El vehículo de hidrógeno como alternativa sostenible

La economía del hidrógeno es un modelo en desarrollo que está cobrando relevancia, en el que el hidrógeno aparece como un vector energético con la capacidad de sustituir a los combustibles fósiles.

Para que una economía del hidrógeno sea posible todavía se debe mejorar la eficiencia en los aspectos más importantes para el uso del hidrógeno, como son la producción, el almacenamiento (en especial el almacenamiento a bordo) y el uso mediante la pila de hidrógeno.

El transporte una de las áreas que más depende actualmente de los combustibles fósiles para su funcionamiento, apareciendo como alternativa sostenible vehículos que utilicen el hidrógeno como fuente de energía y que tengan cero emisiones de CO2.

Para poder utilizar el hidrógeno se necesita convertir la energía química que acumula el hidrógeno en energía térmica, eléctrica o mecánica, según cuales sean las necesidades.

Para ello se utiliza lo que se conoce como pila o celda de hidrógeno, en la que se produce una reacción inversa a la hidrólisis, donde el hidrógeno reacciona con oxígeno liberando agua y energía.

La celda de hidrógeno fue diseñada por el científico y jurista galés Sir William Robert Grove (1811-1896) en el año 1839.

En su planteamiento, Grove utilizó 4 cubetas, que llenó hasta la mitad con una disolución de agua y ácido sulfúrico y 2 cavidades, una con hidrógeno y otra con oxígeno, con un electrodo de platino en cada una de ellas.

Al introducir hidrógeno y oxígeno en cada cubeta, Grove observó que se producir una reacción de oxidación que generaba una corriente eléctrica con una baja diferencia de potencial en cada cubeta, aumentando la diferencia de potencial uniendo en serie las cubetas.

Este experimento fue publicado con el nombre de celda voltaica en 1838 en The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science

Al realizar pruebas con esta pila, Grove observó que la eficiencia de la pila era muy baja, lo que sumado a la primera perforación del primer pozo industrial de petróleo en 1859 y a la aparición del motor interno de combustión en 1876, hicieron que esta pila quedara en el olvido.

La idea fue rescatada un siglo después cuando la NASA se interesó en el uso de hidrógeno como combustible en el proyecto Géminis. En 1959, un equipo liderado por Harry Irhig consiguió fabricar una celda de hidrógeno con una potencia de 15 kW, superando a la desarrollada de 5 kW en 1939 por Francis Bacon.

Más reciente, en 1993, aparecen los primeros autobuses que funcionan con pila de hidrógeno, lo que hace que varias empresas se interesaran en la idea de fabricar vehículos que funcionen con pilas de hidrógeno y, a partir de entonces la importancia de la pila de hidrógeno ha ido creciendo.

En relación al funcionamiento de la pila de hidrógeno, está se compone del ánodo, en el que se encuentra el hidrógeno, del cátodo, en el que se encuentra el oxígeno, y de una membrana electrolítica que cumple con 2 funciones: separar los 2 reactivos y permitir el flujo de iones, actuando como electrolito.

En el ánodo debe haber un catalizador que separa los electrones y los protones del hidrógeno, así los protones atraviesan la membrana mientras que los electrones son obligados a pasar por un circuito generando corriente eléctrica, llegando ambos al cátodo donde reaccionan con el oxígeno generando agua.

Si nos fijamos en las reacciones que tienen lugar dentro de la celda de hidrógeno, nos interesa separar la reacción directa del hidrógeno con el oxígeno en 2 fases, la primera de oxidación y la segunda de reducción, para así poder aprovechar el flujo de electrones.

Al combinar ambas reacciones obtenemos la reacción de combustión directa del hidrógeno y el oxígeno

La utilización de pilas de combustible de hidrógeno aparece como una alternativa para prescindir de los combustibles fósiles para la producción de energía junto con el vehículo eléctrico puro (BEV – Battery Electric Vehicle).

El vehículo de eléctrico utiliza una batería eléctrica para generar la energía mecánica necesaria para mover el coche mientras que el vehículo de hidrógeno utiliza la celda de hidrógeno para producir energía eléctrica que posteriormente es transformada en energía mecánica.

El coche de hidrógeno utiliza un motor de eléctrico, al igual que los coches tradicionales que utilizar un motor de combustión interna, pero en este caso el combustible es el hidrógeno por lo que las emisiones resultantes de la reacción son exclusivamente agua.

Esto supone un vehículo de emisión cero, es decir no emite gases ni partículas contaminantes.

Como hemos visto antes, la pila de hidrógeno convierte el hidrógeno en energía eléctrica, teniendo este proceso tiene una eficiencia del 80%.

Posteriormente un motor eléctrico transforma la energía eléctrica en energía mecánica con una eficiencia del 80%. En consecuencia, el motor de celda de hidrógeno tiene una eficiencia energética del 64%.

Esta eficiencia es inferior a la del coche eléctrico, que tiene una eficiencia que podemos identificar como del 72%.

Si comparamos la eficiencia del motor de hidrógeno con los motores de combustión interna podemos ver que los motores de combustión interna alcanzan su punto de máxima eficiencia cuando se acercan a su máxima potencia mientras que las pilas de hidrógeno tienen mayor rendimiento a cargas parciales.

Teniendo en cuenta que los motores de los vehículos trabajan la mayor parte del tiempo a cargas parciales, la eficiencia de las pilas de hidrógeno es mucho mayor que el de los motores de combustión interna, pudiendo llegar a duplicar la eficiencia de este.

En pruebas realizadas se puede observar que la pila hidrógeno llega a su eficiencia máxima (58,81 %) a un porcentaje de potencia del 16,67% de su potencia máxima.

En el caso del diésel el máximo de eficiencia (41,54%) a un 85,74% de su potencia máxima y en el caso de la gasolina, actúa con una eficiencia máxima (31,65%) al 72,69%.

Como podemos ver estas cifras nos indican que, salvados algunos problemas centrados en la producción sostenible del hidrógeno y en el almacenamiento a bordo, los vehículos de hidrógeno empiezan a salir de los laboratorios para ser una alternativa para determinados medios de transporte.

En el caso de los coches se están empezando a comercializar algunos modelos a nivel mundial, al igual que también aparecen autobuses y trenes de los que ya se han puesto en funcionamiento algunos prototipos de ambos.

Algo más lejano parece el uso de barcos y, sobre todo, aviones ya que la mayoría de proyectos se encuentran en vías de desarrollo.

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