Situación actual

Desde  sus orígenes, hace más de un siglo que los vehículos automotores, basaron sus funcionamientos en los combustibles de orígenes fósiles. Los mismos provocaron grandes contaminaciones ambientales, aparejando cambios climáticos importantes cuyo efecto más notable, es un recalentamiento global que empezamos a notar todos los habitantes del planeta. 

El más acentuado ocurre en el Ártico, con el continuo retroceso de los glaciares, Los gobiernos de los países industrializados y otros están tratando de revertir esta situación.

Los gases de efecto invernadero.

Los gobiernos de los principales países industriales dictan normas cada vez más severas para evitar la producción de estos gases en cualquier medio industrial y principalmente en los medios de transporte, principales productores de estos gases.

¿Qué es el efecto invernadero?

Concepto que en los últimos años cobro el mayor protagonismo y presencia en todos los ámbitos. El efecto invernadero es un fenómeno en el cual la radiación de calor de la superficie del planeta es absorbida por los gases de la atmósfera, y es emitida de nuevo en todas direcciones. El principal gas culpable del efecto invernadero es el dióxido de carbono CO2, el que lo sigue en importancia es el dióxido de nitrógeno (NO2).

El CO2 es el gas cuyas emisiones más aumentaron desde la revolución industrial, principalmente por la quema de combustibles fósiles provocada por las actividades humanas.

Sucesivas resoluciones de los gobiernos

- Para dar un ejemplo, en el caso de nuestra actividad se implementó en Europa entre 2012 y 2015, una emisión máxima de 130 g/km de CO2.

- Hoy los vehículos automotores que circulan en Europa, EE.UU o Asia producen entre 119  y 135 gr. de CO2 por kilómetro. 

- A partir del 1 de enero del 2020 en la Unión Europea permitirá solo 0,95 gr de emisión de CO2 por kilómetro, lo que implicaría una media de consumo en carburante de 4,1 l/100 km para los motores de gasolina y de 3,9 l/100 km para los motores diésel. 

- Para las  terminales que no logran cumplir con estas cantidades límites, se ha establecido un importe de 95 euros por gramo de dióxido de carbono por cada coche que no alcanza estos límites máximos.

- Los fabricantes de automóviles de la UE. Se enfrentan en el 2021 a multas entre 2.403 y 11.198 millones de euros en caso que no cumplen con las normas anticontaminación señaladas arriba. 

- Las tecnologías conocidas hasta la fecha no permiten a los motores de combustión  interna esta reducción de emisión, excepto los vehículos con motores eléctricos o híbridos

De todos los gases que provocan el efecto invernadero, hacen que aumente la temperatura de nuestro planeta cada vez más, el CO2 es el más nocivo de los gases y supone un 80% de las emisiones totales. Su principal fuente de emisión es la quema de combustibles fósiles como el petróleo, gas y carbón. Además hay que saber que los gases invernadero son de "larga permanencia", lo que quiere decir que permanecen activos en la atmósfera por mucho tiempo.

Inconvenientes de los vehículos eléctricos

- Los vehículos eléctricos tienen problemas de autonomías, que pueden variar según las marcas entre 270km y 600km al máximo y los tiempos de recargas son elevados entre 3 horas y 8 horas según el tipo de carga. 

- Actualmente, continúa siendo complejo instalar un punto de carga rápida, puesto que se necesita una corriente continua de hasta 600V, una intensidad de 400A y una potencia máxima de 240 kW. Estas cifras pueden ofrecer cargas de hasta el 80% de una batería media en intervalos de entre cinco y treinta minutos.

- Por otra parte, La merma en autonomía se hará notar más claramente con temperaturas por debajo de los 15º C y por encima de los 25 º C.

Los vehículos híbridos

- Los vehículos híbridos no tienen limitación de autonomía ya que el motor principal es un motor de combustión interno y la carga del tanque de la unidad se realiza en una de las miles de estaciones de servicio que existen en cada país.

- A diferencia de los coches eléctricos, las baterías de los híbridos se auto-recargan de forma sencilla en diferentes situaciones. Por ciudad, podrás conducir más del 50% de tus trayectos en modo 100% eléctrico, sin consumir ni una sola gota de gasolina. 

- Existen ciertos modelos que además son conectables a las redes eléctricas.

- Siempre el motor eléctrico funciona como auxiliar, principalmente cuando la unidad empieza a rodar y hasta ciertas velocidades de 50 a 110km según las marcas. 

- El hibrido tiene uno de los motores que funciona en base a la combustión de carburantes de orígenes fósiles por lo tanto produce CO2. En todos los países se dio una fecha máxima entre 2030 y 2040 para la fabricación y 2050 para la circulación. 

¿Por qué hablar del motor a hidrogeno?

Por lo que podemos vislumbrar hasta la fecha, seriá el motor del vehículo automotor del futuro. La tercera década del siglo XXI será una época de transición antes de llegar a este motor cuya tecnología existe en casi todas las marcas fabricantes de unidades automotrices y algunas terminales ya los comercializan desde hace unos años.

Hidrógeno.

Existen dos tipos de motores que emplean hidrógeno, los motores de combustión, que lo utilizan como si fuera un combustible, "gasolina" en una palabra, lo queman en un motor de explosión, y los motores de conversión de pila de combustible, que utilizan el hidrógeno para producir electricidad. 

Vamos a tratar este último caso, que nos interesa ya que podría ser el sistema de propulsión de los vehículos del futuro, que volvería a dar al automóvil su autonomía actual, con solo abastecerse de hidrógeno, como actualmente nos abastecemos de Gasolina o gasoil en las estaciones de servicios instaladas en rutas y ciudades de todos los países del planeta.

Hoy uno de los más importantes inconvenientes para la comercialización de los automóviles con "Pilas de combustible", a parte del precio del vehículo en sí mismo, es reducir los costos de producción del hidrógeno y su posterior logística.

Producción de hidrógeno

- Al igual que la electricidad, el hidrógeno es un transportador excelente de energía, ya que puede producirse a partir de diferentes y abundantes precursores, tales como - La utilización del hidrógeno en las celdas de combustible, particularmente en el sector del transporte, permitirá en el futuro diversificar el suministro energético, aprovechar los recursos domésticos y reducir la dependencia de la importación de petróleo.

- El hidrógeno se considera como la energía más atractiva para el futuro próximo debido a que su combustión no resulta contaminante. El hidrógeno, cuando se combina con el oxígeno del aire, libera la energía química almacenada, generando solamente vapor de agua como producto de la combustión. Puede almacenarse como gas a presión, como líquido y distribuirse mediante gasoductos, por lo que se considera que puede reemplazar al gas natural a medio-largo plazo.

- Puesto que no se producen gases de efecto invernadero durante su combustión, el hidrógeno ofrece un gran potencial para reducir las emisiones de CO2 que se generan durante la combustión de sus precursores de origen fósil. 

- El hidrógeno prácticamente no se encuentra en estado libre en la tierra, por lo que no es una energía primaria. Sin embargo, puede producirse a partir de distintos precursores mediante procesos químicos o bioquímicos.

La opción de los precursores renovables

Biomasa celulósica, 

El hidrógeno puede obtenerse a partir de una fuente renovable como es la biomasa celulósica. La celulosa puede convertirse en H2  mediante varios procesos termoquímicos tales como combustión, licuefacción, pirolisis y gasificación

Procesos térmicos, 

Otros procesos renovables utilizan la energía térmica para producir hidrógeno. Estos procesos no son catalíticos e incluyen la disociación termoquímica del agua usando el calor de una fuente energética a elevada temperatura, como por ejemplo reactores nucleares y hornos solares.

Procesos fotoquímicos, 

Otro proceso extraordinariamente atractivo de producción de hidrógeno es la disociación del agua sobre semiconductores utilizando luz solar. La eficiencia de este proceso viene determinada principalmente por las propiedades foto-físicas y la morfología del material semiconductor empleado

Reformado de etanol y azúcares, 

Una forma simple de transporte del hidrógeno es mediante precursores renovables, tales como etanol y azúcares en fase líquida. Estos precursores se transforman en hidrógeno mediante procesos de reformado con vapor de agua o bajo presión en fase líquida en el mismo lugar donde se consume el hidrógeno.

Biofotolisis de agua

El hidrógeno puede producirse también mediante sistemas biológicos. Algunos microorganismos fotosintéticos son capaces de realizar la ruptura de la molécula de agua en sus componentes. Algunas algas, como el alga verde Scenedesmus, producen hidrogeno cuando se iluminan con luz visible o cuando se mantienen en condiciones anaerobias y en ausencia de luz.

Principal inconveniente actualmente

De manera general en cualquier país es el mismo problema, el costo de la producción del hidrógeno. Para que el uso del hidrógeno como 'combustible' en automoción sea viable, hay que conseguir que su producción y uso sean rentables económicamente. Suplantar la gasolina y el gasoil por un combustible de iguales costo y rendimiento.

Nota  El ejemplo sale de los datos que se registren en España.

Para que el sueño del hidrógeno sea viable, hay que resolver los siguientes temas.

- Conseguir producir hidrógeno a un precio lo bastante atractivo.

- Lo bastante bajo como batir en coste a la gasolina, el gasóleo e, incluso, el gas natural. Actualmente, el hidrógeno se vende a unos 12 ? el kilo y habría que reducir su precio a la mitad.

- Además, es necesario producirlo sin emisiones de CO2 ya que, durante su producción, en el momento  del reformado se emite tanto CO2 que, en términos de efecto invernadero, sería preferible un coche de gas natural.

Como se genera la electricidad con el hidrógeno

El procedimiento exacto y más esquematizado sería el que sigue:

- El hidrógeno almacenado en los tanques abastece la pila de combustible.

- Se inyecta aire (oxígeno) a las celdas de combustible que conforman la pila.

- La reacción del oxígeno del aire y el hidrógeno almacenado dentro de las celdas genera tanto electricidad como agua.

- El agua sobrante se expulsa mediante el sistema de escape.

 

Como vemos, los coches de hidrógeno cuentan con una mecánica con un notable elenco de actores: por un lado el propulsor, por otro la pila de combustible, por otro las baterías y, finalmente, el tanque de hidrógeno.

La electricidad se genera mediante el siguiente proceso:

- Se hace pasar por un electrodo de la celda, el Hidrógeno almacenado a 5,000 psi*** (el estándar de la industria será 10,000 psi) y por el otro Oxígeno.

*** PSI (libras por pulgada cuadrada por sus siglas en inglés) es una unidad de presión

- Ambos elementos pasan a lo largo de una membrana que está compuesta por metales preciosos como el Paladio que separa los electrones del Hidrógeno, mismos que son utilizados para surtir el motor eléctrico. Los protones atraviesan la membrana y se unen al oxígeno.

- Al terminar el paso de los elementos por la celda, se obtiene electricidad para el motor por un lado y vapor de agua por el otro, al unir el hidrógeno des ionizado y el oxígeno.

 ¿Por qué no se usa masivamente el hidrógeno?

- Hay varios problemas, si bien el hidrógeno es uno de los elementos más abundantes, no es fácil encontrarlo en estado puro. Para ello es necesario "producirlo" y los métodos pueden ser a partir de hidrocarburos o separándolo del agua con electricidad.

- En el primer caso no es tan conveniente ya que sigue dependiendo de una fuente contaminante y no renovable. En el segundo depende de cómo se generó esa electricidad, si fue mediante represas, viento o colectores solares, entonces sí es ecológico.

- Otro problema de las Celdas de Hidrógeno es su alto costo de producción ya que aún se necesitan materiales preciosos para funcionar, aunque ya se están haciendo avances en ese sentido. Además, las membranas tienen una degradación que va mermando su rendimiento con el tiempo.

- Finalmente es necesario generar una red de abastecimiento para los vehículos de hidrógeno y eso requiere un trabajo conjunto entre gobiernos, proveedores y las automotrices.

Tanque de combustible "hidrogeno"

- En lo que toca a seguridad, por mucho que las marcas se esfuercen en desarrollar tanques hidrógeno que eviten cualquier tipo de fuga, este gas es altamente inflamable, lo que puede pesar a la hora de escoger este tipo de coches frente a otras opciones cero emisiones. Además, la vida útil del tanque está limitada por normativa a 15 años, lo que condiciona también la del vehículo.

- Asimismo, su potencia se reduce con el uso: como señala Hyundai, después de realizar 225.000 km, la entrega se reduce un 15%.

- Uno o varios tanques de hidrógeno, normalmente cilíndricos y de fibra de carbono y otros materiales compuestos, que sean muy resistentes, sobre todo porque el hidrógeno que se almacena se comprime a muy alta presión, a hasta 700 bares de presión, o sea, unas 690 veces la presión atmosférica.

- El tanque ocupa mucho volumen, por ejemplo el del Honda FCX Clarity es de 171 litros de capacidad (exteriormente, debido al grueso de las paredes del tanque, todavía abulta un poco más). Suele colocarse debajo o detrás de los asientos traseros, según el coche.

Medio ambiente

- Si pensamos en términos de contaminación del aire, de reducir emisiones de todo tipo, además de las de dióxido de carbono (CO?), es imprescindible obtener hidrógeno de manera renovable y no como se está produciendo hoy en día.

- Después de toda la energía consumida para obtener el hidrógeno, también hay que consumir energía para comprimirlo, desde la presión atmosférica, 1,013 bares, hasta los 350 o incluso 700 bares de presión para rellenar los tanques de los coches (es muchísima presión).

- Por cierto, hablo de kilos porque es la cantidad realmente útil de hidrógeno, hablar de litros es una locura puesto que es un gas, y además de su bajísima densidad y de ser muy volátil, no hay la misma cantidad de hidrógeno en un litro dependiendo de la presión a la que se encuentre. Así que el consumo de un coche de hidrógeno se mide en kg/100 km, no en litros/100 km como hacemos con la gasolina.

Infraestructura

La infraestructura que precisan los coches de hidrógeno requiere una inversión mucho mayor respecto a los modelos eléctricos. Si bien todo depende de la rentabilidad, el coste de una hidrogenación se cifra entre los 500.000 y el millón de euros***, mientras que las estaciones de recarga rápida multi formato de los eléctricos cifra su coste en unos 50.000 euros.

*** son precios en Europa.

Eficiencia de un coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno

- Un coche 100% eléctrico de batería, o coche eléctrico a secas, de tamaño medio y precio "asequible", viene a tener un consumo de unos 14 kWh/100 km. 

- Un coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno, de los pocos que circulan ya por las carreteras, tiene un consumo de unos 29 kWh/100 km (unos 0,9 kg de hidrógeno a los 100 km).

- Considerando el consumo solo por su uso, a los 100 km, el coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno consume algo así como el doble de energía que el coche "solo" eléctrico. Esto es un inconveniente que no debemos ignorar.

- Para obtener un kilo de hidrógeno se necesitan unos 55 a 70 kWh de energía, más la necesaria para comprimirlo. Podemos considerar en un caso favorable (para que no se diga) que son unos 60 kWh por kilo, lo que se traduce en que la energía que de verdad está gastando el coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno son unos 54 kWh/100 km (por los 0,9 kg/100 km que consume).

- En el caso del coche eléctrico podemos irnos con todas las pérdidas a unos 28 kWh/100 km, considerando un 50% de pérdidas en generación, un 10% en transporte, un 10% en distribución, un 20% en recarga y un 10% en batería, una situación bastante desfavorable, para que no se diga que "le favorecemos". 

- Pero en el coche de hidrógeno podemos estar alrededor de los 91 kWh/100 km en total  (considerando pérdidas por generación, transporte y distribución de la electricidad consumida para generar el hidrógeno).

- Del pozo a la rueda el coche de hidrógeno puede consumir hasta el triple de energía - Nadie debería de extrañarse por esto: Para obtener 1 kg de hidrógeno se consume el doble de energía que la que contiene, eso ya marca una diferencia muy grande, y además el rendimiento de la pila de combustible que va a bordo del coche, para transformar ese hidrógeno en electricidad, es de alrededor del 60 o 70%.

- Es de pura lógica: cuantos más procesos de transformación de energía haya, más pérdidas y peor rendimiento habrá al final, pues se van acumulando las pérdidas de cada uno de los procesos.

Nota Para que podamos hacernos una idea, y comparar, podemos traer a colación que un coche de gasolina de tamaño medio, con un motor moderno y eficiente, con un consumo real medio de unos 6,5 l/100 km, y considerando el consumo de energía del pozo a la rueda, viene a suponer unos 68 kWh/100 km. 

Es decir, el coche eléctrico realmente nos permite ahorrar energía, pero el coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno no. Y si no ahorramos realmente energía mal vamos.

Conclusión

- El primer reto de los coches eléctricos de pila de combustible de hidrógeno sería mejorar mucho su eficiencia global. Para ello se puede trabajar en pilas de combustible más eficientes, algo que ya se está haciendo, aunque no deja mucho margen de mejora, y también habría que intentar mejorar la eficiencia de la producción de hidrógeno, algo un poco más complicado.

- Lo que sucede es que la ventaja del coche eléctrico en cuanto a eficiencia es tan grande, que el coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno, incluso mejorando, seguiría estando por debajo 

"Recordemos que el balance energético final viene a ser el triple, o sea, un 300% más de consumo, lo cual es mucha diferencia".

- En contraparte el coche eléctrico para tener autonomía necesita más peso en baterías y las recargas necesitan más tiempo

*Una de las maneras de disminuir el tiempo de recarga seria estaciones preparadas para hacer un cambio de baterías rápidas.