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Vehículos de Hidrógeno

 

El Hidrogeno es el elemento más abundante en el universo. Pero la mayoría de los átomos del hidrogeno (H2) están unidos con otros átomos de carbono y/o oxígeno, si queremos tener solo átomos de hidrogeno tendremos que separarlos y para ello necesitaremos gran cantidad de energía.
En la Tierra el hidrogeno se encuentra mayormente como agua (líquida, vapor, hielo) o combinado con otros elementos formando compuestos como el metano o gas natural (CH4), metanol (CH3OH), etanol (CH3CH2OH) o hidrocarburos (CnHm).

La manera más fácil y limpia de obtener hidrogeno es mediante la "electrólisis": se sumergen dos electrodos en agua, se aplica electricidad y se obtiene gas hidrógeno del electrodo negativo y oxígeno del positivo. Pero la electrólisis sólo es económica y limpia cuando la electricidad que se utiliza sea obtenida por medios que no contaminen el medio ambiente, lo que quiere decir que no lo es tanto actualmente, ya que la mayoría de la energía eléctrica que se produce esta basada en la combustión de combustibles derivados del petróleo, carbón, etc. Se llamaría Hidrogeno "sucio" al generado por medio de combustibles derivados de combustibles fósiles.

Sin embargo, el hidrógeno puro no es la panacea, pues presenta varios problemas. Para empezar, su producción (la electrólisis) es cara y contaminante, pues requiere mucho consumo eléctrico y la electricidad actualmente se produce a partir de fuentes de energía convencionales, como el petróleo, el gas o las centrales atómicas.
Algunos investigadores sugieren el empleo de la energía eléctrica producida por energía eólica, solar, hidráulica, etc, que es limpia. Se podrían colocar equipos de electrólisis al pie de estas centrales y aprovechar la electricidad excendentaria que producen. Lo malo es que estas formas de generar energía todavía son minoritarias para abastecer un futuro parque automovilístico movido por hidrógeno.

La otra forma de conseguir Hidrogeno en este caso el "sucio" seria a partir del proceso de "reformado" (suministrando calor) a derivados del petróleo que tienen alto porcentaje de hidrogeno como citamos anteriormente: metano o gas natural (CH4), metanol (CH3OH), etanol (CH3CH2OH) o hidrocarburos (CnHm).. También se puede utilizar el proceso de "reformado" con combustibles derivados de la Biomasa (Biogas, Bioalcohol), en este caso teniendo en cuenta el medio ambiente, el aprovechamiento energético de la biomasa no contribuye al aumento de los gases de efecto invernadero, dado que el balance de emisiones de CO2 a la atmósfera es neutro, ya que el CO2 generado en la combustión de la biomasa es reciclado mediante la fotosíntesis en el crecimiento de las plantas necesarias para su producción y, por lo tanto, no aumenta la cantidad de CO2 presente en la atmósfera. Podemos decir que el "reformado" es mas barato que la electrólisis y en contra tiene, el ser mas contaminante.

 

En la figura inferior se esquematiza la forma de obtener H2 a partir de combustibles fósiles, biomasa y agua, utilizando procesos de reformado (suministrando calor) o electrólisis (suministrando energía eléctrica). Desde el punto de vista ambiental, el aprovechamiento energético de la biomasa no contribuye al aumento de los gases de efecto invernadero, dado que el balance de emisiones de CO2 a la atmósfera es neutro. En efecto, el CO2 generado en la combustión de la biomasa es reciclado mediante la fotosíntesis en el crecimiento de las plantas necesarias para su producción y, por lo tanto, no aumenta la cantidad de CO2 presente en la atmósfera. En cambio, el carbono que se libera a la atmósfera al quemar combustibles fósiles es el que está fijo a la Tierra desde hace millones de años.

 

La obtención de hidrógeno, la infraestructura correspondiente, la técnica de respostaje y el almacenamiento a bordo son costosos y en la actualidad estas cuestiones aún no se han resuelto de forma totalmente satisfactoria desde un punto de vista técnico y economico. La generación de hidrógeno mediante electrólisis consume gran cantidad de energía eléctrica como hemos indicado anteriormente. Actualmente, el hidrógeno se obtiene a escala industrial casi exclusivamente mediante un proceso de reformado con vapor (steam reforming) a partir de gas natural, si bien ello implica liberar CO2 en dicho proceso.

 

Celdas de combustible
La celda de combustible es una membrana en la que se mezclan el hidrógeno y el aire de la atmósfera. De su unión surge una corriente eléctrica que sirve para mover un motor eléctrico en el caso de los vehículos. El residuo de la reacción es sólo agua.

La primera celda de combustible fue construida en 1839 por Sir William Grove, un juez y científico galés que demostró que la combinación de hidrógeno y oxígeno
generaba electricidad además de agua y calor. El verdadero interés por la utilización de celdas de combustible como un generador práctico vino hacia comienzos de los años sesenta de nuestro siglo, cuando el programa espacial de los Estados Unidos seleccionó las celdas de combustible para proporcionar electricidad y agua a las naves espaciales Gemini y Apollo. Hoy en día, la aplicación espacial ya no es la única de tipo práctico, puesto que las celdas de combustible están atravesando por un gran momento, al haber alcanzado una etapa tecnológica que les permite estar en posición de competir cada día más con las tecnologías convencionales de generación eléctrica, ofreciendo enormes ventajas sobre ellas, sobre todo en el tema medioambiental.
Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de una reacción directamente en energía eléctrica. Por ejemplo,
puede generar electricidad combinando hidrógeno y oxígeno electroquímicamente sin ninguna combustión. Estas celdas no se agotan como lo haría una batería, ni precisan recarga, ya que producirán energía en forma de electricidad y calor en tanto se les provea de combustible (hidrogeno). En la práctica, la corrosión y la degradación de materiales y componentes de la celda pueden limitar su vida útil. La manera en que operan es mediante una celda electroquímica consistente en dos electrodos, un ánodo y un cátodo, separados por un electrólito. El oxígeno proveniente del aire pasa sobre un electrodo y el hidrógeno gas pasa sobre el otro.
Cuando el hidrógeno es ionizado en el ánodo se oxida y pierde un electrón; al ocurrir esto, el hidrógeno oxidado (ahora en forma de protón) y el electrón toman diferentes caminos migrando hacia el segundo electrodo llamado cátodo. El hidrógeno lo hará a través del electrólito mientras que el electrón lo hace a través de un material conductor externo (carga). Al final de su camino ambos se vuelven a reunir en el cátodo donde ocurre la reacción de reducción o ganancia de electrones
del oxígeno gas para formar agua junto con el hidrógeno oxidado. Así, este proceso produce agua 100% pura, corriente eléctrica y calor útil, por ejemplo, energía térmica.

 

Tipos de celdas de combustible
Las celdas de combustible se clasifican según el tipo de medio conductor de la carga iónica (electrolito) dentro de la celda. También se pueden clasificar según la temperatura de trabajo a la que funcionen

La celda alcalina utilizada por la NASA en los años ‘60 empleaba como electrolito una solución acuosa concentrada de hidróxido de potasio. En los años ’70, la empresa DuPont desarrolló un polímero conductor llamado Nafion. El esqueleto del Nafion es similar al del polímero neutro conocido como teflón y, como este, posee una alta resistencia química y térmica. Las cargas móviles positivas (M+) son protones que pueden moverse por el agua que absorbe el polímero y esto hace que la conductividad de la membrana sea similar a la de un ácido concentrado.
El Nafion se usa desde entonces como electrolito en electrolizadores y en celdas de combustible. Estas últimas se denominan celdas de combustible de "membrana de intercambio de protones" (PEM).

Existen otros tipos de celdas de combustible que no tienen electrolito acuoso. Ellas son las celdas de ácido fosfórico (PAFC) que utilizan el ácido concentrado (exento de agua), las celdas de carbonato fundido (MCFC), que utilizan como electrolito una mezcla eutéctica de carbonatos de sodio, litio y potasio y las celdas de óxido sólido (SOFC), en donde el electrolito es un cerámico conductor de iones óxido. Este tipo de celdas de combustible sobre todo las que trabajan a alta temperatura se utilizan mas para la generación estacionaria de electricidad, o sea, estaciones de generación eléctricas para suministro de edificios de todo tipo y otros servicios. Para la utilización en vehículos y demás elementos móviles se utilizan las celdas del tipo PEM (Membrana de Intercambio Protonico) mencionadas anteriormente.

Los grandes desafíos
Una de los desafíos que enfrenta los desarrolladores de vehículos a hidrógeno es debido a su gran densidad en estado líquido, lo que lleva a tener un volumen superior a la gasolina llegando a ser un 400% mayor.
Todo esto compromete la autonomía del vehículo, pero nuevos avances en los diseños de los depósitos han ido aumentando la autonomía.
Otro aspecto a tener en cuenta en la infraestructura disponible para surtir los combustibles a los automóviles (estaciones de servicio), sin embargo este será un aspecto que el mismo mercado irá corrigiendo a medida de que el petróleo sea más escaso y caro.

 

Motores de Hidrogeno
Cuando hablamos de motores a hidrógeno tenemos que distinguir básicamente a dos tipos de motores, el basado en "celdas de combustible" de hidrógeno que en sí se trata de un "motor eléctrico" que recibe electricidad de las propias celdas, y el "motor de combustión interna", similar a los motores convencionales, que logran la fuerza motriz gracias a la ignición del hidrógeno dentro de la cámara de combustión.

Motor de hidrogeno de combustión interna
Las celdas de combustible son todavía caras y no son lo suficientemente fiables (tiempo de funcionamiento limitado). Así que hay fabricantes como BMW, Mazda, etc. que se han decidido por quemar el hidrogeno dentro de los motores de combustión interna, estos motores son muy similares a los convencionales. El H2 es altamente inflamable y se quema en concentraciones que van desde el cuatro hasta el 74 por ciento, produciendo algunos óxidos de nitrógeno (NOx), pero sólo algunas trazas residuales de emisiones de dióxido de carbono e hidrocarburos (debido a que quema la película de aceite de las paredes de los cilindros). El H2 se quema limpiamente, pero no a estándares de cero emisiones. BMW y Mazda creen que se podrían vender motores duales de combustible y H2 mientras se desarrolla la infraestructura de surtidores de hidrogeno en los países. BMW comenzó a experimentar con motores de H2 en 1978 y ha construido flotillas de demostración. Mazda ha mostrado numerosos conceptos de motor rotativo (RX8s) de hidrógeno desde 1991.

Los BMW 750hL V12 que se construyeron en 2000 producían 201 CV con H2, llegando de 0 a 100 km/h en 9.6 segundos y tenían una autonomía de 289 km con poco menos de 19L de H2 líquido. El nuevo Valvetronic V-8 genera 181 CV con autonomía y desempeño similares. (Las variantes de gasolina de estos motores producen 326 y 325 CV, respectivamente.)
Mazda dice que su motor rotativo es inherentemente más adecuado al funcionamiento con H2. Debido a que la entrada, compresión y combustión suceden en áreas distintas del rotor, la cámara de entrada permanece más fría, lo que evita las retroexplosiones. También hay suficiente espacio para instalar dos inyectores directos de H2. El motor Renesis Hydrogen RE produce 110 CV con H2 y 210 con gasolina.

 

BMW apoya la combustión de hidrógeno en motores convencionales; aunque es la ruta más rápida a la economía de hidrógeno, la eficiencia es menor, y la contaminación, mayor al compararse con las celdas de combustible y el motor eléctrico.
El uso de hidrógeno extiende la vida del motor y reduce el mantenimiento, ya que no se acumula carbón en la cámara de combustión ni en las bujías, y los gases resultantes son tan limpios que casi no se necesita cambiar el aceite del motor (sólo hay que rellenarlo periódicamente). Estos motores arrancan y funcionan bien a bajas temperaturas, son tolerantes al hidrógeno "sucio" y serían comparativamente fáciles de mantener. Ahíse acaban las buenas noticias. Un estudio extenso de la Universidad Kelo en Japón demuestra que la combustión interna de hidrógeno está entre las menos eficientes de todas las plantas motrices de tecnología avanzada, principalmente debido a la gran cantidad de energía que se requiere para producir y comprimir, o licuar, el hidrógeno.

La más reciente propuesta de BMW, es el Hydrogen 7, el primer automóvil de hidrógeno de lujo que prácticamente no tiene emisiones contaminantes y es apropiado para el uso diario, pero sobretodo con la ventaja de contar con un motor de combustión bimodo de doce cilindros, que funciona tanto con hidrógeno como con gasolina convencional, convirtiéndose en un automóvil que puede funcionar sin estar pendiente del poder repostar hidrogeno en caso de falta de suministradores de este combustible.
Con motor, chasis y carrocería basados en los sedanes BMW 760i, el Hydrogen 7 incorpora un motor de 260 caballos de potencia, con el que es capaz de acelerar en 9,5 segundos de 0 a 100 km/h, y alcanzar una velocidad punta de 230 km/h, limitada electrónicamente. Indicadores que demuestran que este combustible no merma el desempeño de vehículos de altas prestaciones.

El motor de combustión bimodo del BMW Hydrogen 7 (figura inferior) es el resultado de un trabajo de desarrollo orientado al futuro pero que ya se torna real. Este impulsor se basa en el propulsor de doce cilindros a gasolina de 6.000 cc, VALVETRONIC, de la serie 7. El torque o par máximo es de 390 Nm, disponible a 4.300 r.p.m. La peculiaridad del motor V12 del BMW Hydrogen 7 consiste en que funciona de modo dual, lo que significa que sus doce cilindros pueden funcionar indistintamente con hidrógeno o con gasolina, lo cual es posible gracias a una nueva tecnología de control que garantiza la misma potencia independientemente del tipo de combustible disponible en el depósito. Uno de los depósitos ofrece capacidad para 8 kilogramos (unos 170 litros) de hidrógeno, y en un depósito convencional caben 74 litros de gasolina.

Funcionando con hidrógeno, el BMW Hydrogen 7 puede recorrer más de 200 kilómetros y otros 500 kilómetros con el sistema de combustión convencional de gasolina, es decir que se pueden recorrer muchos kilómetros hasta llegar a la siguiente gasolinera o a un surtidor de hidrógeno.
Este revolucionario automóvil tiene casi únicamente emisiones de vapor de agua cuando funciona con hidrógeno, y la empresa considera que en un futuro se podrán ofrecer vehículos con motores que únicamente utilicen hidrógeno.

En principio, al repostar no se diferencia de la utilización del depósito convencional de gasolina, pues tan solo hay que asegurarse de un acoplamiento hermético, que evita pérdidas de presión y de frío. Este acoplamiento es similar al del surtidor de gasolina, lo que significa que el usuario lo introduce en la boca del depósito aplicando una ligera presión. El bloqueo del acoplamiento y el rellenado del hidrógeno se realizan de modo automático. Para abrir y cerrar la tapa del depósito, el conductor no tiene más que pulsar una tecla que se encuentra en el tablero de instrumentos. El proceso de repostar concluye en menos de 8 minutos.
El motor de combustión bimodo es más alto debido a las válvulas de inyección de H2. Utiliza válvulas de inyección (inyectores) especiales y un conducto de combustible de presión variable.

En el habitáculo los cambios se ven en el tablero de instrumentos donde se encuentran indicadores nuevos relacionados con la utilización de hidrógeno, como el símbolo «H2», que se enciende cuando el motor está funcionando con hidrógeno, además hay un indicador en kilogramos del nivel del depósito de H2 junto al indicador de gasolina. Además, la autonomía total y la reserva disponible se indican por separado para el hidrógeno y la gasolina.

Las modificaciones que más saltan a la vista en el habitáculo se encuentran en la parte posterior, debido al montaje del depósito de hidrógeno (figura inferior) debajo de la bandeja trasera y detrás del banco posterior.

Diversas partes de la carrocería, especialmente desarrolladas para el del BMW Hydrogen 7, son de material sintético reforzado con fibra de carbono combinada con acero, de peso optimizado y, al mismo tiempo, más resistente a los impactos. Esta solución compensa el mayor peso del motor y del sistema de alimentación de combustible y cumple con los criterios de seguridad especiales que plantea este innovador automóvil. Entre otros, los bastidores laterales están reforzados con este material sintético con fibra de carbono. De esta manera, ante un choque el comportamiento del BMW Hydrogen 7 es exactamente igual al del BMW 760Li.

En cuanto a la seguridad, todos los componentes fueron concebidos de tal manera que cumplan con los estándares más estrictos. El depósito de hidrógeno líquido dispone del sistema de gestión del vapor de hidrógeno “boil-off” y, además, cuenta con dos válvulas que permiten la salida controlada del hidrógeno al entorno, por ejemplo en caso de haber una presión excesiva en el depósito (lo que puede suceder en caso de un impacto fuerte). El depósito como tal, pero también todos los demás componentes que se ocupan de la alimentación del hidrógeno al motor, son de doble pared.
Las funciones de seguridad, especialmente previstas para el BMW Hydrogen 7, consiguen detectar con antelación cualquier irregularidad y activar las funciones de protección correspondientes. Por ello, el usuario siempre se mantiene informado sobre cualquier fallo en el sistema, aunque éste aún no represente peligro alguno.

Actualmente no existen estándares, normas y leyes generales que determinen el uso de vehículos con motor de hidrógeno. También hay diferencias entre los reglamentos que se refieren al uso de garajes. Estas reglas varían de país en país, pero también difieren los criterios aplicados por los propietarios de los estacionamientos públicos. Para evitar confusiones, el BMW Group no permite aparcar los vehículos movidos con hidrógeno en garajes cerrados. Sí está permitido conducir y aparcar en espacios semicerrados, por ejemplo en estacionamientos públicos o atravesando túneles. También se admite el uso de túneles de lavado y parar en garajes individuales no cerrados.

 

Motor eléctrico con celdas de combustible
El fabricante Toyota ha logrado la homologación en Japón de un vehículo híbrido alimentado por celda de combustible que logra una autonomía de 830 kilómetros, frente a los 330 de la generación anterior.
El nuevo vehículo, FCHV-adv (Fuel Cell Hybrid Vehicle-Advanced) ha sido homologado con la nueva celda de combustible, de nuevo diseño y alto rendimiento, que aún será mejorada en una nueva fase de desarrollo.

El Toyota FCHV-adv ha sido probado rodando tanto a altas temperaturas como a bajas, a partir de los resultados proporcionados por estas pruebas, Toyota ha perfeccionado el sistema de celda de combustible de este vehículo para mejorar la autonomía y el arranque a bajas temperaturas, que habían frenado hasta ahora el uso generalizado de los vehículos de celda de combustible.
La unidad esencial de celda de combustible es el conjunto de electrodos y membrana (MEA, en sus siglas en inglés), donde el principal problema para los ingenieros fue el agua que aparecía en el interior y que interfería con la generación eléctrica dentro del MEA a bajas temperaturas.
Se llevó a cabo una importante labor de investigación, que incluyó pruebas de visualización interna, para comprender el comportamiento y la cantidad del agua generada en la celda de combustible, lo que permitió a los ingenieros optimizar el diseño del MEA para mejorar el arranque a bajas temperaturas.

Como consecuencia, el Toyota FCHV-adv puede arrancar y funcionar en zonas frías a temperaturas de hasta 30 grados bajo cero, lo que significa que el vehículo se puede utilizar en una mayor variedad de condiciones y climas.
Ello llevó a una mejora de la eficiencia del combustible en un 25%, gracias al nuevo rendimiento de la celda de combustible, el perfeccionamiento del sistema de frenado regenerativo y la reducción de la energía consumida por el sistema auxiliar.
Otras modificaciones introducidas en la versión avanzada del vehículo son la incorporación de un control de degradación del catalizador del electrodo y la mayor duración de la celda de combustible.

Los depósitos desarrollados por Toyota están fabricados en composite, un material muy ligero y extremadamente resistente. Además, van forrados por dentro con un lienzo de nylon que evita cualquier filtración del muy volátil hidrógeno. Este forro permite que el depósito sea menos grueso, con lo que, en el de 35 megapascales, cabe hasta un 10 por ciento más de hidrógeno comprimido. Así, la autonomía de los coches que empleen este tanque será más alta.
Con estas soluciones técnicas, Toyota logra solucionar dos de los principales problemas que presentan los depósitos para hidrógeno: la porosidad y el excesivo peso que se produce cuando se combate esa porosidad. Estos problemas, especialmente el del peso, hacía que, hasta ahora, los depósitos fuesen demasiado aparatosos y acabaran por lastrar las cualidades dinámicas de los vehículos que los llevaban.

Toyota actualmente con los últimos modelos ha conseguido depósitos de hidrógeno de alta presión a 70 Mpa, con los que el vehículo puede recorrer unos 830 kilómetros sin repostar; es decir, más del doble que el antecesor del Toyota FCHV-adv, el Toyota FCHV.

 

En la figura inferior podemos ver la sección de un Toyota FCHV-5:

 

Como conclusión se puede decir que Toyota apuesta por la celda de combustible, sí, pero alimentada directamente por el hidrógeno contenido en depósitos embarcados en el coche. Es decir, descarta otras alternativas, como el "reformado" de combustible, que es la vía que emplean otras compañías. Con el reformado de combustible, lo que se hace es extraer el hidrógeno de la gasolina u otro hidrocarburo y enviar el hidrógeno “arrancado” a la célula de combustible. Este proceso, más barato, también es más contaminante que el empleo de hidrógeno puro.




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