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Pilas a combustible: una tecnología limpia que puede abaratar la generación de energía eléctrica e hidrógeno verde

por 13 noviembre, 2021

Pilas a combustible: una tecnología limpia que puede abaratar la generación de energía eléctrica e hidrógeno verde
El poder catalizador de estos materiales puede ocuparse para producir hidrógeno, un combustible muy requerido hoy a nivel mundial. Además, actualmente existen diversos usos cotidianos de estos catalizadores que están siendo desarrollados en Chile.
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Cómo optimizar el funcionamiento y abaratar los costos de producción de las pilas a combustible -fuente de energía-, y particularmente la reactividad del oxígeno y del hidrógeno, es el estudio que desarrolla el doctor en Química, José Zagal y su equipo en la Facultad de Química y Biología de la Universidad de Santiago de Chile.

Los especialistas investigan el desarrollo de materiales alternativos -más baratos y masivos-, para el diseño de los electrodos o conductores eléctricos que conforman este tipo de pilas. Cada una posee dos tipos de electrodos, donde ocurren la reducción del oxígeno y la oxidación del hidrógeno, que es finalmente el combustible. Estos materiales conductores requieren mecanismos químicos complejos para alcanzar un eficiente funcionamiento, que generalmente requieren platino, un elemento metal precioso que encarece mucho la producción de esta tecnología.

Lo interesante de esta investigación, destaca Zagal, “es que los materiales que estamos desarrollando tienen una inspiración biológica, relacionados a los procesos naturales de la generación de energía, para que catalicen y aceleren la reacción, produciendo el máximo de energía y en el menor tiempo. La estamos transformando de la manera en que ocurre en los seres vivos, en el mundo aeróbico. Nuestros organismos no usan platino, ya que no lo tienen en el cuerpo, sino que usan materiales más baratos y abundantes, generalmente en base a hierro, que están presentes en nuestras moléculas biológicas. Se están obteniendo resultados muy interesantes, aunque aún se requiere mucho estudio”.

El estudio sobre la conversión electroquímica de energía, específicamente a través de este tipo de pilas, como sistemas que convierten o catalizan la energía química en energía eléctrica y viceversa, es el objeto del trabajo científico del doctor y su equipo desde hace ya 30 años. “La pila a combustible consume hidrógeno y oxígeno, pero si uno la hace funcionar al revés, es decir pasa electricidad externa a la pila, como cuando se carga una batería, se producen a su vez estos dos elementos químicos. De esta manera, esta tecnología también se p30uede utilizar para producir hidrógeno, algo muy requerido en la actualidad como combustible limpio”, explica.

Además, agrega que “a diferencia de las pilas normales, las que son a combustible nunca se descargan. Una pila normal se descarga debido a que en su interior hay una cantidad limitada de materiales, cuando reaccionan vía una transformación química, que una vez que ocurre, la descarga y no entrega más energía. Pero la pila a combustible se alimenta constantemente con productos químicos como el oxígeno y el hidrógeno, y convierten la energía química de estas sustancias en electricidad, y si uno las hace funcionar al revés, producen hidrógeno y oxígeno”.

La eficiencia energética de una pila a combustible puede ser de hasta un 55%, versus el 20% que logran los motores tradicionales de combustión interna, dependiendo del vehículo en particular tomando en consideración un ejemplo práctico. Esto provoca que un automóvil eléctrico pueda recorrer el doble o más de la distancia que logra un vehículo a bencina, teniendo mayor autonomía sin contaminar. Por ello, esta investigación busca optimizar ambos electrodos para que se genere la máxima energía en el menor tiempo posible, haciendo el sistema aún más eficaz.

Usos cotidianos en Chile

Actualmente, existe en desarrollo un proyecto de construcción de una planta para producir en Magallanes el denominado hidrógeno verde, la que será una de las más grandes de Latinoamérica. Esto debido a que esa región, según un estudio realizado por el Ministerio de Energía, podría llegar a producir el 13% de hidrógeno verde en el mundo.

Zagal pronostica, “en regiones aisladas de nuestro país, donde no hay electricidad, podrían haber molinos eólicos que generen energía eléctrica y acumulen hidrógeno, el que luego puede usarse en una pila a combustible siendo una alternativa frente a la discontinuidad que afecta a las energías solar y eólica. Pudiendo ser así una tecnología de uso cotidiano para producir hidrógeno como combustible, por ejemplo, para la generación de electricidad con una gran eficiencia energética”.

El automóvil eléctrico, sustentado en el funcionamiento de una celda de combustible -una derivación de la pila a combustible- produce la electricidad necesaria para su funcionamiento y no contamina, como el vehículo tradicional, debido a que cuando el hidrógeno se quema, se transforma en agua. También, no genera calor, o muy poco, el que eventualmente puede fundir un motor en una máquina de combustión interna como las actuales, ya que al menos en su uso dentro de la ciudad, y en diversos momentos de detención -frente a semáforos o en atochamientos- el motor interrumpe su funcionamiento y por lo tanto su consumo es nulo.

En relación a esta última tecnología, existen empresas mineras en el norte de Chile que han iniciado la electrificación de sus camiones de acarreo, para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Aunque por el momento se planea solo quemar el hidrógeno mezclado con el diésel, no aprovechándose totalmente la energía debido a que no hay producción de electricidad como en una pila. Sin embargo, esto no ha ocurrido en el transporte público local, con flotas de buses que funcionan a electricidad.

Para destacar su uso histórico, cabe reseñar que las áreas de defensa y aeroespacial, usan hace muchos años en sus diseños más sofisticados, las pilas a combustible. Es así que desde que empezó la carrera espacial, como es el caso del programa Apolo en la década de 1960, estas naves llevan a bordo estos catalizadores de energía.

Mejorando las correlaciones del catalizador

Las investigaciones han sido reconocidas en revistas internacionales tales como: Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP), Current Opinion in Electrochemistry y Angewandte Chemie; demostrando las correlaciones óptimas que debe tener el catalizador para funcionar adecuadamente y logrando incluso algunas portadas.



“Estamos muy contentos, porque hay un reconocimiento de nuestro trabajo generado en Chile, en el que obviamente no se trabaja con las mismas condiciones que se trabaja en países desarrollados; siendo satisfactorio para todos los miembros del equipo que conforman estas investigaciones”, destaca Zagal.

Las correlaciones se han logrado a partir de un modelo semiteórico, que abarca aspectos de mecánica cuántica para explicar cómo la molécula de oxígeno actúa con el catalizador, utilizando situaciones similares de reactivación y consumo de este gas.

El modelo muestra cómo tienen que ser los catalizadores óptimos que, en simultáneo, reducen el oxígeno para saber cómo diseñarlos a nivel molecular y cuáles deben ser los parámetros para optimizar su funcionamiento y abaratar sus costos de producción.

Se ha logrado diseñar y preparar moléculas para catalizar la reacción de ambos elementos químicos, similares a moléculas biológicas. Estas son de alta complejidad, con muchos componentes y de estructura tridimensional, para lo cual se han diseñado gráficos denominados descriptores de reactividad, que muestran las mejores estructuras para la reacción, y que se reproducen para encontrar las óptimas condiciones en la molécula a usar.

El pasado 20 de octubre, y en el marco de una sesión virtual de la Academia Chilena de Ciencias, el doctor José Zagal fue reconocido como nuevo miembro y dictó una charla en que habló sobre la conversión de energía y los modelamientos teóricos de catalizadores, y donde expuso los últimos resultados de su investigación, para así resaltar el ascendente potencial de las pilas a combustible.

“Las tecnologías que pueden usar este tipo de catalizadores están un poco atrasadas, por ejemplo como resultado de la sobreutilización del petróleo desde comienzos del siglo pasado. Hace 150 años ya se habla del hidrógeno como el combustible ideal y Julio Verne, en algunos de sus libros, lo menciona como fuente de energía, y relata que incluso el submarino Nautilus funcionaba con pilas a combustible”, cierra el experto.

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Envíada por Freddy Sánchez Ibarra | 8 diciembre, 2022

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