Aplicaciones al transporte: tipos de vehículo.

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1 Aplicaciones al transporte: tipos de vehículo. Introducción Se pretende dar una visión de las potenciales aplicaciones del hidrógeno como combustible en el transporte y de las pilas de combustible como sistema de conversión energética en los vehículos. Por qué utilizar hidrógeno y/o pilas de combustibles en vehículos? A estas alturas del curso serán de sobra conocidas todas las ventajas y potencialidades del uso del hidrógeno como combustible, y de las pilas de combustible como sistema generador de potencia eléctrica. La principal ventaja que tiene el hidrógeno es que su utilización tiene como único subproducto vapor de agua, y una pequeña parte de óxidos de nitrógeno (en el caso de la combustión), por lo tanto está libre de emisiones de dióxido de carbono. Los vehículos de hidrógeno (sobre todo si es con pila de combustible), junto con los eléctricos son los únicos que pueden ser no contaminantes o ZEV (del inglés Zero Emisión Vehicle). Si el hidrógeno se genera a partir de energías renovables, o incluso se ha generado a partir de combustibles fósiles, a los que se han aplicado técnicas de secuestro de dióxido de carbono, se puede hablar de un ciclo completamente no contaminante. El hidrógeno puede llegar a ser un combustible barato (más incluso que los derivados del petróleo), en aquellos lugares que dispongan de recursos renovables en abundancia, y que el transporte y distribución de gasolinas sean caros (por ejemplo en islas o lugares con poca densidad de población). El principal problema que se presenta al hidrógeno para su uso en vehículos es la poca densidad energética por unidad de masa y volumen de los depósitos, muy inferior a la de los depósitos de combustibles líquidos, aunque muy superior a la de las baterías de los vehículos eléctricos. Las pilas de combustible tienen su gran baza en la alta eficiencia, que permite un mayor aprovechamiento de la energía, así como por la nula emisión de óxidos de nitrógeno o de partículas. Adicionalmente su funcionamiento electroquímico, a diferencia de los motores térmicos, permiten una operación silenciosa y libre de vibraciones, que contribuyen a un aumento del confort en el vehículo. Por el contrario, el desarrollo tecnológico de las pilas de combustible no ha alcanzado todavía un grado de madurez para su entrada en el mercado, y no es evidente saber cuando lo hará por la dificultad de conseguir productos fiables, y compactos, sobre todo a precios razonables. Existen una serie de condicionantes que deben cumplir los sistemas de almacenamiento de hidrógeno y las pilas de combustible especialmente diseñados para aplicaciones en el transporte, que son especialmente más 1

2 acusadas que por ejemplo los sistemas que se utilizan en aplicaciones estacionarias, como pueden ser los siguientes: Deben ser especialmente ligeros y compactos, para poder ser integrados en el interior del vehículo sin aumentar la masa del mismo Su vida no tiene que ser excesivamente larga (comparada con los sistemas estacionarios), ya que el número de horas de operación es claramente inferior. Esta sometido a un elevado número de ciclos, de carga/descarga los sistemas de almacenamiento y de encendido/apagado las pilas de combustible. Condiciones extremas de temperatura, ya que operan en el exterior, con largos periodos de parada en invierno, y en ciudad en verano al sol. Deben estar preparados para aguantar vibraciones y aceleraciones Requieren un sistema de control complicado para ajustarse a la fluctuante demanda (no funciona a piñón fijo como otros sistemas estacionarios) Tienen que conseguir un precio especialmente ajustado, para ser competitivos. Están sometidos a una operación (y a veces manipulación) no profesional, por lo que deben estar bien protegidos. Un problema de peso (y volumen) El hidrógeno es un combustible muy energético, ya que un kilogramo de hidrógeno tiene en torno al triple de energía que los combustibles convencionales. Pero es un elemento muy poco denso, y se almacena en depósitos muy grandes y muy pesados. En la siguiente tabla se muestra el peso y el volumen de depósitos que tendría que llevar un coche para conseguir una autonomía de 700 km. Los datos están sacados de un estudio de BMW dentro del proyecto StorHy (para gasolina, hidrógeno comprimido e hidrógeno líquido), complementando con una estimación numérica basada en hidruros metálicos y baterías. Gasolin a Hidrógen o 350 bar Hidrógen o 700 bar Hidrógeno líquido Hidruro s metálic os Bater ía Li- Ión Volumen (l) Peso combustible (kg) Peso depósito (kg) Es destacable que cualquier sistema de almacenamiento de hidrógeno ocupa y pesa mucho más que el equivalente en gasolina o gasóleo (salvo el caso de los depósitos de hidrógeno líquido con aislamiento polimérico reforzados con fibra de carbón, que alcanzan pesos similares aunque volúmenes claramente mayores). Por otro lado, el hidrógeno destaca claramente por densidad de energía por masa y volumen frente a las baterías más avanzadas. No obstante, los equipos de almacenamiento de hidrógeno, así como el resto de los componentes que puedan requerirse (pilas de combustible o motores de 2

3 combustión interna adaptados para hidrógeno, motores eléctricos, etc) pueden ser alojados perfectamente dentro de un vehículo sin sacrificar el espacio para los pasajeros y de maletero, y manteniendo la autonomía de los vehículos actuales, que es algo que el vehículo eléctrico no puede alcanzar. Es importante reseñar los avances producidos en los últimos años en la reducción de peso y tamaño de las unidades de pila de combustible para automoción, habiendo conseguido por ejemplo potencias de 100 kw en tan solo 52 litros y 67 kg (Honda 2006). Configuraciones A la hora de plantear la introducción del hidrógeno y las pilas de combustible en vehículos las opciones son muy variadas. Se puede destacar: 1. Suministro de hidrógeno al vehículo y uso en motor de combustión interna 2. Suministro de hidrógeno al vehículo y uso en pila de combustible 3. Suministro de hidrógeno al vehículo y uso en pila de combustible para sistemas auxiliares 4. Producción de hidrógeno con pila reversible en vehículo conectado a red eléctrica para uso en pila de combustible 5. Producción de hidrógeno a bordo por reformado de gasolina para uso en pila de combustible 6. Uso de gasolina o metanol en pila de combustible directa (sin paso por hidrógeno) Todas esas opciones, así como la de los vehículos convencionales, son compatibles con la hibridación del vehículo. La hibridación de un vehículo (dos motorizaciones, una de ellas con baterías eléctricas), que tiene sentido en los vehículos de gasolina o gasóleo para la reducción del consumo, también la tiene en los de pila de combustible, no tanto por conseguir que el régimen de operación sea constante (en el motor térmico el rendimiento baja bastante cuando se aleja del punto de operación óptimo, mientras que el la pila el rendimiento es más constante en todo el rango de potencia), si no por permitir la reducción del tamaño de la pila (para cubrir la media de potencia, no la potencia pico), además de mejora del rendimiento global con la frenada regenerativa. El hidrógeno y las pilas de combustible (al igual que el resto de combustibles y los motores térmicos) pueden integrarse en vehículos híbridos enchufables, en el que la batería tiene una capacidad mucho mayor, y no solo se recargan en la operación del vehículo, si no que pueden recargarse de la red eléctrica. Estos vehículos están pensados para sumar las ventajas: pueden operarse como vehículos eléctricos (eficientes en caso de disponer de electricidad relativamente barata, que ayudan a la gestión de la red) en los recorridos diarios habituales, pero que permiten los viajes largos y tiempos de recarga rápidos cuando sea necesario con combustible químico (hidrógeno o convencional). Un estudio de General Motors, cuya tabla resumen aparece a continuación, ilustra el comportamiento de cada una de las opciones de vehículo en términos de consumo (en litros equivalentes de gasolina, es decir en unidades de 3

4 energía correspondiente a un litro de gasolina) y de emisiones. El estudio está hecho para un Opel Zafira. La última fila (vehículo eléctrico) presenta los datos para un deportivo eléctrico el Tesla Roadster, dados por el propio fabricante en la hoja de características técnicas, a modo de comparación. Propulsión Hibrido Combustible Motor combustión interna Pila de combustible no sí no sí Eq.litro /100km gco2 mgch4 mgnox Eq.gCO 2 Gasóleo 6, Gasolina 6, Gas natural 7, Hidrógeno 6, Gasóleo 5, Gasolina 5, Gas natural 5, Hidrógeno 4, Gasolina 5, ,5 133 Hidrógeno 3, Gasolina 4, ,5 117 Hidrógeno 3, Baterías* - Electricidad 1, Se constata que los vehículos con pila de combustible e hidrógeno son los que, después del eléctrico, menos energía consumen y los que no tienen emisiones de efecto invernadero. No obstante, en función de los precios de los distintos combustibles (o formas de obtenerlos en el caso del hidrógeno), y la contaminación generadas en cada caso, puede resultar que el hidrógeno no sea la opción más barata y medioambientalmente mejor, aún en el caso de que los vehículos de hidrógeno no tengan sobreprecio y que los reformadores y/o electrolizadores tengan precios muy asequibles. Se recomienda la realización de ejercicios numéricos al respecto. Seguro que es seguro? El hidrógeno es un combustible distinto a los que estamos acostumbrados a utilizar, y por eso despierta ciertos recelos en lo que se refiere a seguridad. Lógicamente todo combustible tiene ciertos riesgos de inflamabilidad y de detonación, y en el caso de hablar de hidrógeno comprimido existen riesgos asociados a los envases presurizados. No obstante, los depósitos de hidrógeno que se utilizan en vehículos han superado exitosamente ensayos de impacto y de disparo, habiendo demostrado una seguridad igual o superior que la de los depósitos de combustibles líquidos. En caso de la existencia de fugas, el hidrógeno tiene una volatilidad muy alta, lo que hace que escape a la atmósfera a gran velocidad, mientras que los combustibles líquidos se vierten y pueden provocar accidentes de gran magnitud, como demuestra un experimento de 2001 de la Universidad de 4

5 Miami, en el que se provocó una rotura del depósito y se provocó el incendio a dos vehículos, el de hidrógeno sufrió daños menores en el minuto que tardó el hidrógeno en consumirse, mientras que el vehículo de gasolina fue calcinado por culpa del charco de gasolina que ardió debajo del vehículo en dos minutos y medio. No es de extrañar que cuerpos de bomberos de Francia y de California, estén probando vehículos alimentados con hidrógeno, precisamente para llevarlos y operarlos en las condiciones más adversas (allí donde ya hay un incendio). Una implantación del hidrógeno en el sector transporte implicaría, eso sí, la necesidad de adaptar (o regular) los garajes y los túneles (lugares de utilización de hidrógeno en recintos cerrados, donde se puede dificultar la evacuación natural del hidrógeno a la atmósfera). Se debería reforzar la ventilación con salida superior, y no colocación de luminarias en techos. Listado de vehículos Aunque los usos del hidrógeno y las pilas de combustible para automoción parece algo muy novedoso, lo cierto es que es un campo en el que se lleva trabajando decenas de años y en el que se han desarrollado más de 350 vehículos distintos En el sitio web (que dirige a desarrollado por la empresa alemana LBST y por el centro de ensayos TUV de Alemania del Sur, se pueden consultar más de 200 modelos de coches, más de 50 modelos de autobuses, casi 40 modelos de bicis y motos, más de una veintena de vehículos industriales, una quincena de modelos de barcos, cuatro modelos de trenes, una docena de modelos de avión, y cinco modelos de cohetes y transbordadores espaciales. Cabe destacar la recurrente aparición de BMW en vehículos de hidrógeno líquido con motor de combustión interna, y de General Motors, Mercedes Benz / Daimler Chysler y Ford en vehículos con pila de combustible e hidrógeno comprimido. Asimismo, por la parte nacional es de destacar la moto desarrollada por la empresa AJUSA, así como la operación de 6 autobuses de Mercedes Benz dentro del proyecto CUTE en Madrid y Barcelona y de un autobús de Irisbus dentro del proyecto CITYCELL en Madrid. También resulta interesante hacer una retrospectiva a los primeros coches de hidrógeno. Visión de futuro Es evidente que el sistema actual para el transporte no es en absoluto sostenible, y que es un sector en el que el camino hacia la sostenibilidad es más complejo (por una dependencia casi absoluta del petróleo y un gran derroche en la utilización). Para mejorar las tendencias existen varias medidas complementarias entre sí, que se deben ir adoptando en la medida de lo posible: 1. Medidas para una movilidad más sostenibles: uso de transporte público o compartido, vehículos adecuados para distancias urbanas como bicicletas o mini-utilitarios, medidas que puedan evitar atascos o tiempo de búsqueda de aparcamiento, etc. 5

6 2. Medidas que mejoren la eficiencia de los vehículos (convencionales y alternativos) 3. Medidas que disminuyan la dependencia del petróleo, aumentando la explotación de las energías renovables, pero primero en el sector eléctrico, y cuando esté superado, pasando al sector transporte. En este escenario futuro, la entrada en el mercado de vehículos de hidrógeno y pila de combustible no va a ser sencilla, ya que siempre va a tener una dura competencia: con los vehículos convencionales hoy en día y en un futuro próximo, con los híbridos y los de gas natural a medio plazo, y con los vehículos eléctricos con baterías en el largo plazo. A nivel político, en Europa se apuesta por el hidrógeno, en donde la plataforma europea del hidrógeno y las pilas de combustible está convencida de un escenario 2050 con un sistema energético basado en el hidrógeno y una medida concreta del libro verde para el abastecimiento energético que exige que el 2% de los vehículos fabricados sea de hidrógeno en 2015 y se amplíe el porcentaje al 5% en Recientemente, numerosos fabricantes de automóviles (Toyota, General Motors, Honda, Daimler y Hyundai) están anunciando planes de comercialización de modelos de vehículos de hidrógeno para 2015, acompañados de la implantación de una red de estaciones de servicio de hidrógeno (sobre todo en Alemania, California y Japón). A pesar de ello, es necesario seguir profundizando en la investigación y desarrollo tecnológico de vehículos de hidrógeno y/o pilas de combustible en espera de obtener un desarrollo rompedor que acelere su entrada en el mercado, además de para uso en aplicaciones concretas (en atmósferas muy sensibles a la contaminación), y también para estar preparados cuando llegue el momento de su explotación. El hidrógeno y las pilas de combustible se presentan como una alternativa muy interesante para la ampliación de autonomía del vehículo eléctrico, en un eléctrico híbrido enchufable, que adicionalmente permita la recarga rápida, y mantenga el carácter no contaminante del vehículo. 6