FCEV: Vehículo Eléctrico de Pila de Combustible de Hidrógeno

En este artículo, el departamento especializado en formación del Grupo Serca, NEXT Sercaula, va a tratar una de las apuestas de diversos fabricantes de automoción en tecnología en un futuro a corto plazo de los vehículos.

NEXT

NEXT es el departamento de Grupo Serca que aúna los servicios de gestión, formación y consultoría para sus redes de talleres, SPG y Profesional Plus. Uno de sus departamentos es Sercaula, enfocado en la formación, donde se realizan no sólo formaciones dirigidas a los talleres sino que también los socios reciben diversos cursos especializados. En este caso es José Luis Soriano, ingeniero industrial responsable del área de formación del taller dentro del Grupo Serca, nos explica las claves para conocer mejor al FCEV: Vehículo Eléctrico de Pila de Combustible de Hidrógeno.

Los FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) tienen una estructura similar a lo que sería un vehículo híbrido en serie, y más concretamente un vehículo eléctrico con rango de autonomía extendida (RE BEV) pero sin motor térmico. Recordemos que la mayoría de los vehículos híbridos actuales poseen uno o varios motores eléctricos alimentados por una batería de alta tensión junto a un motor de combustión interna.

En lugar del motor térmico, tenemos una Pila de Combustible de Hidrógeno que genera electricidad durante el funcionamiento del vehículo y complementa la batería que alimenta el motor eléctrico para alargar la autonomía, una de las principales limitaciones del vehículo eléctrico.

Funcionamiento

El esquema básico de la celda unitaria de una pila (la pila de combustible consta de la asociación de múltiples celdas) dispone de dos electrodos:

  • El ánodo (donde se oxida el combustible).
  • El cátodo (donde el oxidante o comburente se reduce).

El electrolito actúa simultáneamente como aislante eléctrico, conductor de protones (cargas positivas) y separador de las reacciones que tienen lugar en el cátodo respecto a las que tienen lugar en el ánodo. Por consiguiente, los electrones (carga negativa) viajan desde el ánodo hasta el cátodo a través de un circuito externo, generando una corriente eléctrica, mientras que los protones lo hacen a través del electrolito. La reacción es exotérmica (Desprende Calor) en este tipo de pilas se suele utilizar hidrógeno como agente reductor y el oxígeno del aire como oxidante.

En lugar del motor térmico, tenemos una Pila de combustible de Hidrógeno que genera electricidad durante el funcionamiento del vehículo y complementa la batería que alimenta el motor eléctrico para alargar la autonomía.

Una ventaja de utilizar la combinación de hidrógeno con oxígeno, es que el único producto de la reacción es agua.

La diferencia de potencial generada por una celda es inferior a un voltio, por lo que hay que conectar en serie varias para obtener las tensiones.

En funcionamiento ni el vehículo eléctrico, ni el vehículo de pila de combustible de hidrógeno generan emisiones contaminantes a nivel local. Sin embargo, a nivel global, es decir, considerando la generación de la energía eléctrica, o la producción del hidrógeno, sí generan emisiones.

Emisiones

Las emisiones generadas dependen del tipo de fuente de energía que se haya empleado para generar la electricidad, pues cada una tiene su correspondiente factor de emisiones. Generar electricidad con carbón es un sinsentido a nivel ecológico pues provoca que el coche eléctrico genere más emisiones incluso que un coche con motor de combustión interna, y en cambio si la electricidad se genera mediante fuentes renovables sus emisiones son notablemente menores.

El hidrógeno es un combustible, pero no es una fuente de energía. No podemos encontrar hidrógeno en la naturaleza listo para ser utilizado.

Realizar 100 km con un coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno es más caro que con un coche eléctrico, y en según qué casos incluso algo más caro que con un coche de gasolina o gasóleo: viene a costar entre 8 y 10 euros los 100 km.

El hidrógeno se puede extraer de diferentes compuestos, por ejemplo, del agua mediante electrólisis, de biomasa, o también de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo o el gas natural. Hoy en día alrededor del 96% del hidrógeno que se consume en el mundo se ha obtenido a partir de un combustible fósil, básicamente gas natural, por tanto, ni es renovable ni es cero emisiones.

Si pensamos en términos de contaminación del aire, de reducir emisiones de todo tipo, además de las de dióxido de carbono (CO₂), es imprescindible obtener hidrógeno de manera renovable y no como se está produciendo.

Rendimiento

Imagen 1

El rendimiento del proceso que tiene lugar en la pila de combustible para obtener electricidad no es un ciclo ideal, como ningún proceso, y su rendimiento eléctrico suele estar entre un 50% y un 60%, comparado a un vehículo eléctrico que puede alcanzar el 95%, siempre partiendo de vehículo ya recargado. Después de toda la energía consumida para obtener el hidrógeno, también hay que consumir energía para comprimirlo, desde la presión atmosférica hasta incluso 700 bares de presión para rellenar los tanques de los coches.

La vida útil de la pila de combustible se ha ido mejorando, pero tiene unas pérdidas entorno al 7% cada 100.000km.

Respecto a los tanques de hidrógeno, normalmente cilíndricos y de fibra de carbono y otros materiales compuestos muy resistentes debido a la ata presión, y además ocupan mucho volumen.

La vida útil de los tanques de hidrógeno, al menos por una cuestión normativa y de seguridad, está limitada a 15 años. No olvidemos que 700 bares de presión es mucha presión. Recordamos también que el hidrógeno es muy inflamable. (Ver imagen 1)

Los vehículos eléctricos de pila de combustible de hidrógeno, a día de hoy, tienen como ventaja una mayor autonomía y una “recarga más rápida”, pero son mucho más caros que los vehículos 100% eléctricos y que los híbridos o los híbridos enchufables.

Realizar 100 km con un coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno es más caro que con un coche eléctrico, y en según qué casos incluso algo más caro que con un coche de gasolina o gasóleo: viene a costar entre 8 y 10 euros los 100 km. Producir hidrógeno actualmente no es barato porque se ha de pagar el coste de la materia prima y de la energía consumida. Si se produce por electrólisis del agua, para que sea renovable, resulta incluso el doble de caro que por reformado de gas natural. Es por esto por lo que se están investigando y desarrollando nuevos métodos de producción de hidrógeno, más económicos, o renovables, o ambas cosas a la vez. En comparativa realizar 100 km con gasolina cuesta una media de 5,27 euros, y con electricidad bajarían a 2,38 euros (y la mitad con tarifa nocturna).

Algunos fabricantes comercializan un punto de suministro energético externo, para conectar al gas natural doméstico. (Ver imagen 2)

La pila de combustible de hidrógeno impone una limitación de potencia de los vehículos, pues cuanto más potente, más grande y cara resulta. También el que la batería de propulsión sea pequeña y no tenga mucha reserva de potencia limita la potencia máxima del vehículo.

Conclusión

Los vehículos eléctricos de pila de combustible de hidrógeno, a día de hoy, tienen como ventaja una mayor autonomía y una “recarga más rápida”, pero son mucho más caros que los vehículos 100% eléctricos y que los híbridos o los híbridos enchufables. Mientras un coche eléctrico de baterías de tamaño medio y unos 140CV puede costar sin subvenciones unos 36.000 euros, el coche de pila de combustible equiparable puede costar 100.000 euros. Pero además como hemos visto el coste por kilómetro es alto. Los depósitos de hidrógeno ocupan mucho espacio, por eso los prototipos más razonables suelen ser monovolúmenes y todoterrenos (con más altura al suelo) o berlinas de 5 metros (sin problemas de maletero). Y encima, el hidrógeno que se consume se obtiene de combustibles fósiles.

Parece que los vehículos eléctricos de pila de combustible no son todavía una opción a día de hoy dentro de los vehículos eléctricos. Tienen seguir investigando para mejorar su rendimiento, reducir su elevado coste, aumentar su fiabilidad y durabilidad y reducir su peso. Veremos lo que avanza esta tecnología en unos años.

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