Las celdas de combustible de óxido sólido proporcionan energía de respaldo para aplicaciones híbridas de pequeña escala

La pila de combustible SOFC Watt Remote está diseñada para integrarse con una solución de almacenamiento de energía/energía solar. (Foto: Watt Fuel Cell)

La energía de respaldo abarca una amplia gama de aplicaciones, desde residenciales hasta industriales. En este último caso, los grupos electrógenos y los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) compiten actualmente. Muchos fabricantes de BESS han logrado escalar sus sistemas para proporcionar la potencia de varios megavatios que antes solo podían suministrar los grandes grupos electrógenos industriales.

Los grupos electrógenos se utilizan de forma similar en un nicho de energía de respaldo que podría describirse mejor como comercial. Estas aplicaciones suelen requerir un suministro de energía de emergencia confiable, pero no requieren la cantidad de energía necesaria en entornos industriales.

Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) compiten con los grupos electrógenos en aplicaciones comerciales más pequeñas.

Danielle Ramaley, vicepresidenta de ventas y marketing del fabricante de SOFC Watt Fuel Cell, con sede en Mount Pleasant, Pensilvania, dijo que la forma más fácil de describir una SOFC es pensar en una batería.

Es el mismo tipo de dispositivo electroquímico, con un ánodo, un cátodo y un electrolito. Pero en lugar de simplemente almacenar energía, una pila de celdas de combustible sólido (SOFC) puede generarla siempre que se disponga de una fuente de combustible.

Dijo que una SOFC convierte químicamente el combustible, principalmente gas natural, en electricidad de corriente continua.

"Es todo catalítico, sin combustión", dijo Ramaley, añadiendo que los beneficios incluyen un ruido muy bajo "porque no se necesita el equipo rotatorio de un proceso tradicional basado en combustión" y emisiones significativamente reducidas.

“No hay NOx (óxidos de nitrógeno), ni SOx (óxidos de azufre), ni partículas”, dijo.

Fuentes de combustible gaseoso

Si bien las SOFC de Watt utilizan principalmente gas natural, Ramaley dijo que también pueden usar propano.

“En algunos de nuestros proyectos, podemos producir hidrógeno mezclado con cualquiera de estos combustibles, incluso con un 20 % de hidrógeno mezclado”, afirmó Ramaley. “Pero Watt se ha centrado en combustibles fácilmente disponibles comercialmente y fáciles de adquirir”.

Añadió que muchas aplicaciones remotas se basan en propano, al igual que las aplicaciones para vehículos recreativos. En aplicaciones residenciales, el combustible preferido suele ser el gas natural, explicó Ramaley.

Aplicaciones a pequeña escala

“Diría que, desde una perspectiva de mercado, Watt se centra en la energía a pequeña escala y realmente aplicamos en tres mercados diferentes”, dijo Ramaley.

Dos de ellos son la energía residencial, que puede ser primaria o de respaldo, y las aplicaciones recreativas, como en vehículos recreativos (RV). El tercer mercado son las aplicaciones de energía remota, en las que las SOFC de Watt suelen funcionar en conjunto con otras tecnologías de generación y almacenamiento de energía, como las baterías, explicó Ramaley.

La pila de celdas de combustible SOFC Watt Nomad está diseñada para el mercado de vehículos recreativos, uno de los mercados clave de Watt Fuel Cell. (Foto: Watt Fuel Cell)

“Realmente formamos un gran sistema energético, muy aplicable a ese tipo de aplicaciones que, como por ejemplo, 'Estoy en medio de la nada y necesito energía confiable, resiliente y limpia'”, dijo. “Al combinar la energía solar con una batería y una celda de combustible [de óxido sólido], cuando no se tiene la energía solar en funcionamiento, la celda de combustible siempre está ahí, capaz de ciclar y funcionar según sea necesario”.

Ramaley dijo que otras aplicaciones incluyen proteger equipos remotos, como cabezales de pozos de petróleo y gas, así como algunos usos más exclusivos de la tecnología.

“Cuando pienso en algunas de las aplicaciones industriales [y] comerciales en las que nos centramos con nuestros socios distribuidores, se trata de seguridad y vigilancia remotas”, dijo. “Tenemos un cliente que se especializa en software de reconocimiento facial. Tienen un contrato para Alertas Amber: personas desaparecidas”.

Tecnología única

Ramaley dijo que la tecnología SOFC de Watt es única en comparación con las tecnologías competitivas, que describió como SOFC “planares”.

“Las celdas de combustible tienen un tamaño similar al de un posavasos, o al de una nota adhesiva”, dijo sobre las SOFC planares. “Estas celdas de combustible se apilan en una serie de pilas, como una baraja de cartas. Nuestras celdas de combustible son microtubulares, por lo que tienen el tamaño aproximado de un bolígrafo. Están dispuestas en una pila de celdas”.

Según Ramaley, esa geometría y configuración tubular hace que las SOFC de Watts sean especialmente adecuadas para el ciclo térmico y el seguimiento de carga, además de poder encenderse y apagarse varias veces.

“Tradicionalmente, la tecnología SOFC planar no tolera ciclos de encendido y apagado”, dijo. “Prefiere estar encendida y funcionando a una potencia de salida constante. Pero las celdas de combustible microtubulares funcionan muy bien con los ciclos, y nuestra tecnología se basa en ellos. Por lo tanto, al enfocarnos en aplicaciones comerciales e industriales o aplicaciones de energía remota, somos una tecnología excelente para esa necesidad de ciclos”.

Una pequeña huella

A diferencia de los grupos electrógenos tradicionales, e incluso muchos de los portátiles, las SOFC de Watt pueden caber literalmente en una encimera.

“Nuestra unidad es más o menos del tamaño de un microondas doméstico que se coloca sobre la encimera”, dijo Ramaley. “Es relativamente pequeña: un poco más de 60 cm, luego 60 cm de ancho y un poco más de 30 cm en cada lado”.

Añadió que el consumo se mantiene independientemente de la potencia de salida. «Tenemos un sistema de unos 500 vatios y otro de 1,5 kW».

Ramaley dijo que la potencia de salida promedio para uso residencial en los EE. UU. es de aproximadamente 1,2 kW, lo que puede satisfacer de manera constante la carga base promedio de una casa cuando se combina con almacenamiento de energía.

"Básicamente, puedes cubrir tus picos y tener energía de respaldo limpia siempre que la necesites", dijo.

Reducción del consumo de combustible y mantenimiento

Ramaley dijo que las SOFC utilizadas como respaldo de un sistema solar que de otro modo dependería de un generador tradicional para energía de respaldo pueden ofrecer ahorros de combustible de entre el 60 y el 90 por ciento.

“En algunos casos, la pila de combustible puede estar inactiva durante días y días”, dijo. “En otros casos, puede estar en ciclos diarios, como en invierno. Por lo tanto, contar con una fuente de energía que pueda reducir el consumo de combustible entre un 60 % y un 90 % en comparación con los productos de combustión realmente permite que esas ubicaciones remotas experimenten menos mantenimiento en campo”.

Otra cosa que reduce aún más el mantenimiento, además de la falta de piezas móviles, es la capacidad de monitorear la SOFC a través de cualquier conexión a Internet.

“Por lo tanto, cuando se trata de aplicaciones verdaderamente remotas que requieren enviar un equipo de servicio de campo a un escenario remoto, se puede monitorear el funcionamiento de la celda de combustible de forma remota siempre que se tenga acceso a internet y ver qué sucede en tiempo real con los niveles de almacenamiento de energía, los niveles de la batería, el estado de carga, la cantidad de energía solar producida y el ciclo de la celda de combustible”.

Modular y escalable

Para aplicaciones más grandes o que ocasionalmente puedan requerir más energía de la que una sola unidad puede proporcionar, Ramaley dijo que las celdas de combustible son modulares y escalables.

“Usamos la comunicación CAN para conectar nuestras unidades”, dijo. “Podemos conectar unas 10 unidades y que se comuniquen inteligentemente entre sí. Así, si no se necesita un alto consumo de energía durante un tiempo, alternarán inteligentemente entre las unidades y activarán la primera, la segunda y la tercera. Pero si se necesitan varias unidades activadas simultáneamente, también pueden hacerlo”.

Watt aplica tecnología de impresión 3D para producir SOFC

Watt Fuel Cell se enorgullece de utilizar la fabricación 3D en la producción de sus celdas de combustible de óxido sólido (SOFC).

“Ese es el mérito de Watt”, dijo Danielle Ramaley, vicepresidenta de ventas y marketing de Watt Fuel Cell, “y gran parte de nuestra tecnología patentada se basa en la forma en que fabricamos nuestras celdas de combustible tubulares”.

Un robot automatizado utilizado en el proceso de impresión 3D de Watt. (Foto: Watt Fuel Cell)

Ramaley dijo que las células de combustible tubulares como las que fabrica Watt se producen mediante un proceso de extrusión.

"Es como hacer un trozo de rigatoni", dijo, refiriéndose al tipo de pasta. "Se hace una pasta. Se extruye y luego se pasan por múltiples procesos de superposición de capas, de electrolito y de cátodo. Es un proceso muy iterativo y largo".

Con este proceso de extrusión, se necesitan aproximadamente 200 horas para fabricar una celda de combustible tubular, dijo Ramaley.

“Watt ha centrado el desarrollo de la tecnología en la rentabilidad y viabilidad a gran escala”, afirmó. “Por eso, desde el principio nos centramos en la impresión 3D. Y ahora hemos reducido un proceso que tradicionalmente toma unas 200 horas a cuatro minutos”.

Además de la reducción significativa en el tiempo de fabricación, Ramaley dijo que otro beneficio de la tecnología de impresión 3D de Watt es el nivel de detalle que proporciona.

“En realidad, estamos imprimiendo a escala micrométrica, aproximadamente la mitad del tamaño de un cabello humano”, explicó. “Esto nos permite controlar no solo la calidad de nuestras celdas de combustible, sino también su forma de impresión y construcción”.

Ramaley dijo que esto le permite a Watt diseñar sus SOFC para maximizar la eficiencia debido al fino nivel de detalle, algo que no es posible con la extrusión.

Proceso de fabricación de Watt vs. el proceso de extrusión tradicional. (Imagen: Watt Fuel Cell)

“Nuestra sede se encuentra en Mount Pleasant, Pensilvania, a las afueras de Pittsburgh, y acabamos de realizar una gran expansión”, dijo Ramaley. “El objetivo de dicha expansión era ampliar nuestras capacidades de impresión 3D. Ahora tenemos capacidad para producir entre 1500 y 2000 unidades al año”.

Watt puede utilizar su capacidad de impresión 3D para fabricar pilas SOFC las 24 horas del día.

“Utilizamos múltiples procesos de impresión con un brazo robótico e inspección visual de control de calidad computarizado”, dijo Ramaley. “Podemos eliminar en cierta medida el factor humano del proceso de producción, lo que nos brinda un alto nivel de calidad y repetibilidad para producir celdas de combustible tubulares de altísima calidad”.

Generac adquiere participación accionaria en la empresa de pilas de combustible Watt Fuel Cell Corp. se especializa en pilas de combustible de óxido sólido para aplicaciones residenciales y otras.