Pila de Hidrógeno para la recarga de teléfonos móviles

Una colaboración a tres bandas entre empresas japonesas, Rohm, Aquafairy, y la Universidad de Kyoto, se ha traducido en el desarrollo de un sistema de carga para smartphones mediante pilas de combustible. Los nuevos aparatos de recarga son realmente compactos y eficientes.

Los sistemas de carga que podrían substituir a las actuales baterías en un gran número de aplicaciones de recarga de emergencia (SAI) para dispositvos tales como servidores de internet, ordenadores portátiles, teléfonos móviles o equipos de emergencias de todo tipo.

Utilizan el hidrógeno como combustible para generar electricidad, mediante una célula de combustible normal. La novedad consiste en utilizar finas láminas de hidruro de calcio para almacenar el hidrógeno. El hidrógeno se libera mediante una reacción química entre las hojas de hidruro de calcio + agua, que libera el hidrógeno. Una sola de estas láminas de hidruro de calcio que pesa 3 gr y tiene unas reducidas dimensiones de (38x38x2 mm) es capaz de liberar 4,5 litros de hidrógeno. La célula de combustible puede generar 5 vatios-hora de electricidad. Suficiente para cargar un moderno Smartphone en dos horas.

Rohm dijo que las nuevas células de combustible utilizar un material muy estable, sólido, y seguro, que libera hidrógeno mediante la adición de agua, lo que permite la generación de electricidad mediante una célula de combustible. Al final de la reacción no hay subproductos nocivos como el dióxido de carbono o compuestos orgánicos volátiles (Volatile Organic Compounds). Tan solo obtenemos vapor de agua del aparato.

Una particularidad que hará que estos dispositivos sean utilizados universalmente es que las láminas de “combustible” una vez selladas pueden durar hasta veinte años sin perder sus propiedades, según afirmó un portavoz. Por comparación, las modernas baterías de iónes de litio pierden su capacidad de carga en cuatro o cinco años, independientemente del uso al que se las someta.

Actualmente las empresas, Rohm and Aquafairy han puesto en marcha un proyecto conjunto para un generador de emergencia ,compacto y ligero con capacidad para alimentar aparatos de hasta 400 vatios (Sistema Kinkei). Lo que lo haría idóneo para un ordenador de sobremesa, o un servidor de internet.

De este modo parece que las células de combustible que utilizan hidruro de calcio en lugar de hidruro de magnesio, parece que se colocan en la avanzadilla de este tipo de dispositivos. La principal ventaja del hidruro de calcio, es que este tiene una alta reactividad con agua bajo una amplia gama de temperaturas. El que la reacción se haya vuelto estable solo se consigue mediante la unión con una resina especial.

Ahora, los esfuerzos de colaboración de Rohm, Aquafairy y la Universidad de Kioto se han traducido en planes para (1) definir el tipo de cobertura y el diseño del aparato donde se inserta la lámina de combustible, y que tiene una capacidad de generación de 5Wh para smartphones, (2) la creación de un generador eléctrico portátil con una potencia de salida de 200Wh y (3) una célula de combustible de mayor capacidad 400Wh enfocada a dar electricidad a aparatos esenciales en las catástrofes naturales como los sismómetros (desarrollado en colaboración con el sistema de Kinkei).

"Las pilas de combustible pueden ser más pequeñas, más ligeras y más eficientes que las vaterias convencionales, y por lo tanto se espera una gran expansión en nuevos mercados y aplicaciones”, según un comunicado Rohm.

Rohm, Aquafairy y la Universidad de Kyoto seguirá trabajando en su desarrollo con el fin de evaluar la fiabilidad de la pila de combustible, realizar mejoras y comercializarlo en 2013. La pila de combustible se exhibirá en CEATEC en Japón el mes próximo y en Electronica en Munich, Alemania, en noviembre.

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EL DESAFÍO DE LA MOVILIDAD ELÉCTRICA

Mercedes-Benz F125

El número de vehículos eléctricos matriculados en España no llega ni al 5% de lo previsto, a pesar de la fuerte apuesta por este tipo de vehículos que ha impulsado el gobierno de José Luis Rodríguez Zapatero. Según su plan de movilidad sostenible de 600 millones de euros, en el año 2011 se esperaba unas matriculaciones de 20.000 vehículos eléctricos, por más de 50.000 para el año 2012. Las cifras reales distan mucho de tales metas. En los ocho primeros meses del 2011 solo se han vendido 213 coches y 344 motos eléctricas.

¿Qué es lo que está fallando? La sociedad está plenamente concienciada, y el deseo de tener un automóvil silencioso y respetuoso con el medio ambiente es elevado, pero no están dispuestos a obtenerlos a cualquier precio. Mientras el precio de las baterías de Litio-ion supere el precio de un utilitario normal (30.000 euros) y las autonomías de los vehículos eléctricos ronden los 150 km, es poco probable que los ciudadanos se animen a dar el gran salto.

Tal y como vaticinaba en otras entradas, la opción eléctrica pura (con baterías) no es viable a corto plazo, y quizá, tampoco llegue a serlo a largo plazo. Tenemos que llegar a desarrollar una tecnología verdaderamente rompedora y comercialmente competitiva, lo cual no esta resultando una tarea demasiado fácil. En 1899, Henry Ford se acercó al ya entonces famoso Thomas Edison cuando estaba realizando una exposición sobre “Las baterías para hacer funcionar vehículos eléctricos”. Ford, interrumpió a Edison y le mostró un prototipo de coche con motor de combustión interna que estaba preparando. Edison lo escuchó y al finalizar la exposición le dijo: “Joven, está usted bien encaminado. Este coche tiene una ventaja sobre el eléctrico, pues se suministra su propia energía”.

Thomas Parker construyó el primer coche eléctrico en 1844.

No le faltaba razón a Edison como hoy sabemos, la asociación de (gasolina-motor de explosión) se impuso a la de (baterías-motor eléctrico). Y la razón de la victoria no hay que buscarla en las mecánicas; el motor eléctrico es muy superior al de combustión en todos los aspectos en los que se enfrentan (ecología, rendimiento, fiabilidad, densidad de potencia, par motor, coste, rumorosidad, vibraciones…). No, el problema reside en el almacenamiento de energía, como ya comenté en otras ocasiones. En ese caso, el desempeño de la gasolina es muy superior al de cualquier batería ideada hasta el momento. Un solo litro de gasolina almacena unos 10 kWh de energía. Las baterías más capaces montadas hasta la fecha en un automóvil portan 50 kWh de energía eléctrica, lo que equivale a un depósito con solo 5 litros de gasolina.  Por momentos pareciera que la propia leyes de la física se aliaran para impedir que consigamos un dispositivo de almacenamiento de electricidad que sea pequeño, ligero, barato y de rápida recarga, junto con una capacidad de almacenar energía lo suficientemente alta.

Según mi modo de ver el asunto, el problema se resolvería si utilizamos el hidrógeno como vector (almacén de energía) y la célula de combustible para transformar el H2 en electricidad. De este modo se evita el problema del peso, el de la autonomía y el de la recarga rápida. Y aunque el precio del conjunto sigue siendo algo elevado, se han hecho enormes progresos en los últimos 10 años y se espera que sean comercialmente competitivos en unos 5 años. Para ver cómo será esa tecnología en el 2025, lo mejor es fijarnos en la estrella de los automóviles. Mercedes siempre ha ido por delante en lo que a incorporación de nuevas tecnologías al mundo del motor se refiere. Ya lo hizo con el ABS, con el Air Bag, y un largo etcétera. 

En el reciente Salón de Fráncfort, Mercedes ha presentado su prototipo F125, un vehículo híbrido de autonomía extendida que utiliza una pequeña batería de nueva generación junto con una célula de combustible alimentada por hidrógeno. El prototipo cuenta con cuatro motores eléctricos, uno por cada rueda, que rinden en conjunto 231 CV, aunque puntualmente pueden alcanzar los 313 CV. Los motores reciben energía de una batería de litio y azufre que está desarrollando la marca. Esta batería tiene una densidad energética (capacidad de almacenar energía) de 350 Wh/kg (el doble que las actuales) y su capacidad será de 10 kWh, lo que dota al vehículo con una autonomía para recorridos cortos de 50 km. Cuando la batería se agota entra en funcionamiento la pila de combustible que utiliza hidrógeno para suministrar electricidad a los motores. 

Las prestaciones que señala la marca son casi irreales: Acelera de 0 a 100 Km/h en 4,9 segundos (¡como un Ferrari!), alcanza una velocidad máxima de 220 km/h, consumiendo tan solo 0,79 kg de hidrógeno a los cien. Esto supone que su consumo medio es de 2,7 litros de gasoil equivalentes a los 100. Con este sistema la autonomía del F 125 es de unos nada despreciables 1.000 km. Y esas prestaciones las consigue con una berlina de representación que mide casi 5 metros de largo, 1,98 metros de anchura y 1,43 de altura.

Para lograr semejantes cifras, incorpora una serie de tecnologías que pronto trataran de imitar otras marcas. Entre las principales cabe destacar, el depósito de almacenamiento de hidrógeno fabricado con tecnología MOFs que almacena 7,5 kg del gas a solo 30 bares de presión. Cifra muy inferior a los 700 bares que utilizan los depósitos actuales. Eso ahorra peso y volumen, pues el depósito no necesita tener forma cilíndrica, lo que posibilita su instalación aprovechando los huecos que deja los bajos del coche. La tecnología MOFs (del inglés Metal Organic Frameworks) se trata de una estructura porosa realizada con un compuesto de elevada superficie (hasta 10.000 m2/g). Al estar almacenado a menor presión no se pierde energía comprimiendo el hidrógeno hasta las 700 atmósferas, lo que redunda en una mejora del rendimiento global de la producción del hidrógeno hasta su utilización para mover las ruedas del automóvil.

Sin duda, la Estrella del Norte marca el rumbo, ¡sigámosla!

2015, ¡REVOLUCIÓN DEL HIDRÓGENO!

Mercedes-Benz Clase B F-CELL de Seattel a Vancouver.

Siguen sucediéndose las noticias empresariales que marcan el 2015 como la fecha elegida por los principales fabricantes de automóviles del mundo para iniciar la comercialización de sus vehículos de célula de combustible.

Mercedes-Benz ha decidido abrir una nueva planta de producción de células de combustible en Vancouver, Columbia Británica, Canadá. Vancouver es el lugar elegido para la denominada Carretera del Hidrógeno de la British Columbia. En el futuro, se unirá con las Carretera del Hidrógeno de la Costa Oeste de los Estados Unidos. Una carretera en la que se podrá encontrar hidrogeneras de forma regular desde Canadá hasta San Diego, situada al sur de California en la frontera con México.

Daimler esta testando actualmente un cierto número de sus automóviles Clase B F-CELL en California. Para 2012, Daimler espera alquilar en régimen de leasing 70 de sus vehículos de serie a consumidores de California. La pila de combustible de los Mercedes Clase B, junto con la que utilizan los autobuses urbanos Citaro Fuel Cell Hybrid, fueron desarrolladas en Vancouver.

De acuerdo con Daimler, “La construcción de la fabrica diseñada para la producción en serie de pilas de combustible comenzará inmediatamente en los 2000 metros cuadrados destinados para la construcción de la nueva planta de Burnaby. Se espera que la planta esté terminada para principios del 2012. Tras las primeros test de pruebas, la producción en serie a pequeña escala comenzará en 2013. A parte de lograr una gran potencia y eficiencia, las pilas de combustible que se fabricarán en Burnabay tienen dimensiones especialmente compactas. Se espera que las nuevas pilas de combustible se utilicen también en automóviles de mayor tamaño como los Mercedes-Benz Clase C y Clase E.”
Esto es una nueva muestra de que la apuesta de los fabricantes de automóviles por la opción del hidrógeno es muy seria, a pesar de la falta de respaldo de numerosas regiones que no promueven la construcción de infraestructuras de apoyo. Solo Los Ángeles y algunas ciudades de Alemania presentan las infraestructuras mínimas para que los consumidores puedan decantarse por la adquisición de este tipo de vehículos.

En Estados Unidos, la General Motors también está apostando fuerte por el futuro de los vehículos de hidrógeno. Para el año 2015 ha desvelado su plan de lanzar varios miles de vehículos de pila de combustible que distribuirá por los concesionarios de varios países. Para ello está trabajando actualmente en la nueva generación de pila de combustible mediante el modelo de pruebas Hydrogen Gen4. GM confía en producir la pila de combustible con menos de 30 g de platino (combinándolo con nanopartículas de níquel), disminuyendo el precio de producción del caro componente en un 75 por ciento y triplicando su vida útil. El precio del platino en los mercados supera los 85 dólares el gramo, de ahí la necesidad de reducir su utilización en las pilas de combustible. Numerosos equipos de investigación tratan actualmente de sustituirlo por otros compuestos de nanotecnología.

GM GEN4 Vehículo de pila de combustible.

GM cuenta actualmente con un programa de préstamo de 100 vehículos FCV para testar las pilas de combustible en condiciones de la vida real. Otro aspecto que está estudiando GM es la autonomía de sus vehículos de hidrógeno, que se encuentra actualmente en 320 km, mientras que competidores como Toyota y Hyundai consiguen ya los 640 – 800 km. General Motors tendrá que mejorar la autonomía para que sus vehículos sean competitivos en los mercados.

Tendremos que esperar hasta 2015 para comprobar si la revolución que prometen los vehículos de hidrógeno es una realidad, o sigue siendo tema de laboratorio.

HIDRÓGENO versus ELECTRICIDAD

Que la solución para los problemas energéticos a largo plazo pasa por la electrificación del transporte, es algo en lo que coinciden todos los expertos. Otra cosa es averiguar, ¿cómo y cuándo se producirá tal transición? En este caso, las hipótesis sobre el futuro se suceden y los expertos lanzan sus vaticinios en función de los descubrimientos del momento.

En estos momentos me viene a la memoria una entrevista realizada hace diez años al director de una conocida marca de coches alemanes. En ella, la periodista le preguntaba por la aparente falta de interés de la compañía hacia la economía del hidrógeno, los vehículos eléctricos y todo lo que oliera a investigación en los vehículos del futuro. Su respuesta fue sencilla, dentro de 10 años seguirán vendiéndose vehículos con mecánicas de combustión interna, por qué malgastar dinero en tecnologías poco maduras, en lugar de invertirlo en mejorar las ya existentes. Su idea era que las mecánicas de combustión aún tenían mucho margen de mejora, tanto en términos de eficiencia como de consumo y emisiones. Visto en retrospectiva, no le faltaba razón, las mecánicas diesel actuales logran consumos de poco más de 4 l/100 km con potencias entre los 140 y los 184 caballos. Si lo comparamos con el mejor automóvil de hidrógeno actual, que gasta 2,8 litros de gasolina equivalentes con 140 caballos de potencia, comprobamos que la diferencia es mínima. ¿Realmente interesa comprar un carísimo automóvil de hidrógeno para disminuir el consumo en 1,5 litros? Me temo que no. Los vehículos híbridos (gasolina – eléctricos) consiguen consumos de 3,9 litros, y los híbridos (diesel – eléctricos) prácticamente igualan los consumos del automóvil de hidrógeno. Pero ambos casos lo hacen con una tecnología madura que se puede adquirir a menor coste.

Parece claro que con los altos rendimientos que logran los vehículos híbridos actuales, en sus múltiples versiones; híbridos con mecánicas de gasolina o diesel, híbridos plug-in “con enchufe”, dotados de baterías que les permite funcionar en modo eléctrico para recorridos cortos, e híbridos de autonomía extendida, que funcionan siempre en modo eléctrico gracias a un motor de gasolina que hace las veces de generador eléctrico, no se necesitan carísimas tecnologías experimentales.

Visto esto, me gustaría volver al despacho del presidente de la compañía para hacerle la misma pregunta ¿cómo ve el futuro del automóvil a diez años vista? (Deduzcamos su contestación)

La respuesta indudablemente pasa por la electrificación del transporte, el problema es cómo conseguirlo, mediante una economía basada en el hidrógeno o con automóviles eléctricos de baterías. La tan oída economía del hidrógeno puede llegar a resultar una opción muy derrochadora. Se requiere una gran cantidad de energía para obtener hidrógeno de compuestos naturales como (agua, gas natural o biomasa), para almacenarlo (gas a presión o licuefacción), para transportarlo hasta el usuario final, y para volver a generar electricidad en una pila de combustible. Mucho más práctico, y eficiente, resultaría generar electricidad, transportarla por la red eléctrica y almacenarla directamente en las baterías de los vehículos. Si se observa el gráfico que se presenta a continuación, las pérdidas energéticas desde la producción de electricidad hasta su utilización en el vehículo son más elevadas en la economía del hidrógeno que en una economía basada en baterías. Si pensamos en la obtención de electricidad mediante energías renovables como la eólica, es tres veces más eficiente utilizar la electricidad directamente para recargar una batería que convertirla en hidrógeno, almacenarlo, transportarlo y volverlo a convertir en electricidad mediante una célula de combustible.

Ante una verdad incuestionable como esa podría parecer que la respuesta está clara, pero estaríamos precipitándonos. Aún quedan puntos críticos por solucionar tanto en una alternativa como en la otra. Las baterías tienen que demostrar que son capaces de almacenar la energía eléctrica necesaria para dotar a los automóviles de una autonomía suficiente, con un peso y un precio, contenidos. Ninguno de esos factores lo consiguen en la actualidad. Los precios rondan los 600 euros por kWh, 36.000 euros para la batería de un automóvil con 500 km de autonomía. El tiempo de recarga de una noche es demasiado elevado para plantearse viajar. Su peso es tan elevado que un camión tendría que transportar más de 6 toneladas de baterías para el recorrido de un día. Su vida media es de unos 5 años o 1000 recargas. La autonomía media varía en hasta un 20% dependiendo de la temperatura ambiente. Y para colmo de males, pueden incendiarse y explotar. Tendrán que aparecer nuevos tipos de baterías como las SMCs antes de que podamos hablar en serio de esta opción.

Pero los automóviles de hidrógeno no salen mucho mejor parados. Logran grandes autonomías (hasta 800 km) con tiempos de repostaje de minutos. Pero el precio del automóvil es astronómico. Las células de combustible son muy caras de fabricar, porque utilizan platino en sus electrodos (aunque se están investigando alternativas). Los depósitos de hidrógeno a 700 atmósferas de presión son caros y voluminosos. Y lo que es peor, el hidrógeno sale más caro que la gasolina. Para que los vehículos de hidrógeno sean una alternativa realista, hay que encontrar un método de almacenar hidrógeno realmente competitivo y hay que producir el hidrógeno con centrales nucleares de cuarta generación. Solo en esas condiciones, la economía del hidrógeno se impondría a cualquier otra alternativa.

MÉTODOS de CAPTURA de CO2

El futuro de nuestro planeta pasa por prescindir del uso de ciertas fuentes energéticas extremadamente contaminantes como el carbón. Pero, siendo realistas, eso es más un deseo que una realidad, y lo seguirá siendo en un futuro previsible. La única alternativa que nos queda entonces es idear un método para capturar el CO2 antes de que escape a la atmósfera por las chimeneas de las centrales térmicas de carbón, las cementeras y en la industria metalúrgica.

Para ello hay que desarrollar las tecnologías necesarias para su captura. Si se consigue una técnica efectiva y económica, podría replantearse el uso del carbón en la mayor parte de países occidentales. Que son los únicos reacios a aumentar el papel que desempeña el carbón en el mix energético. (ver entrada sobre el carbón y China).

Esta meta ha movilizado a numerosos equipos de investigación por todo el mundo. España no ha sido una excepción. Dos grandes centros de investigación trabajan en esa línea: el Instituto Nacional del Carbón (INCAR), perteneciente al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Y el más reciente Centro de Captura y Almacenamiento de la Fundación Ciudad de la Energía (Ciuden), en el Bierzo (León).

Se está investigando en tres procedimientos de captura de CO2: la postcombustión, la gasificación integrada con captura de CO2, y la oxicombustión. Analicémoslo por separado:

1. Postcombustión: Consiste en retirar el CO2 de la corriente de gases mediante procedimientos químicos. Esto se puede hacer en una torre de lavado en la que se inyectan aminas (compuestos químicos orgánicos derivados del amoniaco), que forman un compuesto poco estable con el CO2. Posteriormente, el compuesto se somete a tratamiento térmico, con lo que se liberan dos corriente, una rica en CO2 y otra con las aminas, que se reciclan en el proceso.

Se trata de un proceso muy probado, porque es el que se utiliza para la producción de amoniaco y urea. El problema es utilizarlo en los intensos caudales de las chimeneas de las centrales térmicas. Esto modifica la presión y la temperatura del proceso que pasa de 60ºC a 200ºC.


2. Gasificación integrada: Se trata de utilizar el carbono del carbón para producir una mezcla de gases compuesta por CO2 e hidrógeno, que posteriormente hay que separar por diversos procedimientos para obtener dos corrientes diferentes, una rica en CO2 y la otra con hidrógeno. Si se consigue purificar suficientemente el hidrógeno puede utilizarse en los automóviles de pila de combustible, permitiendo avanzar en la economía del hidrógeno. En caso de que no se logre obtener la pureza adecuada el compuesto rico en gas hidrógeno se puede quemar en turbinas de gas para obtener energía eléctrica extra. Esta opción se está estudiando por parte de la empresa Elcogás en su central de Puertollano, donde incluso se ha creado una planta piloto para desarrollar esta tecnología.

3. Oxicombustión: Es un proceso previo al quemado del carbón, en el que se utiliza directamente oxígeno en lugar del aire para el proceso de combustión del carbón. De este modo se elimina la presencia de nitrógeno que supone el 78% del aire atmosférico. Eso elimina gases en la salida de la chimenea con lo que el CO2 se encuentra mucho más concentrado. Y, por otro lado, la combustión resulta mucho más eficiente al haber más oxígeno disponible. El problema radica en las altas temperaturas que puede llegar a los 1.500ºC debido al aumento del rendimiento en la combustión. Puesto que esas temperaturas son extremadamente difíciles de gestionar, se reinyectan los gases de escape (CO2 y vapor de agua) con el fin de viciar el proceso y disminuir la temperatura en la caldera.

Si cualquiera de estos metodos demostrara en un futuro su viabilidad comercial podríamos entrar en otra nueva era para el carbón.

REINVENCIÓN DEL AUTOMÓVIL SEGÚN MERCEDES

Carl Benz el 29 de enero de 1886 solicitó la patente de su triciclo motorizado. Esta fecha es la que se considera como la del nacimiento oficial del automóvil. De eso han pasado 125 años y para conmemorarlo el fabricante alemán decidió emprender una vuelta al mundo de 125 días de duración. Para ello ha usado 3 Clase B F-CELL, uno de los primeros vehículos con pila de combustible fabricado en serie (el HONDA FCX data del 2008), con los que ha demostrado la fiabilidad y ecología de este tipo de vehículos.

La salida tuvo lugar el pasado 31 de Enero en Stutggart y terminó en la misma localidad el 2 de Junio tras 125 días y más de 30.000 kilómetros recorridos. Por el camino han visitado ciudades tan emblemáticas como Madrid, Barcelona, Lisboa, Londres, Moscú, Miami, Vancouver, Los Ángeles y París. La razón de probar este coche en una prueba de tan larga duración era la de demostrar la gran capacidad de rendimiento de esta tecnología de pila de combustible y su idoneidad para el uso diario.

La idea de realizar vehículos con célula de combustible viene desde los años noventa en los que Mercedes experimentaba con diversas alternativas para conseguir un automóvil eléctrico con la autonomía necesaria para el uso diario. Entonces la técnica resultaba aún muy costosa, pesada y voluminosas. Los primeros sistemas pesaban 3.5 Tn y ocupaban casi todo el espacio de una furgoneta Vito. Actualmente, el hidrógeno se almacena en tres depósitos de alta presión (700 atmósferas) bajo el doble suelo del coche. Este Clase B F-CELL mezcla una gran autonomía (400 km) con un tiempo de repostaje corto.

Podemos observar un ejemplo alternativo de reducción de los componentes en el ejercicio de ingeniería que nos presenta General Motors para sus Chevrolet Equinox. Pueden comprobar como el ultracompacto motor eléctrico se encuentra en la parte inferior, mientras que la célula de combustible ocupa el espacio que habitualmente ocuparían los cilindros en un motor de explosión. A su lado aparecen los distintos sistemas de humidificación y refrigeración de las células de combustible.

Pero volviendo a la marca de Stutggart, los vehículos eléctricos es una de las estrategias comerciales que más va a impulsar próximamente. El Clase A E-CELL, el CLase B F-CELL y la furgoneta Vito E-CELL son vehículos eléctricos que ya se producen en serie. EL objetivo de Mercedes es fabricar coches eléctricos más eficientes y limpios, sin limitaciones de seguridad ni de confort. Para ello se ha aliado con el grupo gasista Linde Group para implantar más de 50 puntos de repostaje de hidrógeno (hidrogeneras) en Alemania antes de 2014.

AUTOMÓVIL DE HIDRÓGENO: CÉLULAS DE COMBUSTIBLE

Ya resulta comúnmente aceptado que el único modo de reducir los gases de efecto invernadero y la excesiva dependencia del petróleo pasa por electrificar nuestro transporte. Pero como vimos en el post sobre ELECTRIFICACIÓN DEL TRANSPORTE eso no es una tarea fácil. El problema sigue siendo, cómo conseguir un método económico, ligero y eficiente de almacenar electricidad. Mientras las distintas tecnologías de baterías estan demostrando ser aún inadecuadas para cubrir las necesidades del transporte, hay que buscar otras soluciones.

Volver a utilizar el caballo, como en una ocasión escuche de boca de un ecologista no es una solución ecológica. Los caballos al igual que las vacas expulsan metano como consecuencia de sus procesos de digestión metabólica, y el metano contribuye cuatro veces más que el dióxido de carbono al efecto invernadero. ¿Se imaginan un pestilente mundo con millones de caballos defecando en ciudades como Paris, Nueva York o Madrid?

Una alternativa más realista es el automóvil de hidrógeno. El hidrógeno puede convertirse en electricidad en una célula de combustible, expulsando por el escape tan solo vapor de agua. Esa agua sería tan pura que incluso se podría beber. Las células de combustible tienen unos rendimientos de conversión de hidrógeno a electricidad muy apreciables y dependiendo del tipo ronda el 45%, aunque puede llega hasta el 65%. Si a eso unimos que el rendimiento de un motor eléctrico está en torno al 95 – 99%, el rendimiento total del conjunto es muy elevado. Y más aún si lo comparamos con el que tiene un motor de explosión, que rara vez alcanza el 20%.

Las células de combustible no son más que una serie de membranas semipermeables que permiten la generación de electricidad mediante un proceso electroquímico. La energía eléctrica se genera por oxidación electroquímica del hidrógeno, mediante el paso de iones positivos entre la molécula de hidrógeno y la de oxígeno, eso genera una diferencia de potencial entre los electrodos obteniéndose electricidad. Dependiendo del electrolito se distinguen se distinguen diferentes tipos de células de combustible: membranas de intercambio de protones, disoluciones alcalinas, ácido fosfórico, carbonatos fundidos y óxidos sólidos. Las pilas de combustible suelen operar con voltajes muy bajos que van de los 0,6 a los 0,8 V, mientras que la temperatura de funcionamiento viene determinada por el tipo de electrolito. Las pilas más comunes, de membranas de polímero (PEM) operan a temperaturas comprendidas entre os 60ºC  y los 80ºC, mientras que las pilas de óxidos sólidos necesitan elevadas temperaturas que pueden alcanzar los 1000ºC.

Sin embargo, las células de combustible y el hidrógeno tienen su propia problemática intrínseca que habrá que resolver en los próximos años, antes de que sean comunmente comercializables. Los principales problemas que presenta son su durabilidad y elevado coste. El problema radica en que es necesario el carísimo platino (165 dólares el gramo) para que actue como catalizador en la reacción entre el oxígeno y el hidrógeno en las pilas tipo PEM. Eso eleva por las nubes el coste de cada célula. Muchos equipos de investigación científica se afanan por todo el mundo para tratar de salvar este escollo. ¿Cómo conseguir un catalizador fiable y eficiente que a su vez sea económico? Sin duda el que lo logre habrá conseguido un gran avance para la tecnología, pero también, una patente que vale su peso en oro. ¡Todas las compañías automovilistas del mundo querrán comprarla!

Aunque iré exponiendo en el futuro los avances que se vayan sucediendo en este sentido (todos los meses hay noticias), expongo aquí uno de los últimos. Se trata de un equipo de investigadores de Quebec (Canadá), que ha presentado una fórmula que utiliza hierro insertado dentro de minúsculos poros formados por una estructura de carbono. La sustancia de base férrica logra un rendimiento próximo al 10% del que se consigue con el platino. ¡No es mucho, pero por algo se empieza! Incluso siendo un porcentaje tan bajo, resulta 35 veces superior a otros procedimientos experimentales anteriores.

ELECTRIFICACIÓN DEL TRANSPORTE




CAPACIDAD DE ALMACENAJE DE ELECTRICIDAD POR PESO

 

Mucho se habla ahora de la electrificación del transporte como principal medida para detener la mortal contaminación atmosférica de las ciudades y los efectos del cambio climático. Pero conseguir un vehículo eléctrico no es tan fácil como pudiera parecer en un principio. Y eso a pesar de que los primeros automóviles que se fabricaron en la historia fueron eléctricos y no de gasolina. El primer automóvil eléctrico data de 1835, cincuenta años antes de la aparición del primer coche con motor de explosión de Daimler-Benz, que apareció en 1886. Pero muy pronto el superior desempeño de los vehículos de gasolina relegó a los coches eléctricos al olvido. Más de un siglo después de aquellos primeros intentos, se vuelve a pensar en la acuciante necesidad de los vehículos no contaminantes. Necesidad incrementada por la imparable escalada del precio del petróleo, un recurso cada vez más escaso.

El problema de los automóviles eléctricos no se encuentra en desarrollar motores potentes o eficientes. Hace años me reprocharon que los motores eléctricos ¡solo sirvan para mover coches de Scalextric! Nada más lejos de la realidad. Los motores eléctricos ofrecen lo que ningún motor a explosión se atreve a ofrecer: fuerza constante desde el primer giro, optima relación potencia/tamaño, menor peso, un rendimiento energético sobresaliente (95-98%) frente al (22-28%) de los motores diesel más modernos, precio muy bajo, mantenimiento casi nulo, nivel sonoro mínimo, ausencia de vibraciones y sobre todas las virtudes, ¡no contaminantes!

Si los motores eléctricos tienen capacidades tan sobresalientes, ¿por qué no se han implantado todavía? El gran reto de la electrificación se encuentra en el aún no resuelto almacenaje de electricidad. Actualmente conocemos multitud de formas de producir electricidad, muchas de ellas no contaminantes, pero apenas hay tecnologías validas para almacenarla de forma adecuada. Examinemos brevemente las existentes:

• Baterías Amóviles:

Son tan grandes y pesadas que no sirven para el transporte pero permiten almacenar energía del orden del megavatio-hora. Eso las hace útiles para almacenar el exceso de electricidad de las energías renovables. Aunque les sorprenda, ese es el gran problema de las energías renovables, como expondré en un próximo post.

• Baterías de Automoción:

Baterías de plomo-acido: Las que podemos ver bajo el capó de la mayoría de vehículos a motor actuales. Su peso es tan elevado y su capacidad de almacenaje tan ridícula, que solo sirven para el arranque del motor de explosión y para algunos accesorios eléctricos del automóvil.

Baterías de NIMH (Nickel- hidruro metlálico): En el mundo de la electrónica representan la generación anterior. Su elevado peso y escasa capacidad las han llevado al desuso para los productos electrónicos actuales, aunque se utilizan con profusión en los vehículos hibridos (ej. Toyota Prius) debido a su bajo precio.

Baterías de Litio–Ion: Son la principal apuesta actual para los coches eléctricos. Los fabricantes de automóviles fijan como objetivo a largo plazo una batería de litio-ion (semejante a las de los teléfonos móviles actuales) que dure 15 años y soporte al menos 5000 ciclos de carga, con un coste objetivo de 250 euros por kWh almacenado. Por supuesto, eso está lejos de conseguirse en la actualidad: 5 a 7 años de duración máxima, 4000 ciclos de carga, 600 euros KWh (20.000 euros para una batería media). Además su peso las sigue penalizando para su uso en el transporte. Se necesita una batería de 400-550 kg, para conseguir autonomías de entre 150-250 km. Se imaginan un típico camión de 20 Tn  ¡Eléctrico! ¡Necesitaría 6,6 toneladas de baterías!

Supercapacitadores: Se utilizan para algunas aplicaciones específicas (Formula 1) por su capacidad para cargarse y suministrar toda su carga en un instante. Su problema reside en la escasa capacidad de almacenaje, que es incluso inferior a las baterías de plomo tradicionales.

Células de combustible: Se trata de un sistema que se desarrolló en principio para obtener electricidad en el espacio. Se llaman células de combustible porque utilizan una serie paralela de membranas (células) que permiten el paso de protones (carga +) desde la molécula de H2 a la de O2. El resultado no puede ser más óptimo pues a partir del combustible (hidrógeno gaseoso) se genera electricidad expulsando como subproducto vapor de agua. Las células de combustible han evolucionado mucho desde sus primeros usos espaciales. Algunas firmas de automóviles como General Motors, Mercedes, Honda o Toyota han invertido miles de millones en su optimización. Pero aún les queda un largo recorrido para abaratar su costo. Además el hidrógeno no lo podemos considerar como almacén de energía eléctrica, sino como un vector de transporte, pues el almacenamiento de hidrógeno presenta su propia problemática de difícil solución. En cualquier caso este sistema presenta grandes ventajas:  bajo peso, facilidad de repostajes rápidos en hidrogeneras y amplias autonomías de hasta 570 km. Eso las convierte en la mejor alternativa de almacenamiento a largo plazo.

Los únicos vehículos eléctricos que son competitivos y con un gran futuro, son los trenes de alta velocidad, los trenes de cercanías y el metro. Es previsible que un futuro todos los trenes utilicen líenas de alta tensión para su funcionamiento, pero hasta que no se encuentre un método eficaz de almacenar electricidad, seguiremos sin contar con una alternativa real al automóvil con motor de explosión.