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Automóviles de hidrógeno: cómo funcionan los automóviles de pila de combustible de hidrógeno

octubre 6, 2021

En este momento, podría ponerse al volante de un automóvil que no consume combustibles fósiles, produce cero contaminación o gases de efecto invernadero, funciona con la misma reacción química que impulsa los cohetes y obtiene el doble de kilometraje que un Tesla.

Se llama vehículo de pila de combustible de hidrógeno, pero a menos que viva en California, es posible que nunca haya visto uno en la carretera.

Te encantan los coches rudos. Nos encantan los coches rudos. Vamos a hablar de ellos juntos.

En estos días, los autos eléctricos impulsados ​​por baterías parecen destinados a gobernar nuestras carreteras, mientras que los autos de hidrógeno, que alguna vez fueron tostados como el vehículo del futuro, son raros y relativamente desconocidos. Las pilas de combustible en realidad tienen muchas ventajas sobre la competencia, incluidas mejores millas por galón y tiempos de repostaje más rápidos.

Entonces, ¿qué pasó con los autos de hidrógeno que nos prometieron?

Cómo funcionan los coches de hidrógeno

Toyota Mirai, un coche de pila de combustible de hidrógeno.

Clemens Bilanimágenes falsas

Lo primero que debes saber: coches de hidrógeno están coches eléctricos. Tendemos a pensar en los vehículos eléctricos solo en términos de vehículos a batería como Teslas, Nissan Leaf y Chevy Bolt, pero a pesar de que funcionan con combustible gaseoso, las celdas de combustible de hidrógeno en realidad alimentan sus vehículos con electricidad.

“Cuando hablamos de autos eléctricos, eso incluye híbridos enchufables, híbridos, baterías eléctricas, celdas de combustible y cualquier otra cosa que pueda aparecer más adelante y que todavía use un motor eléctrico”, dice Keith Wipke, gerente de programa de laboratorio para celdas de combustible y tecnologías de hidrógeno en el Laboratorio Nacional de Energías Renovables.

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Pero una pila de combustible es muy diferente a una batería. La enorme batería de iones de litio en el vientre de un Tesla Model S almacena energía eléctrica como voltaje a través de un ánodo y un cátodo. Una pila de combustible produce electricidad mediante reacciones electroquímicas entre un combustible (normalmente hidrógeno) y el oxígeno del aire. Durante la reacción, el hidrógeno y el oxígeno se combinan para producir energía eléctrica y vapor de agua inofensivo como subproducto. Si esa reacción química inicial es lo suficientemente grande, puede mover un vehículo completo.

Esta danza de la mecánica y la química es similar a la reacción de hidrógeno y oxígeno que impulsa los motores de los cohetes (quizás la recuerdes de The Martian). En este caso, la energía producida por la reacción pasa a través de una pila de combustible y produce electricidad en lugar de una explosión. En ambos casos, se libera una cantidad extrema de energía sin subproductos tóxicos, que es lo que hace que las pilas de combustible de hidrógeno sean una gran fuente de energía para los vehículos eléctricos.

El hidrógeno en sí se puede producir ejecutando este proceso a la inversa, lo que se llama electrólisis. Hacer pasar una corriente eléctrica a través del agua separa el H2O en hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, más comúnmente, el hidrógeno se produce a escala a partir del gas natural en un proceso llamado reformado con vapor de metano, en el que el vapor de alta temperatura y alta presión se combina con gas natural para crear hidrógeno.

Esta danza de la mecánica y la química es similar a la reacción de hidrógeno y oxígeno que impulsa los motores de los cohetes.

Este proceso produce algo de dióxido de carbono, por lo que el combustible de hidrógeno en sí no es 100% limpio. Pero se compara favorablemente con las emisiones de CO2 relacionadas con las baterías eléctricas e híbridas, y obviamente es mejor que cualquier vehículo de combustible fósil en términos de impacto ambiental.

El estado de California exige que al menos el 33 por ciento del hidrógeno que entra en los vehículos debe provenir de fuentes renovables, con la esperanza de que eventualmente avance hacia una energía 100 por ciento renovable. Eso pone a los vehículos de celda de combustible en línea con los sistemas eléctricos de la batería que funcionan con la energía de la red.

Muchos aspectos positivos, uno negativo costoso

JAPÓN-AUTO-TOYOTA-FCV

Yoshikazu Tsunoimágenes falsas

A medida que los autos eléctricos a batería pasan a primer plano, la industria automotriz está lidiando con sus dos principales desventajas para los conductores. Primero, puede llevar horas cargar completamente un vehículo con batería (si no tiene acceso a un cargador rápido), y segundo, incluso con la batería llena, la mayoría de los autos eléctricos tienen dificultades para viajar la mitad de la distancia que un automóvil convencional en un tanque lleno de gas.

Los vehículos de pila de combustible no tienen esos problemas. El hidrógeno se puede bombear al tanque de combustible de un vehículo como el gas. Puede repostar rápidamente, de la misma forma que lo haría con gasolina o diésel. Y una vez que tiene el tanque lleno, un vehículo de celda de combustible puede viajar tan lejos como un vehículo de gasolina. El Toyota Mirai tiene el alcance más corto de cualquier sedán comercial de celda de combustible actualmente en el mercado y recorre 317 millas con el tanque lleno. Eso es casi un 50 por ciento más de alcance que las 220 millas que el modelo base Tesla Model 3 puede viajar con una sola carga.

«Puede elegir el tipo de motor de accionamiento eléctrico que desee y aplicarlo. No hay ninguna barrera».

«Si observa cuánta energía fluye realmente a través de su mano mientras sostiene un dispensador en una bomba de gasolina, es del orden de 1 a 2 megavatios», dice Wipke. Compare eso con los 2 kilovatios, mil veces menos energía, que están disponibles en un tomacorriente de pared estándar. Es fácil ver por qué los tiempos de carga son tan largos para las baterías eléctricas.

«Con hidrógeno, todavía estás moviendo moléculas», explica. «Siempre que tengas suficiente presión y rutas de flujo de baja resistencia, puedes empujar las moléculas desde la estación al automóvil muy rápidamente».

Una vez que esas moléculas ingresan al automóvil, hay poca diferencia entre un vehículo de celda de combustible y un automóvil a batería. Los vehículos a batería son famosos por su rendimiento increíblemente alto: Tesla estableció un récord de 0 a 60 con uno en 2017. Pero según Stephen Ellis, gerente de vehículos de celda de combustible en American Honda, los autos de celda de combustible pueden resistir.

«Pon suficiente motor en un [Honda] Claridad y también podría llegar a esas 0-60 veces ”, dice. “Una vez más, la celda de combustible Clarity es un automóvil totalmente eléctrico. Puede elegir el tipo de motor de accionamiento eléctrico que desee y aplicarlo. No hay barrera ahí «.

Sin embargo, todos esos beneficios actualmente tienen un precio elevado. El vehículo de celda de combustible Clarity de Honda se alquila actualmente a casi el doble del costo de su modelo de batería. Afortunadamente, eso incluye el costo del combustible, que actualmente ronda los 14 dólares por kilogramo de hidrógeno. En términos de energía, eso es el equivalente a alrededor de $ 5.60 por un galón de gasolina. El costo tanto del vehículo como del combustible debería reducirse con el tiempo, pero por ahora, las ventajas de las celdas de combustible vendrán con un alto precio.

Llénelo … ¿Dónde, exactamente?

Recorrido mediático del proyecto de demostración de la cadena de suministro de hidrógeno con bajas emisiones de carbono

Tomohiro Ohsumiimágenes falsas

Ahora llegamos al gran obstáculo para los vehículos de celda de combustible: hoy en día, es casi imposible obtener combustible fuera de California. La Asociación de Celdas de Combustible de California enumera 40 estaciones de servicio de hidrógeno que operan actualmente, casi todas dentro de Los Ángeles o el Área de la Bahía. Si el propietario de un vehículo de pila de combustible quiere viajar a otra parte del país, no tiene suerte.

“A los consumidores les encantan los vehículos”, dice Wipke. «El desafío realmente ha sido construir estaciones de servicio lo suficientemente rápido para satisfacer la demanda».

Si bien la industria de las pilas de combustible no satisface esa demanda, no es por falta de intentos. La industria está abriendo aproximadamente una nueva estación de servicio al mes y está en camino de cumplir su objetivo de 200 estaciones en California para 2025. Aun así, el hidrógeno se mantendría muy por detrás de las aproximadamente 8.500 estaciones de servicio actualmente en el estado, así como el 17.000 estaciones de carga eléctrica para vehículos a batería.

En otros lugares, la infraestructura de hidrógeno apenas existe en el resto de los EE. UU., Y los automóviles de celda de combustible no se venden en la mayoría de los estados. Hay un par de estaciones de servicio en Nueva York y Connecticut, pero Wipke dice que el noreste está cuatro o cinco años detrás de California. Con su densidad y clima político, el noreste puede ser el lugar del próximo auge del hidrógeno. Pero construir una red sólida sería más difícil que en California.

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Autobús de pila de combustible de hidrógeno de la Autoridad de Transporte del Condado de Orange.

OCTA

“El desafío ha sido que no se trata de un solo estado, por lo que hay que involucrar a más personas y que se sientan cómodas con la tecnología”, dice Wipke. «Es un proceso más lento».

Él estima que todavía pasarán años para que los vehículos de pila de combustible se conviertan en un modo de transporte viable en Nueva York. Si bien eso está muy por detrás de la infraestructura híbrida y eléctrica, Wipke cree que los autos de hidrógeno pueden cerrar la brecha.

«Una de las razones por las que el automóvil [manufacturers] están tan entusiasmados con el hidrógeno es que les proporciona una plataforma de vehículos de emisión cero que realmente puede reemplazar a todos los vehículos de su flota ”, dice. «Si tiene una camioneta o SUV muy grande que tiene capacidad de remolque y largo alcance, reemplazar esos vehículos es bastante desafiante con un propulsor eléctrico si no usa hidrógeno».

Algunos de estos vehículos ya existen o están en desarrollo. General Motors está investigando una camioneta de pila de combustible, Hyundai presentó un SUV de pila de combustible y Toyota ha pasado los últimos tres años diseñando y probando un tractor-remolque propulsado por hidrógeno. Los residentes del condado de Orange han podido viajar en un autobús de celda de combustible a su destino desde 2016, y hay 25 autobuses de este tipo operando en todo el país.

Si bien la mayoría de los estadounidenses nunca han visto un vehículo de celda de combustible, algún día se construirá una estación de abastecimiento de hidrógeno cerca de usted. Una vez que se vuelvan comunes en el noreste, las estaciones de servicio comenzarán a expandirse hacia adentro desde las costas, y Wipke y Ellis estiman que en unas pocas décadas las estaciones de servicio, y con ellas, los autos de hidrógeno, estarán prácticamente en todas partes.


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