Electricidad de amoníaco respetuosa con el clima
La electricidad y el calor se generan en un único sistema compacto, sin emisiones de CO2 ni otros subproductos nocivos.
Utilizar hidrógeno para generar electricidad no provoca emisiones perjudiciales para el clima. Pero almacenar y transportar el gas plantea problemas técnicos. Por ello, los investigadores del Instituto Fraunhofer utilizan amoníaco, un derivado del hidrógeno más fácil de manipular, como material de partida. El amoníaco se craquea en una pila de combustible de alta temperatura, y el hidrógeno producido en este proceso se convierte en electricidad. El calor residual puede utilizarse, por ejemplo, como energía térmica.
Sistema de demostración para la generación de electricidad sin emisiones de carbono con amoníaco en pilas de combustible de alta temperatura (SOFC).
© Fraunhofer IKTS
Hay grandes esperanzas puestas en el hidrógeno y sus derivados como fuentes de energía. Desempeñan un papel central en el componente de transición energética de la Estrategia Nacional del Hidrógeno del gobierno federal alemán. Se ha determinado que el amoníaco (NH3) tiene un potencial especialmente elevado, ya que el hidrógeno es más fácil de almacenar y transportar en forma de amoníaco.
Un equipo de investigadores con la profesora Laura Nousch del Instituto Fraunhofer de Tecnologías y Sistemas Cerámicos IKTS de Dresde ha desarrollado un demostrador basado en una pila de combustible de alta temperatura (pila de combustible de óxido sólido, SOFC) que puede utilizar amoníaco para generar electricidad directamente y con gran eficiencia. La electricidad y el calor se generan en un único sistema compacto, sin emisiones deCO2 ni otros subproductos nocivos.
El amoníaco se convierte en hidrógeno, el hidrógeno en electricidad
Laura Nousch, investigadora de Fraunhofer, explica las ventajas de este método: "El amoníaco se utiliza en la industria química desde hace décadas, por ejemplo para producir fertilizantes, por lo que existen procesos establecidos y conocidos de manipulación de esta sustancia. Sin embargo, sigue siendo necesario tratarlo con precaución. Como portador de hidrógeno, el amoníaco ofrece una alta densidad energética y, al mismo tiempo, es relativamente fácil de almacenar y transportar. El amoníaco es un material de partida ideal para la generación respetuosa con el clima de electricidad y energía térmica".
En el proceso, el amoníaco se acondiciona primero y se introduce en el cracker, donde se calienta a temperaturas de 300 grados centígrados o más. En respuesta, se descompone en hidrógeno (H2) y nitrógeno (N2). Una vez finalizado el proceso, el nitrógeno puede liberarse simplemente junto con el vapor de agua como gases de escape inocuos. A continuación, el hidrógeno se introduce en la pila de combustible de alta temperatura. En el electrolito cerámico, fluye sobre el ánodo, mientras que las corrientes de aire pasan por el cátodo. La división del hidrógeno libera electrones que se desplazan del ánodo al cátodo. Así comienza a fluir la electricidad. Además de vapor de agua, esta reacción electroquímica también produce energía térmica. La postcombustión también genera calor. "El calor se utiliza para mantener la alta temperatura dentro del cracker y también se libera como calor residual. Este último puede utilizarse para fines como la calefacción de edificios", explica Nousch.
Alta eficiencia al 60
A la hora de diseñar el sistema, los investigadores del Fraunhofer IKTS aprovecharon sus décadas de experiencia en pilas de combustible cerámicas. El equipo fue capaz de construir un demostrador de pila de combustible que gestiona todo el proceso de descomposición del amoníaco en hidrógeno y la posterior generación de electricidad a partir de él, todo en un solo dispositivo. La eficiencia de este método, al igual que los basados en gas natural, se sitúa en el 60%, pero con la diferencia de que los sistemas SOFC de amoníaco son comparativamente sencillos y robustos en su estructura.
El sistema es perfecto para pequeñas empresas industriales que quieran generar electricidad sin emisiones de carbono pero no estén conectadas a la futura red central de hidrógeno, o para municipios y empresas locales de servicios públicos que quieran suministrar calor ecológico a sus clientes. Incluso los grandes buques pueden equiparse de este modo con propulsores ecológicos basados en amoníaco/hidrógeno.
Sistemas de pilas de combustible a medida
Cuanto mayor es la temperatura en el cracker, más amoníaco se descompone en hidrógeno. En cambio, a temperaturas más bajas, es decir, algo más de 400 grados centígrados, queda una parte considerable del amoníaco. "Sin embargo, nuestras pruebas demostraron que las moléculas de amoníaco también se descomponen completamente en hidrógeno en la pila de combustible de alta temperatura. Esto puede incluso aumentar el rendimiento global del sistema", afirma Nousch. Y eso abre varias opciones para la gestión térmica. "El diseño específico y la gestión térmica inteligente se combinan con otras modificaciones de aspectos como la potencia y el tamaño de las pilas de combustible. Así, podemos idear soluciones a medida para generar electricidad y calor de forma respetuosa con el clima, especialmente para pequeñas y medianas empresas", explica.
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