Cómo el auge de las pilas de combustible puede beneficiar a Sudáfrica y Rusia

Sudáfrica y Rusia están frotándose las manos ante el auge de las pilas de combustible y su uso comercial en las aplicaciones más variopintas, a día de hoy sobre todo en automoción. ¿Y por qué estos dos países tan diferentes están tan entusiasmados ante el florecimiento de esta tecnología? ¿Por su faceta ecológica y sostenible? ¿Por la seguridad e independencia energética que puede suponer el hidrógeno? No, o al menos no más que el resto de países del mundo. El interés de Sudáfrica y Rusia por el despegue definitivo de las pilas de combustible tiene una importante faceta a mayores.

Pero primero tenemos que hablar de uno de los dos principales problemas para la comercialización global de vehículos con pilas de combustible, a saber, el coste de las pilas de combustible. El otro gran problema es la disponibilidad de hidrógeno de la que ya hemos mencionado algo en este blog. Los catalizadores empleados en los electrodos de las pilas de combustible junto con las membranas de intercambio de protones (típicamente utilizadas en pilas de hidrógeno para automoción) son los principales responsables del elevado precio de esta tecnología aplicada a la automoción [1].

¿Con qué comparar el coste en este caso? Pues con la tecnología imperante, el motor de combustión interna. Estos aunque técnicamente más complejos, con sus partes móviles, sus altas presiones y temperaturas, etc., presentan un coste (35$ – 50$ por kW [1]) muy inferior si se compara con las pilas de combustible. No es para menos, la producción en cadena de los motores de combustión interna se lleva realizando décadas y les confiere una gran ventaja en costes sobre todo ante una tecnología inmadura y floreciente que se produce “en cadena” desde hace poco más de un año. Pero siempre hay un PERO que alienta  a seguir trabajando e investigando. En este caso varios estudios realizados por o en nombre de los principales fabricantes de automóviles indican que las pilas de combustible podrían producirse a unos costes competitivos, suponiendo que se apliquen las técnicas de fabricación de producción en masa las cuales se están comenzando a aplicar. Además, cada año las pilas de combustible son más baratas. En promedio los costes han bajado un 25% anual en la última década [2]. Parece que se está yendo por una buena senda.

Pepita de platino

Pepita de Platino de una mina del macizo de Kondër en Kraj de Chabarovsk, Rusia.

Como hemos mencionado, uno de los principales costes procede de los catalizadores empleados en los electrodos, y es que el catalizador fundamentalmente utilizado en pilas de hidrógeno es nada más y nada menos que el platino (Pt), que precisamente barato no es. Los catalizadores utilizados en los electrodos de las pilas de combustible permiten acelerar y facilitar las reacciones de oxidación y reducción que tienen lugar en ellos pero sin modificarse químicamente, luego en principio no se gasta. A día 31 de diciembre de 2015 el precio de la onza de platino se situaba en unos 890$. Queda el consuelo de ser más barato que el oro que ese mismo día cotizaba a unos 1060$ la onza, pero no que la plata, la cual cerró a 13,8$ la onza. Y eso que tras el escándalo de Volkswagen el valor del Pt cayó sustancialmente, a mediados de octubre llegó a estar a unos 1000$ la onza, casi nada. Pero el coste que supone el platino en una pila de combustible dependerá como es evidente de la cantidad empleada de este material noble.

Carga de catalizador en el ánodo

El Pt presenta la mayor actividad electrocatalítica de cara a la oxidación del hidrógeno. Empleando electrodos optimizados de Pt sobre carbón activado en polvo en los cuales se utilizan nanopartículas de platino (2-3nm), solo se requiere una pequeña cantidad de este catalizador. De esta forma la carga de Pt en los ánodos de pilas de hidrógeno se ha reducido satisfactoriamente hasta 0.05 mg Pt/cm2 [3], y el coste asociado es relativamente modesto comparado con otros elementos del stack. Por ejemplo, para una pila de hidrógeno empleada en automoción que suministre unos 100 kW de potencia, y suponiendo una densidad de potencia de 1 W/cm2 serán necesarios unos 5 gramos de Pt. Al precio del 31 de diciembre de 2015 esto supondría unos  ~140$ de Pt para los ánodos del stack.

Carga de catalizador en el cátodo

En este caso, aunque el Pt sigue siendo el catalizador empleado fundamentalmente, presenta una actividad electrocatalítica para la reducción del oxígeno menor que para la oxidación del hidrógeno. Ello redunda en una mayor carga del catalizador, entre 0.4 y 0.5 mg Pt/cm2. Con el mismo ejemplo anterior se necesitarían unos 50 gramos de Pt para los cátodos de la pila de combustible lo cual supondría un precio de ~1400$.

Deposición por electrospray y estructura de platino.

Deposición de platino por electrospray (arriba). Nanoestructura de platino resultante (abajo)

Así pues el coste del platino como materia prima supondría unos 1600$ para una pila que proporcione 100kW. Por tanto, el coste del catalizador supone él solito 16$ por kW a lo que hay que sumar el resto de elementos que componen la pila de combustible, fundamentalmente la membrana de intercambio de protones que hacen que el coste supere los 70$ por kW. Se estima que para que los costes de las pilas de combustible se aproximen a los de los motores alternativos sería necesario reducir la carga de Pt en el cátodo a unos 0.1 mg Pt/cm2. En la actualidad existen diversas líneas de investigación que persiguen reducir la carga de Pt en el cátodo manteniendo las actuaciones, sustituir el Pt por una aleación de este con otro metal que mejore la actividad electrocatalítica frente a la reducción de oxígeno o desarrollar cátodos que no empleen tan siquiera Pt. Aun así, a día de hoy el Pt sigue siendo el catalizador más extendido tanto en las pilas de combustible de hidrógeno como de otros combustibles (metanol, etanol), ya sea en su forma pura o aleado con otros metales. ¿Y dónde entran Sudáfrica y Rusia en todo este tinglado? Pues bien, Sudáfrica (~75%) y Rusia (~15%) suman entre las dos más del 90% de la producción mundial del metal precioso en cuestión. Por tanto, la futura normalización en la sociedad del uso de los vehículos de hidrógeno redundará en jugosas ganancias para estos dos países.

Referencias

[1] F. Barbir, “PEM Fuel Cells: Theory and Practice”, 2nd ed, Elsevier.

[2] The ultimate guide to fuel cells and hydrogen technology, Hydrogen Europe.

[3] R. O’Hayre, S. Cha, W. Colella, F.B. Prinz, “Fuel Cell Fundamentals”, 2nd ed, John Wiley & Sons. 297-301 pp.

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