Introducción y funcionamiento
Una vez conocemos los orígenes del hidrógeno como fuente de alimentación, vamos en esta segunda y última parte a continuar hablando del hidrógeno o pila de combustible.
Como ya sabemos, frente a las limitaciones que todavía presentan a día de hoy los coches 100% eléctricos debido al peso de la batería, tiempos de recarga y autonomía limitada, algunos como es mi caso, ya deciamos hace 20 años que el futuro es del hidrógeno.
Si bien, como ya vimos en el artículo 1 de Alberto Borrás, hay muchos intereses de pormedio, pero al final que no quepa duda que se acabará imponiendo frente a las restantes alternativas y sino al tiempo.
El coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno (en inglés se suele hablar de fuel cell electric vehicle o FCEV), es un automóvil donde el motor que hace girar las ruedas se alimenta con la electricidad generada en una célula de combustible en la que su funcionamiento «a grosso modo» es similar al de una pila convencional, ya que en este caso lo que se consume será el hidrógeno, pero en este caso se irá reponiendo al igual que se hace con los combustibles convencionales; además, actualmente ese repostaje no supera los 5 minutos (dependiendo del tanque de hidrógeno), frente a 1 hora al menos de un coche eléctrico convencional tipo Tesla o cualquier otro.
Simplificándo bastante el proceso de producción de la electricidad a partir del hidrógeno, podemos decir que se trata de un dispositivo que recibe hidrógeno (ánodo), lo mezcla con oxígeno (cátodo), y se produce un proceso electroquímico en el que tiene lugar un intercambio de protones a través de una membrana, lo más habitual, (electrólito), y los electrones “que se han quedado solos” se mueven a través de un circuito externo, con lo que aparece una diferencia de potencial y una corriente eléctrica que nos servirá para mover un motor eléctrico que a su vez nos hará mover las ruedas.
Simplificando la explicación todavía más, podemos decir que mezclando hidrógeno y oxígeno del aire se genera electricidad y se desprende vapor de agua y nitrógeno. Esta electricidad pasa a unas baterías y de las baterías al motor.
En cuanto al oxígeno que suministramos al proceso, este proviene del aire, por lo cual además de estar libre de toda impureza necesitamos comprimirlo para introducirlo en la pila de combustible a través de un compresor de aire.
El rendimiento del proceso que tiene lugar en la pila de combustible no es muy bueno, y su rendimiento eléctrico suele estar entre un 50% y un 70%, dependiendo del tipo de pila (básicamente dependiendo del tipo de membrana que se emplea en el interior de la pila). Las más habituales suelen estar alrededor del 60%.
Componentes
Como hemos dicho antes, no deja de ser un coche eléctrico, así que tenemos casi todos los componentes que encontraríamos en uno, más los añadidos por ser «de hidrógeno»:
- Un motor eléctrico, con su unidad electrónica de potencia (regulador PID), supervisor electrónico, cargador y engranaje reductor (la transmisión). Lo normal es que esté situado en el vano motor delantero.
- Una batería, normalmente de iones de litio (a la espera de la mejora de esta tecnología), que almacena energía eléctrica y que sirve como búfer o reservorio de energía, para cuando se demanda mucha potencia y la pila de combustible no sea capaz de generar esa electricidad instantáneamente, pero también para que el funcionamiento sea siempre suave y homogéneo. Suele ir bajo el suelo del habitáculo o debajo de los asientos traseros, pero siempre en un lugar que baje al máximo el centro de gravedad del vehículo.
- Uno o varios tanques de hidrógeno, normalmente cilíndricos y de fibra de carbono y otros materiales compuestos, que sean muy resistentes, sobre todo porque el hidrógeno que se almacena se comprime a muy alta presión, a hasta 700 bares de presión, o sea, unas 690 veces la presión atmosférica. El tanque ocupa mucho volumen, por ejemplo el del Honda FCX Clarity es de 171 litros de capacidad (exteriormente, debido al grueso de las paredes del tanque, todavía abulta un poco más). Suele colocarse debajo o detrás de los asientos traseros, según el coche.
- Una pila de combustible, que exteriormente parece una caja de metal del tamaño de una maleta pequeña, y que suele colocarse en el centro del coche.
Eficiencia
Un coche 100% eléctrico de batería, o coche eléctrico a secas, de tamaño medio y precio “asequible”, viene a tener un consumo de unos 14 kWh/100 km. Un coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno, de los pocos que circulan ya por las carreteras, tiene un consumo de unos 29 kWh/100 km (unos 0,9 kg de hidrógeno a los 100 km).
Considerando el consumo solo por su uso, a los 100 km, el coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno en la actualidad (2019) consume algo así como el doble de energía que el coche “solo” eléctrico. Esto es un inconveniente que no debemos ignorar.
En cuanto a las pérdidas, en el caso del coche eléctrico podemos irnos con todas las pérdidas a unos 28 kWh/100 km (considerando un 50% de pérdidas en generación, un 10% en transporte, un 10% en distribución, un 20% en recarga y un 10% en batería, una situación bastante desfavorable, para que no se diga que «le favorecemos»), pero en el coche de hidrógeno podemos estar alrededor de los 91 kWh/100 km en total (considerando pérdidas por generación, transporte y distribución de la electricidad consumida para generar el hidrógeno).
Para que podamos hacernos una idea, y comparar, podemos traer a colación que un coche de gasolina de tamaño medio, con un motor moderno y eficiente, con un consumo real medio de unos 6,5 l/100 km, viene a suponer unos 68 kWh/100 km; es decir, el coche eléctrico realmente nos permite ahorrar energía, pero el coche eléctrico y el de pila de combustible de hidrógeno no.
Por tanto, el primer reto de los coches eléctricos de pila de combustible de hidrógeno sería mejorar mucho su eficiencia global. Para ello se puede trabajar en pilas de combustible más eficientes, algo que ya se está haciendo, aunque no deja mucho margen de mejora, y también habría que intentar mejorar la eficiencia de la producción de hidrógeno, algo un poco más complicado.
Lo que sucede es que la ventaja del coche eléctrico en cuanto a eficiencia es tan grande, que el coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno, incluso mejorando, seguiría estando por debajo (recordemos que el balance energético final viene a ser el triple, o sea, un 300% más de consumo, lo cual es mucha diferencia).
Obtención del hidrógeno
El hidrógeno para repostar estos coches no sale de la nada. Hay que tener muy claro que el hidrógeno es un combustible, pero no es una fuente de energía. No podemos encontrar hidrógeno en la naturaleza listo para ser utilizado.
Para obtener hidrógeno utilizable tenemos que extraerlo de otro compuesto y para ello tenemos que aplicar energía. Por eso se suele denominar carrier, portador o vector energético. De hecho para obtener un kilo de hidrógeno se consume bastante más energía que la que luego encierra ese kilo de hidrógeno.
Vamos a dar cifras para que quede más claro: un kilogramo de hidrógeno encierra unos 33 kWh de energía, pero para obtener ese kilo de hidrógeno, según el proceso que se emplee, se han consumido entre 55 y 70 kWh de energía. O sea, redondeando, gastamos el doble de energía de la que luego nos dará.
El hidrógeno se puede extraer de diferentes compuestos, por ejemplo del agua mediante electrólisis, de biomasa, o también de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo o el gas natural. A día de hoy alrededor del 96% del hidrógeno que se consume en el mundo se ha obtenido a partir de un combustible fósil, siendo lo más habitual que sea a partir de reformado con vapor de gas natural.
Después de toda la energía consumida para obtener el hidrógeno, también hay que consumir energía para comprimirlo, desde la presión atmosférica, 1,013 bares, hasta los 350 o incluso 700 bares de presión para rellenar los tanques de los coches (es muchísima presión).
Por cierto, hablo de kilos porque es la cantidad realmente útil de hidrógeno, hablar de litros es una locura puesto que es un gas, y además de su bajísima densidad y de ser muy volátil, no hay la misma cantidad de hidrógeno en un litro dependiendo de la presión a la que se encuentre. Así que el consumo de un coche de hidrógeno se mide en kg/100 km, no en litros/100 km como hacemos con la gasolina.
Precio de un vehículo de hidrógeno
El otro reto no menos importante que tienen por delante los coches eléctricos de pila de combustible de hidrógeno es el precio.
Lo más caro sin duda es la pila de combustible. Por ahora las que se utilizan emplean platino o paladio (metales muy caros, incluso más que el oro), y vienen a costar unos 50.000 euros, y eso que ya se han abaratado mucho desde los primeros prototipos de hace quince o veinte años. Se está trabajando ya en nuevas pilas, que empleen mucho menos platino, o incluso en otras que utilicen tecnologías sin platino. Hay ciertos progresos en laboratorio prometedores, pero por ahora habrá que esperar.
El tanque de hidrógeno también es bastante caro, pues tiene que soportar muy altas presiones, y a la vez ser muy hermético para que no se fuge hidrógeno, que es el gas más volátil conocido, y aún así se fuga, muy despacio, pero se fuga. Para que nos hagamos una idea el hidrógeno gas se escapa unas 2,8 veces más rápido que el gas natural (metano).
En general se emplea fibra de carbono, o materiales compuestos (como mezclas con resina epoxi) para que sea muy resistente sin pesar demasiado, y se han hecho avances en la reducción de costes. Aún así el tanque de hidrógeno de uno coches eléctrico de pila de combustible de hidrógeno suele pesar alrededor de los 100 kg.
Aunque el hidrógeno es muy inflamable, la seguridad de los tanques es muy alta y hasta se demuestra disparándoles. Con las debidas medidas de seguridad, revisando periódicamente el buen estado del tanque, válvulas y uniones, por tanto, no presenta mayor peligro que otros gases combustibles.
En la actualidad (2019) el precio total de un vehículo de hidrógeno supera los 60.000€, como por ejemplo en el Hyundai Nexo.
Modelos en la actualidad
Voy a hablar de los 2 modelos que ahora mismo están más avanzados:
Toyota Mirai
El Toyota Mirai es el primer vehículo de producción de Toyota propulsado por un motor eléctrico alimentado mediante una pila de combustible de hidrógeno. Con un diseño que presenta ciertas similitudes con el Toyota Prius, el Mirai muestra ciertos rasgos diferenciadores con los que ofrecer una imagen más arriesgada y poco racional comparada con el resto de la gama de Toyota.
Bajo su capó, el Toyota Mirai cuenta con un motor eléctrico que arroja una potencia de 113 kW (154 CV) y un par máximo de 355 Nm. Gracias a esta mecánica, es capaz de acelerar de 0 a 100 km/h en 9,6 segundos y alcanzar una velocidad máxima de 178 km/h. Su autonomía se sitúa cerca de los 500 kilómetros y el repostaje de hidrógeno se puede realizar entre tres y cinco minutos.
El Toyota Mirai está disponible en España a partir de 66.000€.
Hyundai Nexo
Por no alargar mucho el artículo os dejo directamente con unos vídeos donde se explica todo sobre el Hyundai Nexo.
El Hyundai Nexo está disponible en España a partir de los 69.000€.
Estaciones donde repostar hidrógeno
A este tipo de estaciones se les llama hidrogeneras. Para que los coches de hidrógeno sean útiles y prácticos se necesitan estaciones de servicio con surtidores de hidrógeno. Esto implica una gran inversión en infraestructuras, al menos en ampliación o adaptación de gasolineras existentes.
En Japón por ejemplo una hidrogenera viene a costar, a día de hoy, entre cinco y seis veces más que una gasolinera. Algunas fuentes llegan a valorar que la instalación de un surtidor de hidrógeno con dos mangueras, con su tanque, medidas de seguridad, etcétera, viene a costar entre 500.000 y 700.000 euros. En España hay muy pocos surtidores, y no todos son de acceso público; si bien, para el año que viene (2020) se espera llegar a las 20 hidrogeneras en España.
En todo caso, podeis consultar las hidrogenéras disponibles en España pulsando aquí.
En otros países como Alemania o Dinamarca, o algunos estados de Estados Unidos como California, su desarrollo e implantación están más avanzados.
Precio del hidrógeno
En este caso el precio supuestamente irá bajando con el tiempo a medida que se vaya introduciendo la tecnología.
En la actualidad oscila alrededor de 9€/kg, lo que teniendo en cuenta una capacidad normal de unos 6kg de hidrógeno por deposito, nos hace un balance de unos 54 – 60 € para llenar el tanque en 5 minutos. Además el consumo medio de este tipo de coches suele ser de 1 – 1,5kg/100km, lo que nos da una autonomía media de unos 600km.
Podeis leer una prueba real de un vehículo de hidrógeno pinchando aquí.
Ventajas e inconvenientes
Sus grandes ventajas son tres: cuenta con una autonomía superior a la de cualquier coche eléctrico, el tiempo de recarga de los depósitos de hidrógeno es de sólo 5 minutos y no emite contaminación alguna, sólo agua. Sus principales inconvenientes a día de hoy son la falta de infraestructuras de recarga de hidrógeno y la durabilidad de la pila de combustible, Hyundai habla de 10 años o 160.000 kilómetros.
Información final y vídeos al respecto
En España, tenemos en Puertollano, el Centro Nacional del Hidrógeno como centro de investigación y referente. Además, en su página web podeis encontrar información adicional a la que he suministrado en este artículo, podeis acceder pinchando la imagen de abajo.
Espero que os hayan gustado estos 2 artículos sobre el hidrógeno, aunque han quedado unos artículos un poco largos, valen la pena si uno quiere entender realmente sobre el hidrógeno.
Hasta el próximo art.