Hidrogen: el combustible del futur?

Els cotxes d'hidrogen s'han vist relegats a un segon lloc amb el protagonisme dels cotxes híbrids, els de gas i els elèctrics. Tot i això, l'hidrogen podria ser el combustible del futur, amb uns avantatges extremadament superiors als vehicles elèctrics quant a respecte amb el medi ambient. I és que els cotxes elèctrics no tenen emissions, però les seves bateries suposen un repte mediambiental seriós per la producció del litio i pel seu reciclatge i gestió de residus. Tot i això, l'hidrogen és la gallina dels ous d'or, tot són avantatges…

Què és l'hidrogen?

El hidrogen és un element químic de la taula periòdica que es caracteritza per ser el més simple de tots, amb número atòmic 1. És un gas molt lleuger, es pot emmagatzemar i no genera emissions contaminants per si mateix. Amb aquestes característiques resulta un candidat perfecte per fer-lo servir com a combustible. A més, és molt abundant a la terra, podent produir-se mitjançant processos químics de forma fàcil. Fins i tot es poden fer servir energies renovables per produir aquest tipus de gas. Per tant, pot ser també una manera d'obtenir energia renovable.

Tipus d'hidrogen

Hi ha una nomenclatura de colors que cataloga l'hidrogen segons la forma en què ha estat obtingut. És important conèixer els tipus d'hidrogen existents, Com:

• Hidrogen gris: aquest tipus d'hidrogen s'obté mitjançant el reformat de combustibles fòssils, com ara el gas natural. És l'hidrogen més barat de produir de moment, però durant la producció s'emet CO2 a l'atmosfera, per tant, no és una manera neta d'obtenir-lo. És el més barat i el que més es produeix actualment.
• Hidrogen blau: és un altre tipus d'hidrogen obtingut a partir de combustibles fòssils, però en aquesta ocasió amb tècniques que són capaces de capturar i emmagatzemar les emissions de CO2 que es produeixen durant el procés perquè no siguin alliberades a l'atmosfera, per la qual cosa en té menys impacte mediambiental que el gris. Per descomptat, les emissions durant la seva producció no s'eliminen del tot, però sí que es redueixen. El preu de producció daquest tipus dhidrogen és intermedi.
• hidrogen verd: és el millor dels tres, i se'n parlarà molt. Aquest hidrogen renovable s'aconsegueix mitjançant l'electròlisi de l'aigua, per tant no es genera contaminació durant el procés. A més, per alimentar els sistemes d'electròlisi es fa amb energies renovables com l'eòlica o la solar, per això és un combustible sostenible i totalment net. Tot i això, actualment es produeix en menor quantitat que els dos anteriors i resulta el més car.

El repte és substituir tots els altres hidrogens per l'hidrogen verd, i així aconseguir el combustible ideal.

Com s'obté l'hidrogen?

L'hidrogen, com hem vist a l'apartat anterior, es pot produir de diverses maneres. Però, independentment de l'energia implicada en el procés de producció, vegem ara les formes en què es pot aconseguir aquest gas tan abundant:

• Transformació molecular: aquesta tècnica s'aconsegueix a partir d'una sèrie de reaccions químiques per obtenir l'hidrogen. Entre les tècniques més utilitzades hi ha l'ús de gas natural obtingut dels jaciments petrolífers. S'empra vapor d'aigua a alta temperatura que aconsegueix dissociar el carboni de l'hidrogen de què es compon el gas natural. Així s'obté el dihidrogen per una banda i el diòxid de carboni de l'altra.
• Gasificació: és un mètode que aconsegueix una gasificació amb vapor d'aigua i oxigen pur a partir de carbó o de biomassa. En un reactor es crema el carbó o la biomassa a temperatures molt elevades. Aquesta combustió allibera gasos entre els quals hi ha el monòxid de carboni (CO) altament tòxic i el dihidrogen per altra banda.
• Electròlisi de l'aigua: és el mètode millor dels tres quant a sostenibilitat i també quant a abundància, ja que la majoria de la terra està composta d'aigua. Per tant, es podria obtenir a partir de laigua de mars i oceans. Per fer-ho, es fa servir un dipòsit d'aigua on es fiquen uns elèctrodes. En aplicar un corrent elèctric continu se separen les molècules d'aigua (H2O) en oxigen (O2) i en hidrogen (H2). Quan la font d'alimentació per a aquesta electricitat és una energia renovable, com ara la solar o l'eòlica, es diu que aquest hidrogen és verd.

Com funciona un motor dhidrogen (pila de combustible)?

quan necessitem convertir l'hidrogen en energia, el gas hidrogen es pot emmagatzemar en tancs específics des d'on es canalitza cap a una pila de combustible. Allí es recombina de nou amb l'oxigen de l'aire (com passa en un motor de combustió interna quan entra aire al cilindre per produir la combustió), cosa que produeix una reacció energètica i s'obté així l'energia. D'aquesta manera, no s'emetran gasos contaminants de cap mena a l'atmosfera, ja que l'únic residu que genera aquest tipus de motor és aigua. Quan es torna a combinar l'oxigen de l'aire amb l'hidrogen es creen molècules de H2O durant el procés. Una aigua que podria utilitzar-se per a altres fins, fins i tot per tornar a generar hidrogen mitjançant electròlisi.

Gràcies a aquesta reacció entre l'hidrogen i l'oxigen a la seva pila de combustible, es genera electricitat per moure el motor elèctric i impulsar el vehicle. És a dir, els cotxes d'hidrogen són en essència elèctrics, encara que la seva energia no l'aconsegueixen d'una bateria de liti o d'un altre tipus contaminant, ni tampoc d'un motor híbrid que també té emissions. Tot i això, alguns vehicles d'aquest tipus sí que poden tenir una bateria per emmagatzemar l'energia que no es consumeix per fer-la servir en un altre moment. Per exemple, quan la demanda de potència és elevada, es consumeix tota l'energia que arriba de la pila de combustible, mentre que si és baixa, es pot desviar part per als motors elèctrics i part per emmagatzemar a la bateria.

Molts d'aquests vehicles també tenen un sistema de fre regeneratiu, és a dir, per acumular energia elèctrica a partir de les frenades, per ajudar així a reduir el consum de l'hidrogen i aconseguir millors autonomies. I, com vaig comentar anteriorment, l'únic residu que es genera és aigua, que expulsarà a través del tub d'escapament.

Pel que fa als components d'un vehicle de pila de combustible d'hidrogen, Tenim:

• Unitat de control de lenergia: és un sistema que controla de forma òptima el lliurament de potència a la pila de combustible, a més de la càrrega de les bateries i l'ús d'aquesta energia elèctrica.
• motor elèctric: hi pot haver un o diversos. Sol ser un motor síncron d'imant permanent que convertirà l'electricitat de la pila de combustible o de la bateria en energia per propulsar el vehicle.
• Convertidor de voltatge de la pila de combustible: és el sistema capaç d'adaptar l'electricitat generada per la pila de combustible d'hidrogen per obtenir el voltatge adequat per als motors.
• Grup de pila de combustible: és el veritable cor del sistema, el component on l'energia química procedent de l'aportació d'hidrogen dels dipòsits i oxigen de l'aire es transforma en energia elèctrica.
• Bateria: la bateria és l'encarregada d'emmagatzemar l'energia generada per la pila de combustible i la recuperada de la desacceleració, així com reforçar la potència de la pila de combustible durant l'acceleració en casos d'alta demanda.
• Dipòsits a alta pressió: l'hidrogen ha de ser emmagatzemat de manera segura en dipòsits d'alta pressió. A més, hi haurà vàlvules de sobrepressió, avís en cas de fugida de l'hidrogen i una estructura de tres capes: una de polímer reforçat amb fibra de vidre, una intermèdia de polímer i la tercera de plàstic reforçat amb fibra de carboni. Tot per aguantar altíssimes pressions.

Funcionament de la pila de combustible

Hem dit que la pila de combustible, o Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV), és l'encarregada de generar l'energia elèctrica a partir de la reacció entre l'hidrogen i l'oxigen procedent de l'aire de l'atmosfera. Doncs bé, per aconseguir produir aquesta electricitat, es fan servir reaccions electroquímiques. Les cel·les de combustible faran servir un ànode i un càtode a cada costat de l'electròlit. Per exemple, l'ànode s'alimenta amb hidrògen i es fa servir un catalitzador per generar ions carregats positivament que flueixen a través de l'electròlit fins al càtode. Mentrestant, al càtode, l'aire s'introdueix al sistema i es combina amb un catalitzador, ions d'hidrogen i electrons per produir calor i aigua com a subproductes. Això indueix un corrent, generant electricitat.

Experiència al´hora de conduir un vehicle d´hidrogen

A la pràctica, a l'hora de conduir un vehicle d'hidrogen la experiència és gairebé idèntica a la dun vehicle elèctric de bateria. No obstant això, hi ha algunes lleugeres diferències, moltes s'aniran polint amb el temps, quan la tecnologia avanci, com també ho van fer als elèctrics, que han canviat molt des dels primers models presentats fins als actuals, malgrat que són relativament joves .

El repte per als enginyers dautomoció és que les piles de combustible dhidrogen funcionen millor amb una potència constant. Tot i això, les demandes de potència d'un vehicle convencional a l'hora de portar-lo per diferents vies, com les urbanes o la carretera, necessita canvis en el lliurament de potència. Una cosa en què els enginyers treballen per oferir els millors resultats possibles.

Per exemple, el Toyota Mirai, té una potència nominal de 90 kW (120 cavalls). Però amb això no n'hi ha prou per accelerar en una autopista a gran velocitat, així que Toyota (com altres fabricants de HFCV) afegeix una bateria d'alt voltatge i baixa capacitat, molt similar a les utilitzades en els vehicles híbrids gasolina-elèctrics per poder ajudar a aconseguir aquesta acceleració i potència extra quan es demana. A més, això no vol dir que no es puguin fer cotxes molt potents amb pila de combustible, de fet, el superesportiu Hyperion XP-1 és un cotxe d'hidrogen que pot accelerar de 0-100 km/h en uns 2.6 segons, i arribar a velocitats punta de 356 km/h.

Avantatges i desavantatges de l'hidrogen com a combustible

Per acabar, és important destacar les avantatges i desavantatges que té usar l'hidrogen com a combustible per als vehicles:

Avantatges

Entre les avantatges de l'ús de l'hidrogen com a combustible tenim:

• Zero emissions: els vehicles d'hidrogen només alliberen aigua com a subproducte. Per tant, es contribueix al medi ambient.
• Repostatge ràpid: es trigarà tan sols uns minuts a proveir, ja que tan sols caldrà omplir novament els dipòsits d'hidrogen com ho faries amb el dièsel o la benzina. Res a veure amb els elèctrics, que necessiten estar endollats durant molt de temps per carregar la bateria al complet. A més, la mitjana de despesa d'un cotxe elèctric és d'uns 8.5€ per cada 100 km, semblant al que es gasta en combustibles com el dièsel o la benzina. Per contra, l'hidrogen podria ser més barat.
• Compleix els objectius de la UE: els objectius marcats per la UE per reduir les emissions són complerts amb escreix pels vehicles d'hidrogen. A la proposta de la UE per al 2030 es pretén reduir les emissions de gasos contaminants en un 35%, i el cotxe d'hidrogen emet 0.
• Manteniment mínim: aquests motors elèctrics necessiten un manteniment mínim, senzill i barat, a més de ser força fiables. Per tant, no hauràs d'invertir tant com un vehicle de motor de combustió en aquest sentit.
• silenciosos: són igual de silenciosos que els elèctrics, per la qual cosa tampoc contribuiran amb la contaminació acústica que hi ha a moltes ciutats.
• més autonomia: els cotxes d'hidrogen tenen més autonomia, una cosa molt important. Mentre que els vehicles elèctrics ofereixen autonomies de 300 km de mitjana, els d'hidrogen poden assolir més del doble que això. Fins i tot podrien aconseguir autonomies de més de 2000 km en un futur proper.
• Zero Emissions: amb el adhesiu Zero Emissions de la DGT podràs aparcar sense pagar ni un cèntim a les ciutats, per la qual cosa podràs comptar amb els mateixos avantatges que amb els cotxes elèctrics a l'hora de circular per nuclis urbans.
• Suporten temperatures extremes: a diferència dels cotxes 100% elèctrics, els dhidrogen poden operar en temperatures més extremes. Tot just es notarà en les prestacions del vehicle o en la seva autonomia, cosa que sí que passa amb els elèctrics.

Desavantatges

Per descomptat, els vehicles dhidrogen també tenen els seus desavantatges, com tot. Les més destacades són:

• Preu: com que no és una tecnologia tan madura, els vehicles d'hidrogen tenen un preu més elevat que els cotxes convencionals o que els cotxes elèctrics. Per tant, és un detall que cal considerar. No obstant això, a la llarga pots estalviar en combustible i al taller, atès que són fiables. A més, cal dir que aquests cotxes tendiran a anar baixant de preu a mesura que passi el temps, ja que madurarà més la tecnologia per crear les piles de combustible i també per als tancs d'hidrogen, que han de ser molt segurs per suportar altes pressions i evitar fugides en accidents, que podrien generar explosions.
• Pocs punts per proveir: com és una tecnologia de propulsió minoritària en l'actualitat, igual que passa amb el cotxe elèctric, no hi ha gaires punts on proveir. Això hauria d'anar canviant progressivament. A Espanya, per exemple, els llocs es compten amb els dits de les mans, ja que només hi ha uns 6 punts a Sevilla, Albacete, Puertollano, Saragossa, Osca i Barbastre. Altres països, com Alemanya, ja compten amb més vehicles d'aquest tipus, i tenen l'objectiu d'assolir els 500 punts de proveïment.
• Poca varietat de models: en no ser una tecnologia tan estesa, actualment hi ha poques marques i models entre els quals escollir, encara que això també anirà canviant a mesura que passi el temps i els fabricants els produeixin a major escala. A més, la manca de punts de proveïment o xarxa d'hidrogeneres tampoc està ajudant que s'incentivi la venda d'aquest tipus de vehicles. Tot i això, ja comptes amb grans cotxes d'hidrogen com el Toyota Mirai, Hyundai Nexo, Honda Fuel Cell Clarity, Hyperion XP-1, BMW i Hydrogen NEXT, etc.
• No compactes: donada la complexitat dels dipòsits d'hidrogen i de la pila de combustible, aquests cotxes solen tenir unes dimensions més grans, per la qual cosa si busques utilitaris de reduïdes dimensions, et pots anar oblidant. Almenys de moment, fins que no s'aconsegueixin més grau de compactació. Fins i tot, en alguns casos, el maleter no sol ser gaire espaiós, ja que altres components mecànics consumeixen part del seu espai. En aquest sentit són semblants als elèctrics.
• perillós: l'hidrogen és molt volàtil i inflamable. Per això, els tancs d'hidrogen han de ser molt resistents i segurs, suportant impactes, evitant fuites amb sistemes de seguretat addicionals i suportant altes pressions. Tot per mantenir els conductors i la resta de passatgers fora de perill. Això porta a un altre problema derivat, i és que la pila de combustible i els dipòsits solen tenir una vida útil més limitada, atesa la normativa de seguretat. Actualment, s'estima que el límit d'un tanc d'hidrogen és de 15 anys, moment en què hauria de ser substituït per un de nou. Pel que fa a la pila de combustible, alguns fabricants estimen que podria reduir-ne la potència un 15% després d'haver fet uns 225.000 km d'ús, encara que a poc a poc van millorant en aquest sentit.