Boeing quiere usar pilas de combustible de óxido sólido en sus aviones

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Investigadores de la universidades de Washington State (EE.UU.) y Kyung Hee (Corea del Sur) en colaboración con la empresa constructora de aviones Boeing Commercial Airplanes han desarrollado pilas de combustible de óxido sólido pensadas para la electrificación del transporte aéreo.

Las ultimas mejoras en este tipo de celdas de combustible mejoran el rendimiento y la resistencia de las mismas haciéndolas viables para su uso comercial, y podrían suponer un gran ahorro de combustible para las compañías aéreas.Microsoft PowerPoint - Graphical Abstract

Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFCs, solid oxide fuel cells) son celdas de combustible que se caracterizan por usar como electrolito un óxido en estado sólido. Al igual que las pilas de hidrógeno extraen energía de un combustible, y en este caso puede incluso tratarse de combustibles fósiles. La ventaja frente a un motor de combustión es que su eficiencia puede llegar al 60%, frente al 38% que se consigue en el mejor de los casos con un motor térmico. Se genera directamente energía eléctrica y los productos de la reacción química en las SOFCs no son gases tóxicos. Sí se produce CO2 (y vapor de agua), aunque gracias a la mejor eficiencia se pueden reducir las emisiones y el consumo de combustible en un 50%.

Las SOFCs trabajan a altas temperaturas, entre los 500 y 1.000ºC. A esta temperatura se produce el reformado del combustible, que suelen ser hidrocarburos ligeros, sin necesidad de costosos catalizadores, dando como resultado mezclas de hidrógeno y monóxido de carbono (H2 y CO). El electrolito se encarga de transportar los átomos de oxigeno del aire desde el cátodo hasta el ánodo, donde se oxidan al entrar en contacto con el hidrógeno y el monóxido de carbono.

Las nuevas SOFCs están compuestas de un ánodo de dióxido de molibdeno (MoO2) con una red de interconexión porosa que exhibe unas excelentes propiedades de transferencia de iones y electrones. En el articulo “High-Performance Molybdenum Dioxide-Based Anode for Dodecane-Fueled Solid-Oxide Fuel Cells (SOFCs)” publicado en Energy Technology, los autores muestran como con el ánodo de MoO2 la pila de combustible alimentada por un sustituto de combustible para motores a reacción (n-dodecano) es capaz de generar una densidad de potencia máxima inicial de 3.0 W/cm2 a 750ºC y mantenerse en funcionamiento durante más de 24 horas sin sobrecalentarse.

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La capacidad de la pila de combustible de óxido sólido basada en MoO2 para operar directamente alimentada por combustibles líquidos complejos la convierte en una prometedora alternativa para cumplir con la creciente demanda de potencia en los futuros diseños de aeroplanos. El desarrollo de pilas de combustible de óxido sólido comenzó hace ya 10 años enfocado en la generación de electricidad para aviones comerciales. Las pilas de combustible ofrecen una alternativa más limpia, con menos emisiones de gases tóxicos y más eficientes que los motores térmicos para convertir la energía almacenada en los combustibles fósiles en electricidad. Son además más silenciosas y entre 2 y 4 veces más eficientes que un motor de combustión porque están basadas en un proceso electroquímico.

Usar gasolina para hacer funcionar pilas de combustible se antojaba difícil. El objetivo era evitar el peso añadido de una unidad de reformado, un paso intermedio para transformar el complejo fluido en gas de síntesis (CO y H2), los investigadores querían añadir directamente el combustible en la celda. Otro problema es que el azufre presente en los combustibles puede degradar la pila y las largas horas de operación suelen acabar por quemar el sistema, además de la posible formación de depósitos sólidos. Para probar la resistencia del ánodo de MoO2 (fabricado sobre un electrolito de itrio-circonio) frente al envenenamiento por azufre, probaron añadir azufre hasta una concentración de 500 ppm (partes por millón). Los resultados fueron satisfactorios, ya que la celda no llegó a pararse.

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Animados por los resultados han sacado otra publicación en la revista Power Sources donde se estudia su rendimiento usando gasolina Premium (“Gasoline-Fueled Solid Oxide Fuel Cell with High Power Density“). Con este combustible las SOFCs alcanzan una densidad de potencia similar, 3.0 W/cm2 a 0.6V, aunque sufre una ligera caída de la corriente tras las primeras 7 horas y se reduce la densidad de potencia a 2.0 W/cm2. Los estudios con gasolina están enfocados a demostrar que las SOFCs pueden generar electricidad suficiente para ser aplicadas en vehículos híbridos. Las pruebas de caracterización de los materiales realizadas tras los ensayos demuestran que las SOFCs no sufren defectos significativos en la estructura de los electrodos.

De ser aplicada en la aviación, la pila de combustible de óxido sólido  sustituiría la unidad de energía auxiliar, que actualmente es un motor de combustión encargado de proporcionar energía eléctrica al avión cuando los motores principales están apagados o para ayudar en su arranque. Sería muy interesante su uso para maniobras en pista con un motor eléctrico en el tren de aterrizaje, maniobras que representan hasta el 6% del consumo total de combustible en las flotas de aviones. En un diseño más complejo la SOFC podría incluso usarse para precalentar los gases que alimentan las turbina, gracias a su elevada temperatura, y mejorar así la eficiencia los propulsores.

Fuentes | Energy technology | Journal of Power Sources



Energias renovables

8 Comment responses

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    June 24, 2014

    Ha probado alguna compañia a instalar cedulas finas fotovoltaicas, para suplir la energia eléctrica que necesitan???

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      June 24, 2014

      Efectivamente. Además, las células fotovoltaicas llegan a multiplicar su rendimiento con temperaturas bajas, por lo cual consigue condiciones ideales cuando el avión alcanza grandes alturas.

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        June 24, 2014

        PS: Cuando he dicho “efectivamente” quería decir bien pensado, a mi no se me había ocurrido.

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    Lo pintan muy bonito pero acaban diciendo lo que yo me temia que solo vale para la energia electrica del avion y aun no lo tenia tan claro como pero ya lo tengo al ver que seria una sustitucion de la apu, y un 6% de ahorro lo consiguen cada pocos años sobre los motores a reaccion turbofan (hay una competencia feroz con cada nuevo modelo o version porque es lo que se demanda con un combustible y competencia que no para de subir).
    Supone eso si , una solucion a los problemas de la pila de hidrogeno (no podemos llevar H2 , serian bombas volantes y el fuel actual ante impactos incluso es peligroso hasta que no desarrollen la tecnologia de la espuma en caso de accidente , que es algo similar a lo que salia en la pelicula de Demolition Man )

    No solo eso me huelo a que ese fuel especifico es muy caro de producir y sale mas a cuenta acabar produciendo en masa biofuel de microalgas o fuel sintetico al lado de los aeropuertos y ciudades absorviendo el CO2 del ambiente contaminado .
    No obstante hablan de una segunda fase del proyecto donde introduciria gases precalentados en los motores que es donde si lograria alcanzar mayor eficiencia o donde podrian llevarse los motores apagados hasta el momento del despegue practicamente, ya que el problema es que necesitas unos minutos de precalentamiento minimos de los motores a reaccion (en piston incluso tenemos que subir rpms antes de estar listos para salir para comprobar motor o motores y alcanzar tempe optima del aceite para poder despegar a plena potencia).
    Aunque bien es cierto que volviendo de EEUU me tuvieron al lado del punto de despegue en un A330 con los motores apagados y el Apu encendido durante bastante tiempo , pero no conte los minutos hasta el despegue … la verdad que me parecieron pocos.

    Airbus tambien esta investigando esta tecnica para alimentarlo en la fase de rodaje poniendo motores electricos en el tren de aterrizaje .

    Pero como dijo Benjamin que pasa con las celulas solares finas que estan usando con los Solar Impulse, tan dificiles son de poner sobre alas y techo del avion?
    En diseño de motoveleros si se estan probando pero en aviones comerciales aun nada, si bien es cierto que estos vuelan dentro de nubes con precipitacion de tipo granizo y el fuselaje debe resistir los impactos , asi que tal vez esten esperando a un diseño mas resistente de esas celulas (no lo se) es una suposicion.

    Por otro lado puede que ante los fracasos del Litio en los B787 y sus baterias , ademas de una densidad especifica pobre aun esten esperando a algo mas revolucionario con carbono o grafeno de quimica solida para no tener problemas con los cambios de presion sobre todo.

    Obviamente la idea de futuro es hibridarlos y a ser posible incluso añadiendo turbinas electricas de menor tamaño , pero sigo pensando que deberian centrarse mucho mas en las celulas fotovoltaicas ya que en crucero a 10.000-12000 mts de altura la mayor parte del tiempo se va por encima de nubes.

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      June 25, 2014

      Menudo análisis! A ver si te puedo responder a un par de cosas por partes:
      – La SOFC sustituiría la APU, es correcto, pero al ser mucho más eficiente que el motor que alimenta la APU se podría usar también durante el vuelo en luces, temperatura, sistemas de navegación…
      – Además este tipo de celdas de combustible se pueden escalar a menores tamaños sin perder eficiencia, algo que no ocurre con los motores, por lo que se podría ajustar pesos y reducir consumos también por ahi.
      – Y sobre todo, ese 6% es solo para taxi, el ahorro en gasolina de usar un motor eléctrico en rueda. En este articulo se habla del 4%
      http://aviationweek.com/commercial-aviation/electric-taxi-puts-show-paris
      El ahorro al sustituir la APU por la SOFC el ahorro sería extra. Con una celda de H2 se calculaba un 15%
      http://www.technologyreview.com/news/428693/fuel-cells-take-to-the-runway/
      Teniendo en cuenta que la SOFC si usa combustible pero con una mejora de eficiencia del 50% se podría estimar un ahorro de 10%, pero no hay que olvidar que hay una batería auxiliar que se recargaría al conectar el avión en tierra.
      – El fuel no es especifico, de hecho el uso de biodiesel sería beneficioso por tener menos (de hecho creo que nada de) azufre.
      Saludos

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    June 25, 2014

    el futuro esta en motores de plasma
    y fusión nuclear

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      June 25, 2014

      Luego me cuentas tu secreto para meter un motor de fusión en un avión, que nos vamos a hacer los amos del mundo.

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      tanaco seran los motores de plasma o de vientos ionicos los que sustituyan al reactor pero aun queda mucho para eso ya que esta en fase experimental como la fusion nuclear para producir electricidad (emulando al sol y sin residuos nucleares , ni peligros ).

      La fusion nuclear creo que ya ni para el espacio , ya que tambien quieren tirar de motores de plasma(aunque los franceses estaban mirando ese concepto).

      Repito quedan alomejor 50 años o mas para ver lo que comento asi que ni lo planteaba en mi comentario de antes por eso mismo.

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