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El hidr贸geno como combustible del futuro del transporte automotor

Publicado 30 Dic 2019
El hidr贸geno como combustible  del futuro del transporte automotor

Situaci贸n actual

Desde  sus or铆genes, hace m谩s de un siglo que los veh铆culos automotores, basaron sus funcionamientos en los combustibles de or铆genes f贸siles. Los mismos provocaron grandes contaminaciones ambientales, aparejando cambios clim谩ticos importantes cuyo efecto m谩s notable, es un recalentamiento global que empezamos a notar todos los habitantes del planeta. 

El m谩s acentuado ocurre en el 脕rtico, con el continuo retroceso de los glaciares, Los gobiernos de los pa铆ses industrializados y otros est谩n tratando de revertir esta situaci贸n.

Los gases de efecto invernadero.

Los gobiernos de los principales pa铆ses industriales dictan normas cada vez m谩s severas para evitar la producci贸n de estos gases en cualquier medio industrial y principalmente en los medios de transporte, principales productores de estos gases.

驴Qu茅 es el efecto invernadero?

Concepto que en los 煤ltimos a帽os cobro el mayor protagonismo y presencia en todos los 谩mbitos. El efecto invernadero es un fen贸meno en el cual la radiaci贸n de calor de la superficie del planeta es absorbida por los gases de la atm贸sfera, y es emitida de nuevo en todas direcciones. El principal gas culpable del efecto invernadero es el di贸xido de carbono CO2, el que lo sigue en importancia es el di贸xido de nitr贸geno (NO2).
El CO2 es el gas cuyas emisiones m谩s aumentaron desde la revoluci贸n industrial, principalmente por la quema de combustibles f贸siles provocada por las actividades humanas.

Sucesivas resoluciones de los gobiernos

- Para dar un ejemplo, en el caso de nuestra actividad se implement贸 en Europa entre 2012 y 2015, una emisi贸n m谩xima de 130 g/km de CO2.
- Hoy los veh铆culos automotores que circulan en Europa, EE.UU o Asia producen entre 119  y 135 gr. de CO2 por kil贸metro. 
- A partir del 1 de enero del 2020 en la Uni贸n Europea permitir谩 solo 0,95 gr de emisi贸n de CO2 por kil贸metro, lo que implicar铆a 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 di茅sel. 
- Para las  terminales que no logran cumplir con estas cantidades l铆mites, se ha establecido un importe de 95 euros por gramo de di贸xido de carbono por cada coche que no alcanza estos l铆mites m谩ximos.
- Los fabricantes de autom贸viles 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 anticontaminaci贸n se帽aladas arriba. 
- Las tecnolog铆as conocidas hasta la fecha no permiten a los motores de combusti贸n  interna esta reducci贸n de emisi贸n, excepto los veh铆culos con motores el茅ctricos o h铆bridos

De todos los gases que provocan el efecto invernadero, hacen que aumente la temperatura de nuestro planeta cada vez m谩s, el CO2 es el m谩s nocivo de los gases y supone un 80% de las emisiones totales. Su principal fuente de emisi贸n es la quema de combustibles f贸siles como el petr贸leo, gas y carb贸n. Adem谩s hay que saber que los gases invernadero son de "larga permanencia", lo que quiere decir que permanecen activos en la atm贸sfera por mucho tiempo.

Inconvenientes de los veh铆culos el茅ctricos

- Los veh铆culos el茅ctricos tienen problemas de autonom铆as, que pueden variar seg煤n las marcas entre 270km y 600km al m谩ximo y los tiempos de recargas son elevados entre 3 horas y 8 horas seg煤n el tipo de carga. 
- Actualmente, contin煤a siendo complejo instalar un punto de carga r谩pida, puesto que se necesita una corriente continua de hasta 600V, una intensidad de 400A y una potencia m谩xima de 240 kW. Estas cifras pueden ofrecer cargas de hasta el 80% de una bater铆a media en intervalos de entre cinco y treinta minutos.
- Por otra parte, La merma en autonom铆a se har谩 notar m谩s claramente con temperaturas por debajo de los 15潞 C y por encima de los 25 潞 C.

Los veh铆culos h铆bridos

- Los veh铆culos h铆bridos no tienen limitaci贸n de autonom铆a ya que el motor principal es un motor de combusti贸n interno y la carga del tanque de la unidad se realiza en una de las miles de estaciones de servicio que existen en cada pa铆s.
- A diferencia de los coches el茅ctricos, las bater铆as de los h铆bridos se auto-recargan de forma sencilla en diferentes situaciones. Por ciudad, podr谩s conducir m谩s del 50% de tus trayectos en modo 100% el茅ctrico, sin consumir ni una sola gota de gasolina. 
- Existen ciertos modelos que adem谩s son conectables a las redes el茅ctricas.
- Siempre el motor el茅ctrico funciona como auxiliar, principalmente cuando la unidad empieza a rodar y hasta ciertas velocidades de 50 a 110km seg煤n las marcas. 
- El hibrido tiene uno de los motores que funciona en base a la combusti贸n de carburantes de or铆genes f贸siles por lo tanto produce CO2. En todos los pa铆ses se dio una fecha m谩xima entre 2030 y 2040 para la fabricaci贸n y 2050 para la circulaci贸n. 

驴Por qu茅 hablar del motor a hidrogeno?

Por lo que podemos vislumbrar hasta la fecha, seri谩 el motor del veh铆culo automotor del futuro. La tercera d茅cada del siglo XXI ser谩 una 茅poca de transici贸n antes de llegar a este motor cuya tecnolog铆a existe en casi todas las marcas fabricantes de unidades automotrices y algunas terminales ya los comercializan desde hace unos a帽os.

Hidr贸geno.

Existen dos tipos de motores que emplean hidr贸geno, los motores de combusti贸n, que lo utilizan como si fuera un combustible, "gasolina" en una palabra, lo queman en un motor de explosi贸n, y los motores de conversi贸n de pila de combustible, que utilizan el hidr贸geno para producir electricidad. 

Vamos a tratar este 煤ltimo caso, que nos interesa ya que podr铆a ser el sistema de propulsi贸n de los veh铆culos del futuro, que volver铆a a dar al autom贸vil su autonom铆a actual, con solo abastecerse de hidr贸geno, como actualmente nos abastecemos de Gasolina o gasoil en las estaciones de servicios instaladas en rutas y ciudades de todos los pa铆ses del planeta.

Hoy uno de los m谩s importantes inconvenientes para la comercializaci贸n de los autom贸viles con "Pilas de combustible", a parte del precio del veh铆culo en s铆 mismo, es reducir los costos de producci贸n del hidr贸geno y su posterior log铆stica.
Producci贸n de hidr贸geno

- Al igual que la electricidad, el hidr贸geno es un transportador excelente de energ铆a, ya que puede producirse a partir de diferentes y abundantes precursores, tales como - La utilizaci贸n del hidr贸geno en las celdas de combustible, particularmente en el sector del transporte, permitir谩 en el futuro diversificar el suministro energ茅tico, aprovechar los recursos dom茅sticos y reducir la dependencia de la importaci贸n de petr贸leo.
- El hidr贸geno se considera como la energ铆a m谩s atractiva para el futuro pr贸ximo debido a que su combusti贸n no resulta contaminante. El hidr贸geno, cuando se combina con el ox铆geno del aire, libera la energ铆a qu铆mica almacenada, generando solamente vapor de agua como producto de la combusti贸n. Puede almacenarse como gas a presi贸n, como l铆quido 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 combusti贸n, el hidr贸geno ofrece un gran potencial para reducir las emisiones de CO2 que se generan durante la combusti贸n de sus precursores de origen f贸sil. 
- El hidr贸geno pr谩cticamente no se encuentra en estado libre en la tierra, por lo que no es una energ铆a primaria. Sin embargo, puede producirse a partir de distintos precursores mediante procesos qu铆micos o bioqu铆micos.

La opci贸n de los precursores renovables

Biomasa celul贸sica, 

El hidr贸geno puede obtenerse a partir de una fuente renovable como es la biomasa celul贸sica. La celulosa puede convertirse en H2  mediante varios procesos termoqu铆micos tales como combusti贸n, licuefacci贸n, pirolisis y gasificaci贸n

Procesos t茅rmicos, 

Otros procesos renovables utilizan la energ铆a t茅rmica para producir hidr贸geno. Estos procesos no son catal铆ticos e incluyen la disociaci贸n termoqu铆mica del agua usando el calor de una fuente energ茅tica a elevada temperatura, como por ejemplo reactores nucleares y hornos solares.

Procesos fotoqu铆micos, 

Otro proceso extraordinariamente atractivo de producci贸n de hidr贸geno es la disociaci贸n del agua sobre semiconductores utilizando luz solar. La eficiencia de este proceso viene determinada principalmente por las propiedades foto-f铆sicas y la morfolog铆a del material semiconductor empleado

Reformado de etanol y az煤cares, 

Una forma simple de transporte del hidr贸geno es mediante precursores renovables, tales como etanol y az煤cares en fase l铆quida. Estos precursores se transforman en hidr贸geno mediante procesos de reformado con vapor de agua o bajo presi贸n en fase l铆quida en el mismo lugar donde se consume el hidr贸geno.

Biofotolisis de agua

El hidr贸geno puede producirse tambi茅n mediante sistemas biol贸gicos. Algunos microorganismos fotosint茅ticos son capaces de realizar la ruptura de la mol茅cula 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 pa铆s es el mismo problema, el costo de la producci贸n del hidr贸geno. Para que el uso del hidr贸geno como 'combustible' en automoci贸n sea viable, hay que conseguir que su producci贸n y uso sean rentables econ贸micamente. 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 Espa帽a.

Para que el sue帽o del hidr贸geno sea viable, hay que resolver los siguientes temas.

- Conseguir producir hidr贸geno a un precio lo bastante atractivo.
- Lo bastante bajo como batir en coste a la gasolina, el gas贸leo e, incluso, el gas natural. Actualmente, el hidr贸geno se vende a unos 12 ? el kilo y habr铆a que reducir su precio a la mitad.
- Adem谩s, es necesario producirlo sin emisiones de CO2 ya que, durante su producci贸n, en el momento  del reformado se emite tanto CO2 que, en t茅rminos de efecto invernadero, ser铆a preferible un coche de gas natural.

Como se genera la electricidad con el hidr贸geno

El procedimiento exacto y m谩s esquematizado ser铆a el que sigue:

- El hidr贸geno almacenado en los tanques abastece la pila de combustible.
- Se inyecta aire (ox铆geno) a las celdas de combustible que conforman la pila.
- La reacci贸n del ox铆geno del aire y el hidr贸geno 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 hidr贸geno cuentan con una mec谩nica con un notable elenco de actores: por un lado el propulsor, por otro la pila de combustible, por otro las bater铆as y, finalmente, el tanque de hidr贸geno.

La electricidad se genera mediante el siguiente proceso:

- Se hace pasar por un electrodo de la celda, el Hidr贸geno almacenado a 5,000 psi*** (el est谩ndar de la industria ser谩 10,000 psi) y por el otro Ox铆geno.
*** PSI (libras por pulgada cuadrada por sus siglas en ingl茅s) es una unidad de presi贸n
- Ambos elementos pasan a lo largo de una membrana que est谩 compuesta por metales preciosos como el Paladio que separa los electrones del Hidr贸geno, mismos que son utilizados para surtir el motor el茅ctrico. Los protones atraviesan la membrana y se unen al ox铆geno.
- 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 hidr贸geno des ionizado y el ox铆geno.

 驴Por qu茅 no se usa masivamente el hidr贸geno?

- Hay varios problemas, si bien el hidr贸geno es uno de los elementos m谩s abundantes, no es f谩cil encontrarlo en estado puro. Para ello es necesario "producirlo" y los m茅todos pueden ser a partir de hidrocarburos o separ谩ndolo 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 c贸mo se gener贸 esa electricidad, si fue mediante represas, viento o colectores solares, entonces s铆 es ecol贸gico.
- Otro problema de las Celdas de Hidr贸geno es su alto costo de producci贸n ya que a煤n se necesitan materiales preciosos para funcionar, aunque ya se est谩n haciendo avances en ese sentido. Adem谩s, las membranas tienen una degradaci贸n que va mermando su rendimiento con el tiempo.
- Finalmente es necesario generar una red de abastecimiento para los veh铆culos de hidr贸geno 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 hidr贸geno 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. Adem谩s, la vida 煤til del tanque est谩 limitada por normativa a 15 a帽os, lo que condiciona tambi茅n la del veh铆culo.
- Asimismo, su potencia se reduce con el uso: como se帽ala Hyundai, despu茅s de realizar 225.000 km, la entrega se reduce un 15%.
- Uno o varios tanques de hidr贸geno, normalmente cil铆ndricos y de fibra de carbono y otros materiales compuestos, que sean muy resistentes, sobre todo porque el hidr贸geno que se almacena se comprime a muy alta presi贸n, a hasta 700 bares de presi贸n, o sea, unas 690 veces la presi贸n atmosf茅rica.
- 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, todav铆a abulta un poco m谩s). Suele colocarse debajo o detr谩s de los asientos traseros, seg煤n el coche.

Medio ambiente

- Si pensamos en t茅rminos de contaminaci贸n del aire, de reducir emisiones de todo tipo, adem谩s de las de di贸xido de carbono (CO?), es imprescindible obtener hidr贸geno de manera renovable y no como se est谩 produciendo hoy en d铆a.
- Despu茅s de toda la energ铆a consumida para obtener el hidr贸geno, tambi茅n hay que consumir energ铆a para comprimirlo, desde la presi贸n atmosf茅rica, 1,013 bares, hasta los 350 o incluso 700 bares de presi贸n para rellenar los tanques de los coches (es much铆sima presi贸n).
- Por cierto, hablo de kilos porque es la cantidad realmente 煤til de hidr贸geno, hablar de litros es una locura puesto que es un gas, y adem谩s de su baj铆sima densidad y de ser muy vol谩til, no hay la misma cantidad de hidr贸geno en un litro dependiendo de la presi贸n a la que se encuentre. As铆 que el consumo de un coche de hidr贸geno se mide en kg/100 km, no en litros/100 km como hacemos con la gasolina.

Infraestructura

La infraestructura que precisan los coches de hidr贸geno requiere una inversi贸n mucho mayor respecto a los modelos el茅ctricos. Si bien todo depende de la rentabilidad, el coste de una hidrogenaci贸n se cifra entre los 500.000 y el mill贸n de euros***, mientras que las estaciones de recarga r谩pida multi formato de los el茅ctricos cifra su coste en unos 50.000 euros.
*** son precios en Europa.

Eficiencia de un coche el茅ctrico de pila de combustible de hidr贸geno

- Un coche 100% el茅ctrico de bater铆a, o coche el茅ctrico a secas, de tama帽o medio y precio "asequible", viene a tener un consumo de unos 14 kWh/100 km. 
- Un coche el茅ctrico de pila de combustible de hidr贸geno, de los pocos que circulan ya por las carreteras, tiene un consumo de unos 29 kWh/100 km (unos 0,9 kg de hidr贸geno a los 100 km).
- Considerando el consumo solo por su uso, a los 100 km, el coche el茅ctrico de pila de combustible de hidr贸geno consume algo as铆 como el doble de energ铆a que el coche "solo" el茅ctrico. Esto es un inconveniente que no debemos ignorar.
- Para obtener un kilo de hidr贸geno se necesitan unos 55 a 70 kWh de energ铆a, m谩s 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 energ铆a que de verdad est谩 gastando el coche el茅ctrico de pila de combustible de hidr贸geno son unos 54 kWh/100 km (por los 0,9 kg/100 km que consume).
- En el caso del coche el茅ctrico podemos irnos con todas las p茅rdidas a unos 28 kWh/100 km, considerando un 50% de p茅rdidas en generaci贸n, un 10% en transporte, un 10% en distribuci贸n, un 20% en recarga y un 10% en bater铆a, una situaci贸n bastante desfavorable, para que no se diga que "le favorecemos". 
- Pero en el coche de hidr贸geno podemos estar alrededor de los 91 kWh/100 km en total  (considerando p茅rdidas por generaci贸n, transporte y distribuci贸n de la electricidad consumida para generar el hidr贸geno).
- Del pozo a la rueda el coche de hidr贸geno puede consumir hasta el triple de energ铆a - Nadie deber铆a de extra帽arse por esto: Para obtener 1 kg de hidr贸geno se consume el doble de energ铆a que la que contiene, eso ya marca una diferencia muy grande, y adem谩s el rendimiento de la pila de combustible que va a bordo del coche, para transformar ese hidr贸geno en electricidad, es de alrededor del 60 o 70%.
- Es de pura l贸gica: cuantos m谩s procesos de transformaci贸n de energ铆a haya, m谩s p茅rdidas y peor rendimiento habr谩 al final, pues se van acumulando las p茅rdidas de cada uno de los procesos.
Nota Para que podamos hacernos una idea, y comparar, podemos traer a colaci贸n que un coche de gasolina de tama帽o medio, con un motor moderno y eficiente, con un consumo real medio de unos 6,5 l/100 km, y considerando el consumo de energ铆a del pozo a la rueda, viene a suponer unos 68 kWh/100 km. 
Es decir, el coche el茅ctrico realmente nos permite ahorrar energ铆a, pero el coche el茅ctrico de pila de combustible de hidr贸geno no. Y si no ahorramos realmente energ铆a mal vamos.

Conclusi贸n

- El primer reto de los coches el茅ctricos de pila de combustible de hidr贸geno ser铆a mejorar mucho su eficiencia global. Para ello se puede trabajar en pilas de combustible m谩s eficientes, algo que ya se est谩 haciendo, aunque no deja mucho margen de mejora, y tambi茅n habr铆a que intentar mejorar la eficiencia de la producci贸n de hidr贸geno, algo un poco m谩s complicado.
- Lo que sucede es que la ventaja del coche el茅ctrico en cuanto a eficiencia es tan grande, que el coche el茅ctrico de pila de combustible de hidr贸geno, incluso mejorando, seguir铆a estando por debajo 
"Recordemos que el balance energ茅tico final viene a ser el triple, o sea, un 300% m谩s de consumo, lo cual es mucha diferencia".
- En contraparte el coche el茅ctrico para tener autonom铆a necesita m谩s peso en bater铆as y las recargas necesitan m谩s tiempo

*Una de las maneras de disminuir el tiempo de recarga seria estaciones preparadas para hacer un cambio de bater铆as r谩pidas.

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