El hidrógeno está adquiriendo cada vez más importancia como una prometedora fuente de energía limpia, especialmente con vistas a un futuro más respetuoso con el medio ambiente. Pero, ¿cómo funcionan realmente los coches de hidrógeno? En esencia, un coche de hidrógeno, también conocido como FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle), utiliza electricidad para alimentar un motor eléctrico, al igual que los vehículos eléctricos.
¿Qué es el Hidrógeno y Cómo se Produce?
En pocas palabras, el hidrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido, y tiene fama de ser el elemento químico más simple y abundante del universo. El hidrógeno está formado por partículas diminutas, protones y electrones. Es sumamente sensible y puede combinarse con otros elementos para formar compuestos como el agua. Actúa como un potente combustible y se puede utilizar para generar electricidad y calor, y hacer funcionar los vehículos.
Tecnologías para la Producción de Hidrógeno
Existen varias tecnologías para la producción de hidrógeno, que pueden utilizarse en función de los requisitos específicos y los recursos disponibles:
- Reformado con vapor del gas natural: Se trata de la tecnología más utilizada actualmente para la producción de hidrógeno. En este proceso el gas natural, compuesto principalmente de metano, se calienta con vapor de agua en presencia de un catalizador. En este proceso, el metano del gas natural reacciona con el vapor de agua y produce hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO). El hidrógeno obtenido se purifica y se puede utilizar como combustible en vehículos, para generar electricidad en celdas de combustible o en diversas aplicaciones industriales. Este proceso es económico, pero también tiene desventajas.
- Producción de hidrógeno con energía solar: En este método se utiliza la energía solar en lugar de la energía eléctrica para llevar a cabo el proceso de electrólisis. Para ello, se puede utilizar la luz solar directa o concentrar la radiación solar con la ayuda de espejos o colectores solares.
- Producción termoquímica de hidrógeno (producción biológica de hidrógeno): Algunos microorganismos, como determinadas bacterias o algas, pueden producir hidrógeno a través de la fermentación o la fotosíntesis. Este método sigue en fase de desarrollo, pero puede convertirse en una fuente de hidrógeno sostenible y respetuosa con el medioambiente.
Es importante señalar que no todos los procesos de producción de hidrógeno son igual de sostenibles o respetuosos con el medio ambiente. La sostenibilidad de la producción de hidrógeno depende de la fuente de energía utilizada y de las emisiones de CO2 durante el proceso de producción. Para aprovechar al máximo las ventajas del hidrógeno como fuente de energía limpia, es muy importante utilizar fuentes de energía renovables para la producción de hidrógeno.
El uso de energías renovables, como la solar, la eólica o la hidroeléctrica, puede reducir significativamente las emisiones de CO2 en la producción de hidrógeno, haciendo que este proceso sea más sostenible y ecológico. De este modo, la producción de hidrógeno es respetuosa con el medioambiente. El hidrógeno también suele denominarse el "champán de la transición energética". La electrólisis es el proceso más prometedor. El proceso de electrólisis permite producir hidrógeno de forma respetuosa con el medio ambiente, sobre todo si la electricidad utilizada para ello procede de fuentes de energía renovables.
¿Cómo Funciona un Coche de Hidrógeno?
Al igual que ocurre en los vehículos eléctricos, los vehículos de celda de combustible usan electricidad para alimentar un motor eléctrico. En un FCEV el hidrógeno almacenado en los estanques presurizados proporciona energía para el movimiento a cargo del motor eléctrico. Es importante señalar que el hidrógeno no se combustiona en un FCEV sino que experimenta un proceso electroquímico de conversión energética, donde el H2 se oxida en la celda de combustible o fuel cell liberando electricidad, calor y vapor de agua.
La celda de combustible de hidrógeno es el dispositivo característico de la tecnología FCEV y que forma parte del sistema propulsor de este tipo de vehículo junto al motor eléctrico, el banco de baterías auxiliar y el/los estanques de almacenamiento presurizado de H2. El tipo más habitual de celda de combustible para aplicaciones de transporte es la membrana intercambiadora de protones, emparedada entre un electrodo positivo (cátodo) y uno negativo (ánodo). Su funcionamiento químico se explica en dos brochazos. Para empezar, el hidrógeno se introduce en el ánodo y el oxígeno del aire se introduce en el cátodo. Los protones atraviesan la membrana hasta el cátodo, y los electrones son conducidos hasta un circuito externo para producir trabajo (alimentando el motor eléctrico del coche).
Para aplicaciones en transporte, las celdas de combustible de hidrógeno se conectan juntando varias unidades formando módulos de celdas de combustible, de manera de poder entregar el flujo energético requerido por el motor eléctrico (análogo a los bancos de baterías en un BEV). En el caso de aumentos bruscos de potencia, el motor eléctrico complementa el flujo de energía recibido de la celda de combustible de hidrógeno con electricidad proveniente del banco de batería auxiliar. Este último componente también recibe y almacena la electricidad proveniente del freno regenerativo.
Componentes Clave de un FCEV
Los módulos de celdas de combustibles requieren de un subsistema para la admisión de aire y humidificación. Su principal función es suministrar el aire proveniente desde el ambiente para extraer el oxígeno que requiere la celda de combustible. El sistema de enfriamiento es otro sistema relevante en los FCEV ya que, como se ha dicho previamente, la transformación electroquímica dentro de la celda de combustible de hidrógeno libera calor. Por tanto, la función de este módulo es mantener en óptimas condiciones la temperatura de los procesos y otros componentes del vehículo tales como baterías, almacenamiento, líneas de H2, motor, entre otros.
En un FCEV también se encuentran sofisticados sistemas de control que tienen la importante función de monitorear, registrar y supervisar el estado de los procesos electroquímicos y de todos los componentes del vehículo. Este sistema se encarga de controlar todos los dispositivos de seguridad que se utilizan para prevenir y suprimir posibles accidentes, además de vigilar niveles adecuados de temperatura, presión y proporción de combustible que ingresa al módulo de celdas.
La configuración de todos los sistemas anteriormente descritos en el chasis de un FCEV exigen mayor espacio para la disposición de los estanques de almacenamiento de hidrógeno. El resto de los componentes son relativamente de menor dimensión, haciéndolos flexibles en su disposición dependiendo del tipo de chasis: camión, bus o un vehículo liviano. Para el caso de camiones y buses existe la ventaja de disponer de espacio para almacenar múltiples estanques, incluso de diferentes dimensiones.
Ventajas y Desventajas de los Coches de Hidrógeno
El funcionamiento de los vehículos de pila de hidrógeno ofrece una serie de ventajas:
- Eficiencia energética: La célula de combustible convierte directamente la energía química en electricidad, lo que minimiza la pérdida de energía y aumenta la eficiencia.
- Emisiones cero: A diferencia de los motores de combustión, los autos de hidrógeno no emiten gases contaminantes. Su única emisión es vapor de agua, por lo que reduce los niveles de contaminación ambiental.
- Silencioso y suave: Al igual que los vehículos eléctricos, los autos de hidrógeno son silenciosos y proporcionan una conducción suave, permitiendo una reducción de la contaminación acústica.
- Recarga rápida: Una carga completa del tanque de hidrógeno tarda entre 3 y 5 minutos, similar a los vehículos de motor de combustión interna. Esta es una de las ventajas más importantes en comparación con los autos eléctricos, pues estos tardan horas en recargar la batería completamente, y más de 10 o incluso 30 minutos para una carga rápida.
- Autonomía: La alta eficiencia de las celdas de combustible ha permitido tener una autonomía mucho mayor, lo que permite recorrer trayectos más largos sin riesgo de quedar tirado en medio de la carretera. Así, los modelos de autos de hidrógeno que circulan en Chile ofrecen más de 600 kilómetros de autonomía.
Sin embargo, existen algunas desventajas que es importante considerar:
- Alto precio de adquisición: Al ser una tecnología tan nueva, todavía no existe una oferta masiva en el mercado y los precios son más altos que en vehículos eléctricos. Además, toda la infraestructura necesaria para el funcionamiento de estos vehículos es cara, por lo que se hace difícil su masificación.
- Poca variedad: Como la oferta es escasa, todavía hay poca diversidad de modelos de autos de hidrógeno en el mercado nacional e internacional.
- Escasa infraestructura de recarga: En algunos países, existen escasos puntos de carga de hidrógeno verde para el uso de estos vehículos. Por eso, la movilidad impulsada por motores de pila de combustible todavía está limitada a áreas donde existen estas estaciones.
Infraestructura y Costos
La infraestructura para distribuir el hidrógeno todavía está en las primeras etapas de implementación. Actualmente existen pocas estaciones de repostaje de hidrógeno. El precio actual del hidrógeno es variable y el consumo típico de estos vehículos también. Es importante considerar la seguridad, aunque el hidrógeno es un gas que se dispersa fácilmente y tiene una temperatura de autoignición elevada.
Modelos de Autos de Hidrógeno Disponibles
Por el momento solo existen algunos modelos de coches de hidrógeno producidos en serie a la venta en el mundo. Algunos modelos pioneros son:
- Toyota Mirai: Ofrece una autonomía de hasta 650 km con una sola carga y es uno de los autos más eficientes en su categoría.
- Hyundai Nexo: Se lanzó en 2018 y es el primero de la marca coreana en utilizar un motor de hidrógeno.
El Futuro de los Coches de Hidrógeno
Definitivamente, los vehículos de hidrógeno representan una gran oportunidad en la transición hacia un transporte sostenible. Gracias a sus beneficios ambientales, facilidad de carga y el compromiso con este tipo de combustible, los autos de hidrógeno se perfilan como una opción clave para la movilidad sostenible en el futuro.
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