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Introducción Vivimos en un mundo transitorio. Las necesidades y las problemáticas actuales exigen un cambio tecnológico, especialmente en el sector energético donde el ámbito del transporte juega un papel fundamental. En México, el 25% de las emisiones de gases de efecto invernadero originadas por el transporte se deben al uso continuo de combustibles fósiles, [1]. Por ello, es sumamente necesario desarrollar estrategias enfocadas a resolver este problema, siendo una de ellas la electrificación del transporte. La preocupación del cuidado del medio ambiente y el uso de vehículos sustentables a partir de tecnologías verdes y combustibles alternativos han impactado fuertemente en la conciencia de la sociedad. Compañías como Tesla, BMW, Toyota y HYUNDAI están a la cabeza en el desarrollo de tecnologías aplicadas a vehículos eléctricos, buscando que su adopción disminuya la huella de carbono hasta erradicarla por completo de la cadena de suministro. La meta es reducir el uso de combustibles fósiles e impulsar tecnologías basadas en otro tipo de energía, como la energía eléctrica proveniente de fuentes renovables. De ahí el término de electromovilidad. La electromovilidad engloba a los diferentes medios de transporte, que incluye vehículos personales, de transporte de personal, de carga, trenes, aviones y transporte marítimo. Se pueden tener vehículos puramente eléctricos (EV) e híbridos eléctricos (HEV), teniendo estos últimos otras clasificaciones dependiendo de las tecnologías que se involucren en su autonomía o en la configuración del tren motriz, [2, 3]. Dentro de esta clasificación existe una tecnología con un impacto muy bajo, casi nulo, en la huella de carbono, que se basa en el uso del hidrógeno para generar energía. Los vehículos que emplean esta tecnología se denominan híbridos eléctricos de celda de combustible (FCHEV). La producción de hidrógeno (H2) se da principalmente a partir de hidrocarburos, a través del proceso de reformado de gas natural u oxidación parcial o, partiendo del agua mediante el proceso de electrólisis. Para obtener el H2 tanto de los hidrocarburos como del agua, es necesario suministrar energía, ya sea en forma de corriente eléctrica, calor o luz. La electricidad y el calor pueden estar disponibles de maneras muy distintas y, dependiendo del proceso, influir de manera significativa en el costo de extracción del hidrógeno. Las emisiones y el impacto medioambiental de cualquier proceso previo deben atribuirse al hidrógeno producido directamente en la huella del carbono. Actualmente, la producción de hidrógeno a partir de hidrocarburos comprende el 96% del mercado, mientras que la generación vía electrólisis es del 4%. Los procesos termoquímicos, fotocatalíticos o fotobiológicos están aún en desarrollo, por lo que no tienen participación significativa en el mercado. No obstante, las ventajas del uso del hidrógeno como fuente de energía para vehículos eléctricos (FCHEV) presentan viabilidad de desarrollo y comercialización, [4].
Vehículos híbridos eléctricos de Celdas de Combustible (FCHEV) Los vehículos eléctricos de celdas de combustible, tienen la característica de no emitir gases contaminantes, ya que la reacción química que se lleva a cabo produce vapor de agua. Gracias a ello, el hidrógeno se considera un combustible alternativo para la movilidad. Actualmente se comercializan diversos vehículos, y se desarrollan otros tantos, cuya fuente de energía la constituyen celdas de combustible. Por ejemplo, el Toyota Mirai, el cual se convirtió en el vehículo híbrido eléctrico a celdas de combustible con mayor autonomía al recorrer 1003 km con una carga de 5,6 kg de hidrógeno. Este vehículo rompió el récord que, por diferencia de días, tenía el Hyundai Nexos, que se desplazó 886 km con una sola carga de hidrógeno y que, pocos meses atrás, había obtenido la marca de 778 km con la misma carga. Ambos automóviles se muestran en la Figura 1.
Figura 1. Izquierda: TOYOTA MIRAI. Derecha: HYUNDAI NEXO.
El Toyota Mirai, de tracción trasera, cuenta con un motor eléctrico de imanes permanentes de 187 hp de potencia (150 kW) y un par máximo de 300 Nm. Tiene tres depósitos de hidrógeno líquido con una capacidad de 5,6 kg para una autonomía de 650 km, dependiendo del tipo de manejo y el terreno (récord de 1003 km), dando un rendimiento de 0,5 kgH2/100 km. Cuenta con una batería de respaldo de 1,2 kW para demandas de potencia abruptas en aceleración, logrando alcanzar una velocidad de 0 a 100 km/h en 9s y una velocidad máxima de 175 km/h (Figura 2). La carga de hidrógeno requiere de estaciones de llenado con presión de 700 bar, permitiendo al usuario reabastecerse en sólo 3 min o, en casos donde se tenga 300 bar, con medio tanque en el mismo tiempo. Por otra parte, el Hundai Nexos tiene una potencia de 160 hp (120 kW) en el motor de tracción trasera, con un par máximo de 395 Nm, que declara una autonomía de 666 km con 6,7 kg de hidrógeno y, por tanto, un rendimiento de 0,99 kgH2/100 km. Cuenta con una batería de 40kW, permitiendo tener una aceleración de 0 a 100 km/h en 9,2s con una velocidad máxima de 160 km/h.
Figura 2. Disposición de componentes del TOYOTA MIRAI. Las tecnologías de las celdas de combustible pueden ser aplicadas no solamente a vehículos personales, sino también a vehículos de transporte de carga o de pasajeros. Por ejemplo, el camión GenH2 de la marca Mercedes Benz, con su matriz Daimler, fue desarrollado para tener una autonomía de 1000 km y transportar entre 25 y 40 toneladas de carga. Se tiene contemplado que, para el año 2023, empiecen las primeras exportaciones de este tipo de vehículos. Toyota, por su parte, desarrolló un autobús con celdas de combustible llamado Sora, con capacidad de 79 pasajeros y con una fuente de suministro de hasta 235 kWh, compuesta por dos celdas de combustible de 114 kW cada una. La capacidad de hidrógeno es de 600 litros en 10 tanques y utiliza un motor de CA con par máximo de 335 Nm y 113 kW de potencia.
Figura 3. Mercedes Benz GenH2.
Figura 4. Composición del Toyota SORA. Por otra parte, en México también se desarrolla tecnología para vehículos híbridos eléctricos de celdas de combustible. El CINVESTAV, del Instituto Politécnico Nacional, desarrolló en 2015 un prototipo llamado NaYa’a (“limpio” en zapoteco) y otro en 2018 llamado Sicarú, mostrados en la Figura 5. Pese a su baja potencia, solamente 2.5 hp y velocidad máxima de 35 km/h, son una evidencia clara del esfuerzo que se realiza para desarrollar alguna alternativa de solución para la contaminación en la Ciudad de México, [9,10]. Otro prototipo de vehículo eléctrico, es el desarrollado de manera conjunta por instituciones como INEEL, IPICYT, ITESM campus Toluca y CENIDET, bajo auspicio de CONACYT, el cual cuenta con una potencia de 4 kW en conjunto con un banco de baterías de litio y un sistema de supercapacitores, que alcanza una velocidad de 40 km/h (Figura 6) y está pensado como medio de transporte en zonas hoteleras en el sur del país, [11, 12].
Figura 5. Vehículos Naya'a y Sicarú, CINVESTAV - IPN.
Figura 6. Vehículo eléctrico utilitario con celdas de combustible a hidrógeno, CONACYT - Sustentabilidad.
La implementación de celdas de combustible en vehículos eléctricos ha sido un objetivo de fabricantes automotrices y de grupos de investigación sobre movilidad, cuya conclusión general, ha sido que el adoptar esta tecnología permitirá reducir el impacto negativo en el medio ambiente. La base común de una batería y de una celda de combustible (o pila de combustible), es que ambos suministran energía eléctrica a partir de reacciones químicas. La diferencia notable es que la batería retiene y libera gradualmente la energía almacenada, mientras que la celda la genera en función del hidrógeno disponible para llevar a cabo la reacción. Celdas de combustible Actualmente se identifica el estudio y desarrollo de cinco tipos de celdas de combustible: la alcalina (AFC), la de membrana de intercambio de protones (PEM), la de ácido fosfórico (PAFC), la de carbonato fundido (MCFC) y la de óxido sólido (SOFC), [13]. Estos cinco tipos difieren en términos de eficiencia, temperaturas de funcionamiento y requisitos de combustible de entrada, como se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1. Tecnologías de celdas de combustible.
La celda de combustible PEM se considera una de las principales candidatas para su uso en aplicaciones de automoción por su mayor densidad de potencia (potencia por área activa de la celda de combustible), menor temperatura de funcionamiento (alrededor de 80 °C) y mayor rapidez de arranque (menos de 1 minuto). Estas celdas producen electricidad mediante reacciones óxido-reducción, a partir de la energía química almacenada en el combustible. Los canales de flujo de gas aseguran que haya un caudal continuo de combustible (hidrógeno, H2) hacia el ánodo y un flujo continuo de oxidante (O2) hacia el cátodo (Figura 7).
Figura 7. Constitución de una celda de combustible.
En el caso de las aplicaciones automovilísticas, el hidrógeno se suministra directamente desde el almacenamiento a bordo (hidrógeno directo) o mediante el reformado a bordo de un combustible portador de hidrógeno. Una membrana electrolítica separa los dos electrodos y los productos de la reacción de la celda son agua, en forma de vapor, energía eléctrica (corriente eléctrica con su correspondiente voltaje) y energía térmica. Es común utilizar un arreglo de varias células en serie o en paralelo para formar la celda de combustible, con el fin de producir una tensión suficiente para ser implementado directamente en el riel de corriente directa de alimentación hacia el controlador del motor eléctrico. Uno de los aspectos más importantes a considerar en aplicaciones de alta demanda de energía eléctrica, es la curva de polarización, característica relevante de cualquier celda de combustible que indica el comportamiento de la demanda de corriente contra el voltaje suministrado. Un ejemplo de curva de polarización típica de una celda de combustible se presenta en la Figura 8, [13, 14].
Figura 8. Curva característica I-V de una celda de combustible y curva de potencia.
Cabe mencionar que, para una densidad de corriente dada, el aumento de la presión del cátodo o el aumento de la temperatura de funcionamiento de la celda de combustible generalmente da lugar a un mayor voltaje, mayor densidad de potencia y mayor eficiencia energética. Además, para un conjunto determinado de condiciones, la tensión disminuye al aumentar la densidad de corriente y, en general, la potencia producida aumenta hasta que se alcanza una densidad de corriente que produce la máxima potencia, para luego disminuir. Modelación de sistemas con celdas de combustible La celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) es una fuente potencial de energía para vehículos eléctricos híbridos. Puesto que los sistemas de celdas de combustible son grandes y complejos, se necesitan modelos precisos para estimar los requerimientos de sistemas auxiliares necesarios para su uso en el HEV. Por lo general, el uso de técnicas de modelización de las celdas de combustible evita la necesidad de construir enormes y costosos prototipos. La Figura 9 representa de forma esquemática el sistema de potencia híbrido celda de combustible/batería, en el que el banco de baterías se utiliza para compensar la lentitud de arranque y respuesta transitoria del procesador de combustible, además de que también puede utilizarse para el frenado regenerativo, [15].
Figura 9. Diagrama esquemático de un sistema de alimentación híbrido de celda de combustible/batería.
Dado que los sistemas de celdas de combustible son grandes, complejos y costosos, el diseño y la construcción de nuevos prototipos son difíciles, por lo que la alternativa viable es modelar el sistema y examinarlo mediante simulaciones, [14, 15]. El sistema de alimentación consiste de un reformador, una celda de combustible (stack) y un sistema CD/CD (reductor/elevador) o un convertidor de CD/CA (inversor). La salida final del convertidor electrónico de potencia está en la forma requerida de CD o CA, adquirida a partir de la salida de CD de bajo voltaje de la celda, pero de alta corriente. Esto se toma como un circuito eléctrico equivalente de un sistema de potencia de la celda de combustible, que puede simularse fácilmente con un software de simulación. Conclusión general Los vehículos eléctricos han tenido un fuerte desarrollo en los últimos años. No obstante, una de las principales dificultades es la generación y almacenamiento de la energía eléctrica para una mayor autonomía, además de los problemas asociados a la implementación de cargadores de las baterías. Una alternativa para sortear estas dificultades es el uso del hidrógeno como combustible que, además, produce como residuo vapor de agua. Sin duda, el estudio del funcionamiento de las celdas de combustible tiene un futuro prometedor. Si se mantiene la tendencia y se logran perfeccionar las técnicas de obtención de hidrógeno a partir de energías verdes, es posible que sea la alternativa más viable para la movilidad del futuro. Además, gracias a su principio de operación, será parte importante de la solución para disminuir los gases de efecto invernadero y de contaminación del aire. Referencias: [1] Inventario Nacional de Emisiones de Gases de Efecto Invernadero, Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático, 2015. [2] S.S. Williamson, Energy Management Strategies for Electric and Plug – in Hybrid Electric Vehicles, 1st ed, Springer. 2013. [3] M. Nikowitz, Advanced Hybrid and Electric Vehicles: System Optimization and vehicle integration, 1st ed, Springer. 2016. [4] Marco A. Hernández-Nochebuena, Ilse Cervantes, Ismael Araujo-Vargas, The effect of the energy interchange dynamics on the zero-energy hydrogen economy of households with FC hybrid electric vehicles, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 46, Issue 40, 2021, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.03.233. [6] https://www.h2-international.com/wp-content/uploads/2019/05/H2-international-April-2019.pdf [7] https://www.h2-international.com/wp-content/uploads/2020/02/H2-international-February-2020.pdf [8] https://www.h2-international.com/wp-content/uploads/2020/05/H2-international-May_2020.pdf [9] https://manufactura.mx/tecnologia/2015/08/31/naya-un-vehiculo-mexicano-a-base-de-hidrogeno [10] https://conexion.cinvestav.mx/Publicaciones/veh237culos-con-hidr243geno [12] https://www.youtube.com/watch?v=_b9UJP8tutk [13] J.H. Hirschenhofer, D.B. Stauffer, R. R. Engleman, M.G. Klett, Fuel Cell Handbook, 4th edn, DOE/FETC-99/1076 [14] J Töpler, J. Lehmann, Hydrogen and Fuel Cell, Technologies and Market Perspectives, 1st ed, ed. Springer. 2016. [15] A.F. Burke, Prospects for Ultracapacitors in electric and hybrid vehicles, in Proceedings of IEEE 11th Annual Battery Conference on Applications and Advances, Long Beach, Jan 1996, pp. 183–188.
HERNÁNDEZ Marco FABELA Manuel CRUZ Mauricio FLORES Oscar |
