Generar electricidad con hidrógeno no produce emisiones perjudiciales para el clima. Sin embargo, almacenar y transportar el gas es un reto técnico. Por ello, los investigadores del Instituto Fraunhofer utilizan amoníaco, un derivado del hidrógeno más fácil de manipular, como material de partida. El amoníaco se descompone en la pila de combustible de alta temperatura y el hidrógeno resultante se convierte en electricidad. El calor residual puede utilizarse, por ejemplo, como energía de calefacción.
Se han depositado grandes esperanzas en el hidrógeno y sus derivados como fuente de energía. En la estrategia nacional del hidrógeno del Gobierno alemán, desempeñan un papel central en la transición energética. El amoníaco (NH3), en particular, tiene un gran potencial, ya que el hidrógeno puede almacenarse y transportarse más fácilmente en forma de amoníaco.
Un equipo de investigadores dirigido por la profesora Laura Nousch, del Instituto Fraunhofer de Tecnologías y Sistemas Cerámicos IKTS de Dresde, ha desarrollado un demostrador basado en una pila de combustible de alta temperatura (pilas de combustible de óxido sólido, SOFC) que puede convertir el amoníaco directamente en electricidad con un alto grado de eficiencia. La electricidad y el calor se generan en un único sistema compacto, sinemisiones de CO2 ni otros subproductos nocivos.
El amoníaco se convierte en hidrógeno, se convierte en electricidad
Laura Nousch, investigadora de Fraunhofer, explica las ventajas: "El amoníaco se ha utilizado en la industria química durante décadas, por ejemplo para la producción de fertilizantes, por lo que el manejo de la sustancia está establecido y es bien conocido, pero aún así debe manipularse con cuidado. Como portador de hidrógeno, el amoníaco ofrece una alta densidad energética y es relativamente fácil de almacenar y transportar. El amoníaco es un material de partida ideal para la producción respetuosa con el clima de electricidad y energía para calefacción".
En el proceso, el amoníaco se introduce primero en el sistema de tratamiento de gas combustible, conocido como cracker, y se calienta a temperaturas de 300 °C y superiores. Se descompone en hidrógeno (H2) y nitrógeno (N2). Al final del proceso, este último puede liberarse junto con el vapor de agua como aire de escape inocuo. A continuación, el hidrógeno se conduce a la pila de combustible de alta temperatura. Se hace pasar por el ánodo en electrolitos cerámicos, mientras que el aire fluye alrededor del cátodo. Cuando el hidrógeno se divide, se crean electrones que pasan del ánodo al cátodo. Así comienza a fluir la electricidad. Además de vapor de agua, la reacción electroquímica también produce energía térmica. La postcombustión también produce calor residual. "Por un lado, se utiliza para mantener la alta temperatura en el cracker y, por otro, se desacopla como calor residual. Puede utilizarse, por ejemplo, para calentar edificios", explica Nousch.
Alta eficiencia al 60
A la hora de diseñar el sistema, los investigadores del Fraunhofer IKTS aprovecharon sus décadas de experiencia en pilas de combustible cerámicas. Esto permitió al equipo construir un demostrador de pila de combustible que descompone el amoníaco en hidrógeno y luego lo convierte en electricidad prácticamente en un solo dispositivo. Al igual que los procesos basados en gas natural, la eficiencia es del 60 %, con la diferencia de que los sistemas amoníaco-SOFC son comparativamente sencillos y robustos.
El sistema es ideal para pequeñas empresas industriales que quieran generar electricidad sinemisiones de CO2 y no estén conectadas a la futura red central de hidrógeno. O para autoridades locales y servicios públicos municipales que quieran suministrar a sus clientes calor ecológico. Los grandes buques también pueden equiparse de este modo con propulsores ecológicos basados en amoníaco-hidrógeno.
Sistemas de pilas de combustible a medida
Cuanto mayor es la temperatura en el cracker, más completamente se descompone el amoníaco en hidrógeno. Por el contrario, a temperaturas más bajas, es decir, ligeramente por encima de 400 °C, permanece una parte considerable del amoníaco. "Sin embargo, nuestras pruebas han demostrado que las moléculas de amoníaco también se descomponen completamente en hidrógeno en la pila de combustible de alta temperatura. Esto puede incluso aumentar el rendimiento global del sistema", afirma Laura Nousch, investigadora de Fraunhofer. Esto abre varias opciones para la gestión térmica del sistema. "Mediante un diseño específico y una gestión térmica inteligente, así como otras modificaciones, como la potencia y el tamaño de las pilas de combustible, podemos desarrollar soluciones personalizadas para la generación de energía y calor respetuosas con el clima, especialmente para pequeñas y medianas empresas", explica Nousch.
