Actualmente seguimos dependiendo de los combustibles fósiles o hidrocarburos (gas natural, petróleo y carbón) para generación de energía eléctrica en México con un 81.01% a través de termoeléctricas (ver Figura 1). El principal problema de las termoeléctricas es la generación de gases de efecto invernadero (CO2, CO, NOx, SO2) productos de la reacción de combustión.
Fig. 1. Tecnologías empleadas para generación de energía eléctrica en México (SIE SENER 2017)
Como se muestra en la Figura 1, sólo empleamos 4 energías renovables:
Una alternativa renovable para generación de energía eléctrica son las Celdas de Combustible tipo PEM (Proton Exchange Membrane) la cual necesita como combustible hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) en fase gaseosa y generando como producto de reacción solo vapor de agua (H2O). Con esta tecnología no se emiten gases de efecto invernadero a la atmosfera. Siempre y cuando el hidrógeno y el oxígeno se obtengan a partir de agua en fase líquida por medio de un electrolizador (ver Figura 2).
Fig. 2. Funcionamiento de una Celda de Combustible tipo PEM (http://www.fuelcellstore.com).
a) Entrada de gases de hidrógeno (ánodo) y oxígeno (cátodo).
b) En el ánodo el hidrógeno pierde su electrón (generación de electricidad) y solo el protón (hidrógeno con carga positiva atraviesa la membrana PEM).
c) En el cátodo reaccionan el protón, el electrón y el oxígeno formando vapor de agua.
Para descomponer el agua, sólo se debe aplicar un voltaje de 1.23 V en corriente directa. Dicho voltaje es menor al de una batería AAA o AA (1.5V).
Las reacciones descritas anteriormente son redox, es decir, son dos semi-reacciones una de reducción en donde hay una ganancia de electrones y otra de oxidación en donde hay una pérdida de electrones.
Los electrodos empleados en ambos procesos son de carbono. El cual se puede obtener de materiales orgánicos, por lo que se le daría un valor agregado a cualquier desecho orgánico (cáscaras de frutas, semillas, etc.).
Las desventajas de estas celdas de combustible son dos:
• Catalizador de Pt en la cual está presente en los electrodos de carbono.
• Membrana de intercambio protónico que actúa como electrolito sólido dejando pasar solo protones (H+) elaborada a base de Nafion.
La principal aplicación de esta tecnología la observamos en el transporte, en los vehículos de hidrógeno. Las principales compañías automotrices emplean celdas de combustible PEM debido a su alta densidad de potencia, utilizando hidrógeno comprimido como combustible con eficiencias de hasta un 40% de eficiencia.
En este proceso de generación de energía eléctrica hay bastante campo de investigación buscando nuevos materiales de carbono, catalizadores y membranas de intercambio protónico que sean más eficientes y de menor costo.
En UPAEP se está realizando investigación en síntesis y caracterización de materiales de carbono obtenidos a partir de desechos de materia orgánica bajo la dirección del Dr. Alfredo Silverio Ordeñana Martínez, Profesor Investigador de la Facultad de Ingeniería Ambiental.
