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Categorías: Etc., Tecnología

¿La solución del hidrógeno?


El F125! de Mercedes es uno de los muchos conceptos movidos por pila de combustible

Todos sabemos que el futuro de la movilidad personal no está en el petróleo. Tarde o temprano, este bien cada día más escaso dejará de ser una opción real para nuestras necesidades, ya que llegará un momento en el que quede poco y tan oculto que no será rentable extraerlo y emplearlo en nuestros vehículos de uso diario.

Ese día se acerca poco a poco, y esta situación, unida a las cada vez más exigentes normativas de control de emisiones de la NAFTA y la Unión Europea hacen que los fabricantes estén planificando un libro de ruta que les aleja, cada día más, de los motores de combustión interna como solución de futuro.

Hemos escuchado en los últimos meses a varios fabricantes mencionar este libro de ruta, donde primero se hablaba de los microhíbridos, luego de los híbridos, de los coches eléctricos de rango extendido, y por último, de los coches de pila de combustible como solución final, pero a medio o largo plazo.

Pero la existencia de los coches de pila de combustible como solución a la movilidad personal es algo que, como ingeniero, me resulta complicada de asumir. Y es que la llamada "economía del hidrógeno" es menos eficiente, tecnológicamente hablando, que la de un sistema de baterías, por ejemplo. El ritmo al que se está produciendo la evolución del automóvil y de las soluciones técnicas parece que no va a dar margen para que la pila de hidrógeno se desarrolle al tiempo requerido.

Hoy hemos querido dedicar un artículo largo sobre los porqués y los cómos de la pila de hidrógeno, y su problemática inherente, la falta de eficiencia energética real.
¿Qué es la pila de hidrógeno? ¿Cómo mueve nuestro coche?

La pila de hidrógeno es un dispositivo "sencillo" en términos relativos, que a partir de una reacción química genera electricidad. Esta reacción química es la de unir átomos de hidrógeno con otros de oxígeno para crear agua, liberando energía eléctrica en el proceso.


El principio de funcionamiento de una pila de combustible a hidrógeno es muy sencillo

No voy a entrar en una explicación más profunda de cómo funciona por dentro la pila de combustible para poder extraer la electricidad, porque no viene al caso ahora mismo, y es algo ya más complejo de por sí (si queréis, algún día nos metemos en ese tema).

Con la electricidad obtenida del proceso de unión de hidrógeno y oxígeno para formar agua se mueve un motor eléctrico, que es el encargado de impulsar nuestro coche.


El FCX de Honda es otro buen ejemplo de un coche con pila de hidrógeno.

Además, parte de esta energía eléctrica puede ser almacenada en capacitadores y baterías para realizar aceleraciones fuertes puntuales o para mover servicios auxiliares del automóvil, como motores de dirección asistida, compresor del aire acondicionado, etcétera.

A fin de cuentas, un coche con pila de hidrógeno no es otra cosa que un coche eléctrico, que lleva incorporado su propio generador de electricidad para moverse. Dado que el generador eléctrico sólo libera por el "escape" vapor de agua, el coche en sí mismo no perjudica al medio ambiente.

¿Con qué se alimenta la pila de hidrógeno? ¿De dónde sale el hidrógeno?

Pero claro, para alimentar la pila de hidrógeno hemos de tener... hidrógeno. Aquí es donde empieza a complicarse la historia. Escucharás por ahí una afirmación que es cierta, de boca de los "pro-pila de hidrógeno" más "espabilados": el hidrógeno es el elemento químico más abundante del universo.

Es cierto, el hidrógeno representa más del 73% de la materia visible del universo. Pero hay un problema, y no es una tontería. El hidrógeno no se encuentra en la tierra de manera libre y natural. Vamos, que no está disperso por el cielo, o escondido en un pozo.


El hidrógeno se puede extraer del agua, pero es una operación energéticamente costosa.

La mayor parte del hidrógeno que tenemos en la tierra está asociado al oxígeno formando agua, por ejemplo la de los océanos y mares que cubren la mayor parte de la tierra. Pero hay que separarlo del oxígeno para poder usarlo como alimento para la pila de combustible.

Hay otras maneras más sencillas de obtener hidrógeno, pero la mayor parte de ellas no son renovables, ya que tratan de aprovechar el hidrógeno contenido en otros combustibles fósiles, por lo que estaríamos alargando el mismo problema del petróleo como tal.

Así que el hidrógeno para nuestra pila de combustible ha de salir del agua si hemos de considerarlo como la solución a nuestra movilidad sostenible a largo plazo.

¿Dónde está el problema de eficiencia de la pila de hidrógeno?

Separar átomos de hidrógeno del agua es algo que se consigue por un proceso de electrólisis. El problema es que la electrólisis es un proceso que no es eficiente al 100%.

Con la tecnología actual tenemos un proceso de electrólisis que permite una obtención de hidrógeno a un rendimiento de alrededor del 70%.
La electrólisis para obtener hidrógeno del agua es un proceso con un 70% de eficiencia aproximada.

Obtenido el gas de hidrógeno, hemos de comprimirlo para condensarlo y pasarlo a estado líquido, que es la manera óptima de poder transportarlo. Esta compresión requiere de un nuevo gasto energético. La distribución del hidrógeno para llegar hasta las hidrogeneras es otro tema de problemática, aunque no mayor que el ya conocido para mover gasolina hasta las gasolineras actuales. En todo caso, el desplazamiento del hidrógeno genera un consumo energético que no es despreciable.

¿De dónde sacamos la electricidad para obtener hidrógeno?

Otra de las problemáticas del uso del hidrógeno como "moneda de intercambio energético" es que el hidrógeno en sí mismo no es una fuente energética. Es decir, el hidrógeno no existe, como te hemos comentado más arriba, en nuestro planeta de forma "libre", así que lo empleamos como "pila energética", creándolo a partir de electricidad y agua.

Pero para convertir agua en hidrógeno, necesitamos electricidad, tal y como has visto, y esta electricidad "ha de salir de algún lado". Para que el hidrógeno sea "una fuente de energía renovable y limpia", la electricidad con la que se genera ha de ser renovable y limpia.


La energía para obtener hidrógeno ha de ser renovable si queremos ser ecológicos

Esto hace que sólo se puedan emplear generadores de electricidad como placas solares, aerogeneradores, saltos de agua... Obviamente, también se puede hacer uso de las fuentes de energía eléctrica actualmente conocidas, como las centrales térmicas, pero estaríamos desplazando el problema de las emisiones de CO2 y contaminantes a dichas centrales, ya que habría que gastar combustibles fósiles en ellas, y eso es lo que, en parte, se busca eliminar con la economía del hidrógeno.

Comparativamente, ¿es más eficiente un coche "a baterías" o uno a pila de hidrógeno? ¿Dónde está la ventaja de la pila de hidrógeno respecto a las baterías?

Pero, ¿de dónde vienen mis dudas sobre la aplicación del hidrógeno a gran escala?

Vamos a ver un ejemplo comparativo de un ciclo energético completo para un vehículo movido por pila de combustible y otro alimentado por baterías.



Partimos en ambos casos de 1 kW de energía eléctrica (obviamos su obtención).

En el caso del vehículo con baterías, el proceso es sencillo: el kilovatio viaja a través de la red eléctrica, las subestaciones y llega al cargador de nuestra casa. Todo este viaje tiene una eficiencia aproximada del 90%. El cargador eléctrico tiene una eficiencia sobre el 95%, y las baterías alrededor del 98%. Tras pasar por la batería, la energía llega al motor eléctrico (95% de eficiencia) y de ahí, finalmente, a las ruedas.

¿Resultado total de este proceso en el coche de baterías? Del kilovatio original creado en la estación eléctrica ha llegado a las ruedas una energía de 0,77 kW.

En el caso del sistema de hidrógeno, el kilovatio ha de trabajar primero con el sistema de electrólisis, con una eficiencia del 70%. Luego, ya en forma de hidrógeno, ha de ser comprimido y transportado hasta la hidrogenera, lo que supone un gasto energético y una pérdida de eficiencia que vamos a obviar por no tener datos concretos para valorarla. Alcanzado el punto de repostaje, el hidrógeno se almacena en el depósito del vehículo, que lo emplea en su pila de hidrógeno, cuyo rendimiento es del orden del 80%, creando electricidad que va al motor eléctrico, con eficiencia del 95%, como en el caso anterior.

¿Resultado total en el vehículo de pila de hidrógeno? Del kilovatio original de la central eléctrica, hemos transmitido al suelo desde nuestro vehículo 0,53 kW, y eso despreciando los gastos energéticos de transporte y compresión del hidrógeno (que no son pequeños).

¿Conclusión? Sencilla: la eficiencia de un coche a baterías es del 77% a ciclo completo, mientras que la de un coche de pila de combustible es inferior al 53% para ciclo completo, lo que es un 24% menos.

Entonces, ¿por qué apostar por la pila de hidrógeno y no por el desarrollo de las baterías?

Las baterías también tienen sus problemas.

El hidrógeno es un sistema de intercambio energético logísticamente más sencillo, puesto que se puede transportar en forma líquida a cualquier punto, y ser rellenado en un depósito en poco tiempo.


La infraestructura para la economía basada en el hidrógeno parece más sencilla de implementar.

Las baterías, en cambio, limitan su recarga a puntos donde haya un enchufe. Además no se pueden cargar en poco tiempo, envejecen más rápido, y obligarían a crear una infraestructura eléctrica completamente nueva.

Claro que, para que el hidrógeno sea viable como fuente energética para nuestros coches también habría que crear una infraestructura al uso...

Entonces, ¿cuál es la solución?

Bajo mi punto de vista, al ritmo al que se está desarrollando la tecnología de las baterías, y dado que las modificaciones de infraestructura y la eficiencia benefician a un sistema basado en baterías, parece más lógico que el futuro esté dominado por coches a batería.

Y es que los "saltos tecnológicos" necesarios para que el futuro sea de los coches a batería son concretos: recargas más rápidas y reducción del coste de las baterías.

En cambio, para que la pila de hidrógeno sea viable habría que conseguir pilas de combustible más económicas, una infraestructura para generar hidrógeno en cantidades suficientes y distribuirlo, y una mejora de la eficiencia energética de todos los procesos.


¿Rellenaremos así en el futuro nuestros depósitos?

A día de hoy, está tecnológicamente más cerca el "salto" de las baterías que el del hidrógeno. Aunque, todo depende de cuánto dinero se invierta en cada tecnología, y eso es lo que marcará su ritmo de desarrollo.

Lo que parece claro es que si se logran baterías que se recarguen en 10 minutos, con costes de 50€ el kWh de carga, y baterías que permitan autonomías de 400 km entre recargas (lo que son 50 kWh de capacidad), el futuro sería de los coches a batería, sin duda alguna. La duda es si en el futuro se logrará alcanzar estas cotas. Algunas están tecnológicamente "cerca" gracias a los sistemas de carga rápida, y otras deberían alcanzarse con la masificación del empleo de baterías de litio, que deberían permitir reducir los costes de producción.

Otras problemáticas relacionadas con el uso del hidrógeno como elemento de "consumo energético"

Emplear hidrógeno como elemento energético, sacándolo del agua, generaría otros problemas a los que no tenemos solución, ni podemos tampoco valorar en su justa medida.


¿O estará el futuro en las recargas rápidas?

El empleo de agua para mover todos los vehículos del planeta generaría tal demanda de agua que esta se convertiría en un bien estratégico a preservar por las potencias mundiales. Claro que, si se apuesta por una solución a base de baterías de litio pasaría algo semejante con las reservas de litio (aunque este, en principio, es reciclable, y se podría recuperar de baterías ya gastadas).

El agua de mar ha de desalinizarse para poder emplearse en una electrólisis efectiva, así que este proceso se añadiría a los ya conocidos dentro del gasto energético para emplear el hidrógeno como elemento de transporte de energía.

Conclusión

Sea cual sea el futuro de la movilidad, tal y como hemos comentado en la apertura del artículo, este está lejos del petróleo. Cada solución (baterías, pila de hidrógeno) presenta sus desafíos técnicos y su problemática de logística, pero habrá que apostar por una solución definitiva.

Es posible que la solución final no sea la más óptima, sino la que sea promocionada por las potencias mundiales, en función de los recursos y tecnologías que más les convengan (un país con mucho control sobre el litio apostará siempre por las baterías, por ejemplo).


La realidad es que las baterías son ya tecnología "de hoy", mientras la pila de hidrógeno está lejos, todavía.

Por el momento nos tendremos que conformar y acostumbrar a que a medio plazo tengamos una gran variedad de tecnologías coexistiendo, ofreciendo diversas soluciones, cada una más adecuada a un tipo de usuario concreto antes de que se unifique todo de nuevo.

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