Pilas de combustible alimentadas con amoníaco

El almacenamiento y transporte de Energía Renovable (ER) es, con mucho, el mayor obstáculo que impide una penetración más profunda de las tecnologías de ER en el mercado energético. El amoníaco se ha convertido en un candidato potencial ya que las tecnologías y los estándares para el almacenamiento, manejo y transporte de amoníaco ya están disponibles. Hay iniciativas comerciales en este espacio, una de las más notables es Asian Renewable Energy Hub (AREH) en Australia Occidental, que es una planta de generación de energía eólica y solar de 26 GW que facilita la exportación de energía renovable en forma de amoníaco verde.

El CSIRO tiene en marcha un proyecto para el uso de pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) alimentadas con amoníaco a temperatura baja o intermedia para convertir el amoníaco en electricidad en un solo paso sin necesidad de craqueo externo de amoníaco. La tecnología ofrece la mayor eficiencia eléctrica y térmica de ida y vuelta (> 50%) entre todas las tecnologías conocidas para la utilización de amoníaco. A pesar de las ventajas de eficiencia, las SOFC de temperatura baja a intermedia no se han estudiado exhaustivamente y aún no se han establecido materiales diseñados específicamente para la utilización eficiente de amoníaco para operaciones por debajo de los 600 °C.

Aprovechando los 30 años de experiencia de CSIRO en el desarrollo de pilas de combustible y sistemas electrolizadores, se han establecido instalaciones para probar materiales para pilas de combustible de amoníaco, de hasta 5 kW. Los equipos de prueba están automatizados e integrados con herramientas de diagnóstico y análisis electroquímico de última generación para una comprensión profunda de la electroquímica celular, el desarrollo y la evaluación de electrocatalizadores. Usando enfoques de desarrollo combinativos, se está estudiando el mecanismo fundamental de la degradación de materiales y las reacciones de amoníaco en SOFC utilizando técnicas experimentales y de computación. 

El resultado del proyecto sería una celda de combustible de amoníaco escalable que demostraría la viabilidad de los sistemas comerciales de conversión de amoníaco en energía y ampliaría significativamente el potencial del mercado de exportación de hidrógeno más allá de lo que se puede lograr solo con la adopción de vehículos con pilas de combustible de hidrógeno. 

La primera pila de combustible alimentada con amoníaco de alta temperatura del mundo para el transporte marítimo

En marzo de 2021, el hidrógeno era el enfoque principal en el área de la energía sostenible: entonces existían planes para usar hidrógeno como combustible para autobuses, vehículos comerciales e incluso automóviles. Sin embargo, el Instituto Fraunhofer de Microingeniería y Microsistemas IMM en Mainz estaba trabajando en otra posibilidad prometedora. Como parte del proyecto ShipFC, el Instituto Fraunhofer estaba colaborando con 13 socios del consorcio europeo para desarrollar la primera celda de combustible a base de amoníaco del mundo para el transporte marítimo. Los investigadores de Fraunhofer eran los responsables de desarrollar el convertidor catalítico.

El transporte marítimo es uno de los principales contribuyentes a las emisiones de gases de efecto invernadero. Según información proporcionada por la Agencia Ambiental Alemana (UBA), el transporte marítimo en los océanos del mundo es actualmente responsable de aproximadamente el 2,6 por ciento de las emisiones globales de CO 2 . En 2015 se emitieron alrededor de 932 millones de toneladas de CO2 y esa cifra aumenta cada año. 

El proyecto ShipFC tiene como objetivo demostrar que la nueva tecnología de propulsión libre de emisiones funciona de manera segura, confiable y sin problemas, incluso en barcos grandes y en viajes largos. El proyecto está siendo coordinado por NCE Maritime Cleantech de Noruega, una organización que tiene como objetivo desarrollar tecnologías ecológicas en el sector marítimo.

Las ventajas del amoníaco

El amoníaco es conocido por su uso como fertilizante en el sector agrícola. Sin embargo, también puede funcionar como un portador de energía de alta calidad. El Prof. Gunther Kolb, director de la división de energía y subdirector del instituto en el IMM, explica: “El amoníaco tiene ventajas significativas sobre el hidrógeno. El hidrógeno debe almacenarse a -253 grados centígrados como líquido, o a presiones de alrededor de 700 bar como gas. El amoníaco líquido se puede almacenar a una temperatura razonable de -33 grados centígrados a presión estándar y +20 grados centígrados a 9 bar. Eso hace que almacenar y transportar este portador de energía sea considerablemente más fácil y directo”.

Cómo funcionan la pila de combustible y el convertidor catalítico

El proceso para generar electricidad a partir de amoníaco funciona de manera similar a las centrales eléctricas basadas en hidrógeno. Primero, el amoníaco (NH 3) se introduce en un reactor de fisión, donde se divide en nitrógeno (N 2) e hidrógeno (H 2). El 75 por ciento del gas consiste en hidrógeno. Una pequeña cantidad de amoníaco (NH 3, 100 ppm) no se convierte y queda en la corriente de gas.

En segundo lugar, se alimenta nitrógeno e hidrógeno a la celda de combustible y se introduce aire, lo que permite que el hidrógeno se queme y forme agua. Esto produce energía eléctrica. Sin embargo, el hidrógeno no se convierte completamente en la celda de combustible. Alrededor del 12 por ciento del hidrógeno y algo de amoníaco residual dejan la celda de combustible sin quemar. Este residuo luego se introduce en el convertidor catalítico desarrollado por Fraunhofer IMM. Aquí, se introduce aire y el residuo entra en contacto con una lámina de metal corrugado recubierta con una capa de polvo de partículas catalíticas que contienen platino. Esto desencadena una reacción química. En última instancia, los únicos productos finales son agua y nitrógeno. Un proceso de reacción óptimo ni siquiera producirá óxidos de nitrógeno perjudiciales para el medio ambiente.

El equipo de investigación del IMM también está desarrollando el reactor que contiene el catalizador, que funciona de forma pasiva. El reactor controla la temperatura y el flujo de gas. Por ejemplo, precalienta el catalizador incluso antes de que arranquen los motores, ya que es menos eficiente cuando está frío. “La temperatura de los gases que fluyen a través del convertidor catalítico probablemente debería rondar los 500 grados centígrados para que el proceso de purificación de gases residuales sea lo más eficiente posible”, explica Kolb.

Los investigadores de Fraunhofer IMM tienen décadas de experiencia en el desarrollo de reactores que incluyen catalizadores para una amplia variedad de aplicaciones en el sector del transporte y la movilidad. El instituto con sede en Maguncia tiene nueve bancos de pruebas, pero la purificación de gases residuales de celdas de combustible de amoníaco con una capacidad de 2 megavatios sigue siendo un desafío tecnológico. “Tenemos que desarrollar aún más nuestra tecnología existente de celdas de combustible impulsadas por amoníaco, y el convertidor catalítico para un barco es obviamente mucho más grande que el de un automóvil normal”, dice Kolb.

El estado del proyecto en aquel entonces

El equipo de IMM planeaba completar un pequeño prototipo inicial para fines de 2021, seguido de un prototipo de tamaño real para fines de 2022. En la segunda mitad de 2023, el primer barco con una celda de combustible alimentada con amoníaco se haría a la mar: el Viking Energy, un buque de suministro propiedad de la naviera noruega Eidesvik. Después de eso, otros tipos de embarcaciones, como los cargueros, estarán equipados con celdas de combustible alimentadas con amoníaco.

El potencial del amoníaco para el futuro

El amoníaco lo proporciona YARA, socio del consorcio ShipFC. La empresa química produce actualmente un tercio del amoníaco que se utiliza en todo el mundo. El proyecto ShipFC utiliza amoníaco “verde”, es decir, amoníaco producido a partir de fuentes de energía renovables.

ShipFC está abriendo grandes oportunidades para un proveedor de energía previamente infravalorado. El investigador del IMM, Gunther Kolb, elabora: “Vemos el amoníaco no como un competidor directo del hidrógeno, sino como una opción adicional en el área de la energía sostenible. Con sus ventajas de almacenamiento, esta tecnología respetuosa con el medio ambiente para la generación de energía ciertamente tiene un papel que desempeñar. Usarlo en barcos es solo el comienzo”.

El potencial del amoníaco también ha sido reconocido a nivel político, con la Unión Europea proporcionando 10 millones de euros en apoyo financiero para el proyecto ShipFC.

Pilas de combustible de óxido sólido

Las pilas de combustible de óxido sólido son pilas de combustible caracterizadas por el uso de un material de óxido sólido como electrolito, para conducir iones de oxígeno negativos desde el cátodo al ánodo. La oxidación electroquímica del hidrógeno, el monóxido de carbono u otros compuestos orgánicos intermedios por los iones de oxígeno se produce por tanto en el lado del ánodo. Más recientemente, se están desarrollando SOFC conductoras de protones (PC-SOFC) que transportan protones en lugar de iones de oxígeno a través del electrolito con la ventaja de poder funcionar a temperaturas más bajas que las SOFC tradicionales.

Estas pilas funcionan a temperaturas muy altas, normalmente entre 500 y 1000 °C. A estas temperaturas, las SOFC no requieren un costoso material catalizador de platino, como es necesario actualmente para las celdas de combustible de temperatura más baja, como las PEMFC, y no son vulnerables al envenenamiento del catalizador por monóxido de carbono. Sin embargo, se ha observado ampliamente la vulnerabilidad al envenenamiento por azufre, por lo que el azufre debe eliminarse antes de entrar en la pila mediante el uso de lechos adsorbentes u otros medios.

Las pilas de combustible de óxido sólido tienen una amplia variedad de aplicaciones, desde su uso como unidades de energía auxiliar en vehículos hasta la generación de energía estacionaria con salidas de 100 W a 2 MW. En 2009, la empresa australiana Ceramic Fuel Cells logró con éxito una eficiencia de un dispositivo SOFC del 60%. La temperatura de funcionamiento más alta hace que las SOFC sean candidatas adecuadas para su aplicación en dispositivos de recuperación de energía de motores térmicos o calor y electricidad combinados, lo que aumenta aún más la eficiencia general del combustible .

Debido a estas altas temperaturas, los combustibles de hidrocarburos ligeros, como el metano, el propano y el butano, pueden reformarse internamente dentro del ánodo. Las SOFC también pueden alimentarse mediante la reforma externa de hidrocarburos más pesados, como gasolina, diésel, combustible para aviones (JP-8) o biocombustibles. Dichos reformados son mezclas de hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, vapor y metano, formados al hacer reaccionar los combustibles de hidrocarburo con aire o vapor en un dispositivo antes de llegar al ánodo del SOFC. Los sistemas de energía SOFC pueden aumentar la eficiencia mediante el uso del calor emitido por la oxidación electroquímica exotérmica dentro de la celda de combustible para el proceso de reformado con vapor endotérmico. Además, los combustibles sólidos como el carbón y la biomasa pueden gasificarse para formar gas de síntesis, que es adecuado para alimentar SOFC en ciclos de energía de celdas de combustible de gasificación integrada .

La expansión térmica exige un proceso de calentamiento uniforme y bien regulado en el arranque. Las pilas SOFC con geometría plana requieren del orden de una hora para calentarse a la temperatura de funcionamiento. Las geometrías del diseño de celdas de combustible microtubulares prometen tiempos de arranque mucho más rápidos, típicamente del orden de minutos.

A diferencia de la mayoría de los otros tipos de celdas de combustible, las SOFC pueden tener múltiples geometrías. La geometría de diseño de celda de combustible planar es la típica geometría de tipo sándwich empleada por la mayoría de los tipos de celdas de combustible, donde el electrolito se intercala entre los electrodos. Las SOFC también se pueden fabricar en geometrías tubulares en las que el aire o el combustible pasan por el interior del tubo y el otro gas pasa por el exterior del tubo. El diseño tubular es ventajoso porque es mucho más fácil sellar el aire del combustible. Sin embargo, el rendimiento del diseño plano actualmente es mejor que el rendimiento del diseño tubular, debido a que el diseño plano tiene comparativamente una resistencia más baja. Otras geometrías de SOFC incluyen diseños de celdas de combustible planas modificadas (MPC o MPSOFC), donde una estructura en forma de onda reemplaza la configuración plana tradicional de la celda plana. Dichos diseños son muy prometedores porque comparten las ventajas tanto de las celdas planas (baja resistencia) como de las celdas tubulares.

Una celda de combustible de óxido sólido se compone de cuatro capas, tres de las cuales son de cerámica (de ahí el nombre). Una sola celda que consta de estas cuatro capas apiladas juntas suele tener solo unos pocos milímetros de grosor. Luego, cientos de estas celdas se conectan en serie para formar lo que la mayoría de la gente llama una "pila SOFC". Las cerámicas utilizadas en las SOFC no se vuelven eléctrica ni iónicamente activos hasta que alcanzan temperaturas muy altas y, como consecuencia, las pilas deben funcionar a temperaturas que oscilan entre los 500 y los 1.000 °C. La reducción de oxígeno en iones de oxígeno se produce en el cátodo. Estos iones pueden luego difundirse a través del electrolito de óxido sólido hacia el ánodo, donde pueden oxidar electroquímicamente el combustible. En esta reacción, se desprende un subproducto de agua y dos electrones. Estos electrones luego fluyen a través de un circuito externo donde pueden trabajar. Luego, el ciclo se repite a medida que esos electrones ingresan nuevamente al material del cátodo.