Nickel magazine, Mar. 02 -- Toronto se está preparando para volverse un participante precoz de la
nueva era de generadores de poder basados en tecnología de celdas de combustible. Una planta de poder para
demostración con celda de combustible de óxido sólido de 250 kilowatts que utiliza más de 600 kilogramos (Kg)
de níquel, está programada para arrancar en Toronto, Canadá en julio de 2002. Diseñada por Siemens
Westinghouse, la planta está siendo construida en las instalaciones de Kinectrics Inc., una subsidiaria de
Ontario Power Generation Inc. (OPG). La planta de $18-millones es co-financiada por Siemens Westinghouse,
OPG, el Departamento de Energía de los Estados Unidos (D.O.E), y el gobierno de Canadá.
Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFCs) están entre cinco tipos de celdas de combustible, las cuales, todas hacen lo mismo químicamente, pero de diferentes formas. Las celdas de combustible combinan electroquímicamente al hidrógeno y oxígeno para producir electricidad y agua como un subproducto. A diferencia de las baterías, las celdas de combustible producen electricidad todo el tiempo que se les suministre combustible.
Las SOFCs operan en el rango de 1,000 °C, y toman su nombre del hecho de que utilizan óxido de zirconio denso como electrolito sólido. Una sola SOFC está formada de un tubo de cerámica vertical, cerrado en el fondo y entre capas concéntricas-un cátodo interno, un ánodo externo, y un electrolito entre ambos. Las tres capas incluyen los siguientes materiales:
- un cátodo de óxido de manganeso lantánido barnizado, LaMnO3, sobre la superficie interna
- un electrolito de zirconioytrio-estabilizado, YSZ, en la parte media, y
- un sello de níquel metálico y YSZ, como ánodo, en la parte exterior del tubo.
La celda es de 1.7 metros de longitud con un diámetro interno de 2.2 centímetros (cm). El aire de proceso es inyectado a través de un tubo de alumina concéntrico con la celda y fluye hacia abajo hasta el fondo cerrado y por atrás en el espacio anular entre los dos tubos (ver diagrama adjunto). El oxígeno en el aire es ionizado conforme fluye a lo largo de la superficie catódica interna de la celda, los iones de oxígeno atraviesan la capa intermedia de electrolito y reaccionan, sobre la superficie anódica externa, con hidrógeno y monóxido de carbono, para producir agua, bióxido de carbono y electricidad. El hidrógeno y el monóxido de carbono son generados a partir del gas natural 'reformado', alimentados de la misma forma que el combustible a la planta, y son dirigidos a lo largo de la superficie exterior del tubo.
Una sola SOFC genera cerca de 150 watts de poder con cerca de 0.65 volts. Para una planta de poder
produciendo kilowatts de poder, varias celdas individuales requieren ser conectadas en un arreglo de celdas
en paquete, con 24 celdas en cada paquete. Para la planta de 250-kW en Toronto, por ejemplo, la "pila" de
celdas completa consta de 2,300 celdas, agrupadas en 96 paquetes. Todas estas celdas están interconectadas
eléctricamente mediante "juntas" de níquel grado electrolítico. La pila, a su vez, es conectada a la salida
del generador por barras bus de DC de
N02200 y para las placas de contacto eléctrico, también de N02200. El requerimiento total de níquel de la
pila SOFC para la planta de Toronto es de cerca de 400 Kg.
| Níquel Utilizado en pilas de SOFC de 250 kW | ||
| Componente | Material | Ni peso, kg |
| Ni Ánode de celda | Ni polvo | 115 |
| Contactos Eléctricos, enfurtidos | Níquel Electrolíco | 213 |
| DC barras bus | N02200 | 48 |
| Contactos Elétricos, placas | N02200 | 20 |
| Total Níquel en SOFC de 250 kW | 397 | |
| Níquel Utilizado para los Componentes de SOFC de 250 kW | ||
| Ciclo Preformador recic. | N06600 | 88 |
| Línea de Carga | N06230 | 19 |
| Forro Interno de Barreras | N06230 | 22 |
| Colectores de combustible | N06600 | 85 |
| Total Níquel en componentes de pilas de 250 kW | 214 | |
| Total Níquel en Módulo de Poder de SOFC de 250 kW | 611 | |
Algunos componentes asociados directamente con la pila también usan níquel, en forma de aleaciones N06600 o N06230. Esto incluye el ciclo de recirculación con pre-reforma, la línea de carga, forro interno de barreras, y múltiples de combustible. En conjunto, éstos adicionan otros 214 Kg de níquel al módulo de poder con celda de combustible.
El módulo de poder con pila de celdas de combustible es sólo parte de la operación completa de una planta de poder. El resto de ésta, el llamado "residuo de planta", incluye algunos componentes principales adicionales tales como los procesadores de combustible, compresores, intercambiadores de calor y acondicionadores de energía, todos los cuales utilizan níquel como el acero inoxidable y otras aleaciones.
Si este diseño en particular tiene éxito, las plantas de poder SOFC requerirán casi 3 Kg de níquel por kilowatt de energía de salida. Como el mercado para las plantas de poder SOFC es estimado en 240 megawatts por año en el 2010, esto se traduce en un requerimiento de cerca de 750 toneladas de níquel por año durante los próximos 10 años.
Las celdas de combustible tienen ventajas significativas sobre otros métodos de generación de electricidad en el sentido de que éstas son silenciosas, sin olor, relativamente no contaminantes y varias veces con mejor eficiencia de energía. La conversión de combustibles fósiles en energía eléctrica puede alcanzar hasta 60%, por ejemplo, y si el calor de subproducto, generado por las celdas de combustible, es también utilizado, como vapor o agua caliente, en total las eficiencias de utilización de combustible a energía pueden ascender hasta 80% o incluso más.
Las SOFCs son una entrada relativamente reciente en el campo de las celdas de combustible. Debido a que las celdas de combustible todavía no están en uso comercial común, los costos unitarios para prototipos o para producción piloto son todavía comparativamente altos, pero disminuirán a niveles competitivos cuando con manufactura automatizada den mayores cantidades de producción.
Por Dr. Gerald Crawford, Consultor del Instituto para el Desarrollo del Níquel con base en
Toronto.
Photo: TOM SKUDRA/NiDI
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Peter J. Schürmann, Vice President |
