El hidrógeno tiene el potencial de sustituir a la electricidad convencional– es que el hidrógeno es un portador químico de energía, compuesto de moléculas y no de electrones. Pero aun siendo uno de los elementos más abundantes de la tierra, no se encuentra de manera individual, por lo que no puede considerarse una fuente de energía, ya que el proceso de generación se da por un procedimiento de hidrólisis con rendimientos aproximados del 55%. A pesar de ello, la tecnología del hidrógeno se ha convertido en una de las tecnologías más interesantes en cuanto a sistema de almacenaje, a causa de las propiedades físicas, y prácticamente puede obtenerse a partir de todas las fuentes de energía, como el gas, el carbón, la biomasa, el agua y los residuos.
La energía almacenada en un portador químico es atractiva porque puede acumularse y transportarse en un formato práctico y estable, exactamente igual que hacemos hoy en día con el carbón, el petróleo o el gas natural. El hidrógeno puede almacenarse durante largos periodos, moverse en camiones, barcos y por tuberías, e incluso quemarse como hacemos con los combustibles fósiles –aunque esa no sea la forma más inteligente de utilizarlo–. Para hacer algo parecido con la electricidad tendrías que movilizar grandes cantidades de baterías pesadas… una operación poco práctica que podría consumir tanta energía como la almacenada en la batería.
Un vehículo de hidrógeno o vehículo impulsado por hidrógeno es un vehículo de combustible alternativo que utiliza hidrógeno diatónico como su fuente primaria de energía para propulsarse.
El vehículo con pila de combustible se considera un vehículo de cero emisiones porque el único subproducto del hidrógeno consumido es el vapor de agua, que adicionalmente puede también mover un micro-turbina.
Estos vehículos utilizan generalmente el hidrógeno en uno de estos dos métodos:
Combustión
En la combustión, el hidrógeno se quema en un motor de explosión, de la misma forma que la gasolina. El hidrógeno con presencia de oxígeno da como producto vapor de agua y una cantidad interesante de energía. La potencia generada durante la combustión se utiliza para la producción de energía eléctrica, que en última instancia se encarga de la tracción del vehículo.
Conversión de pila de combustible
La Pila de combustible, también llamada célula de combustible o celda de combustible, (comúnmente nombrada fuel cell en inglés) es un dispositivo electroquímico en el cual un flujo continuo de combustible y oxidante sufren una reacción química controlada que da lugar a los productos y suministra directamente corriente eléctrica a un circuito externo.
Se trata de un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería. Se diferencia en que está diseñada para permitir el abastecimiento continuo de los reactivos consumidos. Es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno1 u otro agente oxidante, en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además, en una batería los electrodos reaccionan y cambian según cómo esté de cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables.
El proceso electroquímico que tiene lugar es de alta eficiencia y mínimo impacto ambiental. En efecto, dado que la obtención de energía en las pilas de combustible está exenta de cualquier proceso térmico o mecánico intermedio, estos dispositivos alcanzan eficiencias mayores que las máquinas térmicas, que están limitadas por la eficiencia del Ciclo de Carnot. En general, la eficiencia energética de una pila de combustible está entre 40-60 %, y puede llegar hasta un > 85%-90 % en cogeneración, si se captura el calor residual para su uso. Por otra parte, dado que el proceso no implica la combustión de los reactivos, las emisiones contaminantes son mínimas.
Es importante establecer las diferencias fundamentales entre las pilas convencionales y las pilas de combustible. Las baterías convencionales son dispositivos de almacenamiento de energía: el combustible está en su interior y producen energía hasta que este se consume. Sin embargo, en la pila de combustible los reactivos se suministran como un flujo continuo desde el exterior, lo que permite generar energía de forma ininterrumpida.
En principio, las pilas de combustible podrían procesar una amplia variedad de reductores y oxidantes. Puede ser un reductor cualquier sustancia que se pueda oxidar en una reacción química y que se pueda suministrar de forma continua (como un fluido) al ánodo de una pila de combustible. Del mismo modo, el oxidante podría ser cualquier fluido que se pueda reducir (a una velocidad adecuada) en la reacción química que tiene lugar en el cátodo.
Una de las primeras aplicaciones prácticas de las células de combustible fue en vehículos espaciales, basadas en la reacción de hidrógeno y oxígeno, dando como resultado agua, la cual puede usarse por los astronautas para beber, o para refrigerar los sistemas de la nave.
El mercado de las pilas de combustible está creciendo. Pike Research estima que en 2020 se comercializarán pilas de combustible estacionarias, que alcanzarán los 50 Gw.5
HYDROGENO EN LA AUTOMOCIÓN
COCHES
Emplear pilas de combustible para construir coches eléctricos alimentados por hidrógeno es técnicamente viable es algo que han demostrado una y otra vez, y de forma brillante, todos los prototipos que se han fabricado, así como los modelos que se han comercializado, incluidos los actuales Honda Clarity, Hyundai Nexo y Toyota Mirai.
A diferencia de un automóvil eléctrico, el de pila de combustible no se recarga mediante un enchufe. En su lugar dispone de unos tanques de hidrógeno que mezclan dicho gas con oxígeno para generar la propulsión del vehículo.
El proceso electroquímico resultante de mezclar oxígeno e hidrógeno se produce en la pila de combustible y genera energía eléctrica, además de agua. Mientras la electricidad resultante se almacena en las baterías para ir nutriendo el motor, el agua restante, en forma de vapor, se expulsa. Efectivamente, los coches de hidrógeno sólo emiten vapor de agua por el tubo de escape.
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.
- La electricidad producida alimenta la batería, la cual a su vez abastece al motor.
- 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.
Repostando un coche de hidrógeno
La principal ventaja que señalan los fabricantes en los vehículos de pila de combustible en comparación con los eléctricos es el tiempo para una recarga completa. Las marcas aseguran que está normalmente cercana a los cinco minutos, como detalla Honda con el Honda Clarity Fuel Cell o Hyundai con su recién llegado Nexo.
Recargar el tanque de hidrógeno es una tarea prácticamente idéntica al repostaje con combustibles tradicionales: se hace a través de una manguera, que queda sellada al depósito mientras dura el repostaje del tanque.
La autonomía de este tipo de vehículos es muy similar a la de vehículos de combustión. La primera generación de pila de combustible de Hyundai llegaba casi a los 430 km, mientras que esta segunda generación, con el Nexo, se queda muy cerca de los 600 km.
AUTOBUSES
Los principales fabricantes de autobuses de todo el mundo están desarrollando autobuses propulsados con hidrógeno como base para una próxima generación de vehículos de transporte público. ¡Imagínese el impacto en el centro de las principales ciudades si de repente los autobuses que desplazan millones de pasajeros al día fueran silenciosos, eficientes y únicamente emitieran agua!
El rendimiento de los autobuses eléctricos de pila de combustible han mejorado significativamente en los últimos años y actualmente transportan pasajeros a diario en líneas de servicio regular. EE.UU., Canadá, Japón, Francia, Alemania, el Reino Unido y Brasil son algunos de los muchos países que participan activamente en el despliegue y comercialización de estos vehículos.
Se ha demostrado en varios lugares del mundo que los autobuses que funcionan con mezclas de hidrógeno y gas natural comprimido (HCNG) consiguen una importante reducción de emisiones y de partículas. El gas natural comprimido enriquecido con hidrógeno es una vía para cumplir los objetivos de reducción de emisiones a corto plazo y, al mismo tiempo, posibilita la creación de una infraestructura de repostado de hidrógeno en el centro de las principales ciudades.
Con 20 kg de hidrógeno comprimido un autobús urbano puede hacer una jornada de trabajo de 16 horas, cosa que ningún otro autobús eléctrico, como los que transportan una descomunal batería de 3.000 kg con un peso superior al del todos los viajeros a plena carga, es capaz de hacer
A parte del uso urbano también existe un proyecto para una flota de autobuses de hidrógeno para cubrir largas distancias en Europa.
El operador europeo de transporte de larga distancia por carretera Flixbus, junto a la empresa tecnológica alemana Freudenberg, planean poner en marcha autobuses de pila de combustible de hidrógeno para trayectos largos en Europa.
Tras lanzar con éxito sus autobuses 100% eléctricos, el operador proyecta incorporar a su flota vehículos alimentados por pila de combustible de hidrógeno en un futuro próximo. La compañía ya ha iniciado las negociaciones iniciales con los fabricantes para desarrollar el proyecto, orientado a la movilidad sostenible sin emisiones CO2.
El hecho de viajar en autobús ya reduce las emisiones en un 80% en comparación con los viajes en coche privado. Pero, las empresas de transporte, en su apuesta por la movilidad sostenible, están desarrollando nuevas formas de entender el transporte público.
Así, aunque los autobuses eléctricos todavía no son capaces de cubrir largas distancias de igual manera que los tradicionales, hay una alternativa que puede ser la solución para conseguir vehículos pesados más sostenibles: un sistema híbrido de batería y pilas de combustible.
En una primera fase del proyecto, se pondrá en marcha una flota representativa de autobuses equipada con la tecnología como prueba piloto.
La idea es que estos vehículos cuenten con una autonomía de 500 kilómetros, mientras que la recarga del combustible debe tardar un máximo de 20 minutos, pues se sustituye el gasóleo por hidrógeno.
Por otra parte, la potencia, la aceleración y el rendimiento deben cumplir con los estándares establecidos, por lo que estos autobuses de hidrógeno ofrecerían el mismo rendimiento que otro tipo de vehículo de larga distancia, con el añadido de la sostenibilidad.
HIDRÓGENO EN EL SECTOR FERROVIARIO
Los trenes de hidrógeno están equipados con celdas de combustible que producen electricidad a través de una combinación de hidrógeno y oxígeno, un proceso químico que deja como únicas emisiones vapor y agua.
El exceso de energía se almacena en baterías de iones de litio a bordo del tren, al igual que la energía liberada durante el proceso de frenado.
Las ruedas del tren son impulsadas por un motor eléctrico incrustado en el chasis. Al lado, lleva una batería que mantiene un flujo constante de potencia.
Los sistemas no solo proporcionan la energía necesaria para la propulsión, sino que también suministran energía a los sistemas a bordo, como la iluminación y el aire acondicionado.
Por encima de la cabina están los tanques de almacenamiento de hidrógeno, y la celda de combustible está en el techo en medio del tren.
Los primeros tren de hidrogeno en circular fueron los trenes Coradia iLint Alstom. La velocidad máxima que pueden desarrollar estas unidades es de 140 km/h. Desde septiembre de 2018, cuando se inauguró el servicio en Alemania, los trenes ya han recorrido más de 150.000 kilómetros.
Pueden recorrer alrededor de 1.000 kilómetros con un solo tanque de hidrógeno -que se recarga en 15 minutos-, una autonomía similar a la gama de trenes diésel.
«Claro, comprar un tren de hidrógeno es algo más caro que un tren de diésel, pero es más barato de operar», Stefan Schrank, gerente del proyecto de Alstom.
VENTAJAS ENERGÉTICAS Y AMBIENTALES
- El origen de la energía generada: como se ha dicho anteriormente, el proceso de síntesis del hidrógeno consume energía térmica, y su origen determina la bondad del uso del hidrógeno. En este sentido, la energía utilizada también puede ayudar a reducir la dependencia energética.
- Reducción de la contaminación local: el proceso de combustión del hidrógeno tiene como resultado vapor de agua, por lo que se reduce la afección local que provoca la combustión de productos fósiles en el entorno urbano. En este sentido, aparte del CO2, hay que tener en cuenta elementos como el monóxido de carbono o la niebla contaminante.
- Son elementos silenciosos.
- Son adaptables a la elaboración regional.
