Energía sin humos.
Una versión de este artículo fue publicada en la revista "Mundo Científico" No. 233, ABRIL 2002, p. 66
Las pilas de combustible, alimentadas con hidrógeno o metanol, son una alternativa eficiente a los motores de combustión. El trabajo de Investigación y Desarrollo (I+D para los amigos) avanza a buen ritmo hacia el abaratamiento de pilas que constituirán un engranaje clave dentro de un ciclo energético crecientemente basado en energías renovables
Imaginemos por un momento una gran avenida de una gran ciudad, pongamos una Gran Vía cualquiera, bulliciosa y llena de tráfico humano, como siempre; transitada por multitud de coches, como de costumbre. Pero hagamos un verdadero esfuerzo e intentemos imaginarla sin el estridente humo de los tubos de escape ni el apestoso ruido de motores o motos. ¿Imposible?. Lo cierto es que los humanos somos tan animales de costumbre, tan adaptables a entornos hostiles, que incluso nos cuesta un buen esfuerzo deshacernos de hábitos que sabemos dañinos. Pero el transporte sin ruido y sin contaminación es posible.
Hace justo cien años, a principios del siglo XX se respiraban en el ambiente occidental esencias de progreso científico y tecnológico. Máquinas voladoras y mensajes telegráficos sin hilos competían por algunas de las primeras páginas de los periódicos de la época, augurando un siglo de desarrollo revolucionario en los transportes y las comunicaciones. Otros avances menos conspicuos, como la publicación de Albert Einstein en 1905 sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento (que formulaba la que después sería conocida como teoría restringida de la relatividad) adelantaban igualmente el progreso científico. Sin embargo, mientras esto ocurría, la mayor parte de las casas seguían alumbrando sus noches quemando combustibles; gas del alumbrado en zonas urbanas privilegiadas, candiles o quinqués de aceite o queroseno en el resto. Y no es que no existieran alternativas. El químico e inventor británico Joseph W. Swan en 1878, y el emprendedor norteamericano Thomas A. Edison en 1879 ya habían presentado en sociedad sendos diseños mejorados de bombillas con filamento de carbono incandescente. Pero veinte o treinta años después esos inventos modernos seguían siendo curiosidades al alcance de muy pocos. Tendrían que generalizarse la producción y distribución de electricidad y perfeccionarse aún más los diseños de aquellas primitivas bombillas (finalmente con filamento de tungsteno) para que acabaran alcanzando la categoría de artilugio cotidiano.
Pero cuando finalmente las lámparas eléctricas incandescentes sustituyeron a las lámparas de combustible y desterraron su tufillo y su hoyín, las casas se volvieron más brillantes, más limpias y más seguras. Al principio sólo las familias más acomodadas podían permitirse el lujo, pero a medida que creció la demanda y cayó el precio, más y más gente se pudo permitir su propia luz eléctrica. Y no es que la antigua tecnología se hubiese agotado; seguía habiendo carbón en abundancia para producir gas y alumbrar las casas, pero la tecnología limpia había ganado la partida.
A principios de este nuevo siglo XXI, la pugna entre quemar y respirar, entre tecnologías de combustión y tecnologías limpias se ha trasladado a la calle. Noventa años de producción en serie de automóviles de combustión con chimenea incorporada nos han dejado enganchados a las mieles del transporte rápido individual, pero empezando a sentir también la resaca de la contaminación de nuestro aire y nuestras aguas.
Y sin embargo existen tecnologías alternativas para acabar de implantar coches eléctricos, respirables y silenciosos, en nuestras calles. Las pilas de combustible o las baterías recargables son algunas de las más prometedoras. Ambas se basan en reactores electroquímicos en los que la energía química se convierte directamente en electricidad. La diferencia estriba en que en las baterías recargables es la energía química de los materiales que forman los electrodos la que se convierte en electricidad y, una vez esa energía se agota, necesitan un proceso de recarga que regenera la energía química a partir de electricidad. En las pilas de combustible sin embargo la energía química proviene de un combustible que se alimenta desde el exterior del reactor.
Después de una etapa inicial de evaluación de ambas tecnologías para aplicación en tracción eléctrica de vehículos, las pilas de combustible parecen estar ganando la partida, aunque conviene recordar que en el campo de la innovación tecnológica no sobra nadie y que diversos dispositivos y tecnologías cubren necesidades complementarias. En el caso de un coche eléctrico por ejemplo, aunque la pila de combustible acabe siendo el dispositivo principal de generación de energía entratrán en el diseño otros elementos como baterías o supercondensadores para almacenamiento de carga. Estos dispositivosLas pilas de combustible son ciertamente mucho más que curiosidades de laboratorio y aunque todavía necesitan de diversas mejoras de materiales y diseños, constituyen una alternativa seria a los ineficientes motores de combustión, una alternativa por la que se interesan tanto la industria del automóvil como las compañías eléctricas y del sector energético.
Como en tantas otras ocasiones a lo largo de nuestra evolución tecnológica, los principios científicos básicos que sustentan nuestra actual tecnología de pilas de combustible se descubrieron mucho antes de que sus aplicaciones fueran siquiera imaginables. En 1839, el inglés William Grove, jurista de profesión y físico de vocación había hecho público un experimento que demostraba la posibilidad de generar corriente eléctrica a partir de la reacción electroquímica entre hidrógeno y oxígeno. Su original experimento consistía en unir en serie cuatro celdas electroquímicas, cada una de las cuales estaba compuesta por un electrodo con hidrógeno y otro con oxígeno, separados por un electrolito. Grove comprobó que la reacción de oxidación del hidrógeno en el electrodo negativo combinada con la de reducción del oxígeno en el positivo generaba una corriente eléctrica que se podía usar a su vez para generar hidrógeno y oxígeno.
 Sir William Robert Grove (1811 – 1896), jurista de profesión y físico de vocación |  Grove usó cuatro celdas grandes, con H2 y O2 para producir energía eléctrica que a su vez se podía usar para generar hidrógeno y oxígeno (en la celda superior, más pequeña). |
Nos podríamos imaginar fácilmente los sarcásticos comentarios de los pragmáticos escépticos de la época. ¡Valiente negocio!, emplear cuatro volúmenes de gases para generar electricidad que genera un solo volumen. ¡Menuda pérdida de tiempo!. Sin embargo el experimento de Grove mostraba la esencia y el camino. La esencia, la interconvertibilidad entre la energía química de un combustible y la energía eléctrica; el camino, la posibilidad de convertir esa energía directamente en electricidad sin pasar por un proceso intermedio de combustión.
Y es que la manera tradicional de aprovechar la energía potencial de los combustibles quemándolos para que la energía térmica producida se convierta a su vez en energía mecánica es muy poco eficiente. Ése es precisamente el proceso que siguen nuestros motores de combustión interna y también nuestras grandes centrales térmicas. El paso intermedio a través de la energía térmica limita drásticamente la eficiencia, y la limita de forma inherente, debido a las leyes de la termodinámica, sin que ningún proceso de optimización lo pueda corregir.
En una pila de combustible, por contra, la energía química del "combustible" se convierte directamente en energía eléctrica a través de una reacción electroquímica, sin mediar proceso alguno de "combustión", y la eficiencia llega a alcanzar valores de hasta un 70%. El dispositivo es conceptualmente muy simple; una celda de combustible individual está formada por dos electrodos separados por un electrolito que permite el paso de iones pero no de electrones. En el electrodo negativo tiene lugar la oxidación del combustible (normalmente H2 aunque puede ser también metanol u otros) y en el positivo la reducción del oxígeno del aire. Las reacciones que tienen lugar son las que se indican a continuación. 
Los iones (H+ en este caso) migran a través del electrolito mientras que los electrones (e- ) circulan a través del circuito externo (el motor eléctrico de nuestro coche). Una de estas celdas individuales genera un voltaje cercano a un voltio; para las aplicaciones que requieren mayor voltaje y alta potencia se apilan en serie el número necesario de estas celdas que forman la pila de combustible propiamente dicha.
 Esquema de la estructura y funcionamiento de una pila de combustible. El hidrógeno fluye hacia el ánodo donde un catalizador como el platino facilita su conversión en electrones y protones (H+). Estos atraviesan la membrana electrolítica para combinarse con el oxígeno y los electrones en el lado del cátodo (una reacción catalizada también por el platino). Los electrones, que no pueden atravesar la membrana de electrolito, fluyen del ánodo al cátodo a través de un circuito externo y alimentan nuestros dispositivos eléctricos. La figura muestra una sola celda electroquímica que produce aproximadamente 1 Voltio. Para aplicaciones de potencia se apilan muchas de estas celdas para formar la pila de combustible, cuyo voltaje aumenta en proporción al número de celdas apiladas. |
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