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Celda de hidrógeno a base de tierras raras produciría energía limpia

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Este dispositivo de combustible, producido a partir de cerámicas o tierras raras –minerales compuestos de elementos químicos conductores de electricidad–, podría generar eficientemente tanta energía, que sería suficiente para mover un automóvil, un avión o un tren, o ser útil en el funcionamiento de zonas residenciales, industriales, o incluso hospitales de zonas no interconectadas.

La celda de hidrógeno fue diseñada por el ingeniero físico Harby Alexander Martínez Rodríguez, uno de los investigadores del Doctorado en Ingeniería – Línea de Investigación en Automática de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL).

En su tesis de doctorado “Evaluación del desempeño de una celda de combustible de hidrógeno de óxido sólido de ánodo soportado en función del dopaje de Er3+ en el electrolito”, el investigador propone el diseño de este dispositivo como respuesta a la necesidad de la sociedad actual de producir energía limpia de manera eficiente.

Los materiales cerámicos o tierras raras –que en realidad no son tierra sino elementos químicos– son la materia prima para este sistema, ya que presentan propiedades como alta dureza y resistencia al calentamiento, además de una fractura frágil, pues por su coeficiente de expansión térmica, que es muy alto, son materiales que pueden soportar altas temperaturas sin modificar su naturaleza. Los yacimientos o minas donde se encuentra la mayoría de los 17 elementos que se agrupan como tierras raras se encuentran en China, India y Australia, y otros países con menores porcentajes.

En Colombia, el potencial de producción de elementos de tierras raras –entre otros metales como niobio (Nb), tantalio (Ta) y uranio (U)– está en departamentos como Vichada y Vaupés. Las demás regiones están más relacionadas con oro, platino y plata.

Energía eficiente y renovable

Teniendo en cuenta la fuerte problemática medioambiental centralizada en el uso de combustibles fósiles y procesos poco eficientes en la generación, el almacenamiento y la distribución de la energía, el ingeniero Martínez hizo una investigación y búsqueda exhaustiva para encontrar sistemas tecnológicos capaces de suplir estos retos, y encontró que la Celda SOFC –una pila de combustible de óxido sólido–  es uno de los sistemas de mayor producción de energía eficiente y renovable.

El desarrollo de dicha celda funciona como un sistema electroquímico capaz de producir energía mediante gases como el hidrógeno y el metano, entre otros, de los cuales se obtiene el hidrógeno, generando energía eléctrica suficiente que se puede almacenar para su uso posterior, y como subproducto se obtiene vapor de agua.

Según el ingeniero, una de las ventajas más importantes de su desarrollo es que la celda de energía es un dispositivo de naturaleza no contaminante.

“El hidrógeno, que es un vector energético con alta capacidad calorífica, y que por su naturaleza no es contaminante, permitiría enfriar el planeta si se usa en todos los procesos de producción energética con una celda de combustible, ya sea PEM, SOFC (pila de combustible de óxido sólido) o alcalina, entre otras”, detalla el investigador de la UNAL.

Destaca además que lo importante de esta tecnología es que, por no presentar sistemas mecánicos, en la obtención de energía eléctrica de las especies gaseosas dará un mayor rendimiento en cualquier sistema que requiera energía.

También considera relevante tener presente que este tipo de dispositivos permite capturar ciertas cantidades de CO2, lo cual es una ventaja frente a cualquier dispositivo que produzca algo de energía.

Entre las compañías que actualmente realizan I+D (investigación  y desarrollo) de celdas de combustible SOFC están Honda, Hyundai, Toyota, Mitsubishi Power, Bosch, Airbus, General Electric, la Nasa, MIT Massachusetts Institute  of Technology, Ceres  entre otras. El plan es disminuir al máximo la producción  de gases de efecto invernadero e implementar el uso de Hidrógeno verde.

Así funciona

El ingeniero explica que “el proceso para obtener energía para esta celda se da través de las especies gaseosas que ingresan en la celda SOFC y que están influenciadas por temperaturas entre 600 y 800 ºC (hidrógeno - ánodo-electrolito, cátodo-electrolito - oxígeno), que al interactuar con el material cerámico –que presenta propiedades de materiales semiconductores, térmicamente activados– permiten realizar el proceso denominado “triple frontera de fase”. En este, el oxígeno que atraviesa la red cristalina mediante vacancias y que pasó de ser gas, inicialmente, a un ion, se recombina con el hidrógeno; en simultánea, el hidrógeno se debe protonizar (carga positiva) para ceder su electrón (carga negativa), el cual será colectado como energía por un circuito externo.

Este proceso involucra la movilidad de iones y electrones en la red cristalina de dichos materiales, para formar una molécula de agua, la cual se moverá en forma de vapor como subproducto de toda la reacción, por lo que sería el único sistema que produce energía y genera agua que se puede usar en otros procesos de manera renovable.


Conoce más proyectos y contacta a los investigadores a través del sitio web de la División de Extensión sede Bogotá o mediante el correo deb_bog@unal.edu.co.

  • Contenido elaborado por la Agencia de Noticias de la Universidad Nacional de Colombia. Consulta los detalles en este enlace.
  • Foto de portada: Freepik - jannoon028.

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