���������������������������������������������������������������������������������

 

 

Estudio de la utilizaci�n del hidr�geno en la industria automotriz: Revisi�n

 

Study of the use of hydrogen in the automotive industry: A Review

 

Estudo do uso do hidrog�nio na ind�stria automotiva: Uma revis�o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: ajorque@istct.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

* Recibido: 23 de agosto de 2022 *Aceptado: 28 de septiembre de 2022 * Publicado: 20 de octubre de 2022

 

 

        I.            Ingeniero Automotriz, Mag�ster en Sistemas Automotrices, Instituto Superior Universitario Central T�cnico ISUCT, Quito, Ecuador.

     II.            Ingeniero Automotriz, Mag�ster en Dise�o Mec�nico, Universidad De Las Fuerzas Armadas ESPE, Latacunga, Ecuador.

   III.            Ingeniero Automotriz, Mag�ster en Sistemas de Manufactura, Instituto Superior Universitario Central T�cnico ISUCT, Quito, Ecuador.

  IV.            Ingeniero Automotriz, Mag�ster en Sistemas de Manufactura, Instituto Superior Universitario Central T�cnico ISUCT, Quito, Ecuador.

 

 

 

 

Resumen

En este estudio, se presenta una descripci�n general del hidr�geno y su uso en la industria automotriz, a medida que se agotan los combustibles f�siles el precio de la energ�a est� aumentando r�pidamente, es menester el desarrollo de soluciones de propulsi�n ecol�gica para satisfacer la demanda social y ambiental. El uso de hidrogeno como combustible est� experimentando un impulso sin precedentes que podr�a establecer las bases para hacer realidad su enorme potencial como energ�a limpia. Es as� que se presenta una evaluaci�n de diferentes tecnolog�as de producci�n de hidr�geno basadas en materias primas renovables y/o energ�as renovables. Como ocurre con la mayor�a de las innovaciones tecnol�gicas, las fases iniciales de desarrollo y despliegue suelen depender de las pol�ticas gubernamentales y sus iniciativas. En pa�ses fabricantes de veh�culos en los que se invierte en investigaci�n y desarrollo de las pilas de combustible, se han estableciendo subvenciones a medio y a largo plazo. El uso del hidr�geno en veh�culos se ha clasificado en dos categor�as principales como: dise�os en los que se quema hidr�geno en un motor de combusti�n interna ICE y los que generan energ�a mediante la conversi�n a electricidad.

Palabras clave: Hidr�geno; Celda de combustible; Veh�culo el�ctrico.

 

Abstract

In this study, an overview of hydrogen and its use in the automotive industry is presented, as fossil fuels are depleted, the price of energy is increasing rapidly, the development of ecological propulsion solutions is necessary to meet the social demand. and environmental. The use of hydrogen as a fuel is experiencing an unprecedented boost that could lay the groundwork for realizing its enormous potential as clean energy. Thus, an evaluation of different hydrogen production technologies based on renewable raw materials and/or renewable energies is presented. As with most technological innovations, the initial phases of development and deployment often depend on government policies and initiatives. In vehicle manufacturing countries that invest in research and development of fuel cells, subsidies have been established in the medium and long term. The use of hydrogen in vehicles has been classified into two main categories: designs that burn hydrogen in an ICE internal combustion engine and those that generate power by converting it to electricity.

Keywords: Hydrogen; fuel cell; electric vehicle

 

Resumo

Neste estudo, � apresentado um panorama do hidrog�nio e seu uso na ind�stria automotiva, visto que os combust�veis f�sseis est�o se esgotando, o pre�o da energia est� aumentando rapidamente, o desenvolvimento de solu��es de propuls�o ecol�gica � necess�rio para atender a demanda social e ambiental. O uso de hidrog�nio como combust�vel est� experimentando um impulso sem precedentes que pode lan�ar as bases para a realiza��o de seu enorme potencial como energia limpa. Assim, apresenta-se uma avalia��o de diferentes tecnologias de produ��o de hidrog�nio baseadas em mat�rias-primas renov�veis ​​e/ou energias renov�veis. Como acontece com a maioria das inova��es tecnol�gicas, as fases iniciais de desenvolvimento e implanta��o geralmente dependem de pol�ticas e iniciativas governamentais. Nos pa�ses fabricantes de ve�culos que investem em pesquisa e desenvolvimento de c�lulas a combust�vel, foram estabelecidos subs�dios a m�dio e longo prazo. O uso de hidrog�nio em ve�culos foi classificado em duas categorias principais: projetos que queimam hidrog�nio em um motor de combust�o interna ICE e aqueles que geram energia convertendo-o em eletricidade.

Palavras-chave: Hidrog�nio; c�lula de combust�vel; ve�culo el�trico

 

Introducci�n

El mundo se est� enfrentando a un problema energ�tico que cada d�a aumenta a medida que el petr�leo se acaba. Hoy en d�a las industrias automotrices se enfrentan a cambios tecnol�gicos r�pidos y dif�ciles en las tecnolog�as de fabricaci�n de los motores (Dutta 2014). Con la revoluci�n industrial, el uso generalizado de combustibles f�siles como su principal fuente de energ�a, emanan �xidos nocivos de carbono, nitr�geno, azufre y otros gases que provocan el calentamiento global (Ball and Weeda 2015). El desarrollo de renovables y anticontaminantes recursos energ�ticos es importante para mitigar este problema que acarrea ya por varias d�cadas. Los investigadores han reconocido que el hidr�geno H2 es una fuente de energ�a de este tipo.

El hidr�geno es una de las principales fuentes de energ�a limpia, es el elemento m�s abundante en el universo y tiene un potencial energ�tico muy alto. La energ�a t�rmica de combusti�n del hidr�geno es igual a 3 veces y 5 veces del metano y carb�n respectivamente (Jain, 2009). En la industria automotriz, se est�n realizando varios estudios para desarrollar veh�culos de combustible alternativo en las �ltimas tres d�cadas. La primera soluci�n que viene a la mente en este contexto es el hidr�geno, una fuente de energ�a verde y alternativa que puede solucionar el calentamiento global causado por los combustibles f�siles. El hidr�geno es una fuente de energ�a que puede quemarse catal�ticamente o convertirse en energ�a el�ctrica por medio de una celda de combustible (Dutta 2014). El hidr�geno se puede usar en motores de combusti�n interna ICE, como combustible principal o como combustible adicional mezcl�ndolo con otros combustibles. Si se utiliza hidr�geno como combustible para un ICE, el motor descarga una peque�a cantidad de vapor de agua junto con otras emisiones post combusti�n. Considerando que los dise�os de veh�culos el�ctricos de pila de combustible FCEV y la de los veh�culos el�ctricos h�bridos enchufables basados en pilas de combustibles FCHEV se conocen como veh�culos con cero emisiones de CO2 o libres de contaminaci�n del aire (Ball and Weeda 2015) (Walker, Fowler, and Ahmadi 2015). La proporci�n de veh�culos con celdas de combustible de hidr�geno FCHEV en la industria automotriz aumentar� al obtener una liberaci�n de emisiones inocuas en el consumo de energ�a global. A pesar de las ventajas anteriores en t�rminos de eficiencia, la transici�n a la tecnolog�a de veh�culos de hidr�geno ser� en funci�n a un cambio tecnol�gico sustancial, los obst�culos para su viabilidad son considerables (Gonz�lez, 2022).

Las t�cnicas de almacenamiento de hidr�geno disponibles tambi�n son determinantes (Ren, Ma, and Cong 2015) (Ball and Weeda 2015). Las tecnolog�as de almacenamiento requieren mejoras en la qu�mica, la densidad de energ�a el�ctrica, la vida �til, la seguridad y el costo de las bater�as (Jain 2009). La r�pida difusi�n de las pilas de combustible en los FCHEV depende de una mejora significativa del rendimiento de la bater�a y de la reducci�n de los costes de producci�n.

 

El hidr�geno

El elemento m�s simple del universo, se compone de un prot�n y un electr�n. El m�s ligero de todos los elementos y gases, es 14 veces m�s ligero que el aire. Capaz de proporcional m�s energ�a por unidad de masa que cualquier otro combustible conocido: 33,3 kWh/kg, frente a los 13,9 kWh/kg del gas natural o los 12,4 kWh/kg del petr�leo, lo que se traduce en una mayor eficiencia por peso que la de los combustibles que se emplean en la actualidad (Dutta 2014).

El hidr�geno es el combustible m�s limpio a partir del H2 y aire O2, se genera agua y energ�a el�ctrica, calor o los dos. A diferencia de los combustibles basados en el carbono, el hidr�geno no produce subproductos nocivos con su combusti�n. Solo se genera energ�a y agua limpia cuando se combina con el ox�geno en una pila de combustible. Por las propiedades f�sicas del hidr�geno, almacenarlo supone todo un reto, sobre todo cuando se trata de hacerlo en un contenedor peque�o, ligero, seguro y barato, como tiene que ser un dep�sito de un veh�culo. Puede parecer extra�o, cuando se sabe que 1 kilo de hidr�geno genera la misma energ�a que casi 3 de gasolina (Gonz�lez, 2022). Como se compara en la tabla 1.

 

Figura 1: Comparativa del hidr�geno con otros combustibles

 

Sin embargo, ese kilo ocupa mucho volumen, por lo que la cantidad de energ�a que aporta el hidr�geno por unidad de volumen, su densidad energ�tica es baj�sima. Tan baja que, de utilizar hidr�geno sin tatar, los coches ser�an dep�sitos con ruedas, o se quedar�an sin combustible casi antes de arrancar. Seg�n (Wu et al. 2019) para almacenar 4 kg de hidr�geno, que es lo que consume un coche a pila de combustible en una distancia de 400 km, se necesitar�a un dep�sito equivalente a un globo de m�s de 5m de di�metro.� Naturalmente, la soluci�n al problema para por reducir el volumen de hidr�geno como se reduce el volumen de todos los gases: comprimi�ndolo � enfri�ndolo hasta licuarlo. T�cnicamente lo m�s sencillo es comprimir a una presi�n de 200 � 350 bares, en esas condiciones los 4 kg de hidr�geno siguen ocupando un espacio alrededor de 250 litros. El desarrollo de nuevos materiales compuestos de fibra de carbono con pol�meros y aluminio, hoy en d�a est� permitiendo almacenarlo a presiones de hasta 700 bares, envacando mayor cantidad con menos volumen (Rodr�guez 2020). En estado l�quido el hidr�geno y a -253�C ocupa 700 veces menos que a temperatura ambiente y a presi�n atmosf�rica.

 

M�todos de producci�n del H2

La producci�n de hidr�geno a partir de fuentes baratas y renovables es el factor clave para la utilizaci�n de energ�a H2 en la vida real. Hay muchas fuentes para la producci�n de H2, a saber, agua, glicerol, biomasa, etc� (Miltner et al. 2010). La mayor�a de los investigadores enfatizan la utilizaci�n del agua como fuente de H2 debido a su disponibilidad.

 

Producci�n de H2 a partir del agua

El hidr�geno se puede producir a partir del agua por diferentes m�todos: divisi�n termoqu�mica, celda fotovoltaica y reacci�n fotoqu�mica. Los ciclos termoqu�micos de divisi�n del agua TCWSC utilizan m�ltiples reacciones qu�micas, con el efecto neto de la disociaci�n del agua para formar hidr�geno y ox�geno. Los TCWSC emplean una fuente de energ�a t�rmica de alta temperatura, como la energ�a nuclear o solar, para impulsar el ciclo. En el caso de los TCWSC solares, la energ�a solar a menudo se degrada a energ�a t�rmica antes de su uso en el ciclo, degradando as� el componente cu�ntico de la luz solar (Miltner et al. 2010).

 

Producci�n de H2 a partir de glicerol

Seg�n (Dave and Pant 2011) el m�todo de producci�n de hidr�geno a partir del reformado con vapor de glicerol sobre un catalizador a base de n�quel promovido por zirconia y soportado sobre ceria. Las mezclas de bioglicerina y bioetanol se pueden utilizar como materia prima para producir H2 mediante reformado catal�tico con vapor. La comparaci�n de las actividades de los catalizadores de Pt y Ni mostr� que los catalizadores de Pt produjeron menores rendimientos de H2. Esto puede ser atribuido a la menor carga de Pt en comparaci�n con el contenido de metal de los catalizadores a base de Ni (Iriondo et al. 2012).

 

Producci�n de H2 a partir de biomasa

Un m�todo interesante y prometedor de utilizaci�n de biomasa es la producci�n de hidr�geno por fermentaci�n. La tecnolog�a para la producci�n anaer�bica de hidr�geno a partir de biomasa residual est� bien desarrollada. (Yang et al. 2011) demostr� el potencial de los residuos de biomasa de microalgas extra�dos de l�pidos renovables LMBR como materia prima para la producci�n de hidr�geno. Los LMBR son la biomasa residual de los procesos de producci�n de biodiesel rica en carbohidratos y prote�nas. La recuperaci�n de energ�a de los LMBR juega un papel importante en el desarrollo sostenible de la industria del biodi�sel de microalgas. La tecnolog�a de gasificaci�n catal�tica a baja temperatura LTCG empleada para convertir el esti�rcol de las aves en gas rico en H2 ser� una ruta favorecida para la utilizaci�n eficiente y limpia de los desechos.(Zhang et al. 2011)

 

Producci�n de H2 de otras fuentes

Las investigaciones muestran que la urea se puede utilizar como materia prima para la producci�n de hidr�geno y metano a partir de suero de queso en un proceso de dos etapas. (King and Botte 2011) demostr� una tecnolog�a para la producci�n de hidr�geno y otros productos valiosos, como el nitr�geno y agua limpia, mediante la oxidaci�n electroqu�mica de la urea en medios alcalinos. Esta oxidaci�n de urea a hidr�geno tiene beneficios significativos sobre los m�todos est�ndar de producci�n de hidr�geno. El hidr�geno 100% puro se produce a baja temperatura, presi�n y consumo de energ�a junto con otros productos valiosos, como nitr�geno al 96,1% y agua limpia (Boggs, King, and Botte 2009). Se ha demostrado que el n�quel econ�mico es el catalizador m�s activo para la oxidaci�n electroqu�mica de la orina humana en medios alcalinos.

 

An�lisis del costo de producci�n del H2

El coste del hidr�geno var�a seg�n la fuente de producci�n, que puede ser mediante combustibles f�siles y biomasa o mediante energ�as renovables a trav�s de la electr�lisis del agua. Actualmente, el gas natural es la principal fuente de producci�n del hidr�geno y representa en torno a tres cuartas partes de la producci�n global, cuyo valor aproximado es 70 millones de toneladas. Este valor representa aproximadamente un 6% del uso global del gas natural. Al gas natural le sigue el carb�n, que tiene un papel importante en China y la cantidad restante de hidr�geno producido es a partir del uso de petr�leo y electricidad (International Energy Agency 2019). En la siguiente ilustraci�n se aprecia que el costo del hidr�geno procedente de varias fuentes por kilogramo de H2, con una tendencia actual hacia el aumento de la producci�n del hidr�geno verde, es decir, el procedente de energ�as renovables.

 

 

Figura 2: Resumen de costo del H2 seg�n su fuente de producci�n.

 

Aunque se estima que se reduzca en torno a un 30% el coste del hidr�geno procedente de energ�as renovables para el a�o 2030, como resultado de una disminuci�n de los costes de las energ�as renovables y un aumento de la producci�n del hidr�geno (International Energy Agency, 2019). En las higrogeneras europeas el precio del kilogramo est� en el rango de 8 a 10 d�lares.

 

Almacenamiento y seguridad

El almacenamiento es claramente el mayor desaf�o para el H2, como combustible vehicular, en el desarrollo de la econom�a del hidr�geno (Gurz et al. 2017). Las barreras de implementaci�n para un cambio tecnol�gico radical son muchas. Tener la densidad de energ�a m�s baja debido a la baja densidad del hidr�geno, que tiene la energ�a m�s alta por kilogramo, presenta algunas dificultades en el almacenamiento. Para resolver tal problema, se deben usar presiones muy altas en el almacenamiento. Esto tambi�n tiene mucho que ver con las caracter�sticas de las diferentes tecnolog�as de almacenamiento de energ�a disponibles, junto con el rendimiento de almacenamiento de los veh�culos de hidr�geno como combustible. En general, podemos clasificar en dos categor�as: almacenamiento como hidr�geno y almacenamiento mediante m�todos qu�micos. El hidr�geno se almacena por compresi�n en forma de gas o en forma l�quida junto con el almacenamiento mediante el uso de un hidruro met�lico reversible y mediante el uso de una nanofibra de carbono (Jain 2009). Los m�todos qu�micos en almacenamiento son metanol, hidruros de metales alcalinos, borohidruro de sodio y amon�aco.

 

 

Hidr�geno comprimido

La compresi�n de hidr�geno es el m�todo m�s popular y com�n para el almacenamiento de H2. Un beneficio significativo del almacenamiento de hidr�geno como gas a alta presi�n es la gran relaci�n de liberaci�n y llenado r�pido. Aunque esta tecnolog�a es simple, los problemas de seguridad y la necesidad de grandes espacios son sus principales desventajas. Para almacenar hidr�geno gaseoso existen cinco categor�as de recipientes a presi�n las cuales se presentan en la siguiente tabla (Abohamzeh et al. 2021).

 

Figura 3: Diferentes tipos de recipientes a presi�n para almacenamiento de hidr�geno.

 

Hidr�geno l�quido (LH2)

Es posible almacenar H2 en estado l�quido, que no es corrosivo e incoloro. Los tanques de H2 licuado pueden almacenar 0,07 kg por litro, que es superior a los tanques de hidr�geno comprimido que almacenan 0,03 kg por litro. La licuefacci�n del hidr�geno se lleva a cabo a una temperatura extremadamente baja -253 �C, y el desaf�o m�s cr�tico del almacenamiento criog�nico de H2 es mantener el hidr�geno a una temperatura tan baja. La licuaci�n del hidr�geno es un proceso caro y lento. La p�rdida de energ�a durante este proceso es de alrededor del 40 %, mientras que la p�rdida de energ�a en el almacenamiento de H2 comprimido es de aproximadamente el 10 % (Abohamzeh et al. 2021). Adem�s, una proporci�n del hidr�geno l�quido almacenado se pierde al d�a alrededor del 0,2 % en los recipientes grandes y del 2 al 3 % en los m�s peque�os al d�a, lo que se debe a la evaporaci�n.

 

Seguridad

Dado que el hidr�geno es un gas inflamable, explosivo y m�s liviano que el aire, el almacenamiento de hidr�geno, el suministro y el sistema de seguridad est�n directamente relacionados entre s�. La energ�a m�nima de ignici�n del hidr�geno es de 0,017 MJ, es m�s sensible al fuego. Sin embargo, el hidr�geno se esparce muy r�pidamente porque es el gas m�s liviano y tiene menos peligrosidad que la gasolina (Gurz et al. 2017). La detonaci�n de hidr�geno puede ocurrir a una relaci�n de concentraci�n volum�trica de hidr�geno a aire tan bajo como 4% y tan alto como 75%. Por otro lado, el hidr�geno tiene una alta permeabilidad a trav�s de muchos materiales.

 

Pol�ticas internacionales

Desde principios del siglo XXI, un n�mero cada vez mayor de pa�ses y regiones han considerado los desaf�os de la contaminaci�n del aire y la escasez de energ�a del transporte por carretera como cuestiones estrat�gicas. Para hacer frente a estos problemas, varios pa�ses han puesto en marcha pol�ticas respaldadas por la legislaci�n adecuada. Por ejemplo, dentro de la Uni�n Europea UE, el requisito normativo actual para la emisi�n media de Gases Efecto Invernadero GEI de la flota de todos los veh�culos nuevos es de 95 g de CO2 por kil�metro para 2021, lo que supone una disminuci�n de m�s del 40 % en comparaci�n con el objetivo de 2007 (Dornoff et al. 2018) (Deloitte China 2020). Adem�s, algunos pa�ses con tecnolog�a y mercados l�deres en tecnolog�a automotriz ya han introducido pol�ticas que se comprometen a eliminar los ICE de la flota de veh�culos, como se puede ver de manera resumida en la tabla 3.

 

 

Figura 4: Prohibici�n planificada de veh�culos ICE puros

 

Como ocurre con la mayor�a de las innovaciones tecnol�gicas, la fase inicial del desarrollo y despliegue de la tecnolog�a de celdas de combustible suelen depender de las pol�ticas e incentivos gubernamentales. Se han creado planes estrat�gicos en pa�ses como China, Jap�n, Estados Unidos y en general por toda Europa, en los que se invierte en investigaci�n y desarrollo de las pilas de combustible, estableciendo pol�ticas de subsidio y planes estrat�gicos a medio y a largo plazo (Deloitte China 2020). A continuaci�n, se muestra la tabla 4 a modo de resumen del enfoque pol�tico que ha tomado cada pa�s y Europa.

 

Figura 5: Resumen general de las pol�ticas de los principales mercados H2

 

Estados Unidos es el primer pa�s en establecer la tecnolog�a del hidr�geno y las pilas de combustible como parte de su estrategia energ�tica nacional. Iniciado debido a la crisis del petr�leo, el gobierno de los Estados Unidos ha financiado el patrocinio de investigaciones sobre el hidr�geno desde la d�cada de 1970 (Deloitte China 2020). California representa el nivel m�s alto de comercializaci�n de veh�culos con celdas de combustible de hidr�geno en los Estados Unidos, debido a un nivel de apoyo gubernamental y p�blico para las energ�as renovables que no se encuentra en otros estados. De cara al futuro, California Fuel Cell Partnership ha definido objetivos para 1000 estaciones de servicio de hidr�geno y 1000000 de FCEV para 2030 (Air Resources Board 2019).

 

Combusti�n del hidr�geno

El hidr�geno, un gas inflamable, tiene el potencial de ser utilizado en veh�culos de combusti�n interna, ya que tiene una emisi�n inocua para el medio ambiente mientras se quema (Fayaz et al. 2012). El principio de funcionamiento de los H2ICE se basa en la naturaleza inflamable del hidr�geno. La eficiencia de los veh�culos ICE que utilizan hidr�geno directo es menor que la de sus equivalentes ICE de gasolina (Gurz et al. 2017). La eficiencia energ�tica del ICE que utiliza hidr�geno premezclado en el m�ltiple de admisi�n tambi�n es menor que el mismo motor alimentado con gasolina o di�sel en lugar de hidr�geno (White, Steeper, and Lutz 2006). A continuaci�n, se puede apreciar una representaci�n esquem�tica de H2ICE potenciado por presi�n.

 

Figura 6: Representaci�n esquem�tica de un motor de combusti�n con H2

 

Se investigan numerosos estudios, que examinan diferentes aspectos, para mejorar la eficiencia energ�tica de los motores de hidr�geno (Gurz et al. 2017), entre ellos tambi�n est� el ICE alimentado con hidr�geno l�quido de inyecci�n directa. Estos esfuerzos han sido bastante beneficiosos para el futuro de los ICE alimentados con hidr�geno.

 

 

Modificaciones en el motor ICE tradicional al usar H2

Seg�n (Gurz et al. 2017)a alta temperatura de autoencendido del hidr�geno, el aumento de presi�n en la c�mara de combusti�n y el largo retraso del encendido autom�tico pueden considerarse como factores para realizar diversas modificaciones, entre ellas se pueden rescatar las siguientes:

�                    Las buj�as deben ser de tipo fr�as para un enfriamiento r�pido, las misma no pueden ser de punta de platino ya que es un catalizador lo cual fomenta la ignici�n prematura. Las buj�as deben ser de un alambre fino de di�metro de 0,0381 [cm], por recomendaci�n y no mayor a 0,0635 [cm] (Gonz�lez 2022).

�                    Grados a los que aplica la chispa en gasolina es de 8 a 9� antes del PMS sin embrago con el hidr�geno debe ser justo en el PMS(Gurz et al. 2017).

�                    Se debe tener cuidado especialmente en las v�lvulas donde se recomienda cambiarlas por v�lvulas que tengan una dureza de alrededor de 50 y 60 Rockwell y de aleaci�n stellite (cobalto-cromo) lo que permite un mejor comportamiento frente a desgaste y fallos.

�                    El sistema de escape del auto debe ser de acero inoxidable ya que se estima que por cada 1 Kg de hidr�geno se genere 4 litros de agua de esta manera se eliminan los problemas por oxidaci�n(Rodr�guez 2020).

�                    Para evitar que el aceite entre a la c�mara de combusti�n, se puede hacer realizando un revestimiento del sellado de las v�lvulas esto con un revestimiento de diamante.

�                    El motor debe funcionar con aceite sint�tico para evitar pirolisis, puntos calientes y pre-ignici�n.

 

Celda de combustible

Es un reactor electroqu�mico que convierte la energ�a qu�mica de un combustible y un oxidante directamente a electricidad. El hidr�geno tiene una larga historia de uso como combustible para la movilidad. Hace m�s de 200 a�os, el hidr�geno se utiliz� en los primeros motores de combusti�n interna quemando el propio hidr�geno, similar a quemar gasolina hoy (Deloitte China 2020) (Rodr�guez 2020) Sin embargo, esto no result� ser del todo exitoso, debido a preocupaciones de seguridad, as� como a la baja densidad de energ�a. M�s bien, en una celda de combustible moderna, el hidr�geno es un portador de energ�a, al reaccionar con el ox�geno para formar electricidad. La reacci�n entre el hidr�geno y el ox�geno es asombrosamente simple y se puede representar mediante la siguiente f�rmula (Deloitte China 2020):

����������������������������������������������������������������� (1)

En una celda de combustible, el hidr�geno y el ox�geno se introducen por separado con hidr�geno suministrado a un electrodo de la celda de combustible y ox�geno al otro, como se apreciar en la siguiente figura(Deloitte China 2020).

 

Figura 7: Principio de funcionamiento de la celda de combustible.

 

Los dos electrodos est�n separados por un material llamado electrolito, que act�a como un filtro para evitar que los reactivos de la celda se mezclen directamente entre s�. Las mol�culas de hidr�geno ingresan en primera instancia al electrodo de hidr�geno llamado �nodo de la celda de combustible (paso 1). Luego, las mol�culas de hidr�geno reaccionan con el catalizador que recubre el �nodo, liberando electrones para formar un ion de hidr�geno con carga positiva (paso 2). Estos iones atraviesan el electrolito y alcanzan el ox�geno en el segundo electrodo (llamado c�todo) (paso 3). Los electrones, sin embargo, no pueden pasar el electrolito. En su lugar, fluyen hacia un circuito el�ctrico, generando la energ�a del sistema de celdas de combustible (paso 4). En el c�todo, el catalizador hace que los iones de hidr�geno y los electrones se unan con el ox�geno del aire para formar vapor de agua, que es el �nico subproducto del proceso (paso 5) (Deloitte China 2020).

 

 

 

Principio de funcionamiento del veh�culo de celda de combustible

En un veh�culo de celda de combustible de hidr�geno, el sistema se compone de un conjunto de celdas de combustible y sistemas auxiliares. Como se puede apreciar en la figura 2, las celdas de combustible es el componente central, que convierte la energ�a qu�mica en energ�a el�ctrica para alimentar el autom�vil (Deloitte China 2020).

 

Figura 8: Principio de funcionamiento del veh�culo de celda de combustible.

 

Adem�s de las celdas de combustible, hay cuatro sistemas auxiliares que son: sistema de suministro de hidr�geno, sistema de suministro de aire, sistema de suministro de agua y el sistema de gesti�n del calor. La electricidad producida por el sistema de pila de combustible pasa a trav�s de una unidad de control de potencia PCU al motor el�ctrico, con la ayuda de una bater�a para proporcionar energ�a adicional cuando sea necesario.

 

Sistemas de propulsi�n de FCEV, BEV e ICE

El sistema de propulsi�n de un veh�culo est� compuesto por todos los componentes que generan la energ�a necesaria para el movimiento del veh�culo y la transfieren a la carretera. Todos estos componentes tienen que conectarse de manera segura para garantizar el funcionamiento eficiente del veh�culo. En los veh�culos basados en pilas de combustible FCEV la tecnolog�a est� ligada a un motor el�ctrico, de esta forma se eliminan varios componentes propios de los motores de combusti�n ICE y de sus subsistemas adicionales(Deloitte China 2020). Como pueden ser las correas de distribuci�n, v�lvulas, pistones, cig�e�ales, tubos de escape, caja de cambios o sistemas de lubricaci�n. De esta manera se simplifica el dise�o, disminuye el coste del mantenimiento y mejora la durabilidad del veh�culo. Como se aprecia en la figura 3, la principal diferencia entre el FCEV y otros veh�culos es el sistema de propulsi�n, todos los componentes son esencialmente similares.

Los FCEV y BEV transfieren la energ�a el�ctrica a energ�a cin�tica a trav�s de un motor el�ctrico, mientras que los veh�culos a gasolina y diesel transfieren energ�a t�rmica del combustible quemado a energ�a cin�tica (Gurz et al. 2017) La principal diferencia entre FCEV y BEV es la fuente de electricidad, los BEV utilizan toda su energ�a de un paquete de bater�as que se recarga externamente en las estaciones de carga.

 

Figura 9: Componentes de los sistemas de propulsi�n de FCEV, BEV e ICE.

 

Veh�culos comercializados

En la actualidad son varios los fabricantes de veh�culos que llevan a�os apostando fuerte por la pila de combustible, una de ellas y que est� entre las m�s comercializadas es el Hyundai Nexo as� como Toyota lleva desde 2002 trabajando en este tipo de tecnolog�as hasta la materializaci�n del Mirai.

 

Toyota Mirai

El Toyota Mirai es un coche el�ctrico que emplea el hidr�geno como fuente de energ�a. El hidr�geno se quema para generar energ�a que se almacena en la bater�a y que posteriormente se encarga de alimentar al motor el�ctrico. Analizando por partes, el motor el�ctrico genera una potencia de salida de 182 caballos y 300 Nm de par motor. La bater�a de iones de litio va ubicada en la parte trasera y dispone de 1,24 kWh de capacidad. El hidr�geno se acumula en tres dep�sitos repartidos por la parte inferior del coche. Tienen una capacidad de 5,6 kilogramos (Toyota 2021).

 

Figura 10: Componentes de los sistemas de propulsi�n de FCEV, BEV e ICE.

 

Una vez llenados el peso total de los dep�sitos es de 100 kilogramos. La ventaja principal de los coches de c�lula de hidr�geno es la sencillez y la rapidez de recarga. La autonom�a estimada del Toyota Mirai es de 650 kil�metros, aunque es un dato pendiente de homologaci�n.

 

Hyundai Nexo

El Hyundai NEXO con pila de combustible proporciona una eficiencia de pila de combustible y una autonom�a de 666 km. Su arquitectura proporciona una mejor relaci�n peso/potencia, una aceleraci�n m�s r�pida y m�s espacio en la cabina. El bloque el�ctrico cuenta con una potencia de 120 kW (163 CV) y rinde un par m�ximo de 395 Nm. Ese motor el�ctrico est� alimentado por una bater�a con una capacidad de 40 kW, ubicada bajo el suelo del maletero. A diferencia de un coche el�ctrico convencional esta bater�a no se recarga de una red el�ctrica, si no mediante el trabajo de la pila de combustible, cuenta con tres dep�sitos de hidr�geno de 52,2 litros cada uno.

 

Figura 11: Especificaci�n de principales componentes Hyundai Nexo

 

En total son 156,6 litros repartidos bajo los asientos de la segunda fila y el piso del maletero. En conjunto, la autonom�a homologada en ciclo est�ndar global para determinar los niveles de contaminantes, emisiones de CO₂ y consumo de combustible de los coches WLTP lo lleva hasta los 660 kil�metros. Con todo, las prestaciones del Nexo son muy competentes. Acelera de 0 a 100 kil�metros por hora en 9,2 segundos. La velocidad m�xima, limitada de forma electr�nica para ahorrar energ�a, es de 179 kil�metros por hora (Hyundai 2019).

 

Referencias

1.      Abohamzeh, Elham, Fatemeh Salehi, Mohsen Sheikholeslami, Rouzbeh Abbassi, and Faisal Khan. 2021. �Review of Hydrogen Safety during Storage, Transmission, and Applications Processes.� Journal of Loss Prevention in the Process Industries 72. doi: 10.1016/j.jlp.2021.104569.

2.      Air Resources Board, California. 2019. 2019 Annual Evaluation of Fuel Cell Electric Vehicle & Hydrogen Fuel Network Development.

3.      Ball, Michael, and Marcel Weeda. 2015. �The Hydrogen Economy - Vision or Reality?� International Journal of Hydrogen Energy 40(25):7903�19. doi: 10.1016/j.ijhydene.2015.04.032.

4.      Boggs, Bryan K., Rebecca L. King, and Gerardine G. Botte. 2009. �Urea Electrolysis: Direct Hydrogen Production from Urine.� Chemical Communications (32):4859�61. doi: 10.1039/b905974a.

5.      Dave, Chirag D., and K. K. Pant. 2011. �Renewable Hydrogen Generation by Steam Reforming of Glycerol over Zirconia Promoted Ceria Supported Catalyst.� Renewable Energy 36(11):3195�3202. doi: 10.1016/j.renene.2011.03.013.

6.      Deloitte China. 2020. Fueling the Future of Mobility Hydrogen and Fuel Cell Solutions for Transportation Volume 1.

7.      Dornoff, Jan, Joshua Miller, Peter Mock, and Uwe Tietge. 2018. The European Commission Regulatory Proposal for Post-2020 CO 2 Targets for Cars and Vans: A Summary and Evaluation BACKGROUND.

8.      Dutta, Suman. 2014. �A Review on Production, Storage of Hydrogen and Its Utilization as an Energy Resource.� Journal of Industrial and Engineering Chemistry 20(4):1148�56.

9.      Fayaz, H., R. Saidur, N. Razali, F. S. Anuar, A. R. Saleman, and M. R. Islam. 2012. �An Overview of Hydrogen as a Vehicle Fuel.� Renewable and Sustainable Energy Reviews 16(8):5511�28.

10.  Gonz�lez, Rogelio. 2022. Hidr�geno Pila de Combustible: Gases Del Aire. Diaz de Santos.

11.  Gurz, Mehmet, Ertugrul Baltacioglu, Yakup Hames, and Kemal Kaya. 2017. �The Meeting of Hydrogen and Automotive: A Review.� Pp. 23334�46 in International Journal of Hydrogen Energy. Vol. 42. Elsevier Ltd.

12.  Hyundai. 2019. �Hyundai Motor Group Homepage.� Retrieved July 16, 2022 (https://www.hyundaimotorgroup.com/Index.hub).

13.  International Energy Agency. 2019. The Future of Hydrogen:Report Prepared by the IEA for the G20, Japan.

14.  Iriondo, A., V. L. Barrio, M. el Doukkali, J. F. Cambra, M. B. G�emez, J. Requies, P. L. Arias, M. C. S�nchez-S�nchez, R. Navarro, and J. L. G. Fierro. 2012. �Biohydrogen Production by Gas Phase Reforming of Glycerine and Ethanol Mixtures.� Pp. 2028�36 in International Journal of Hydrogen Energy. Vol. 37.

15.  Jain, I. P. 2009. �Hydrogen the Fuel for 21st Century.� International Journal of Hydrogen Energy 34(17):7368�78. doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.05.093.

16.  King, Rebecca L., and Gerardine G. Botte. 2011. �Hydrogen Production via Urea Electrolysis Using a Gel Electrolyte.� Journal of Power Sources 196(5):2773�78. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.11.006.

17.  Miltner, Angela, Walter Wukovits, Tobias Pr�ll, and Anton Friedl. 2010. �Renewable Hydrogen Production: A Technical Evaluation Based on Process Simulation.� Journal of Cleaner Production 18(SUPPL. 1). doi: 10.1016/j.jclepro.2010.05.024.

18.  Ren, Guizhou, Guoqing Ma, and Ning Cong. 2015. �Review of Electrical Energy Storage System for Vehicular Applications.� Renewable and Sustainable Energy Reviews 41:225�36.

19.  Rodr�guez, Rafael. 2020. �An�lisis de Sistemas de Propulsi�n Para Automoci�n Basados En Pilas de Combustible y Estimaci�n de Costes.� Universidad de Sevilla, Sevilla.

20.  Toyota. 2021. �Outline of the Mirai Key Specifications.� Toyota Mot. Corp. Retrieved July 16, 2022 (http://newsroom.toyota.co.jp/en/download/4224903).

21.  Walker, Sean B., Michael. Fowler, and Leila. Ahmadi. 2015. �Comparative Life Cycle Assessment of Power-to-Gas Generation of Hydrogen with a Dynamic Emissions Factor for Fuel Cell Vehicles.� Journal of Energy Storage 4:62�73. doi: 10.1016/j.est.2015.09.006.

22.  White, C. M., R. R. Steeper, and A. E. Lutz. 2006. �The Hydrogen-Fueled Internal Combustion Engine: A Technical Review.� International Journal of Hydrogen Energy 31(10):1292�1305. doi: 10.1016/j.ijhydene.2005.12.001.

23.  Wu, Dongxiao, Jin Ren, Huw Davies, Jinlei Shang, and Olivier Haas. 2019. �Intelligent Hydrogen Fuel Cell Range Extender for Battery Electric Vehicles.� World Electric Vehicle Journal 10(2).

24.  Yang, Zhiman, Rongbo Guo, Xiaohui Xu, Xiaolei Fan, and Shengjun Luo. 2011. �Fermentative Hydrogen Production from Lipid-Extracted Microalgal Biomass Residues.� Applied Energy 88(10):3468�72. doi: 10.1016/j.apenergy.2010.09.009.

25.  Zhang, Shou Yu, Jian Wang, Jing Pei Cao, and Takayuki Takarada. 2011. �H2 Production from Fowl Manure by Low Temperature Catalytic Gasification.� Bioresource Technology 102(16):7561�66. doi: 10.1016/j.biortech.2011.05.037.

 

 

 

 

 

 

 

 

� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).x