La tecnología empleada actualmente para la fabricación de baterías está llegando al límite de la cantidad de energía que puede ser “empaquetada” por cada kilogramo de peso. De hecho, mediante el empleo de esta misma tecnología se está tendiendo a empaquetar y disminuir el tamaño de las mismas a base de comprimir más y más los componentes que generan la reacción eléctrica, convirtiéndolas en baterías de muy alta densidad pero a su vez, en verdaderas “bombas” a pequeña escala, al mantener tanto el “combustible” como la reacción en el mismo espacio.

Al mismo tiempo se está produciendo una explosión en la demanda de sistemas móviles y portátiles que cada vez realizan tareas más y más complejas de procesado de señal, que a su vez exigen un mayor consumo de energía. Esto conduce a que las baterías tanto de portátiles como de los teléfonos móviles de nueva generación no sólo duren menos, sino que su vida útil sea cada vez más corta. Estoy deseando conocer las estadísticas que comparen la duración de baterías en portátiles con Windows XP y con el nuevo Windows Vista, que encripta todo lo que pasa por su núcleo y que exige unas capacidades de proceso que prácticamente ningún ordenador adquirido hasta hace unos meses era capaz de soportar. Seguro que a los detractores de Windows les encantan los resultados.

Este problema, que no deja de ser un problema para los ciudadanos de a pie, no es grave teniendo en cuenta que siempre podremos encontrar una pared con una toma de red con la que recargar nuestro equipo, o bien un vehículo que nos suministre la energía necesaria. Aquí lo único que nos jugamos es, a lo sumo, no poder consultar nuestro correo o que la novia o el novio de turno se mosqueen porque no pueden localizarnos al móvil.

Pero cuando hablamos del ámbito militar, unas baterías agotadas pueden significar la pérdida de vidas, con lo cual el aspecto es bastante más crítico. En el ámbito de la defensa, además, también se está produciendo una revolución en los sistemas de comunicaciones, con la necesidad de equipar a los soldados para las operaciones que exige el actual entorno bélico y que ya hemos destacado al hablar del enemigo asimétrico: “las Ligeras o Medias, así como las de Operaciones Especiales […]. Para ello, las actividades habituales en este tipo de combate serán: infiltración, patrullas, en reconocimientos, emboscadas, combate nocturno y procedimientos de combate no convencionales”, realizadas en su mayoría por soldados a pie que no pueden ni deben perder las comunicaciones con sus compañeros ni con las escalas superiores del mando.

Esta revolución está conduciendo a soldados altamente equipados con sensores de todo tipo y con equipos de comunicaciones que integren en uno sólo diversos sistemas de comunicaciones. Es lo que se está dando a conocer como “Soldado del Futuro”, o “Future Warrior”.

Por ello, es una vez más el tan denostado I+D militar el que ha permitido la puesta a la venta (para militares ahora, y para ciudadanos con sus móviles con televisión e Internet integrada en el futuro próximo) la tecnología de pilas de combustible.

Qué son las pilas de combustible

Las pilas de combustible son dispositivos electromecánicos que combinan oxígeno con un combustible (como el hidrógeno o algún compuesto del mismo) para producir electricidad. Si el combustible es hidrógeno puro, los únicos resultados de la reacción son electricidad, agua y calor. No en vano, esta tecnología es la que se ha usado durante años por la NASA para producir electricidad y agua en sus sistemas espaciales, y actualmente se encuentran bajo investigación para la propulsión de trenes, tanto en EEUU como en Dinamarca.

Pero el hidrógeno es un combustible complicado, difícil de transportar y almacenar, altamente inflamable (recordad la catástrofe del Hidenburg) y altamente repudiado por los ecologistas de todo el planeta porque, ante una producción a escala, con las fugas que en su transporte o empleo se producirían, se acabaría “licuando” literalmente la capa de ozono.

Por ello, la tendencia ha sido la de utilizar hidrocarburos (compuestos del hidrógeno como el metanol, el butano, el propano o incluso la gasolina) que permitan un manejo sencillo del combustible, eliminando los problemas que presenta el hidrógeno puro. Para ello, a la reacción antes señalada del hidrógeno con el oxígeno hay que añadir la de extracción del hidrógeno del hidrocarburo utilizado (mediante un reformador de combustible), que produce como resultado adicional dióxido de carbono y disminuye la eficiencia teórica del procesamiento directo de hidrógeno.

Cómo funciona una pila de combustible

Hay diversos tipos de pilas de combustible, dependiendo del uso que se le vaya a dar, de la energía que se pretenda extraer, etc. Pero las que van a ser objeto del presente artículo son las que emplean como núcleo de su funcionamiento la llamada “Membrana de Intercambio de Protones” (“Proton Exchange Membrane” o PEM). Esta membrana, que constituye el electrolito de la pila de combustible, es permeable para los protones, que se pueden mover libremente, pero no para el combustible o para los electrones, quedando estos últimos atrapados de tal forma que al circular del ánodo al cátodo externamente, producen la electricidad deseada.

Pilas de combustible vs. Baterías convencionales

Aunque presentan numerosas ventajas, las pilas de combustible también presentan algunos inconvenientes respecto a sus antecesoras, lo que conduce que se acaben empleando soluciones “mixtas”. A continuación se establece una pequeña comparación entre ambas:

1. Mayor energía por kilogramo: mientras que la densidad de energía de las actuales baterías de ión litio pueden llegar hasta los 220W/kg, las pilas de combustible, como las basadas en metanol, pueden llegar al máximo teórico de 5.536W/kg de densidad energética. La baja eficiencia de los sistemas bajo investigación actuales reduce esta cifra hasta los 500W/kg, lo cual, como mínimo, duplica el de las baterías de litio, y es susceptible de ser mejorado en el futuro.
2. Las pilas de combustible “respiran” aire: uno de los motivos por los que las pilas de combustible (como las de metanol) son más eficientes energéticamente es porque uno de los elementos necesarios para la reacción, el oxígeno, no necesita ser transportado, ya que lo encuentra directamente en la atmósfera. Esto limita su uso a la superficie terrestre (no pueden emplearse ni en el espacio ni en aplicaciones submarinas a no ser que se transporte también el oxigeno), pero es capaz de cubrir un amplio rango de necesidades donde los humanos nos movemos.
3. Pueden recargarse “instantáneamente”: sólo hay que cambiar el cartucho que contiene el combustible, ya sea hidrógeno, metanol u otro hidrocarburo.
4. Necesitan una batería para “arrancar”: para que una pila de combustible comience la reacción, necesita alcanzar una temperatura de funcionamiento que depende mucho de la tecnología desarrollada y los componentes empleados. Por ello es necesario una batería adicional que active la reacción, batería que automáticamente se recarga cuando el proceso químico comienza a realizarse.
5. Consumen combustible incluso en “stand-by”: esto se deriva del punto anterior, ya que para evitar tener que arrancar de nuevo la batería, se debe destinar una parte del combustible a mantener la temperatura de funcionamiento incluso aunque no se utilice. Es muy similar al funcionamiento al “ralentí” de los vehículos actuales.
6. Están limitadas en potencia: las pilas de combustible no son capaces de responder ante un pico de demanda de energía, motivo por el cual se suele incluir también una batería tradicional en su composición. Esta batería además actúa de rectificador y limitador de corriente.

Las pilas de combustible de metanol reformado (RMFC)

Estas pilas de combustible, como su nombre indica, emplean metanol como combustible para la obtención del hidrógeno. El metanol es el hidrocarburo más simple, se produce naturalmente en la naturaleza, es biodegradable y de elevada densidad tanto energética como de hidrógeno. Las pilas de combustible de metanol reformado (“Reformed Methanol Fuel Cell”, RMFC) son una variante de las pilas de combustible de metanol directo (“Direct Methanol Fuel Cell”, DMFC), donde se utiliza el metanol directamente sin necesidad de extraer anteriormente el hidrógeno (se extrae directamente en la reacción) pero que para ello necesitan el empleo de electrocatalizadores basados en el platino, que elevan mucho su precio.

Y empleando la tecnología RMFC las pilas de combustible han dado el salto de los laboratorios al mercado: una preproducción de las pilas UltraCell XX25 está siendo evaluada por el ejército norteamericano (U.S. Army) para su empleo en los sistemas portátiles para los soldados, de momento para PCs rugerizados pero pronto aplicables a los sistemas de comunicaciones de los soldados.

En la página web de Ultracell podéis descargaros un documento con las especificaciones técnicas de estas pilas. Y esta (RMFC) es sólo una de las tecnologías empleadas para pilas de combustible. Aquí, por ejemplo, puedes leer información sobre su competidora más directa en el ámbito de los dispositivos portátiles (las pilas de combustible de membrana polmérica o PEMFC).

Debido a su coste, por el momento las aplicaciones serán meramente militares. Pero Intel ya ha desarrollado un estándar para la comunicación entre las pilas de combustible y los PCs portátiles. Y ocurrirá como con todo: cuando se depure su producción, se disminuyan los costes, y las pilas de combustible sean más eficientes, pequeñas y ligeras, podrán empezar a emplearse masivamente en el ámbito civil. Así pues, este será un nuevo ejemplo de cómo la “mala” (sic) investigación militar ha devenido en una mejora considerable del desarrollo tecnológico civil, de la evolución de la tecnología aplicada al avance del nivel de vida de los ciudadanos, y, en consecuencia, a un aumento de la libertad de todos los ciudadanos, que dejaremos de estar “atados” a la red de distribución eléctrica.
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Fuente: La noticia y las imágenes han sido extraídas en su mayoría de la noticia “Fuel Cells for Portable Computing and Communications: Extended Power Away from the Grid”, de Ted Prescop, UltraCell Corp.