Hidrógeno: ¿el combustible del futuro?

hidrógeno

Los coches de hidrógeno se han visto relegados a un segundo puesto con el protagonismo de los coches híbridos, los de gas, y los eléctricos. Sin embargo, el hidrógeno podría ser el combustible del futuro, con unas ventajas extremadamente superiores a los vehículos eléctricos en cuanto a respeto con el medioambiente. Y es que los coches eléctricos no tienen emisiones, pero sus baterías suponen un serio reto medioambiental por la producción del lítio y por su reciclaje y gestión de residuos. Sin embargo, el hidrógeno es la gallina de los huevos de oro, todo son ventajas…

¿Qué es el hidrógeno?

hidrógeno

El hidrógeno es un elemento químico de la tabla periódica que se caracteriza por ser el más simple de todos, con número atómico 1. Es un gas muy ligero, se puede almacenar, y no genera emisiones contaminantes por sí mismo. Con estas características resulta un candidato perfecto para usarlo como combustible. Además, es muy abundante en la tierra, pudiéndose producir mediante procesos químicos de forma fácil. Incluso se pueden usar energías renovables para producir este tipo de gas. Por tanto, también puede ser una forma de obtener energía renovable.

Tipos de hidrógeno

Existe una nomenclatura de colores que cataloga al hidrógeno según la forma en la que ha sido obtenido. Es importante conocer los tipos de hidrógeno existentes, como:

  • Hidrógeno gris: este tipo de hidrógeno se obtiene mediante el reformado de combustibles fósiles, como el gas natural. Es el hidrógeno más barato de producir por el momento, pero durante la producción se emite CO2 a la atmósfera, por lo que no es una manera limpia de obtenerlo. Es el más barato y el que más se produce en la actualidad.
  • Hidrógeno azul: es otro tipo de hidrógeno obtenido a partir de combustibles fósiles, pero en esta ocasión con técnicas que son capaces de capturar y almacenar las emisiones de CO2 que se producen durante el proceso para que no sean liberadas a la atmósfera, por lo que tiene menos impacto medioambiental que el gris. Por supuesto, las emisiones durante su producción no se eliminan por completo, pero sí que se reducen. El precio de producción de este tipo de hidrógeno es intermedio.
  • Hidrógeno verde: es el mejor de los tres, y se va a hablar mucho de él. Este hidrógeno renovable se consigue mediante la electrólisis del agua, por lo que no se genera contaminación durante el proceso. Además, para alimentar los sistemas de electrólisis se hace con energías renovables como la eólica o la solar, por lo que es un combustible sostenible y totalmente limpio. Sin embargo, actualmente se produce en menor cantidad que los dos anteriores y resulta el más caro.

El reto es sustituir a todos los demás hidrógenos por el hidrógeno verde, y de esta forma conseguir el combustible ideal.

¿Cómo se obtiene el hidrógeno?

hidrógeno verde

El hidrógeno, como hemos visto en el apartado anterior, se puede producir de varias formas. Pero, independientemente de la energía implicada en su proceso de producción, veamos ahora las formas en las que se puede conseguir este gas tan abundante:

  • Transformación molecular: esta técnica se consigue a partir de una serie de reacciones químicas para obtener el hidrógeno. Entre las técnicas más utilizadas está el uso de gas natural obtenido de los yacimientos petrolíferos. Se emplea vapor de agua a alta temperatura que consigue disociar el carbono del hidrógeno del que se compone el gas natural. Así se obtiene el dihidrógeno por un lado y el dióxido de carbono por otro.
  • Gasificación: es un método que se consigue una gasificación con vapor de agua y oxígeno puro a partir de carbón o de biomasa. En un reactor se quema el carbón o la biomasa a temperaturas muy elevadas. Esta combustión libera gases entre los que se encuentra el monóxido de carbono (CO) altamente tóxico y el dihidrógeno por otro lado.
  • Electrólisis del agua: es el método mejor de los tres en cuanto a sostenibilidad y también en cuanto a abundancia, ya que la mayoría de la tierra está compuesta de agua. Por tanto, se podría obtener a partir del agua de mares y océanos. Para ello, se usa un depósito de agua donde se meten unos electrodos. Al aplicar una corriente eléctrica continua se separan las moléculas de agua (H2O) en oxígeno (O2) y en hidrógeno (H2). Cuando la fuente de alimentación para esta electricidad es una energía renovable, como la solar o la eólica, se dice que este hidrógeno es verde.

¿Cómo funciona un motor de hidrógeno (pila de combustible)?

Motor de hidrógeno

Cuando necesitamos convertir el hidrógeno en energía, el gas hidrógeno se puede almacenar en tanques específicos desde donde se canaliza hacia una pila de combustible. Allí se recombina de nuevo con el oxígeno del aire (como sucede en un motor de combustión interna cuando entra aire en el cilindro para producir la combustión), lo que produce una reacción energética y se obtiene así la energía. De este modo, no se emitirán gases contaminantes de ningún tipo a la atmósfera, ya que el único residuo que genera este tipo de motor es agua. Al volver a combinar el oxígeno del aire con el hidrógeno se crean moléculas de H2O durante el proceso. Un agua que podría usarse para otros fines, incluso para volver a generar hidrógeno mediante electrólisis.

Gracias a esta reacción entre el hidrógeno y el oxígeno en su pila de combustible, se genera electricidad para mover el motor eléctrico e impulsar el vehículo. Es decir, los coches de hidrógeno son en esencia eléctricos, aunque su energía no la consiguen de una batería de litio o de otro tipo que resulta contaminante, ni tampoco de un motor híbrido que también tiene emisiones. No obstante, algunos vehículos de este tipo sí que pueden tener una batería para almacenar la energía que no se consume para usarla en otro momento. Por ejemplo, cuando la demanda de potencia es elevada, se consume toda la energía que llega de la pila de combustible, mientras que si es baja, se puede desviar parte para los motores eléctricos y parte para almacenar en la batería.

Muchos de estos vehículos también disponen de un sistema de freno regenerativo, es decir, para acumular energía eléctrica a partir de las frenadas, para ayudar así a reducir el consumo del hidrógeno y conseguir mejores autonomías. Y, como comenté anteriormente, el único residuo que se genera es agua, que expulsará a través de su tubo de escape.

En cuanto a los componentes de un vehículo de pila de combustible de hidrógeno, tenemos:

  • Unidad de control de la energía: es un sistema que controla de forma óptima la entrega de potencia en la pila de combustible, además de la carga de las baterías y el uso de esta energía eléctrica.
  • Motor eléctrico: puede haber uno o varios. Suele ser un motor síncrono de imán permanente que convertirá la electricidad de la pila de combustible o de la batería en energía para propulsar el vehículo.
  • Convertidor de voltaje de la pila de combustible: es el sistema capaz de adaptar la electricidad generada por la pila de combustible de hidrógeno para obtener el voltaje adecuado para los motores.
  • Grupo de pila de combustible: es el verdadero corazón del sistema, el componente en el que la energía química procedente de la aportación de hidrógeno de los depósitos y oxígeno del aire se transforma en energía eléctrica.
  • Batería: la batería es la encargada de almacenar la energía generada por la pila de combustible y la recuperada de la deceleración, así como de reforzar la potencia de la pila de combustible durante la aceleración en casos de alta demanda.
  • Depósitos a alta presión: el hidrógeno debe ser almacenado de forma segura en depósitos de alta presión. Además, habrá válvulas de sobrepresión, aviso en caso de fuga del hidrógeno y una estructura de tres capas: una de polímero reforzado con fibra de vidrio, una intermedia de polímero y la tercera de plástico reforzado con fibra de carbono. Todo para aguantar altísimas presiones.

Funcionamiento de la pila de combustible

pila de combustible

Hemos dicho que la pila de combustible, o Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV), es la encargada de generar la energía eléctrica a partir de la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno procedente del aire de la atmósfera. Pues bien, para conseguir producir esa electricidad, se usan reacciones electroquímicas. Las celdas de combustible usarán un ánodo y un cátodo a cada lado del electrolito. Por ejemplo, el ánodo se alimenta con hidrógen y se utiliza un catalizador para generar iones cargados positivamente que fluyen a través del electrolito hasta el cátodo. Mientras tanto, en el cátodo, el aire se introduce en el sistema y se combina con un catalizador, iones de hidrógeno y electrones para producir calor y agua como subproductos. Esto induce una corriente, generando electricidad.

Experiencia a la hora de conducir un vehículo de hidrógeno

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En la práctica, a la hora de conducir un vehículo de hidrógeno la experiencia es casi idéntica a la de un vehículo eléctrico de batería. Sin embargo, existen algunas ligeras diferencias, muchas de ellas se irán puliendo con el tiempo, cuando la tecnología avance, como también lo hicieron en los eléctricos, que han cambiado mucho desde los primeros modelos presentados hasta los actuales, pese a que son relativamente jóvenes.

El reto para los ingenieros de automoción es que las pilas de combustible de hidrógeno funcionan mejor con una potencia constante. Si embargo, las demandas de potencia de un vehículo convencional a la hora de llevarlo por diferentes vías, como las urbanas o la carretera, necesita cambios en la entrega de potencia. Algo en lo que los ingenieros trabajan para ofrecer los mejores resultados posibles.

Por ejemplo, el Toyota Mirai, tiene una potencia nominal de 90 kW (120 caballos). Pero eso no basta para acelerar en una autopista a gran velocidad, así que Toyota (como otros fabricantes de HFCV) añade una batería de alto voltaje y baja capacidad, muy similar a las utilizadas en los vehículos híbridos gasolina-eléctricos para poder ayudar a conseguir esa aceleración y potencia extra cuando se demanda. Además, esto no significa que no se puedan hacer coches muy potentes con pila de combustible, de hecho, el superdeportivo Hyperion XP-1 es un coche de hidrógeno que puede acelerar de 0-100 km/h en unos 2.6 segundos, y llegar a velocidades punta de 356 Km/h.

Ventajas y desventajas del hidrógeno como combustible

pros y contras

Para finalizar, es importante destacar las ventajas y desventajas que tiene usar el hidrógeno como combustible para los vehículos:

Ventajas

Entre las ventajas del uso del hidrógeno como combustible tenemos:

  • Cero emisiones: los vehículos de hidrógeno solo liberan agua como subproducto. Por tanto, se contribuye al medioambiente.
  • Repostaje rápido: se tardará tan solo unos minutos en repostar, ya que tan solo habrá que llenar nuevamente los depósitos de hidrógeno como lo harías con el diésel o la gasolina. Nada que ver con los eléctricos, que necesitan estar enchufados durante mucho tiempo para cargar su batería al completo. Además, el promedio de gasto de un coche eléctrico es de unos 8.5€ por cada 100 km, similar a lo que se gasta en combustibles como el diésel o la gasolina. En cambio, el hidrógeno podría ser más barato.
  • Cumple los objetivos de la UE: los objetivos marcados por la UE para reducir las emisiones son cumplidos con creces por los vehículos de hidrógeno. En la propuesta de la UE para 2030 se pretende reducir las emisiones de gases contaminantes en un 35%, y el coche de hidrógeno emite 0.
  • Mantenimiento mínimo: estos motores eléctricos necesitan un mantenimiento mínimo, sencillo y barato, además de ser bastante fiables. Por tanto, no tendrás que invertir tanto como en un vehículo de motor de combustión en este sentido.
  • Silenciosos: son igual de silenciosos que los eléctricos, por lo que tampoco contribuirán con la contaminación acústica que hay en muchas ciudades.
  • Mayor autonomía: los coches de hidrógeno tienen una mayor autonomía, algo muy importante. Mientras que los vehículos eléctricos ofrecen autonomías de 300 km de media, los de hidrógeno pueden alcanzar más del doble que eso. Incluso podrían conseguir autonomías de más de 2000 km en un futuro próximo.
  • Cero Emisiones: con la pegatina Cero Emisiones de la DGT podrás aparcar sin pagar ni un céntimo en las ciudades, por lo que podrás contar con las mismas ventajas que con los coches eléctricos a la hora de circular por cascos urbanos.
  • Soportan temperaturas extremas: a diferencia de los coches 100% eléctricos, los de hidrógeno pueden operar en temperaturas más extremas. Apenas se notará en las prestaciones del vehículo o en su autonomía, algo que sí ocurre con los eléctricos.

Desventajas

Por supuesto, los vehículos de hidrógeno también tienen sus desventajas, como todo. Las más destacadas son:

  • Precio: al no ser una tecnología tan madura, los vehículos de hidrógeno tienen un precio más elevado que los coches convencionales o que los coches eléctricos. Por tanto, es un detalle a considerar. Sin embargo, a la larga puedes ahorrar en combustible y en el taller, dado lo fiables que son. Además, hay que decir que estos coches tenderán a ir bajando de precio conforme pase el tiempo, ya que madurará más la tecnología para crear las pilas de combustible y también para los tanques de hidrógeno, que deben ser muy seguros para soportar altas presiones y evitar fugas en accidentes, que podrían generar explosiones.
  • Pocos puntos para repostar: como es una tecnología de propulsión minoritaria en la actualidad, al igual que ocurre con el coche eléctrico, no existen muchos puntos donde repostar. Esto debería ir cambiando progresivamente. En España, por ejemplo, los sitios se cuentan con los dedos de las manos, ya que solo existen unos 6 puntos en Sevilla, Albacete, Puertollano, Zaragoza, Huesca y Barbastro. Otros países, como Alemania, ya cuentan con más vehículos de este tipo, y tienen el objetivo de alcanzar hasta los 500 puntos de repostaje.
  • Poca variedad de modelos: al no ser una tecnología tan extendida, actualmente existen pocas marcas y modelos entre los que elegir, aunque esto también irá cambiando conforme pase el tiempo y los fabricantes los produzcan a mayor escala. Además, la falta de puntos de repostaje o red de hidrogeneras tampoco está ayudando a que se incentive la venta de este tipo de vehículos. No obstante, ya cuentas con grandes coches de hidrógeno como el Toyota Mirai, Hyundai Nexo, Honda Fuel Cell Clarity, Hyperion XP-1, BMW i Hydrogen NEXT, etc.
  • No compactos: dada la complejidad de los depósitos de hidrógeno y de la pila de combustible, estos coches suelen tener unas dimensiones más grandes, por lo que si buscas utilitarios de reducidas dimensiones, puedes irte olvidando. Al menos por el momento, hasta que no se logren mayor grado de compactación. Incluso, en algunos casos el maletero no suele ser demasiado espacioso, ya que otros componentes mecánicos consumen parte de su espacio. En este sentido son similares a los eléctricos.
  • Peligroso: el hidrógeno es muy volátil e inflamable. Por eso, los tanques de hidrógeno deben ser muy resistentes y seguros, soportando impactos, evitando fugas con sistemas de seguridad adicionales, y soportando altas presiones. Todo para mantener a los conductores y al resto de pasajeros a salvo. Esto lleva a otro problema derivado, y es que la pila de combustible y los depósitos suelen tener una vida útil más limitada, dada la normativa de seguridad. Actualmente, se estima que el límite de un tanque de hidrógeno es de 15 años, momento en el que tendría que ser sustituido por uno nuevo. En cuanto a la pila de combustible, algunos fabricantes estiman que podría reducir su potencia en un 15% después de haber hecho unos 225.000 km de uso, aunque poco a poco van mejorando en este sentido.

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