Los motores de hidrógeno producen cero emisiones, son increíblemente silenciosos y pueden beneficiarse de rangos más largos que los vehículos puramente eléctricos.
La tecnología de celda de combustible de hidrógeno ha sido evaluada y discutida por muchas empresas de vehículos eléctricos. Algunas empresas como BMW, Toyota o Nicola Motor, han apostado al desarrollo de Vehículos Eléctricos de Celdas de Combustible, o FCEV.
Por otro lado, empresas como Tesla y Audi han dicho que el hidrógeno es ineficiente y, en consecuencia, no lo implementarán en sus vehículos.
Los motores de hidrógeno producen cero emisiones. Sin embargo, pueden ser bastante costosos en términos de compra y precio de operación.
Los fundamentos de las celdas de hidrógeno
El sistema de hidrógeno se basa en el proceso de electrólisis inversa. Los vehículos propulsados por hidrógeno utilizan la conversión química de hidrógeno y oxígeno a electricidad y vapor de agua.
Hidrógeno + Oxígeno = Electricidad + Vapor de Agua
Una celda o célula de combustible es un dispositivo que convierte la energía potencial química (energía almacenada en enlaces moleculares) en energía eléctrica. Una célula PEM (Proton Exchange Membrane) utiliza gas hidrógeno (H2) y gas de oxígeno (O2) como combustible.
Los productos de la reacción en la célula son agua, electricidad y calor. Esta es una gran ventaja con respecto a los motores de combustión interna.
Dado que el O2 está fácilmente disponible en la atmósfera, sólo se requiere suministrar la pila de combustible con H2 que puede provenir de un proceso de electrólisis.
¿Cómo funciona?
El gas de hidrógeno presurizado (H2) que entra en la pila de combustible en el lado del ánodo es forzado a presión a través del catalizador. Cuando una molécula H2 entra en contacto con el platino en el catalizador, se divide en dos iones H+ y dos electrones (e-). Los electrones se llevan a través del ánodo, donde se abren paso a través del circuito externo (haciendo trabajos útiles como girar un motor) y regresan al lado del cátodo de la pila de combustible.
Figura 1. Diagrama de una celda de hidrógeno
Mientras tanto, en el lado cátodo de la pila de combustible, el gas de oxígeno (O2) está siendo forzado a través del catalizador, donde forma dos átomos de oxígeno. Cada uno de estos átomos tiene una fuerte carga negativaque atrae los dos iones H+ a través de la membrana, donde se combinan con un átomo de oxígeno y dos de los electrones del circuito externo para formar una molécula de agua (H2O).
En su forma natural, el proceso es técnicamente más eficiente que un motor de combustión interna debido al menor número de pasos que debe tomar para generar energía eléctrica.
Dado que la energía se genera continuamente, la batería es más compacta que una eléctrica tradicional. El único subproducto producido a través de este método de producción de energía es el vapor de agua, que sale a través del escape.
Al igual que con muchos vehículos eléctricos, la energía cinética generada por el frenado se convierte en energía eléctrica a través del motor. Esto se conoce a menudo como «poder de recuperación» o «freno regenerativo».
Ventajas de la tecnología
Al convertir la energía potencial química directamente en energía eléctrica, las pilas de combustible evitan el «cuello de botella térmico» (consecuencia de la segunda ley de la termodinámica) y, por lo tanto, son inherentemente más eficientes que los motores de combustión, que primero deben convertir la energía potencial en calor, y luego en trabajo mecánico.
Los tanques de hidrógeno se pueden recargar fácilmente, y el proceso puede generar un flujo constante de energía. Debido a la baja demanda de automóviles impulsados por hidrógeno, no se ha desarrollado suficientemente estaciones de reabastecimiento de hidrógeno.
Las emisiones directas de un vehículo de celda de combustible son sólo agua y un poco de calor. No hay emisiones de gases de efecto invernadero como en un motor de combustión interna.
Las células de combustible no tienen partes móviles. Por lo tanto, son mucho más fiables que los motores tradicionales.
La propulsión en los vehículos de celda de combustible de hidrógeno es puramente eléctrica. Prácticamente sin ruido del motor y un arranque enérgico, debido a que los motores eléctricos proporcionan par total incluso a bajas velocidades.
Otra ventaja es el tiempo de carga rápida, que dura aproximadamente 5 minutos. En comparación, los vehículos completamente eléctricos, dependiendo de la estación de carga y la capacidad de la batería, actualmente requieren entre 30 minutos y varias horas para una carga completa.
Por el momento, los vehículos de hidrógeno todavía tienen un alcance más largo que los vehículos puramente eléctricos. Un tanque de hidrógeno lleno durará alrededor de 480 kilómetros.
Los retos para la tecnología del hidrógeno
Las previsiones a futuro en lo que se refiere al avance de la tecnología del hidrógeno no son muy halagadoras. Actualmente no existe un plan específico de impulso y desarrollo del hidrógeno, por lo que, por el momento, sigue sin desarrollarse una infraestructura que permita su despliegue como vector energético.
Asimismo, existen otros inconvenientes, como el hecho de que, aunque la celda de hidrógeno se considere una tecnología que genera cero emisiones ya que solo libera a la atmósfera vapor de agua, un tema relevante es cómo se obtienen estas celdas y los medios de producción del hidrógeno.
Según los más críticos de esta energía alternativa, el hidrógeno se produce masivamente a partir de combustibles fósiles mediante gas natural, un proceso que genera mucho CO 2 , así que, ¿es realmente este combustible tan limpio como parece?
Indudablemente que en la actualidad no hay energía 100% limpia, y que los vehículos eléctricos de batería, como los de Tesla, necesitan cargarse mediante energía eléctrica procedente de la red, y esa electricidad se genera en el conjunto de centrales térmicas, hidráulicas, nucleares y renovables que componen la matriz energética.
Los vehículos eléctricos no lleva tubo de escape pero sí contaminan indirectamente a nivel de las centrales que consumen combustible fósil para generar la electricidad.
Lo cierto es que los procesos de obtención de hidrógeno pueden mejorarse sustancialmente si hubiese más vehículos de hidrógeno circulando por las carreteras.
Mientras la red de estaciones de reabastecimiento de combustible para automóviles propulsados por hidrógeno sea tan limitada, la baja demanda de los clientes no permitirá una producción en masa y rentable de vehículos de celda de combustible.
La prevalencia de la tecnología también depende en gran medida de la capacidad de fabricar hidrógeno puro. Una variedad de procesos están disponibles para este propósito, pero no todos son beneficiosos para el medio ambiente.
La electrólisis puede hacer uso de energía renovable para producir hidrógeno puro sin tener un efecto sobre el medio ambiente. Otros procesos de producción que requieren el uso de combustibles fósiles podrían cancelar un poco sus beneficios ambientales.
El costo también parece ser un factor importante que obstaculiza la prevalencia de vehículos propulsados por hidrógeno. Aunque un tanque de hidrógeno puede proporcionar un rango sustancialmente mayor en comparación con un vehículo eléctrico, el precio de compra inicial y el reabastecimiento de combustible pueden ser más costosos.
Según BMW, se necesita aproximadamente 0.5 kg de hidrógeno para alimentar 42 km de conducción.
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