Nuevas tecnologías
La propulsión mediante pila de combustible avanza a paso firme. Ahora, en California, Estados Unidos, se puso en marcha la autopista del hidrógeno.
Pila de combustible
Jerry Brown, gobernador de la quinta economía más grande del mundo, se lanzó a la lucha contra el calentamiento global que produce el efecto invernadero, contrariando al presidente Donald Trump, que pone en duda, sin ningún fundamento científico que lo avale, que dicho efecto es el que provoca grandes pérdidas humanas y económicas en el planeta. Ignora de manera olímpica los testimonios y advertencias de los más renombrados investigadores de una multitud de países, incluyendo del suyo, y por eso es que recibe andanadas de críticas a nivel nacional y global. California, el estado más poblado de los Estadis Unidos, tiene 40 millones de almas. Su gobernador declaró que California, tiene una las economías más prósperas, y que “pasa al ataque para la protección medioambiental”. Para el año
2025 el 50 por ciento de la producción eléctrica del estado tendrá que provenir de fuentes renovables (solar, geotérmica, eólica, hidráulica y otras), y 60 por ciento para 2030. Hacia ese año se espera que circulen en dicho estado un millón de automóviles con células de hidrógeno que reemplazarán a los motores térmicos, con una infraestructura de recarga de combustible que supera las mil estaciones. En la actualidad su número ya supera los cien puntos de recarga. Se reducirán los gases de efecto invernadero en 2,7 millones de toneladas y los óxidos de nitrógeno (NOx) 3,9 millones de toneladas. Es relevante también la reducción en el consumo de nafta: de 693 millones de galones (un galón equivale a 3,7 litros). La reducción será mucho mayor a medida que las fuentes de energía renovables produzcan más hidrógeno. “La tecnología está acá, ahora”, dice Jacquelyn Birdsall, ingeniera del proyecto California Fuel Cell Partnership (CaFCP), de West Sacramento,
California. Larry Watkins, un profesional colega de Jacquelyn, comparte su entusiasmo. Hace tiempo que conduce un Honda FCX Clarity, impulsado por pilas de combustible con una autonomía de cien kilómetros por kilogramo de combustible. Las pilas de combustible para rodados terrestres comenzaron a aplicarse hacia fines de la década de 1950, como podremos estudiar en la sección Hombres de auto de este número de Parabrisas.
Vida útil y autonomía extendida
La duración de las pilas de hidrógeno iguala a las del automóvil, de unos 300.000 kilómetros, y solo hay que reciclar en ellas una muy pequeña cantidad de platino. La autonomía del Toyota Mirai, por ejemplo, llega a los 480 kilómetros, antes de ser necesaria una carga de hidrógeno gaseoso, contenido en dos tanques de material compuesto con fibras de carbono, que combinados solo pesan 85,5 kg, y soportan una presión de 700 bar, conteniendo 5 kilos de hidrógeno presurizado. La compacta pila de combustible acusa un peso de 377 kg. con la carga completa de hidrógeno, y genera una tensión de 650 volts. En el ejemplo del Honda FCX Clarity, tiene una gran mejora en la eficiencia energética, ya que aprovecha el 60 por ciento de la energía generada en la pila de hidrógeno, frente al 30 por ciento de los híbridos y el 19 por ciento de los modelos con motor a nafta. Esto se traduce en una importante economía en el gasto en combustible, algo que alegra a los bolsillos de los afortunados propietarios. Expresado en cifras y haciendo la comparación con un Diesel de la misma potencia, el FCX Clarity de Honda consume el equivalente a 2,9 litros de gasoil cada cien kilómetros. Sus tanques pueden llenarse en un tiempo de 3 a 5 minutos en las estaciones de la “autopista del hidrógeno”, muy admiradas en California, como hemos señalado. Las pilas de combustible generan energía pero no la almacenan como en las baterías eléctricas, por lo que se necesita de ellas para el arranque y para otros fines específicos.
Cómo funciona
En la Biblia se narra una conversión milagrosa de agua en vino. En los libros de química se describe la disolución de agua en hidrógeno y oxígeno por vía electrolítica. Pero, ¿quién conoce los procesos inversos? En el primero de los casos es suficiente con una dilución del vino a gran escala. El segundo, esto es, la obtención de energía a partir de hidrógeno y oxígeno, es bastante más complejo. Los científicos e ingenieros a este principio en un sistema alternativo para la propulsión de automóviles: la llamada pila de combustible, también llamada de hidrógeno (fuel cell, en inglés). En una pila de combustible se obtiene electricidad
mediante la reacción del hidrógeno con el oxígeno en un proceso controlado. Para ello, los investigadores han desarrollado un elemento básico, la célula, en la que los gases no están directamente en contacto sino separados por una lámina de plástico. Esta lámina conduce la electricidad a modo de electrolito entre los dos electrodos, y el hidrógeno reacciona con el oxígeno del aire bajo las condiciones deseadas, generando vapor de agua. Este vapor es despedido al exterior a través del tubo de escape del automóvil junto con el aire residual. En la reacción se genera la energía eléctrica necesaria para la propulsión del automóvil, es decir que la pila alimenta o a uno o más motores eléctricos de impulsión. Pero, cabe preguntarse: ¿cómo es posible que reaccionen el oxígeno y el hidrógeno, si están separados entre sí por un electrolito? La explicación: la lámina de plástico es impermeable para los dos gases, pero no para los átomos de hidrógeno con carga eléctrica positiva, los llamados protones. Estas partículas, los núcleos de hidrógeno, atraviesan la lámina y dejan detrás de sí los electrones con carga eléctrica; por lo tanto, el electrodo del lado del hidrógeno (ánodo) asume una carga negativa. Los protones atraviesan el electrolito, aparecen en el lado contrario y reaccionan aquí con el oxígeno de aire, resultando agua pura. En esta reacción, el
electrodo del lado del oxígeno (cátodo) asume una carga eléctrica positiva. Es decir, entre el polo negativo del ánodo y el polo positivo del cátodo aparece una diferencia de tensión. Uniendo los dos electrodos por el exterior se cierra el circuito eléctrico y la electricidad puede salir de la pila. Las hojas de plástico (electrolito) de estas pilas están cubiertas a ambos lados por un catalizador a base de platino. El catalizador favorece la ionización del hidrógeno y la reacción de los iones de hidrógeno con los de oxígeno.
La producción de hidrógeno
La mayor parte del hidrógeno de los Estados Unidos se produce reformando gas natural usando vapor supercalentado para separar el hidrógeno del gas natural y las moléculas de agua. Parte del hidrógeno usado en los automóviles se produce por métodos alternativos, como reformar biomasa o usar electrólisis de agua a partir de energía renovable. Por ejemplo, los paneles solares fotovoltaicos de una de las estaciones de servicio en la actualidad ayudan a generar los 60 kW de electricidad necesarios para producir 24 kg de hidrógeno por día in situ. En el distrito de Orange, en California, las aguas residuales se transforman en electricidad, agua caliente e hidrógeno suficiente para abastecer 50 automóviles propulsados por pilas de hidrógeno por día. Según explica Jim Ohi, consultor del Departamento de Energía de los Estados Unidos con base en Denver, “Podrán venderse en todo el mundo automóviles propulsados por pilas de combustible producidas por diferentes fabricantes de varios países”. Pero incluso con tecnología y normas que ajusten bien, Ohi señala que el cambio del petróleo al hidrógeno como combustible no sucederá de la noche a la mañana. Los vehículos híbridos, lanzados por primera vez en el 2000, todavía representan aproximadamente el 3 por ciento de los automotores registrados en los Estados Unidos. “Llevará unos treinta años para que el parque automotor completo cambie”, dice. Mientras tanto, el hidrógeno, el elemento más abundante de universo, muestra sus dientes.