifuncional de células de combustible puede
ser capaz de satisfacer.
64
Fig 21. Esquema de funcionamiento del sistema MFFC [Ref 21]
Generación de agua y gas inerte
El sistema de pila de combustible puede entregar 0,5-0,6 litros de agua por energía eléctrica
kWh , lo que significa que para 100 Kw de energía de pila de combustible (apropiado para
aeronaves de gran tamaño) se generan 50 litros de agua por hora. Esto puede ser usado para
aseos y aire acondicionado. De este modo se reduce la cantidad de agua cargada a bordo de la
aeronave. Por lo tanto la generación de agua por la célula de combustible ayudará a reducir el
depósito de agua de la aeronave.
Muy innovadora es el uso de la pila de combustible que deja escapar el aire agotado. Prueba de
diversos sistemas de células de combustible han mostrado sólo un 10% de contenido de oxígeno
en los gases de escape. Estos contenidos bajos de oxígeno son utilizados en el tanque de
queroseno para retrasar el fuego y suprimir o prevenir posibles explosiones.
Pruebas en laboratorio
Diferentes entornos de prueba se han establecido para comprobar este sistema de células de
combustible en aeronaves.
Una prueba específica es la prueba de funcionamiento a baja presión hasta 200 mbar , que
corresponde a una la altura de vuelo de 12 000 metros (39 000 pies ) (figura 22 ) .
Fig. 22. Ejemplo de la dependencia de la presión de un sistema de 300 W PEFC en la presión
rango de 950 a 200 mbar . [Ref 22]
65
Incluso el sistema final de pila de combustible será operado con aire de la cabina , y tal
caracterizaciones son de vital importancia para las evaluaciones del sistema.
Otros resultados de las pruebas que también son importantes, incluyen diferentes
orientaciones , comportamiento de carga vibracional , fenómenos electromagnéticos,
compatibilidad y análisis de aguas ; todo esto permitirá diseñar un sistema de distribución
óptimo en condiciones de crucero.
Otra prueba específica es la diferente orientación( inclinaciones ) de los sistemas para identificar
ángulos adversos . Un ejemplo se da en la figura 6 donde el sistema muestra una disminución
de la tensión de las células en un ángulo de 30 ° (Condiciones de funcionamiento adverso ) .
Esta inestabilidad se debe a la gestión del agua en el sistema . Con un cambio en la
configuración del sistema (orientación), este problema se puede evitar efectivamente .
Fig 23. a) : la foto de una prueba de puesta a punto para el análisis del comportamiento de baja presión
del sistema PEFC .( b ) : ejemplo de la dependencia de la presión de un sistema de 300 W PEFC en el
rango de 950 a 200 mbar . [Ref 22]
4.3) EJEMPLOS DE AVIONETAS Y UAVs PROPULSADOS ELÉCTRICAMENTE.
Al igual que en la línea MEA, se detallan a continuación proyectos realizados sobre
aviones totalmente eléctricos (AEA).
En los últimos años, el rendimiento de las unidades eléctricas y las fuentes de energía se
ha incrementado hasta el punto de que tienen ahora que ser viables como sistemas de propulsión
para aviones. Aunque es poco probable que sea aplicable a los aviones de pasajeros comerciales
en el futuro previsible, si lo está siendo en una serie de aviones más pequeños .
A continuación se consideran una serie de ejemplos de aeronaves que utilizan la
propulsión eléctrica y se muestran sus características.
66
4.3.1. Reseña histórica.
En 1996 , un pequeño equipo de la Universidad de Cranfield ,Shrivenham Campus ,
desarrolló y voló un avión de una sola plaza ultraligero y con propulsión eléctrica; se piensa
que este es el primer vuelo registrado en Europa de un avión pilotado con este tipo de sistema
de propulsión. El sistema de propulsión fue diseñado para ofrecer 12 Kw durante 4 minutos, que
haría permitir a la aeronave a subir a unos 600 m , y deslizarse en tierra con la potencia
disponible para una maniobra de más de 1 minuto. La aeronave denominada “micro-light”
utilizó un sistema de propulsión muy básico de tipo conmutador , con un motor de corriente
continua (c.c.) y controlado por un sencillo chopper c.c. , y con tracción a las hélices de 3 palas
a través de un reductor de velocidad 2:1. El peso total del sistema eléctrico de accionamiento
( banco de baterías , interruptor , cables , motor y reductor de velocidad ) era 98 kg y esto puede
ser comparado con un motor de combustión interna convencional de 20 Kw ( motor , caja de
cambios , tanque de combustible con 1 litro de combustible ), que pesaba 35 kg .Claramente ,
con un peso 3 veces el de un sistema de propulsión convencional , el rendimiento de “micro –
light” era muy limitado, pero ello hizo demostrar la viabilidad de una nueva forma de
propulsión, la propulsión eléctrica para aviones dirigidos. Sin embargo , también hay que
señalar que el sistema de accionamiento eléctrico utilizado fue montado a partir componentes
estándar adquiridos con un costo mínimo y en ningún momento se pensó en minimizar pesos;
por ejemplo , las células de la batería todos tenían cajas metálicas individuales resultando un
peso muy alto que se habría reducido considerablemente si se hubiese integrados en un paquete
no metálico .
Desde 1996, con el aumento de la preocupación por un vehículo eléctrico, las emisiones y
el calentamiento global , la propulsión eléctrica de aeronaves ha causado cada vez más atención
y ha sido objeto de una serie de importantes estudios , tanto en Europa como en los EE.UU. .
Dos de estos estudios han sido llevado a cabo en la Universidad de Cranfield y en la NASA los
cuales han trabajado en la viabilidad de los sistemas de celda de combustible para aviones del
tamaño de un Boeing 737 . Sin embargo , ambos han llegado a la conclusión de que las células
de combustible son todavía demasiado grandes y pesadas para este tipo de aplicación , y hay
graves problemas relacionados con la generación / almacenamiento del combustible de
hidrógeno. NASA se centra ahora un sistema de potencia basado en pilas de combustible y de
hidrógeno líquido para aviones con motores criogénicos incrustados en el ala. Sin embargo, y
claramente, pasarán algunos años antes de que tal sistema puede ser considerado para su
explotación en aviones comerciales. En la UE el quinto programa marco denominado “Análisis
de Sistemas de Hidrógeno líquido como combustible para aeronaves”, o también conocido
como Cryoplane , muestra como objetivo evaluar las soluciones prácticas a la introducción de
aviones impulsados por hidrógeno en todos los sectores y regiones . En este programa, los
modelos informáticos simulan los sistemas de combustible y los sistemas de propulsión de
aeronaves, y todo ello fue evaluado. El programa ha sido continuado en un sexto programa
marco.
Aunque , en la actualidad , las células de combustible son poco prácticas para aviones ,con
el creciente avance en componentes que tienen mucho más rendimiento , continúan siendo de
interés en vehículos aéreos no tripulado ( UAV ) y también para los aviones pequeños tipo de
ocio, algunos de los cuales están ahora en fase de desarrollo .
67
4.3.2. Requerimientos para la propulsión
Los dos requisitos principales para los sistemas de propulsión de aeronaves son que posean un
peso ligero y una alta fiabilidad. Alta fiabilidad es claramente de importancia desde el punto
de vista que un fallo en propulsión , especialmente durante el despegue, pueden tener
consecuencias catastróficas. En general , la operación de propulsar aeronaves eléctricamente se
divide en dos cuestiones distintas. La primera de ellas es que se requiere un tiempo
relativamente breve y con alta potencia para poder ganar altura y luego muy baja potencia para
el resto del vuelo . La segunda cuestión es que se requiere sostenibilidad, tal vez durante varias
horas. En vehículos aéreos no tripulados y avionetas convencionales , la pila de combustible
respaldada por baterías son la opción preferida .Aunque, otra alternativa que se ha desarrollado
han sido células solares como fuente primaria de energía. En estas aplicaciones , el contenido de
hidrógeno en la célula de combustible es uno de los principales contribuyente al peso total del
sistema y una comparación detallada entre un sistema de este tipo y uno que usa un motor de
combustión interna( IC) convencional se tratará más adelante
4.3.3. Ventajas y desventajas de la propulsión eléctrica
Las ventajas de utilizar las pilas de combustible en la aviación se encuentran en el hecho
de la capacidad de generación eléctrica con un alto nivel de eficiencia y bajos niveles de
emisión. El proceso básico que tienen lugar dentro de una pila de combustible, la oxidación
electroquímica del hidrógeno, es un producto que no genera ruido ni vibraciones, pero una
característica especial de los sistemas de pilas de combustible para su uso en la aviación, reside
en su multifuncionalidad.
Además de la generación de energía, las pilas de combustible también producen otros productos
y ventajas que se pueden hacer uso en las aeronaves, tales como el agua que se produce en la
reacción electroquímica. Esto hace que sea posible llevar sustancialmente menos agua a bordo
en el despegue. El aire del escape al salir de la pila de combustible, también se puede utilizar de
una manera innovadora para reducir la inflamabilidad de la mezcla del aire con el tanque de
queroseno, lo que permitirá aumentar la seguridad operativa de los aviones.
Las principales desventajas de la propulsión eléctrica se centra principalmente en el
peso y coste. Son sistemas pesados y costosos en la actualidad, mucho más que un motor de
combustión interna equivalente. La comparación se basa en unidades con potencias del orden de
50 Kw (a pesar de que el accionamiento eléctrico tiene una capacidad de potencia máxima
superior) y para la misma duración del vuelo . Se supone que durante el vuelo de estas futuras
aeronaves el nivel de potencia propulsora estará a cargo de las pilas de combustible por sí solas ,
que están basadas en células PEM, con una potencia de 42 Kw . La combinación baterías /
ultracondensadores proporciona potencia adicional para el despegue y ascenso. El
accionamiento eléctrico utiliza componentes estándar, y por sí mismo no está optimizado para
esta aplicación particular; sin embargo, dan una buena indicación de la tendencia .Es evidente
de lo anterior que el sistema de accionamiento eléctrico es el doble de pesado que un motor de
combustión interna ya que cuenta como mínimo con células de combustible, motor y tanque de
hidrógeno. El motor tiene una potencia específica relativamente baja que puede ser en parte
debido al hecho de que ha sido seleccionado para la impulsión directa de la hélice y podría ser
que con la incorporación de un reductor de velocidad, podría resultar de forma global una
unidad más ligera. El peso del tanque de hidrógeno líquido es alto debido a la necesidad de un
buen aislamiento para evitar el exceso de evaporación, y también porque , a pesar de que el
hidrógeno tiene una densidad de energía 3 veces mayor que la de la gasolina , un peso dado de
hidrógeno tiene un volumen 10 veces mayor que el de la gasolina . En comparación, el peso de
68
hidrógeno se ha supuesto para una célula de combustible con una eficiencia del 40% , que es
típico en la práctica, pero está , por supuesto , muy por debajo de la capacidad eventual de las
pilas de combustible . Con una mayor eficiencia , esta componente de peso se reduciría .
4.3.4. Ejemplos de aviones propulsados eléctricamente
Helios- NASA
Un avión único (y muy caro) dentro de esta categoría es el Prototipo Helios , dirigido
por control remoto y ala volante , que se muestra en la figura 24 , desarrollado por
AeroVironment Inc. en los EE.UU para la NASA (Proyecto “ERAST “).
Fig 24. Imágenes del Helios [Ref 28]
El Helios pretende demostrar dos misiones fundamentales: la capacidad de alcanzar y
mantener un vuelo horizontal a 100 mil pies de altura en un vuelo de un día en 2001, y
mantener el vuelo por encima de 50.000 pies de altitud durante al menos cuatro días en 2003,
con la ayuda de un sistema regenerativo de combustible basado en células de almacenamiento
de energía ahora en desarrollo. Ambas misiones fueron impulsadas por la electricidad derivada
de una fuente no contaminante, la energía solar.
La aeronave tiene una envergadura de 76 m, más largo que la de un avión comercial
Boeing 747; está construida de materiales compuestos y se divide en seis secciones. La
superficie superior del ala está cubierta por paneles solares que son la principal fuente de
energía .
69
Fig.25. Dimensiones Helios.[Ref 28]
La propulsión cuenta con 14 motores de corriente continua sin escobillas, distribuidos a lo largo
de toda la envergadura , cada uno de valor 1,5 Kw .Los paneles solares producen una potencia
total de 37 Kw y la aeronave requiere sólo 10 Kw para el nivel de vuelo. El exceso de potencia
disponible durante las horas de luz del día se puede almacenar para usar durante la noche.
Inicialmente, el almacenamiento de energía se basaba en un sistema de baterías de ion-
Li., pero en una etapa posterior se pretendía usar un sistema de almacenamiento de energía
basado en celdas de hidrógeno - oxígeno regenerativo. En este sistema, la potencia generada por
la energía solar durante el día se emplea en las células para dividir el agua en hidrógeno y
oxígeno que luego se almacena bajo presión en tanques especialmente diseñados . Por la noche,
el hidrógeno y oxígeno se vuelven a combinar en pilas de combustible para producir energía
eléctrica que usan los motores de propulsión y otros sistemas de la aeronave .La primera versión
de este sistema combina hidrógeno gaseoso a partir de dos tanques presurizados montados en
secciones del ala con oxígeno comprimido de la atmósfera a través de una serie de pilas de
combustible de membrana de intercambio de protones "PEM" montadas en el tren de
aterrizaje. El sistema produce más de 15 Kw de energía eléctrica de corriente continua para
alimentar los motores de Helios y sistemas operativos, con el único subproducto de vapor de
agua y calor. El sistema aumentaría el peso de vuelo del Helios Prototype de 800 libras a
alrededor 2400.Otras dos versiones del sistema se contemplarían: Una, que emplea el hidrógeno
líquido, permitiría al Helios volar hasta dos semanas en la estratosfera en cualquier lugar
alrededor de la Tierra, no limitado a las latitudes templadas o ecuatoriales. Otra versión, un
sistema cerrado o "regenerativa", utiliza el agua, una pila de combustible, y un electrolizador
70
para formar un sistema similar en función a una batería recargable o "secundaria", pero con
mucha mayor eficacia que los mejores sistemas de baterías recargables. Una versión del Helios
con un sistema de pila de combustible regenerativa era de interés para la NASA, para la ciencia
del medio ambiente, los militares y AeroVironment para diversas funciones, principalmente
como una plataforma de retransmisión de telecomunicaciones estratosférico. Con otras mejoras
en la confiabilidad del sistema, se esperaba que el Helios se convirtiese en verdadero “satélite
atmosférico”
En agosto de 2001, la aeronave alcanzó un nuevo récord del mundo; alcanzó la altitud
de 96863 pies. Desgraciadamente la primera versión equipada con una pila de combustible se
estrelló en el Pacífico en Junio de 2003. Los restos de la aeronave solar-eléctrico Helios
Prototype flota en el Océano Pacífico, cerca de la isla hawaiana de Kauai. Alrededor del 75 por
ciento de los restos del avión se recuperó, pero el sistema de pila de combustible prototipo que
debía haber proporcionado el poder en la noche durante la demostración de la misión de 4 días
en vuelo, se hundió en el agua a una milla de profundidad y no se pudo recuperar.
Fig 26. Hundimiento del Helios .[Ref 28]
EC-003. Boeing
Fig 27. Boeing EC-003 .[Ref 24]
Un equipo de ingenieros de Boeing Research & Technology Europe (BR&TE -Centro
Europeo de I+T de Boeing) en Madrid alcanzó este hito recientemente con la ayuda de empresas
colaboradoras de Alemania, Austria, España, Estados Unidos, Francia y Reino Unido.
Boeing está trabajando de forma activa para desarrollar nuevas tecnologías para
productos aeroespaciales respetuosos con el medioambiente.
71
Para este proyecto se utilizó la estructura de un motovelero biplaza Dimona, con una
envergadura de 16,3 m fabricado por Diamond Aircraft Industries de Austria. BR&TE modificó
este avión para incluir un sistema híbrido de potencia, compuesto por una pila de combustible
de Membrana de Intercambio Protónico (Proton Exchange Membrane -PEM) y una batería de
ión Litio que suministra energía a un motor eléctrico acoplado a una hélice convencional.
Se realizaron tres vuelos de pruebas en febrero y marzo en el Aeródromo de SENASA en
Ocaña.
Durante los vuelos, el piloto del avión experimental alcanzó una altitud de 1.000 metros sobre el
nivel del mar, utilizando una combinación de energía de la batería y la potencia generada por
pilas de combustible de hidrógeno. Tras alcanzar el nivel de crucero y desconectar las baterías,
el piloto voló recto y nivelado a una velocidad de crucero de 100 km. por hora durante
aproximadamente 20 minutos con energía generada sólo por las pilas de combustible.
Según los investigadores de Boeing, la tecnología de pila de combustible PEM ofrece la
posibilidad de propulsar vehículos aéreos pequeños tripulados y no tripulados. A largo plazo, las
pilas de combustible de óxido sólido se podrían aplicar a los sistemas secundarios generadores
de potencia, como los grupos electrógenos auxiliares para los grandes aviones comerciales.
Boeing no prevé que las pilas de combustible proporcionen la energía primaria para grandes
aviones de pasajeros, pero la compañía continuará investigando su potencial, además de otras
fuentes alternativas de combustible y energía sostenibles que mejoren el rendimiento
medioambiental.
Fig 28. Ubicación de elementos en el Boeing EC-003 .[Ref 24]
72
E-430. China
Fig 29. E-430 [Ref 29]
La avioneta, llamada E430, es un biplaza fabricado con un motor de 230 voltios que
permite volar 3 horas con una sola recarga. Su precio oscila los 64.000 euros (90.000 dólares)
La producción de aviones ligeros deportivos designada por la FAA, para aviones como
el E430, que pesan menos de 600 kilos y vuelan a menos de 220 km/h, ha experimentado un
fuerte aumento de su uso en los últimos años, debido a unos precios más asequibles y a la
escasez de problemas mecánicos.
El E430 corresponde a la clase LSA diseñado para ser fácil de usar, fácil de volar y con
prácticamente cero vibración. Por tanto sus ventajas principales son: bajo nivel de ruido, sin
emisiones de NO, no hay combustible, y mantenimiento extremadamente bajo.
La FAA creó la designación LSA en 2005, un sistema de regulación necesario para homologar
este tipo de aeronaves. Los requisitos de concesión de licencias para pilotar este tipo de aviones
son más fáciles que el resto, ya que se orientan hacia uso deportivo, un mercado todavía por
explotar, pero que sólo requiere de unas 20 horas de vuelo para obtener una licencia y el
derecho a conducir este tipo de aeronaves.
El vuelo utilizando motores eléctricos, que hasta hace poco se veía como futurista,
finalmente ha llegado a la aviación deportiva. Los tiempos de una recarga consumen 3 horas a
un costo mínimo. Como todo vehículo eléctrico tiene muy pocas partes móviles (sólo 2
rodamientos) lo que le otorga de una gran confiabilidad y bajos costos de mantenimiento.
Sus baterías se construyeron con polímeros de litio de 230 voltios. Su envergadura es de 14
metros y la longitud del avión es de 7 metros. La aeronave construida de materiales compuestos
puede ser completamente cargada de electricidad desde un toma de corriente casera de 230
voltios.
En las pruebas en vuelo llamó la atención lo silencioso del motor. Como características
principales se pueden destacar los siguientes aspectos:
- Su tasa de planeo 25:1 cifra que le permite mantener largos recorridos por el espacio
aéreo.
- El peso de la aeronave se sitúa en los 172 kilos, sin contar las baterías.
- La tasa de ascenso de 7 metros por segundo.
- La velocidad máxima alcanzada fue de 155 km/h y un promedio crucero de 95 km/h.
73
- El peso máximo al despegue es de 430 kilogramos.
- Su motor produce una potencia máxima de 40 KW con 2450 revoluciones por minuto y
usa seis paquetes de batería de polímero-litio que pesan en total 72 kilogramos.
Antares DLR-H2
Fig 30. Antares DLR-H2 [Ref 30]
Los ingenieros del Centro Aeroespacial Alemán, presentaron en julio del 2009 el primer
avión impulsado únicamente por pilas de combustible de hidrógeno. Denominado Antares
DLR-H2, realizó su primer vuelo en el aeropuerto de Hamburgo, en Alemania, donde se tuvo la
oportunidad de comprobar diversos aspectos del avión durante la media hora que duro las
pruebas de vuelo. La aeronave alcanzó velocidades de 170 km/h, con una capacidad de
deslizamiento totalmente silenciosa gracias a su motor eléctrico de alta eficiencia.
Boeing experimentó el pasado año con un modelo de avión que utilizó hidrógeno, pero
a través de un motor impulsado por una pila eléctrica, sin embargo, Antares, se alimenta
exclusivamente de las pilas de combustible que actúan directamente a partir del hidrógeno. El
sistema de células de combustible proporciona 25 KW de energía, más que suficiente para
cubrir todas las necesidades del avión, el cual sólo requiere una potencia de 10 KW de
crucero. La eficiencia total del sistema es de aproximadamente un 44%, es decir, el doble de la
eficiencia de un sistema convencional de combustión interna.
El Antares DLR-H2, se ha utilizado como banco de pruebas para las nuevas
investigaciones tecnológicas en aviación, propiciando una plataforma rentable para el desarrollo
de sistemas de pilas de combustible para su uso en aeronáutica. El DLR-H2, se basa en un avión
monoplaza con una envergadura de 20 metros y unos 660 kilos de peso. El sistema de células de
combustible, especialmente diseñado por el Instituto Técnico de Termodinámica, se utiliza
como la principal fuente de energía de propulsión para el Antares DLR-H2. Junto con el tanque
de hidrógeno, es acoplado dos depósitos externos situados bajo las alas, que se han reforzado
especialmente para este fin, suministrando la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento
de los componentes internos, motores y hélice.
Los grandes aviones comerciales no pueden ser alimentados por pilas de combustible de
hidrógeno, ya que para conseguir la eficiencia energética necesaria, se requiere de tecnologías
que por el momento aún no están disponibles, sin embargo, las células de hidrógeno sí que
podrían comenzar a utilizarse como modo complementario de producir energía eléctrica a bordo
y otros fines anteriormente comentados. (Hibridación)
74
Ion Tiger- US NAavy
El Ion Tiger es un vehículo aéreo no tripulado (UAV) que opera con un sistema de
propulsión de pila de combustible de alta potencia. Está diseñado para una mayor autonomía de
vuelo y durabilidad en entornos de guerra.
Este UAV utiliza una pila de combustible de polímero de 550 vatios con un sistema de
potencia específica alta. Se emplean tanques de almacenamiento de alta presión, de hidrógeno
ligero para reducir el peso. La célula de combustible produce poco ruido y emite menos energía
infrarroja que los motores o baterías tradicionales.
El Ion Tiger es un UAV de pila de combustible propulsado por hidrógeno en el
desarrollo en el Laboratorio de Investigación Naval, el laboratorio corporativo de la Oficina de
Investigación Naval (ONR). Anteriormente volado con energía de la batería, se ha demostrado
la aerodinámica de sonido, alta funcionalidad y firmas de bajo calor y ruido. Los vuelos de
prueba de Ion Tiger han superado 24 horas con una carga útil de 6 libras. Las pruebas
demostraron cómo una solución de vigilancia permanente puede operar a un bajo costo, con
menos posibilidad de detección. Los ensayos superaron anterior duración del vuelo de siete
veces de los diseños anteriores.
En general, los militares están buscando fuentes más silenciosas y más eficientes de
energía. ONR es líder en la Armada con el apoyo a la investigación de combustibles
alternativos, y ha sido un líder y defensor clave de la investigación de la célula de combustible
desde hace más de 20 años.
Las pilas de combustible relativamente pequeñas de 550 vatios proporcionan una
ventaja adicional para el UAV.La tecnología de pila de combustible permite a los UAVs llevar
a cabo la vigilancia por períodos más largos de tiempo, lo que reduce el número de
lanzamientos diarios para recoger datos. Se ahorra tiempo y esfuerzo para la tripulación, y en
última instancia se traduce en un menor desgaste de la UAV.
Fig 31. Ion-Tiger [Ref 31]
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Avizor- INTA
Fig 32. Avizor en laboratorio del INTA [Ref 32]
El Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), es un Organismo Público de
Investigación especializada en aeronáutica y tecnología espacial de I + D, y que pertenece al
Ministerio español de Defensa. Dentro del INTA las misiones principales son proporcionar
apoyo científico y asistencia técnica a los servicios gubernamentales y a la industria. En este
contexto, desde principios de los años setenta, el área de energías alternativas y renovables es
uno de los campos donde el INTA ha dedicado un esfuerzo continuo.
Desde un punto de vista estratégico español, el INTA está promoviendo el uso del hidrógeno
como una opción de energía a largo plazo, así como la utilización de pilas de combustible para
la aplicación en el transporte y la generación de electricidad estacionaria.
Además de las actividades de I + D, el INTA es un centro nacional con capacidades de pruebas
acreditado en aerodinámica, estructuras aeroespaciales, coches, EMC (Compatibilidad
Electromagnética), pruebas ambientales, los motores de cohete sólidos, células fotovoltaicas
espacio y turborreactores. INTA posee también de locales para las pruebas de los sistemas de
vehículos aéreos no tripulados (UAV).
Desde 2003 se inició un programa en el uso de pilas de combustible para aplicaciones
de defensa. La primera fase del programa se dedica a desarrollar reformadores de diesel y etanol
para ser integrados con las pilas de combustible y así demostrar sistemas de generación de
energía a base de células de combustible. Con el fin de probar y monitorear los avances de la
tecnología, un banco de pruebas para las pilas de combustible se está configurado con una
capacidad de potencia eléctrica de hasta 30 Kw
El Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial emprendió en 1998 el desarrollo de un
sistema de vigilancia y observación basado en un vehículo aéreo no tripulado (UAV), designado
con el nombre de SIVA. INTA ha diseñado, desarrollado y probado el sistema y el principal
subsistemas, incluyendo el control de vuelo.
SIVA es un sistema de vigilancia UAV sofisticado con múltiples aplicaciones en materia civil y
campos militares, y se pueden utilizar como un vehículo de observación en tiempo real. En la
primera etapa del proyecto SIVA se ha alimentado por un motor de combustión interna
convencional y por el momento, el Instituto continúa desarrollando nuevos aviones no
tripulados: Mini UAV y micro UAV.
Tras los buenos resultados obtenidos por el INTA, este decidió iniciar el estudio de una segunda
fase de este proyecto, incluyendo las tecnologías de pilas de combustible con el fin de evaluar la
viabilidad de incluir un motor eléctrico impulsado por la energía suministrada por una PEMFC
(o un sistema similar utilizando las células de combustible y tecnologías de H2 )
76
Fig 33. Siva, antecesor del Avizor. [Ref 32]
Como ya se ha comentado en todos los proyectos anteriores, las pilas de combustible
son una tecnología atractiva para la implementación en los aviones, como fuentes de energía
debido a su potencial de recarga y a su alta densidad de energía.
Fig. 34. Avizor, estructura interna. [Ref 32]
El objetivo principal de este proyecto es demostrar con un estudio teórico y pruebas
prácticas, la viabilidad de incluir un sistema de UAV completa con actuaciones similares, como
la anterior, pero impulsado por un sistema de células de combustible.
La base del proyecto es el modelo diseñado y construido para el proyecto SIVA. Por esa razón,
Avizor parte de unos datos iniciales de diseño pertenecientes al proyecto SIVA y relacionado
con el uso de una pila combustible PEM.
La configuración del sistema ha sido elegido en base a cálculos de pre-dimensionado teniendo
en cuenta varias opciones: el uso de aire u oxígeno puro como oxidante, y el uso de un paquete
de baterías grande o pequeño.
La solución final para este proyecto utiliza oxígeno puro a una presión de trabajo de 2 bares.
La configuración del sistema cuenta con las siguientes características:
- Peso máximo: 300 kg (despegue)
- Envergadura: 5,81 m
- Factor de Carga: 3,5 g (aterrizaje) y 4,4 g
- Rango: 1 hora
- Altitud máxima: 1.000 m
- Max. cabeceo: 21 ° & Max. balance: 60 °
- Potencia requerida en despegue: 26 Kw durante 90 s.
77
- Potencia requerida en el subida 20 Kw durante 30 min
- Potencia requerida para crucero: 16 Kw
- Potencia requerida parasistemas auxiliares: alrededor de 1 Kw
El sistema AVIZOR se compone de tres partes principales:
- Sistema de alimentación (Pila de Combustible y las baterías).
- Motor y el controlador.
- Almacenamiento de combustible.
Los detalles del sistema Avizor son los siguientes:
Sistema de alimentación (pila de combustible y baterías)
Entre los diferentes tipos de células de combustible, las PEMFC son consideradas la
mejor solución para el sistema de propulsión de esta aplicación en el momento.
El papel funcional del sistema PEMFC (extraída del análisis funcional) es proporcionar de
energía eléctrica a un convertidor eléctrico (alta tensión) que proporcionará un voltaje
compatible con las redes eléctricas de alta tensión y baja del avión. El sistema se suministra las
necesidades de la red de comunicación del UAV alimentado a partir de combustible. Este
sistema debe ser enfriada para asegurar condiciones de funcionamiento óptimas.
A continuación se muestra una celda utilizada y sus características principales:
- Stack (una pila de 20 a 30 Kw).
- Max. Volumen: 46 X 24 x 115 cm [W x H x L],(127 l).
- Sistema de refrigeración (bomba de agua).
- Sistema de humidificación del cátodo.
- Sistema de gestión del agua.
- Salida de tensión 60 a 96 V.
Fig.35. Celda de combustible del Avizor. [Ref 32]
Las baterías tratan de proporcionar la energía adicional para el despegue y durante unos
minutos sólo para el nivel de vuelo final. Se propone usar una batería modular y recargable de
alta potencia de ión-litio. Las baterías de AVIZOR son de nanofosfatos de litio-ion. Estas
baterías proporcionan bajo peso y la descarga es muy rápido con mucha energía (como la
tecnología que otros iones de litio), aunque también la carga es muy rápido a alta potencia con
un alto nivel de seguridad.
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Motor y el controlador
El motor eléctrico que trabaja en conjunto con la célula de combustible trabaja en un
modo continuo, por lo que el dispositivo tendrá alta eficiencia y una larga vida útil. Para esta
aplicación, se cuenta con motores "brushless" y con un equipo apropiado de trabajo a gran
velocidad. El motor eléctrico está de acuerdo con el estándar del sector para la confiabilidad,
funcionalidad y rendimiento en equipos de prueba de células de combustible, de la misma forma
que debe ser compatible con las técnicas posibles del INTA y los sistemas reales de
laboratorio. La ubicación en la plataforma debe alcanzar la mejor configuración para evitar
problemas de aerodinámica.
Las características del Motor "Brushless" y del controlador/conversor son las siguientes:
Brushlees PM Motor:
- Pico de potencia: 47 CV; 35 Kw
- Potencia continua: 31,5 cv; 23,5 Kw
- Velocidad máxima: 4500 RPM
Controlador/ Inversor:
- Rango nominal de entrada: 270 a 336 VDC
- Limitación a la corriente de entrada: 300 A
- Tipo de inversor: PWM y fase de avance
Fig. 35: El motor y controlador del Avizor. [Ref 32]
Almacenamiento de gas (hidrógeno y oxígeno)
Después de considerar diferentes posibilidades, (hidrógeno líquido, hidrógeno de alta
presión gaseoso, almacenamiento con hidruro metálico, .... etc.), se decidió utilizar en una
primera etapa dos tanques de alrededor 25 litros de hidrógeno cada uno situado uno en cada ala
y trabajando a una presión de unos 350 bares y con un peso del tanque en vacío de 15 kg. El
oxidante es oxígeno de alta presión gaseoso y el sistema de almacenamiento es un tanque de
200 bar. De hecho, en el caso de un suministro de aire, el oxígeno representa sólo el 21% del
gas en el cátodo de la pila, con lo cual su flujo debe ser por lo tanto casi 5 veces mayor que en
el caso de un suministro de oxígeno puro.
La ausencia de nitrógeno entre el gas y el combustible también permite que sea un proceso
operativo en un módulo cerrado y sin recirculación, sin riesgo de asfixia de la pila.
79
5.-CONCLUSIONES FINALES
El objetivo de este trabajo ha sido evaluar el uso de pilas de combustible en el contexto
aeronáutico. Se ha visto que existen numerosos tipos de células de combustible, aunque tras
estudiar las características y limitaciones de cada una se ha llegado a la conclusión que las pilas
PEM y SOFC son las más apropiadas en aplicaciones de transporte. En cuanto al combustible
que emplean se ha hablado principalmente de hidrógeno puro , aunque cada vez más este se
está obteniendo a partir los llamados "combustibles sucios" , es decir, la gasolina convencional
o queroseno, con lo cual se está ahorrando un peso considerable que pertenecería al
almacenamiento y distribución de hidrógeno puro.
Como se ha podido demostrar en todo el documento son muchas más las ventajas que
los inconvenientes ofrecidos por las pilas de combustible pero hay dos factores negativos, el
coste energético de obtención del hidrógeno puro y el coste económico de instalación del
sistema, que lastran fuertemente al resto e incluso, hoy por hoy, hacen anular casi por completo
algunos proyectos relacionado con este sistema de generación de electricidad.
A largo plazo, se prevé un desarrollo de esta tecnología paliando sus principales
inconvenientes, con lo que serán sistemas de generación eléctrica muy competitivos, ya que con
hidrógeno las eficiencias serán más altas que otros sistemas en competencia y sus emisiones
serán menores.
En el ámbito aeronáutico y aeroespacial son numerosas las aplicaciones donde se están
implantando. Desde los dos grandes de la aeronáutica, Boeing y Airbus, apuestan por una futura
aeronave más respetuosa con el medio ambiente, con menos emisiones, ruidos, y a la vez que
cuente con sistemas de generación de energía eficiente. Estos aspectos ecológicos como
aspectos económicos tales como reducción de peso, bajo mantenimiento, reducción de baterías,
etc., hacen que se trabaje en líneas de trabajo como la implementación de pilas PEM y SOFC en
unidades como la APU, o RAT . Este nuevo sistema además de proveer a la aeronave de un
sistema más eficiente y respetuoso con el medio ambiente, aprovecha al máximo todos sus
productos, ya que tanto el calor, el gas y el agua que se obtienen de la electrólisis son empleados
en otros subsistemas del avión como deshielo, inertización o abastecimiento de agua para aseos.
Del mismo modo, se buscan nuevas tecnologías de estas celdas que suministren a la aeronave de
mayores ventajas, así como minimicen las desventajas que pueda suponer su implantación. Es el
caso de pilas PEM de alta temperatura, o los procesos de reformado de queroseno.
Por otro lado está la propulsión eléctrica de avionetas, y UAVs, las cuales se están
basando cada vez más en sistemas de celdas de combustible, ya que son el futuro para la
aviación. En este contexto son ya numerosos los proyectos llevados a cabo, y los prototipos que
ya han volado, obteniendo en la mayoría de los casos resultados muy satisfactorios.
Es aquí donde deberían participar las Administraciones, primero para apoyar la
investigación que mejore aún más la eficiencia de este sistema y posteriormente para gestionar
la implantación generalizada de las pilas de combustible como excelente alternativa a los
sistemas tradicionales de generación de energía. De hecho desde la comisión europea existe toda
una hoja de ruta en la aplicación del hidrógeno como combustible y las pilas de combustible.
En una primera fase, hasta 2010 aproximadamente se ha trabajado en aspectos tales
como:
-Intensificar el uso de fuentes de energía renovables para generar una electricidad que
puede utilizarse para producir hidrógeno por electrolisis o bien ser introducida directamente en
las redes de suministro eléctrico.
- Mejorar la eficiencia de las tecnologías basadas en combustibles fósiles y la calidad de
los combustibles líquidos de origen fósil.
- Incrementar el uso de combustibles líquidos sintéticos producidos a partir del gas
natural y la biomasa, que pueden utilizarse tanto en sistemas de combustión convencionales
como en sistemas de pilas de combustible.
80
- Introducir gradualmente aplicaciones del hidrógeno y pilas de combustible en el
mercado con el fin de estimular la aceptación por la población y la experiencia a través de la
demostración, aprovechando los sistemas de conductos de hidrógeno existentes;
- Desarrollar motores de combustión interna alimentados por hidrógeno para
aplicaciones estacionarias y de transporte.
Durante todo este período se ha hecho necesaria una intensa investigación fundamental sobre
condicionantes tecnológicos clave, p. ej., producción, almacenamiento y seguridad del
hidrógeno y prestaciones, costes y duración de las pilas de combustible. [Ref. 33]
En una segunda fase, hasta 2020 aproximadamente, los estudios se centran en aspectos
tales como:
- Seguir incrementando la utilización de combustibles líquidos derivados de la biomasa.
- Seguir utilizando combustibles líquidos y gaseosos de origen fósil en pilas de
combustible directamente y reformando combustibles fósiles (incluido el carbón) para extraer
hidrógeno. De esta manera se hace posible la transición a una economía del hidrógeno,
capturando y fijando el CO2. El hidrógeno así producido se puede utilizar luego en sistemas de
combustión convencionales modificados adecuadamente, turbinas de hidrógeno y sistemas de
pilas de combustible, reduciendo así las emisiones de gases de invernadero y contaminantes;
- Desarrollar e implantar sistemas de producción de hidrógeno a partir de la electricidad
renovable y la biomasa; proseguir la investigación y el desarrollo en relación con otras fuentes
libres de carbono, tales como la energía térmica solar y la nuclear avanzada. [Ref. 33]
Y por último a largo-medio plazo, después de 2020, se prevé que la demanda de
electricidad seguirá aumentando y el hidrógeno vendrá a complementarla. Se apuesta por la
utilización de la electricidad y el hidrógeno como vectores energéticos para sustituir
progresivamente a los vectores energéticos tradicionales basados en los hidrocarburos, los
cuales escasean cada vez más, además de ser esta alternativa mucho más respetuosa con el
medio ambiente. [Ref. 33]
Además de las organizaciones gubernamentales, son cada vez más las instituciones y las
empresas privadas que dirigen sus estudios hacia esta nueva línea energética. Este es el caso de
numerosas universidades por todo el mundo, institutos tecnológicos como el INTA, NASA o
DLR, y por supuesto las dos grandes compañías aeronáuticas Boeing y Airbus .
Con todo esto se podría decir que las pilas de combustible son el futuro ya que podrían
reducir notablemente la contaminación del aire y el inminente problema que acecha a la
sociedad actual, el cambio climático debido al calentamiento global del planeta.
81
6.-BIBLIOGRAFÍA Y WEBSITES
[1] " Hidrógeno y pilas de combustible (III)"/Carlos Bordons Alba.
[2] " Hidrógeno y pilas de combustible: estado actual y perspectivas inmediatas"/Juan Otero
de Becerra. Universidad Pontificia de Comillas, D.L. 2010.
[3] " El sistema eléctrico de los aviones"/ Eduardo Lázaro Sánchez, Rafael Sanjurjo Navarro.
Madrid, Fundación Aena 2001.
[4] Sergio Hontiyuelo García, “ Especial pilas de combustible de hidrógeno”,
Tecnociencia, 2005. (http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/introduccion.htm)
[5] Pila de combustible (http://es.wikipedia.org/wiki/Pila_de_combustible) [6] SOFC (http://www.aki.che.tohoku.ac.jp/~koyama/html/research/SOFC.html)
[7] Luis Gutierrez Jodra, “ El hidrógeno, Combustible del Futuro”, V Programa de
Promoción de la Cultura Científica y Tecnológica, 2005
( http://www.rac.es/ficheros/doc/00447.pdf)
[8] Luis Navedo, “Biogas fuel cells”. Congreso Nacional del Medio Ambiente (Conama)
(http://www.conama8.org/modulodocumentos/documentos/SDs/SD24/SD24_ppt_Luis_Nav
edo.pdf)
[9] SEED. La Energía y el cambio climático Mundial/ Fuentes de energía alternativa:
energía de celdas de combustible.( http://www.planetseed.com/es/node/15755)
[10] P.J.H. Wingelaar, J.L. Duarte and M.A.M , “Dynamic characteristics of PEM fuel
cells. Hendrix. Eindhoven University of Technology” Electrical Engineering, 2006.
[11] Centro Nacional del Hidrógeno. Pilas de combustible.( http://www.cnh2.es/info-h2/pilas-de-combustible/)
[12] EDUTECNE, Universidad Tecnológica Nacional. Seminario de Procesos
Fundamentales Físico-Químicos y Microbiológicos/ Especializacón y Maestría en Medio
Ambiente /Laboratorio de Química F.R. Bahía Blanca – U.T.N. 2009
(http://www.edutecne.utn.edu.ar/sem_fi_qui_micrb_09/celdas_combustible.pdf)
[13] “El hidrógeno como vector energético y las Pilas de Combustible”. Antonío González
García-Conde. INTA, 2013
(http://www.euita.upm.es/sfs/E.U.I.T.%20Aeronautica/Direccion/Direccion3/Actividades/2011-2012/docs/2013-03-01-EUITA-ETSIA-EIAE-H2%20y%20Pilas.pdf) [14] Carlos Sousa, “Vehículos eléctricos de pila de combustible”, Ageneal, Agencia
Municipal de Energía de Almada, 2006.
82
[15] Pilas de combustible PEM de Alta temperatura. INFORME DE VIGILANCIA
TECNOLÓGICA.CIMTAN/INTA.2008 (file:///C:/Users/usuario/Downloads/Informe%20VT-%20Pilas%20PEM%20alta%20temperatura%20(1).pdf)
[16].Consumo de energía y emisiones asociadas al transporte por avión. Monografías
(http://www.investigacion-ffe.es/documentos/enertrans/EnerTrans_Consumos_avi%C3%B3n.pdf ) [17] Tecnologías de Producción de Hidrógeno a partir del reformado de queroseno para
aplicaciones aeronáuticas. INFORME DE VIGILANCIA TECNOLÓGICA.
CIMTAN/INTA.2007(file:///C:/Users/usuario/Downloads/INFORME%20VT%20-%20Reformado%20de%20queroseno%20para%20aplicaciones%20aeroespaciales.pdf)
[18] Noticias/Fundación Hélice. Proyecto PROSAVE2, "En busca del avión del Siglo XXI"
(http://www.fundacionhelice.com/es/news/proyecto-prosave2-en-busca-del-avion-del-siglo-
xxi.htm)
[19] Artículo "Exploring the Role of Fuel Cell Electric Power Systems for
Commercial Aviation Applications". AIAA, 2007
[20] Artículo "Fuel Cells for Commercial Transport Airplanes
Needs and Opportunities". AIAA, 2007
[21] "The Airbus Fuel Cell Approach". EYVE – Airbus Fuel Cell Systems Engineering.
September,2012. (http://www.bba-bw.de/files/brennstoffzelle_im_flugzeug_-_law_121023.pdf)
[22] "Fuel Cell System Development and Testing for Aircraft Applications".,2010.
( http://juwel.fz-juelich.de:8080/dspace/bitstream/2128/4216/1/SM3_2_Kallo.pdf)
[23] "SOFC Development for Aircraft Applications". DLR –, Québec City Convention Centre,
Québec, May 15th, 2005.
( http://elib.dlr.de/45976/1/Industrial_Workshop_Quebec_G.Schiller.pdf)
[24] ( http://www.boeing.es)
[25] Artículo “Progress in Electrically-Propelled Aircraft”. Universidad de Cranfield. 2007.Base
de datos IEEE.
[26] Artículo “Design of Inter-City Transport Aircraft Powered by Fuel Cell & Flight Test of
Zero Emission 2- Seater Aircraft Powered By Fuel Cells”. Politécnico de Torino.2011. Base de
datos IEEE.
[27] "Cryoplane". AIRBUS.2001.
( http://www.mp.haw-hamburg.de/pers/Scholz/dglr/hh/text_2001_12_06_Cryoplane.pdf)
[28] "Investigation of the Helios Prototype Aircraft Mishap". NASA.2004.
( http://www.nasa.gov/pdf/64317main_helios.pdf)
[29] Publicación mensual de la Fundación "Consejo para el Proyecto Argentino". 2009
83
( http://gabinete.org.ar/Setiembre_2009/avion_electrico.htm)
[30] " Antares DLR-H2 - Flying Test Bed for Development of Aircraft Fuel Cell Systems".
Fuel Cell Seminar 2012,Dr. J. Kallo, P. Rathke, T. Stephan
( http://www.fuelcellseminar.com/media/51206/b2b33-5.pdf)
[31] " Fuel Cell Propulsion for Small Unmanned
Airvehicles:‐the “Ion Tiger”, Chemistry and Tactical Electronic Warfare Divisions
Naval Research Laboratory, ONR, Karen Swider Lyons
( http://www.aps.org/units/gera/meetings/march10/upload/Swider-LyonsAPS3-14-10.pdf)
[32] " Unmanned Aerial Vehicle Driven by Fuel Cell Technology,
AVIZOR". E. Chacón, G. Martínez, C. Anchuelo, R. Cuevas.INTA.2010
( http://juser.fz-juelich.de/record/135681/files/SM2_pp_1_Chacon29_rev0531.pdf)
[33] " La energía del Hidrógeno y las pilas de combustible-Una visión para nuestro futuro". Comisión Europea, 2004.