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09
ene 2012
AnálisisfuturoHardwareOpiniones

Las baterías de hidrógeno. ¿El futuro?

Antes eran las baterías de Niquel-Cadmio, pero su molesto efecto memoria dio paso a las baterías de Ión-Litio, masificadas en la actualidad. No obstante, se están quedando cortas cuando queremos que alimenten pantallas táctiles, acelerómetros, antenas 3G, GPS y receptores Wi-Fi. Lo que se está intentando es que los componentes hagan el mismo trabajo usando menos energía, pero… ¿qué pasa con las baterías?

Importantes avances se están haciendo en el campo de las baterías (células de combustible más bien) de hidrógeno. ¿Serán la solución?

Que nadie se lleve a engaño. Las células de hidrógeno están inventadas desde hace siglos. Son la solución perfecta cuando el dinero no es problema, siendo utilizadas tanto por submarinos como por la NASA en sus naves espaciales.
No obstante, valen un ojo de la cara. ¿Y eso? Principalmente, por necesitar procesos de fabricación muy complejos, aparte de estar compuestas de metales preciosos, como el Platino, que, hoy por hoy, vale 49$ el gramo.

Ahí entran los investigadores que están consiguiendo buenos resultados sustituyendo el Platino por el Hierro, lo cual reduciría drásticamente los costes.

Muy bonito, pero… ¿existe alguna aplicación práctica en el mundo de las tabletas?
Parece que sí, pues Apple ha presentado la patente de un sistema de células de hidrógeno (seguramente Apple ya tendrá su propia ventanilla, por lo asiduos que son…) que promete semanas de autonomía.
De conseguirlo, tendría muchísimo mérito. Y como Apple marca tendencias, a lo mejor ponen de moda las baterías de hidrógeno, dando nuevas alas al agonizante mundo del cacharrín de bolsillo (energéticamente hablando, claro).
Eso siempre y cuando no tengan éxito en su enésima tentativa de monopolio, e impida a los demás avanzar en ese campo restregando patentes por la cara.

Y hasta aquí la noticia. No obstante, si tienes inquietudes tales como: “¿Qué sucede dentro de una batería? ¿Qué las diferencia de las células de combustible?” o “¿Cuál es su historia?” estás de suerte, porque el artículo continúa precisamente con estos temas:

ERASE UNA VEZ, EN 1780…

…había una ranita que saltaba y croaba feliz en su estanque, hasta que fue apresada y diseccionada en el nombre de la ciencia. Para mayor comodidad, estaba sujeta con un gancho de bronce. Fue entonces cuando una incisión con bisturí de hierro, practicada por Luigi Galvani, detonó un movimiento en la pata, similar a los que la rana solía tener en vida.

Luigi pensaba que aún residía cierta energía eléctrica en el animal, pero su colega científico Alessandro Volta tenía una opinión diferente.
Se puso a experimentar con metales, tratando de demostrar que el tejido orgánico no era necesario para generar electricidad. 20 años después presentó su invento: unas parejas de discos de cobre y zinc apiladas unas encima de otras, separadas por un cartón impregnado en salmuera. Había nacido la primera pila (de ahí su nombre) eléctrica, capaz de proporcionar electricidad de forma continua y estable.

Volta presentando su invento a Napoleón. Aunque le colmó de prestigio y fama, siguió trabajando en su invento.

¿Y cómo funciona el invento? La verdad es que es algo muy simple. Un reactivo químico, llamado electrólito, hace que el cobre pierda electrones, provocando su oxidación. ¿Y esos electrones a donde van a parar? Al Zinc, que puede absorberlos. Mientras que el cobre se oxida, el zinc se “desoxida”. Lo más normal sería que los electrones pasasen de un metal a otro en línea recta, a través del electrólito. El truco consiste en que el electrólito no conduzca la electricidad, obligándola a ir por unos cables conectados a tal fin. Para alimentar una máquina eléctrica, lo único que hay que hacer es conectarla en el camino por el cual los electrones van de un sitio a otro (dicho burdamente). Más de dos siglos después, ese mismo mecanismo es el que encontramos en las pilas y baterías de la tienda de la esquina.

Esquema de una pila moderna

EL HIDRÓGENO ENTRA EN ESCENA
El mismo año en que se inventó la pila (recordemos, 1800), el inglés William Nicholson estaba haciendo experimentos con la pila de Volta. Se le ocurrió sumergir en agua dos piezas de metal conectadas a la pila. Como buen observador, se dio cuenta de que el agua se descomponía en sus elementos principales: en la pieza de metal conectada al polo negativo (cátodo) se acumulaba el hidrógeno, y en la otra (ánodo), el oxígeno. ¡De casualidad había descubierto la electrólisis!

Diagrama para hacer electrólisis en tu casa con agua del grifo. Si le echas una cucharadita de sal, mejor. Ten cuidado de utilizar solo corriente continua. Para el ánodo y el cátodo puedes utilizar tornillos de acero inoxidable. Ah, y no juntes el oxígeno con el hidrógeno, por si acaso...

Ahora sólo hacía falta estudiar el fenómeno, y de eso se encargó otro inglés, Michael Faraday. 36 años después de su descubrimiento, ya estaban formuladas todas las leyes referentes a la electrólisis, lo mismo que su terminología.
Algo muy curioso de los fenómenos eléctricos es que, si se replican a la inversa, dan los resultados opuestos.
Si al pasar la corriente por el agua obteníamos hidrógeno y oxígeno… ¿habría alguna manera de juntar hidrógeno y oxígeno para producir electricidad? Aquel que lo descubra, buen descubridor será…

INVENTADA EN EL PASADO ¿REVOLUCIONARÁ EL FUTURO?

Fue en 1843 cuando William Grove, utilizando la teoría desarrollada por Christian Friedrich Schönbein cuatro años antes, inventó la primera célula de hidrógeno. Tendría que pasar más de un siglo (1959) para que fueran capaces de algo útil, como mover un tractor o accionar un equipo de soldadura. La NASA necesitaba una fuente de energía fiable para sus misiones tripuladas, descartando los reactores nucleares y los paneles solares. Destinó unos cuantos millones de dólares en subvenciones de este tipo de fuente de alimentación, hasta hacerlas eficientes. Han sido empleadas en éxito en otros ámbitos, como estaciones meteorológicas alejadas. Incluso el futuro submarino S-80 de la Armada Española dispondrá de este sistema. Centrándonos en nuestro siglo (y en el tema informático), Casio presentó un portátil con células de hidrógeno, con vistas a venderlo en 2007. NEC también sacó su prototipo en 2004, y Samsung, en el 2007. Lamentablemente, ninguno de estos proyectos ha cuajado.

De izquierda a derecha: Prototipos de Casio, NEC y Samsung. No importa lo que diga la tele dentro de unos años, Apple no inventó las baterías de hidrógeno.

En cambio, Horizon y Toshiba han sacado en MINIPAK y el DYNARIO respectivamente, que son células de hidrógeno tamaño bolsillo que sirven para cargar cualquier cosa USB.

¡Células de hidrógeno tamaño bolsillo ya a la venta!

ASÍ ES COMO FUNCIONA:

La batería y la célula de combustible tienen más o menos el mismo funcionamiento. Lo que las diferencia es que, mientras que en las baterías, una vez se termi

na la reacción, hay que tirarlas o recargarlas, en las células de combustible es posible sustituir los elementos gastados fácilmente. La razón es sencilla: en las baterías reaccionan componentes sólidos como carbono, zinc… etc, mientras que en las células, los componentes son gaseosos o líquidos. Sólo hace falta abrir un grifo para que siga la marcha. ¿Quieres saber cómo juntando oxígeno e hidrógeno hacemos electricidad?

Cuando se unen el hidrógeno y el oxígeno, se combinan de forma violenta, produciendo agua y calor. La célula de combustible aprovecha esa reacción controlada para obtener electricidad.
El corazón de la célula de combustible es el PEM (Polymer Electrolyte Membrane, Membrana de Polímero Electrolítico)
Consiste en una membrana que separa el ánodo del cátodo. El ánodo es expuesto al hidrógeno gaseoso (H2) que puede provenir de una bombona. Por su parte, el cátodo es expuesto al oxígeno (O2), que puede tomarse del aire mismo.
El hidrógeno del ánodo reacciona ante el electrólito (polvo de platino) que lo descompone. Los dos iones positivos del hidrógeno son atraídos por el cátodo, viajando a través de la membrana. Dicha membrana impide el paso de los electrones, obligándolos a buscar el cátodo por el único camino que tienen: un cable que conecta la maquinaria a alimentar. Esos electrones son la corriente eléctrica. Mientras tanto, los iones positivos de hidrogeno (protones para los amigos) salen de la membrana y se combinan con el oxígeno en el cátodo y los electrones que están de vuelta. Y ya se sabe: hidrógeno, mas oxígeno, hacen… ¡agua! El agua es el residuo de la célula de hidrógeno, más calor residual.

1. El hidrógeno entra a pares (H2) en la célula. 2. Se deshace en el electrólito; los iones positivos de hidrógeno atraviesan la membrana (pintada de verde) y los electrones se van fuera de la batería por el cable conectado al ánodo, generando corriente eléctrica. 3 Mientras tanto, entra aire con oxígeno (O2) por el otro lado. 4. Cuando los iones de hidrógeno se combinan con los electrones que están de vuelta y el oxígeno en el electrólito, 5. sale agua pura como residuo.

Ese agua, junto con el hidrógeno sobrante, se puede reutilizar. En el transbordador espacial se utiliza para beber. Nada impide que el agua sobrante pueda utilizarse para sacarle el hidrógeno.
¿Habrá conseguido Apple una célula de hidrógeno con circuito cerrado, que al conectarla a cargar, vuelva a tener hidrógeno “fresco” mediante la electrólisis? ¿O planea vendernos unas iCapsulas de H2, revolucionando las baterías a un precio mágico?

Esperamos que esta breve explicación haya servido para aclarar el fascinante mundo de las baterías. ¿Alguna pregunta? Sí, tú… el de la segunda fila.

“¿ES ESTO FUSIÓN FRÍA?”
No. Para entendernos, la fusión nuclear une núcleos atómicos similares para crear otros nuevos y más pesados. Eso no pasa en una célula de hidrógeno. El núcleo del hidrógeno sigue siendo de hidrógeno en todo el proceso, aun cuando salga en forma de agua residual. ¿Más preguntas?

“¿PERO EL HIDRÓGENO NO HACE “BUM”?”
Cierto, el hidrógeno es un gas altamente inflamable, que ya ocasionó muchos muertos, como el tristemente célebre Hindenburg.
Pero la cantidad de hidrógeno contenido en una célula para un teléfono inteligente o tableta será muy pequeña. Y en caso de escape, al ser más ligero que el aire, se disiparía rápidamente. Además, mucha gente lleva más cantidad de gas altamente inflamable en el bolsillo dentro de un mechero de plástico fabricado en China y no parece que a nadie le preocupe…

Algunas baterías no necesitan hidrógeno para arder...

Otra pregunta… sí, el ecologista de la primera fila…

“¿DÓNDE ESTÁN LOS COCHES A HIDRÓGENO?”
Ya hay alguno, y cada empresa tiene su prototipo (no confundir con el coche eléctrico a baterías). Incluso en algunas capitales como Madrid ya hay autobuses que se mueven por este sistema. Aunque no hay que olvidar que aún tardará unos cuantos años, porque a) aún son muy caros, b) no hay hidrógeno en la gasolinera de la esquina, c) no son la panacea, y hasta hace poco hacían falta cientos de células para mover un coche, d) el hidrógeno es caro de producir y licuar, y, como opción, e) piénsese en cualquier conspiración petrolera al gusto…

Honda CFX Clarity, el primer coche comercial a base de hidrógeno.

“¿ES TAN LIMPIO COMO LO PINTAN?”
El 48% de la producción mundial de hidrógeno se extrae del gas natural. El 30% de derivados del petróleo, y el resto del carbón. Tan solo el 4% se hace mediante electrólisis (y mejor no hablamos de dónde sacan la electricidad). En resumen: el 96% del hidrógeno se obtiene quemando combustibles fósiles.
Salvo la electrólisis, el proceso de conseguir hidrógeno produce CO2.
Como ves, aunque el uso de la célula de hidrógeno no contamina, para poder cargarla hay que ensuciar la atmósfera.
Solamente sería “ecológica” si la contaminación para fabricar ese hidrógeno fuese menor a la que obtendríamos por métodos tradicionales, haciendo el mismo trabajo.
Sí, el de la teoria de la conspiración de la esquina, al fondo…

“¿EXISTE ALGUNA CONSPIRACIÓN EN CONTRA?”
¡Nunca se sabe! No se puede afirmar o negar categóricamente, pero te diré algo: no tiene sentido que las industrias petroleras frenen los avances de la célula de hidrógeno, fastidiando al mundo portátil de paso, porque… ¡son ellas las que venden el hidrógeno!
Si mañana mismo todo el planeta dejara sus toscos coches a gasolina y los comprara de hidrógeno, se seguirían explotando los yacimientos de gas y petróleo, y las refinerías seguirían a pleno rendimiento.
Si existiese alguna conspiración, sería contra algún método de sacar hidrógeno barato del agua.
GENEPAX dice haberlo conseguido, pero el invento vale 18.000 $ (precio de coste) cada uno…

La señorita del centro tiene una pregunta.

“¿QUÉ VENTAJAS TIENE FRENTE A LA BATERÍA NORMAL?”
Varias: de las más atractivas, que dura varias veces más; no se degrada con cada carga, como las baterías normales, y para recargarlas, si se le inyecta el hidrógeno directamente, se tardan segundos en tener una batería nueva. Pero ojo, de ahí a pensar que una célula durará para siempre… (véanse las bombillas de bajo consumo y su supuesta duración).
Una última pregunta… el manitas de la derecha.

“¿PUEDO CONSTRUIR MI PROPIA CÉLULA DE HIDRÓGENO CON MATERIALES CASEROS?”
Sí. Para ello, haz el experimento de la electrólisis siguiendo el esquema de arriba, pero en lugar de sal, pon 4 cucharadas de sosa caústica. Haz la electrólisis, y cuando los botes estén llenos, desconecta la fuente de alimentación, y ya tendrás tu propia célula de hidrógeno. Si fabricas unas cuantas y las pones en serie, a lo mejor te da para encender una bombilla de linterna.

CONCLUSIONES

La célula de hidrógeno es una tecnología muy prometedora que va mejorando día a día. Lo malo es que siempre se queda en “prometedora”. Siempre está a punto de venir, pero nunca llega. Ya lo intentaron en su día Casio, Nec y Samsung. Ahora es el turno de Apple. Tendrá que superar los mismos obstáculos que sus antecesores, no solamente técnicos, sino legales. Por ejemplo, según las normas de seguridad aérea, un pasajero no puede subir a un avión con un contenedor de metanol o hidrógeno. Y me da a mí que no será tan fácil comprar este tipo de célula como si fueran caramelos.
Por eso, aunque haya presentado la patente, dudo que el año que viene la tengamos por aquí, si es que algún día sale a la venta. Aún le falta madurar unos cuantos años.
La tecnología hay que amarla por lo que nos da, y temerla por lo que nos quita. Factores tales como quién la hace, quién no, quién la promociona o a quién fastidia, no deberían influir en nuestra valoración.
Lo que está claro es, que lo que tenga que venir, que venga cuanto antes mejor.

Con lo que tenemos ahora, nos estamos quedando cortos.

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Por Exteban | 12 Comentarios | Etiquetas: , , , , , , , ,

11 Comentarios

Quique
Enviado el 10 de enero de 2012 a las 0:27 | Permalink

Muy buen artículo. Yo creo que el hidrógeno en forma de celdas, baterías o como queramos, no terminan siendo una alternativa viable en los artículos de consumo. Además de que, incluso en los automóviles tradicionales, parece ser más de lo mismo.
Creo que hay un enfoque alternativo mucho más interesante: el aire comprimido. Y España era uno de los líderes en este enfoque alternativo.

Por otro lado, probablemente continuemos utilizando baterías de ion litio tradicionales por muchos años más. Algunos fabricantes ya lograron desarrollos que permite cargar el 80 % de la carga en una hora y que, además, soportan más de mil recargas antes de comenzar a ver reducida su ciclo de vida. Sin dejar de lado que cada año mejoran un 10% el rendimiento de las mismas.
Frente a eso no me veo a la gente comprando iCapsulas todas las semanas. Como dije, hasta el aire comprimido es una mejor opción.

Enviado el 10 de enero de 2012 a las 0:58 | Permalink

El problema del hidrógeno es su transporte. A menos que se emplee amalgamado (como hidruro metálico), siempre tiene pérdida. El mismo principio aplicado al metanol es menos eficiente, pero el metanol es MUCHO más fácil de transportar

Enviado el 10 de enero de 2012 a las 10:39 | Permalink

Genial y didáctico el artículo. Has tratado bien el tema pero yo hubiese hecho más incapíe (por manía personal a los locos del hidrógeno) en que las Leyes de la Termodinámica son muy cabronas, así que el producir por electrolisis el hidrógeno no es un método efectivo. Me explico. Si usas electricidad para producir hidrógeno para luego generar electricidad al mezclarlo con oxígeno la cantidad de electricidad producida siempre será menor que la empleada para obtener el hidrógeno. ¿OK?

Así pues el hidrógeno solo es una forma, poco o mucho podemos discutirlo, de almacenar electricidad, pero no tiene porque ser efectiva.

Es importante este apunte o insistir en esto para que luego la gente no se haga “pajas mentales” (con perdón de la expresión) con lo del hidrógeno, a veces conocido como el perpetuum mobile del siglo XXI.

Las Leyes de la Termodinámica son muy cabronas… lo se.

Enviado el 10 de enero de 2012 a las 10:42 | Permalink

Ah… y para los locos del hidrógeno. Si, es la sustancia más abundante del Universo, pero no como sustancia aislada excepto en las estrellas… así que no es tan bonito como se pinta en las webs de conspiranoicos y magufos varios.

Quique
Enviado el 10 de enero de 2012 a las 12:26 | Permalink

Yo al principio pensé que Exteban se había olvidado de las leyes básicas de este tema pero releyendo el artículo descubrí que no. Por eso no mencione nada del principio de termodinámica y de que la energía no se produce ni se destruye, sino que se transforma.

Respecto al hidrogeno, entiendo que existe en grandes cantidades en estado puro en el universo que aún no se han transformado en ninguna estrella. Lamentablemente, muy lejos de nuestro planeta.

Enviado el 10 de enero de 2012 a las 12:54 | Permalink

No lo entendais como critica. El articulo insisto me parece genial y didactico. Es solo un añadido para los enamorados del hidrogeno.

Quique
Enviado el 10 de enero de 2012 a las 13:11 | Permalink

Estamos de acuerdo. Yo por eso soy defensor del aire comprimido.

Enviado el 10 de enero de 2012 a las 13:23 | Permalink

Yo soy defensor de la mezcla de metano e hidrogeno. Una lata de fabada Litoral, te subes al coche, una manguera desde el “escape de gases” al carburador y… a correr.

Marcus
Enviado el 10 de enero de 2012 a las 14:39 | Permalink

Excelente artículo, (aún mejor que el de Cairo) expresado de una manera sencilla… un soplo de aire fresco, vamos.

¡Muchas gracias!

Dani
Enviado el 14 de febrero de 2012 a las 13:35 | Permalink

El hidrogeno se puede obtener de varias fuentes, evidentemente la electrolisi del agua es porceso termodinamicamente inefiente a la hora de recuperar la energia empleada, hoy por hoy par su uso industrial existe otros proceso para obtenerlod el petroleo como el crakeo catalitico, o el reformado catalitico de gases residuales de refineria (el mas utilizado) que aparte de H2 produce CO2 para las bebidas, como subproducto en procesos electroliticos u otros procesos mas neovedosos como el reactor de sulfuro de hidrógeno gaseoso. Todos estos producen una cantidad de hidrogeo insuficiente para la industria del automovil pero mas que suficiente, creo, para su utilización en baterias ademas a un coste bastante razonable. A partir de uso masivo puede seguir mejorandose su producción y llegar a ser un verdadero sustitituto de los combustibles liquidos.

    EFDV
    Enviado el 14 de febrero de 2012 a las 14:23 | Permalink

    Pero en ese caso el hidrógeno termina funcionando como un derivado del petróleo, no como un remplazo. No esta mal porque es una forma económica de obtener hidrógeno y termina siendo un aprovechamiento más eficiente del petróleo. Pero no es una alternativa al mismo.

    Pero hay que ver el tema desde la industria electrónica en particular. Lo que me cuesta ver es que las personas comencemos a ir a los negocios a comprar recipientes de hidrógeno, metanol o lo que queramos por el sólo hecho de que se cargará el aparato en unos pocos minutos o segundos y se podrá utilizar durante una semana. Es un serio y costoso problema de distribución que no existe con las baterías.

Una Mención

El 8 de octubre de 2012 a las 13:49

[...] de batería. ¿Que sería lo ideal? ¿Unas pocas horas, como el Litio? ¿Semanas como promete el hidrógeno? ¡Paparruchas! Tenemos la tecnología para construir hoy mismo baterías que duran… ¡Toda [...]

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