ENERGÍAS NUEVAS – Una celda de combustible es esencialmente una batería primaria de alimentación continua.
Al igual que las baterías convencionales, las celdas de combustible son dispositivo electroquímicos que generan silenciosamente electricidad DC directamente por separación de cargas positivas y negativas, sin combustión y sin producir emisiones de polución. Es decir es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de un combustible y un oxidante directamente en electricidad. También tienen un ánodo, un cátodo y un electrolito, así como un terminal positivo y uno negativo. Sin embargo, al contrario de las baterías convencionales, sus electrodos no se consumen y las mismas no necesitan ser recargadas porque se alimentan de una infusión continua de hidrógeno, oxígeno, aire u otros combustibles alternativos.
El principio detrás de las celdas de combustible es el inverso a la electrólisis. En esta última se producen cambios químicos pasando una corriente a través de un electrolito. Por ejemplo, si los electrodos se suspenden en agua y se pasa una corriente entre ellos, se formará hidrógeno en el cátodo (-) y oxígeno en el ánodo (+). El proceso es reversible, como lo demostró en 1839 Sir William Grove, un científico galés, combinando oxígeno e hidrógeno bajo condiciones controladas para producir electricidad y agua como subproducto. Tal como se mencionara en un principio su descubrimiento permaneció como una curiosidad de laboratorio hasta la década de 1960 cuando el programa espacial de los Estados Unidos optó por las celdas de combustible como fuentes de energía para el programa Géminis, en lugar de la peligrosa energía nuclear o la costosa energía solar.
Las primeras celdas de combustible utilizaban hidrógeno y oxígeno. Actualmente se utilizan muchos otros tipos de reacciones químicas para producir electricidad sobre principios similares. Sin embargo, por razones didácticas, examinaremos inicialmente como trabaja una celda de combustible de hidrógeno-oxígeno. En la figura 2 se muestra la estructura básica de una unidad de este tipo, constituida por dos electrodos separados por un electrolito, el cual actúa como mediador químico. El hidrógeno, que actúa como combustible, está disponible en el ánodo, mientras que el oxígeno, que actúa como oxidante, lo está en el cátodo. Al aplicar los dos gases a los electrodos, se producen varios efectos interesantes.
Principio de funcionamiento de una celda de combustible de hidrógeno-oxfgeno. El hidrógeno se une con los iones hidroxilo en el ánodo para crear agua, liberando electrones que hacen el trabajo. En el cátodo, el oxígeno reacciona con el agua del electrolito y los electrones del circuito externo para formar iones hidroxilo.
Cuando los átomos de hidrógeno pasan a través del ánodo, se generan por ionización (iones de hidrógeno), electrones que son obligados a circular a través de un circuito externo hacia el electrodo opuesto o cátodo. En el cátodo, estos electrones se unen con el oxígeno para producir iones hidroxilo, los cuales viajan a través del electrolito para completar el circuito eléctrico. La unión de los átomos de hidrógeno y los iones hidroxilo en el ánodo genera a su vez agua como subproducto. El proceso se repite indefinidamente mientras se mantenga el suministro continuo de hidrógeno y oxígeno, y la carga externa demande corriente.
Esta conversión de energía en las celdas se realiza con mucha mayor eficiencia que en los sistemas Otto o Diesel, debido a que no existen las limitaciones impuestas por el ciclo de Carnot. La eficiencia teórica para la conversión de energía en una celda hidrógeno-oxígeno es del 83%. Las eficiencias prácticas de estas celdas en estado puro de hidrógeno y oxígeno están en el rango de entre 50 y 60%. Las pérdidas en una celda de combustible básica ocurren en ella misma, resultando calor que debe ser removido. La eficiencia baja cuando en lugar de hidrógeno se utilizan fuentes de hidrocarburo, metanol o gas natural. Esto se debe a las pérdidas adicionales que aparecen al disociar estos combustibles para extraer el hidrógeno de sus moléculas.
La salida de una celda de combustible es potencia DC de bajo voltaje y alta corriente. Teóricamente se puede obtener bajo condiciones ideales (1 atmósfera de presión y 25º C) una tensión de 1.23 Volts, sin embargo a altas corrientes este valor disminuye a 1 Volt aproximadamente. Al igual que las baterías, se pueden interconectar celdas de combustible individuales en configuraciones serie o paralelo para incrementar, respectivamente, la capacidad de voltaje o de corriente.
Además cabe señalar que para la operación de una celda de combustible se requiere de un sistema integrado que controle la temperatura y mantenga un monitoreo permanente de todos los sistemas auxiliares como bombas, sistemas de circulación de fluidos, reacción a cambios de carga y almacenaje del combustible. En caso de que el combustible no sea hidrógeno, se requiere de una etapa de procesamiento químico para, como ya se mencionó, disociar el hidrógeno para la operación de la celda.
Actualmente, muchas compañías como Ballard Power Systems, Chrysler, Ford Motor, Energy Partners, International Fuell Cells, Plug Power, HPower, Mechanical Technology, Daimler-Benz, Mazda, Toyota, etc., están trabajando intensamente en el desarrollo de nuevas tecnologías de celdas de combustible, o la implantación de las ya existentes, para aplicaciones automotrices. Un ejemplo representativo son las celdas de combustible PEM (Proton Exchange Membrane: Membrana de Intercambio de Protones) desarrolladas por Ballard para buses y otros vehículos de transporte masivo que operan en Canadá y Estados Unidos
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Adriana Serquis, egresada del Doctorado en Física y docente del Instituto Balseiro, recibió el Premio “Por las mujeres en la ciencia” 2014 en el Salón Azul del Senado de la Nación. Serquis recibió el premio por sus destacados antecedentes académicos y por un proyecto presentado en el campo de la ciencia de materiales.
Adriana Serquis estudió licenciatura de Física en la Universidad de Buenos Aires y luego decidió mudarse a Bariloche, donde realizó el Doctorado en Física en el Instituto Balseiro.
Serquis tiene 47 años de edad, tiene dos hijos y es docente del Instituto Balseiro y de la Universidad Nacional de Río Negro. La investigadora del CONICET en el Centro Atómico Bariloche, dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), recibió hace unos días un llamado telefónico que le anunció que era la ganadora del premio nacional Unesco. Trabaja en líneas avanzadas de SOFC.
“Sabía que estaban por anunciar el premio, y cuando me dijeron que me pasaban con el presidente del CONICET, me emocioné”, cuenta la ganadora.
Serquis dirige tesis de doctorado, dicta diversos cursos académicos y participa en numerosas actividades de extensión y de divulgación en el Instituto Balseiro, dependiente de la CNEA y de la Universidad Nacional de Cuyo (UNCuyo). En 2010, Serquis había recibido una mención especial del mismo certamen nacional “Por las mujeres en la ciencia” ,que se entrega a científicas desde 2007 y que tiene como objetivo “reconocer y apoyar la excelencia del trabajo de la mujer en el ámbito científico, y promover la participación de las mujeres en la ciencia a nivel nacional”, informan sus organizadores.
En esta edición 2014, el premio se entregó en el campo de “Ciencias de la Materia”. Serquis, que en 2013 recibió un premio Konex (Diploma al Mérito), fue galardonada por su trabajo «Técnicas avanzadas de Caracterización de Materiales para Energías Limpias». A la vez, recibieron menciones especiales las investigadoras María Luján Ferreira, investigadora del Conicet en la Planta Piloto de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Sur (Bahía Blanca) y Silvia Ceré, investigadora del Conicet en la Universidad Nacional de Mar del Plata.
PASIÓN POR LA FÍSICA Y POR LA ENSEÑANZA
Adriana Serquis sabía desde chica que la física era su pasión. “Mamá dice que cuando el hombre llegó a la Luna y yo tenía dos años le dije que quería ser astronauta”, recuerda la científica. “Mis recuerdos de la escuela primaria son que me pasaba desarmando y armando cosas, quizás por la influencia de mi papá, que era Ingeniero Industrial, y de mi abuelo, fue siempre muy autodidacta”, cuenta Serquis. Agrega que su libro favorito por ese entonces se llamaba “Tecnirama”, que era una gran fuente de inspiración.
“Cuando entré a primer año de la secundaria, me enteré que existía algo que se llamaba Física y desde ese momento supe que iba a estudiar esa carrera. Aunque también me gustaban las ciencias sociales y en quinto año me agarró la crisis y seguí dos carreras: profesorado en enseñanza primaria y Física al mismo tiempo”, sintetiza la investigadora. Además de estudiar en la UBA y en el Balseiro, realizó un posdoctorado en Los Álamos, en los Estados Unidos, y en la actualidad realiza la Maestría en Ciencia, Tecnología e Innovación en la UNRN, en la orientación de Política Científica.
– ¿Podrías contar de forma breve qué temas investigás como investigadora del CONICET en el grupo de caracterización de materiales del CAB-CNEA?
-Trabajo en el campo de materiales para energías limpias, en dos áreas distintas: celdas de combustible y súperconductores. Trabajamos en cooperación con el laboratorio de bajas temperaturas porque muchas de las propiedades las medimos en ese laboratorio y también en cooperación con investigadores de Los Álamos, en los Estados Unidos. Ahora estamos tratando de poner en marcha un criogenerador para hacer las mediciones en el edificio de Materiales. Ya tenemos un PICT start up y estamos haciendo desarrollo de cables súperconductores desde hace varios años.
– ¿Qué desafíos podés mencionar para el 2015?
-Uno de ellos es poner en marcha el criogenerador, y otro es que mis estudiantes finalicen sus doctorados. También tenemos que iniciar todo el proyecto vinculado al trabajo premiado en Unesco, que consiste en la formación de jóvenes en técnicas relacionadas con grandes instalaciones como sincrotrones y también con facilidades de neutrones. Este proyecto está relacionado con el proyecto RA-10 que lleva adelante la CNEA ya que ese reactor tendrá un haz de neutrones. Aparte, un sincrotrón es un acelerador circular en el que los electrones van a muy alta energía; los electrones al doblar emiten radiación. Uno puede seleccionar energías y estudiar materiales específicos como aquellos que usamos en las celdas de materiales, que son algunos óxidos de “tierras raras”.
-Sos una persona muy curiosa e inquieta… Además de dar clases y dirigir tesis de doctorado, siempre participás en actividades de divulgación y de extensión. ¿Por qué te gusta tanto la enseñanza?
-Me interesa mucho la dimensión social, y todo lo que tiene que ver con la enseñanza y con la divulgación científica está conectado con ese interés por lo social. De hecho, cuando tenía que elegir qué estudiar, casi elijo la carrera de Asistente social, a la vez de la carrera de Física… Nunca dudé de seguir Física, eso siempre lo tuve claro.
En 2014, Serquis participó como docente en el curso de crecimiento de cristales que se dictó en el Balseiro organizado por la Sección de Divulgación del CAB (en homenaje al Año Internacional de la Cristalografía). La científica también representó al Balseiro en la Feria del Libro, donde se realizaron actividades de divulgación sobre cristalografía. Asimismo, este año Serquis viajó a Formosa para brindar cursos de materiales a docentes de escuelas secundarias de esa provincia. En 2015, ya tiene planificado dar algunos cursos de posgrado.
Curiosamente, Adriana Serquis nació el 7 de noviembre de 1967, justo 100 después que Marie Curie, que nació el 7 de noviembre de 1867 y que marcó un camino y sigue inspirando en la actualidad a quienes se dedican a develar los secretos de la materia.
Entrevista: Instituto Balseiro- Argentina