Pilas de combustible de óxido sólido, o SOFC, son dispositivos que producen tanto electricidad como calor oxidando un combustible como el gas natural o el biogás. Esta energía eficiente, La tecnología de emisión cero tiene el potencial de satisfacer la energía doméstica y comercial, Necesidades de calefacción y agua caliente.

Si bien la aceptación es alta en países como Japón, Las SOFC aún tienen que ponerse al día en Europa, sobre todo porque los elevados costes de producción suponen una barrera para la fabricación de las células a escala. Pero una nueva investigación realizada por un equipo de EPFL podría cambiar las reglas del juego.

Ingenieros del Laboratorio de Diseño Mecánico Aplicado (LAMD), con sede en Microcity en Neuchâtel, han ideado una forma novedosa de mejorar la eficiencia de las SOFC nacionales, es decir, celdas de 6 kWe (kilovatios eléctricos). El ventilador impulsado por turbina de vapor, que recircula gases a través del sistema, también aumenta la vida útil de las células. Este proyecto colaborativo involucró a tres socios:el LAMD, el Grupo de Materiales Energéticos (GEM) con sede en el campus de EPFL Valais Wallis en Sion y dirigido por Jan Van Herle, y SOLIDpower SA, una empresa privada ubicada en Yverdon-les-Bains. Se ha publicado un artículo que detalla la investigación en la revista Applied Energy.

Recirculación de gas

Los investigadores lograron estas ganancias de eficiencia y vida útil utilizando un sistema novedoso llamado ventilador de recirculación de gases de escape de ánodo. Bajo condiciones normales, Las SOFC solo convierten entre el 80% y el 85% del combustible de entrada, que solo transita la celda una vez. Conectando la salida a la entrada, el equipo pudo recircular los gases a través de la celda por segunda vez. Debido a que las SOFC operan a temperaturas superiores a 600 ° C, "el ventilador de recirculación aumenta la presión de los gases de salida, llevándolo a un nivel compatible con la presión dentro de la celda, "dice Patrick Wagner, el autor principal del artículo.

Con el nuevo sistema, el equipo observó impresionantes ganancias de eficiencia de hasta un 10%. "Cuando acoplamos el ventilador a una celda de combustible con clasificación doméstica que funciona con carga parcial, o 4,5 kWe, logramos eficiencias brutas del 66%, "dice Jürg Schiffmann, quien encabeza el LAMD. En comparación, las centrales eléctricas más avanzadas alcanzan eficiencias del 63% sin generar calor recuperable. Es más, Estas plantas operan a rangos de capacidad de cientos de megavatios eléctricos, o MWe. En Suiza, alrededor del 6% de esa energía se pierde entre la alimentación y la extracción de la red.

Además de mejorar la eficiencia, el sistema de ventilador también extiende la vida útil de la celda porque la mezcla de gas recirculado aumenta la estabilidad del catalizador.

Resistente y autosuficiente

La recirculación de gas puede no ser un concepto nuevo en sí mismo, pero el diseño del equipo marca una clara ruptura con los sistemas anteriores. El ventilador está equipado con cojinetes lubricados con vapor desarrollados en el LAMD y es impulsado por una turbina de vapor en miniatura que funciona con el calor producido por la celda.

Los investigadores optaron por cojinetes lubricados con vapor para evitar el riesgo de contaminación. "SOFC, como casi todos los dispositivos catalíticos, son extremadamente delicados, ", dice Wagner." Si el aceite u otro lubricante llega al interior, puede causar problemas reales. Los cojinetes lubricados con vapor son piezas mecánicas que no requieren aceite. La parte giratoria del sistema se asienta sobre un colchón de aire generado por el eje, otra parte del sistema, mientras gira ". Este diseño tiene otro beneficio:además de durante el arranque y el apagado, ninguna de las partes entra en contacto entre sí, lo que significa que no usan.

El equipo utilizó una turbina de vapor porque los gases de salida de SOFC contienen hidrógeno y otros compuestos potencialmente explosivos en el combustible residual. "Nuestro ventilador de recirculación está hecho únicamente de piezas mecánicas, por lo que no representa ningún riesgo para la seguridad, ", agrega Wagner." Ese no habría sido el caso si hubiéramos usado un motor eléctrico ". La turbina de 34 vatios es ideal para SOFC con clasificación doméstica. Con solo 15 mm de diámetro, es una de las turbinas de vapor más pequeñas del mundo.