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El hidrógeno como combustible alternativo.

09/06/2020


Artículo opinión Carlos Fúnez del Centro Nacional de Hidrógeno

ARTÍCULO DE OPINIÓN

El hidrógeno no es un recurso natural sino un vector energético, lo que implica que hay que producirlo. Se puede obtener a partir de diferentes recursos naturales como por ejemplo el agua, la biomasa, los combustibles fósiles, multitud de compuestos químicos, etc.; mediante diferentes tecnologías como por ejemplo electrólisis, gasificación, reformado, termólisis, procesos biológicos, etc.

En la actualidad, la mayor parte del hidrógeno (el 96 %) se obtiene a partir de gas natural, carbón o petróleo y prácticamente se consume donde se produce, fundamentalmente en industrias químicas (refino de petróleo, fertilizantes, etc.). Lo más habitual es obtenerlo mediante reformado de gas natural con vapor de agua. Para ello, se consume energía y se emite CO2 y otros gases contaminantes.

La electrolisis es el proceso mediante el cual se genera hidrógeno, oxígeno y calor a partir de agua y electricidad. En un sistema convencional de electrolisis, dos electrodos son sumergidos en agua y separados mediante una membrana. Una corriente eléctrica es mandada desde uno al otro a través del agua. Gracias a la existencia de catalizadores, la corriente rompe las moléculas de agua para separarlas en hidrógeno y oxígeno. Para evitar que esos gases se mezclen creando una mezcla peligrosa, se utiliza una membrana generalmente de Nafion.

La tecnología de la electrólisis actualmente está muy desarrollada y existen una gran cantidad de electrolizadores de distintos tipos en el mercado. Los dos electrolizadores más usualmente utilizados son:

  • Electrolizadores alcalinos: Son los electrolizadores que habitualmente se han venido utilizando en las industrias, fundamentalmente en la del cloro-álcali. En ellos se utiliza un electrolito líquido (típicamente una solución del 25% de hidróxido de potasio). Estos electrolizadores han llegado a alcanzar una eficiencia del 80% actualmente.

  • Electrolizadores poliméricos (PEM): Son considerados como la opción más prometedora, pues tienen la ventaja de disponer de un electrolito sólido (lo cual evita el uso de la solución de hidróxido de potasio y por tanto minimiza el mantenimiento), de generar gases con mayor pureza que los electrolizadores alcalinos, y poder generar además a mayores presiones, lo cual simplificaría la etapa de almacenamiento de hidrógeno. Tienen eficiencias ligeramente superiores a las de los electrolizadores alcalinos.

La generación de hidrógeno mediante electrolisis (alcalina o polimérica), proviniendo la electricidad que alimenta el electrolizador de excesos de energías renovables, es la forma óptima de generación de hidrógeno, pues el hidrógeno generado estaría libre de emisiones de efecto invernadero, no generándose ningún tipo de residuo (sobre todo si se realiza mediante electrolizador polimérico) y favoreciéndose por tanto la penetración de las energías renovables al generar hidrógeno cuando no existe capacidad de verter la energía renovable generada a la red.

El hidrógeno generado mediante electrolisis, es posteriormente suministrado al vehículo eléctrico de pila de combustible, combinándose con el oxígeno del aire, y teniendo como única emisión vapor de agua.

El hidrógeno es complicado de almacenar, tiene una densidad muy baja (unas 13 veces inferior a la del aire) y a temperatura ambiente ocupa muchísimo volumen. Para almacenarlo se recurre a comprimirlo a muy altas presiones (entre 350 bar para vehículos pesados tipo autobuses y/o camiones, y 700 bar para turismos). También se puede almacenar en estado líquido, teniendo que enfriar el hidrógeno hasta -253ºC, consumiendo entre el 30% y el 40% de su contenido de energía; o en estado sólido, combinado con diferentes materiales (hidruros metálicos, materiales mesoporosos, nanoestructuras de carbono, etc.).

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico capaz, en una sola transformación, de convertir la energía química del combustible (en este caso hidrógeno) en energía eléctrica, mediante su combinación con el oxígeno del aire.

El hidrógeno en automoción puede utilizarse en vehículos eléctricos de pilas de combustible o en motores alternativos de combustión interna.


En la actualidad, se utilizan los vehículos eléctricos de pila de combustible por su mayor eficiencia global, simplicidad de mantenimiento, y por la apuesta que están realizando los fabricantes en lo referente al uso de pilas de combustible para los vehículos alimentados por hidrógeno.

Las pilas de combustible se diferencian de las baterías en que éstas tienen almacenado el combustible y comburente, mientras que una pila de combustible se alimenta de los reactivos (hidrógeno y aire u oxígeno) desde un depósito exterior. Se diferencian de un motor de combustión interna convencional en que las temperaturas a las que tiene lugar la reacción son más bajas, no existen partes móviles, su rendimiento es mayor y, sobre todo, en que los productos que se generan en la reacción son no contaminantes cuando son alimentados directamente por H2.

Figura 1: Esquema de principio Toyota Mirai. Fuente: Toyota.


En definitiva, se trata de sustituir la batería de un coche eléctrico convencional por la pila de combustible que proporciona mayor potencia por unidad de peso, y un sistema de recarga más rápido. Lógicamente la recarga de la pila de combustible no es tal, sino que se trata del llenado del tanque de hidrógeno. A partir de la pila de combustible, el resto del coche es eléctrico.

En la actualidad existen tres fabricantes que disponen ya de vehículos eléctricos con pila de combustible tipo turismo a nivel comercial (Hyundai, Toyota y Honda), y varios fabricantes que disponen de prototipos tecnológicos muy avanzados con previsiones de salir al mercado en el corto plazo (General Motors, Volkswagen, Audi, BMW, Mercedes, etc.). Adicionalmente existen empresas como por ejemplo Symbio Fuel Cell que están desarrollando vehículos eléctricos, fundamentalmente furgonetas de reparto con autonomía extendida mediante hidrógeno, que tienen como sistema de propulsión un sistema híbrido de baterías y pila de combustible.

Figura 2: Especificaciones técnicas del Hyundai IX35 y del Hyundai NEXO. Fuente: Hyundai.


La movilidad con hidrógeno dentro de las ciudades está adquiriendo una gran importancia, saliendo al mercado diferentes fabricantes de autobuses urbanos eléctricos de pila de combustible. 

En la actualidad existen en Europa más de 300 autobuses eléctricos de pila de combustible circulando, algunos de ellos con más de 10 años de operación. 


De la misma forma, existen varios fabricantes de autobuses eléctricos de pila de combustible como Van-Hool, Alexander-Dennis, Safra, WrightBus y Solaris, siendo esta última compañía comprada recientemente por el grupo CAF.

Autobús eléctrico
Figura 3: Autobús eléctrico de pila de combustible. Fuente: Toyota.


Además del uso del hidrógeno como combustible alternativo en autobuses urbanos, existen también camiones de basura que funcionan con hidrógeno como combustible, siendo esta tipología de vehículos realmente interesante ya que, además de la reducción de emisiones asociada al uso del hidrógeno como combustible, existe una reducción muy importante de la contaminación acústica, al ser el vehículo eléctrico de pila de combustible un vehículo sin partes móviles y, por tanto, muy silencioso.

Figura 4: Camión de basura eléctrico de pila de combustible. Fuente: E-trucks.


Otro sector donde el hidrógeno está tomando una relevancia considerable como combustible alternativo es la movilidad en el interior de centros logísticos, mediante su uso en carretillas elevadores, consiguiéndose menores tiempos de repostaje, mayor autonomía y una entrega de potencia constante durante todo el ciclo de conducción.

Figura 5: Carretilla elevadora de pila de combustible. Fuente: Toyota.


Adicionalmente, en la actualidad, se está comenzando a utilizar hidrógeno en transporte por carretera de largas distancias, como es el caso de los camiones de Nicola Motors. Se trata de camiones con una autonomía por encima de los 1.000 km, y que son capaces de transportar grandes cargas de forma muy eficiente.

Figura 6: Camión transporte por carretera eléctrico de pila de combustible. Fuente: Nikola Motors.


Un sector donde el hidrógeno tiene mucho sentido y en los últimos años se está desarrollando con mucha intensidad, lo constituye la movilidad en el sector ferroviario. Actualmente los principales fabricantes de trenes como Alstom y Siemens tienen ya sus prototipos para utilizarlos en líneas no electrificadas. En concreto, Alstom ha puesto en operación real en septiembre del año 2018 el tren Coradia Ilint que permite recorrer 800 km con 160 pasajeros y a una velocidad de 140 km/h, utilizando para ello 200 kg de hidrógeno y pilas de combustible poliméricas.

Figura 7: Tren regional eléctrico de pila de combustible Coradia Ilint. Fuente: Alstom.


Otro sector en el que el hidrógeno está comenzando a entrar con fuerza es el transporte marítimo, pues las regulaciones ambientales se están endureciendo de forma muy severa, necesitando este tipo de embarcaciones incluir hidrógeno como combustible alternativo. En la actualidad, existen varios prototipos de barcos funcionando con hidrógeno y en el corto-medio plazo, el hidrógeno como combustible para el sector marítimo será una realidad.

Figura 8: Barco de pasajeros eléctrico de pila de combustible. Fuente: Scandinavian cruises.


Las estaciones de repostaje de hidrógeno o hidrogeneras, son las infraestructuras donde recargan sus tanques de combustible los vehículos eléctricos de pila de combustible. Existen diferentes tipologías de hidrogenera en cuanto a la forma de suministrar el hidrógeno. Estas pueden ser de hidrógeno gaseoso, hidrógeno líquido y mixtas (gaseoso y líquido), siendo las más habituales las hidrogeneras que suministran hidrógeno en forma gaseosa. Dentro del suministro gaseoso del hidrógeno, existen dos presiones de suministro que son los 350 bar, que se utiliza fundamentalmente para vehículos pesados tipo autobuses y camiones, y los 700 bar para turismos fundamentalmente. 

En España existen 5 hidrogeneras, 2 de ellas ubicadas en Castilla-La Mancha (Puertollano y Albacete).


A enero de 2016, existían 214 estaciones de repostaje de hidrógeno o hidrogeneras operativas en todo el mundo. Durante el año 2015 se han abierto 54 hidrogeneras, de las que 48 son de acceso público y el resto son de acceso privado. De estas hidrogeneras nuevas instaladas en el año 2015, 7 se han instalado en América del Norte, 28 en Japón y 19 en Europa. Del total de las 214 hidrogeneras operativas, 95 están ubicadas en Europa, 50 en América del Norte, una en América del Sur, otra en Australia y 67 en Asia. En el año 2016 se han desarrollado 104 nuevas hidrogeneras, 35 en América del Norte, 5 en Japón y 64 en Europa. En España existen 5 hidrogeneras, 2 de ellas ubicadas en Castilla-La Mancha (Puertollano y Albacete). A primeros del año 2018, el número de hidrogeneras se ha incrementado de forma considerable, existiendo aproximadamente 350, siendo Alemania el país que más ha implantado en el año 2017, con un total de 62 nuevas hidrogeneras hasta llegar a las 100 en el año 2020.

Debido al número de hidrogeneras existentes, y a las que los diferentes países están planificando para los periodos 2030 y 2050, es necesario estandarizar dichas infraestructuras sobre todo en lo referente a las normativas de seguridad que le son de aplicación y, por ello, recientemente se ha publicado la norma ISO/TS 19880-1:2016 “Gaseous hydrogen-Fuelling stations”.

Figura 9: Vehículo eléctrico de autonomía extendida mediante hidrógeno. Fuente: Renault.


De lo comentado hasta el momento, se puede concluir que la situación es propicia para la introducción del hidrógeno como combustible alternativo. La generación de hidrógeno mediante energías renovables está bien desarrollada y con una penetración cada vez mayor en el mercado; existen vehículos eléctricos de pilas de combustible alimentados por hidrógeno en el mercado; y existen infraestructuras de repostaje, estando todas las tecnologías desarrolladas y demostradas técnicamente, a expensas únicamente de que se genere un mercado y que se siga realizando I+D para poder bajar costes y aumentar eficiencias.

Las principales ventajas del uso del hidrógeno como combustible alternativo, considerando que el hidrógeno se genera a partir de energías renovables y, por lo tanto, que el ciclo completo de generación y transformación está libre de emisiones contaminantes, son las siguientes:

  • Elevada eficiencia energética. 1 kg de hidrógeno equivale aproximadamente a 3,5 litros de diésel y una pila de combustible es el doble de eficiente que un motor de combustión interna, con lo que 1 kg de hidrógeno equivale a 7 litros de diésel, y con 1 kg de hidrogeno se pueden recorrer aproximadamente 100 km (por lo tanto, con 33,33 kWh de energía se pueden recorrer 100 km), mucho más eficiente que los vehículos alimentados por combustibles convencionales.

  • Combustible autóctono. El hidrógeno se puede generar a partir de diferentes fuentes (agua, biomasa, biogás, residuos orgánicos, …), mediante diferentes procesos de transformación (electrolisis, gasificación, reformado, microbiológicos), lo cual da seguridad en cuanto al suministro y evita las dependencias del exterior.

  • Ausencia de contaminantes a la atmósfera. El hidrógeno se combina con el oxígeno del aire en la pila de combustible, produciendo electricidad, agua y calor como productos. La electricidad y el calor se aprovechan, siendo la única emisión asociada el vapor de agua que el vehículo emite por el tubo de escape.

  • Ayuda a la penetración de las energías renovables. En países como España que disponen de mucha potencia instalada de energías renovables, existen problemas para poder aprovechar toda la energía renovable, ya que, por ejemplo, en noches de viento se tienen que parar aerogeneradores porque no hay suficiente demanda de energía, con la consiguiente pérdida potencial de energía renovable. Utilizando electrolizadores que permitan generar hidrógeno con estos excesos de energías renovables, se ayuda a la gestionabilidad de las mismas y, por lo tanto, a su mayor penetración en la matriz energética.
     
  • Mejora de la seguridad vial y para las personas. Los vehículos eléctricos alimentados con pila de combustible son vehículos tecnológicamente muy desarrollados, que aportan aspectos técnicos y operativos diferenciales como por ejemplo par de potencia mayor, mayor seguridad al disminuirse el volumen de fluido inflamable que el usuario debe transportar, y menor generación de ruidos. Todo ello impacta directamente en el bienestar de los usuarios, los viandantes y las grandes ciudades.

Centro Nacional del Hidrógeno colabora con TECH4FLEET.

Carlos Fúnez Guerra
Carlos Fúnez Guerra

Head of the Open Innovation Unit

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