Celdas De Hidrógeno El Futuro Automovilístico Sustentable Ecológico y Verde!

Has escuchado hablar de las celdas de hidrógeno ? o de los carros supuestamente ecológicos ? Pero primeramente. Sabes que es el hidrógeno y como funciona en tu vehículo? Existe una tendencia automovilística. Que se inclina hacia las energías limpias. Y otra más conservadora que apuesta a lo tradicional en el uso del combustible fósil.

En este artículo que traemos para ti. Abordaremos con detalle el uso de  las celdas de hidrógeno. Sus características historia, ventajas y demás puntos de interés. Que esperemos sean de tu agrado. 

El Hidrógeno 

Es el elemento más abundante en el universo, pero la mayoría de los átomos del hidrógeno (H2). Están unidos con otros átomos de carbono y/o oxígeno, si queremos tener solo átomos de hidrógeno tendremos que separarlos y para ello necesitaremos gran cantidad de energía. 
En la Tierra el hidrógeno se encuentra mayormente. Como agua (líquida, vapor, hielo) o combinado con otros elementos formando compuestos. Como el metano o gas natural (CH4), metanol (CH3OH), etanol (CH3CH2OH) o hidrocarburos (CnHm). 

La manera más fácil y limpia de obtener hidrógeno. Es mediante la “electrólisis“: se sumergen dos electrodos en agua. Se aplica electricidad y se obtiene gas hidrógeno. Del electrodo negativo y oxígeno del positivo. Pero la electrólisis sólo es económica y limpia cuando la electricidad. Que se utiliza sea obtenida por medios que no contaminen el medio ambiente. Lo que quiere decir que no lo es tanto actualmente. Ya que la mayoría de la energía eléctrica que se produce. Está basada en la combustión de combustibles. Derivados del petróleo, carbón, etc. Se llamaría Hidrógeno “sucio”. A todo aquel generado por medio de combustibles derivados de combustibles fósiles. 

celdas de hidrógeno la novedad

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Hidrógeno Limpio o Sucio ? 

Sin embargo. El hidrógeno puro no es la panacea. Pues presenta varios problemas. Para empezar, su producción (la electrólisis) es cara y contaminante. Pues requiere mucho consumo eléctrico. Y la electricidad actualmente se produce a partir de fuentes de energía convencionales. Como el petróleo, el gas o las centrales atómicas. 

Algunos investigadores sugieren. El empleo de la energía eléctrica producida por energía eólica (viento). Solar, hidráulica, que es limpia. Se podrían colocar equipos de electrólisis al pie de estas centrales. Y así aprovechar la electricidad excendentaria que producen. Lo malo es que estas formas de generar energía. Todavía son minoritarias. Para abastecer un futuro parque automovilístico movido por hidrógeno. 

La otra forma de conseguir Hidrógeno. En este caso el “sucio” seria a partir del proceso de “reformado” (suministrando calor). A derivados del petróleo que tienen alto porcentaje de hidrogeno. Como citamos anteriormente: metano o gas natural (CH4), metanol (CH3OH), etanol (CH3CH2OH) o hidrocarburos (CnHm). También se puede utilizar el proceso de “reformado”. Con combustibles derivados de la Biomasa (Biogas, Bioalcohol).  

Biomasa y Medio Ambiente 

En este caso teniendo en cuenta el medio ambiente. El aprovechamiento energético de la biomasa. No contribuye al aumento de los gases de efecto invernadero. Dado que el balance de emisiones de CO2 a la atmósfera es neutro. En cambio, el carbono que se libera a la atmósfera. Al quemar combustibles fósiles es el que está fijo a la Tierra desde hace millones de años. 
Ya que el CO2 generado en la combustión de la biomasa. Es reciclado mediante la fotosíntesis en el crecimiento de las plantas. Necesarias para su producción y, por lo tanto. No aumenta la cantidad de CO2 presente en la atmósfera. Podemos decir que el “reformado”. Es mas barato que la electrólisis y en contra tiene. El ser más contaminante. 

La obtención de hidrógeno. La infraestructura correspondiente. La técnica de respostaje y el almacenamiento a bordo. Son costosos y en la actualidad estas cuestiones aún no se han resuelto. De forma totalmente satisfactoria desde un punto de vista técnico y económico. La generación de hidrógeno mediante electrólisis. Consume gran cantidad de energía eléctrica. Como hemos indicado anteriormente. Actualmente, el hidrógeno se obtiene a escala industrial. Casi exclusivamente mediante un proceso de reformado con vapor (steam reforming). A partir de gas natural. Si bien ello implica liberar CO2 en dicho proceso. 

Celdas de Hidrógeno de Combustible

Una celda de combustible. Es un dispositivo electroquímico cuyo concepto es similar al de una batería. Consiste en la producción de electricidad mediante. El uso de químicos, que usualmente son hidrógeno y oxígeno. Donde el hidrógeno actúa como elemento combustible. Y el oxígeno es obtenido directamente del aire. También pueden ser usados otros tipos de combustibles. Que contengan hidrógeno en su molécula, tales como. El gas metano, metanol, etanol, gasolina o diesel entre otros.

Debido a que la generación de energía eléctrica es directa. La eficiencia que alcanza una celda de combustible puede ser muy elevada. Además al no tener partes en movimiento son muy silenciosas. Sumado a todo esto hay que agregar que las celdas de hidrógeno de combustible. No usa la combustión como mecanismo de generación de energía. Lo que la hace prácticamente libre de contaminación.

Las celdas de combustible individuales. Pueden combinarse para producir motores más potentes impulsados por ejemplo a hidrógeno.

Pueden Ser Fabricadas De Distintos Tamaños Y Para Distintas Aplicaciones:

  • Aplicación Estacionaria: más de 2500 sistemas de celdas combustibles han sido instaladas a nivel mundial. En hospitales, hoteles, colegios, entre otros. Las celdas de hidrógeno de combustible son conectadas. A una rejilla para suministrar energía eléctrica adicional. Para la planta o como un sistema independiente de la rejilla. Para generar electricidad en áreas remotas o desoladas
  • Aplicación en Transporte
  • Telefonía Celular

Funcionamiento de las Celdas de Hidrógeno

El funcionamiento de una celda de hidrógeno. Consiste básicamente en la oxidación del hidrógeno en agua. Generando energía eléctrica y calor directamente. Sin pasar por generadores u otros artefactos. Todas las celdas de hidrógeno de combustible está compuesta. Por un ánodo, un cátodo y electrólitos.

Sin embargo. Siendo la oxidación del hidrógeno igual para todos los tipos de celdas de hidrógeno. Los materiales usados en éstas son muy variados. La reacción producida. Da lugar a la formación de electricidad, calor y agua. Esto se logra alimentando el hidrógeno en el ánodo de la celda y el oxígeno en el cátodo, los cuales están separados por una membrana electrolítica.

Reacción de la Celda

La reacción se produce dentro de la celda misma. La producción de agua. Toma lugar en distintas partes de la celda. Dependiendo del electrólito utilizado. El hidrógeno fluye hacia el ánodo de la celda. Donde una cubierta de platino. Ayuda a quitar los electrones a los átomos de hidrógeno dejándolo ionizado. O sea, en forma de protones (H+ ). La membrana electrolítica. Permite el paso solo de los protones hacia el cátodo.

Debido a que los electrones no pueden pasar. A través de la membrana, se ven forzados a salir del ánodo. Por un circuito externo como forma de corriente eléctrica. Esta es la corriente eléctrica que se utiliza. Para hacer funcionar los artefactos.

Luego, a medida que el cátodo deja fluir. A través de él al oxígeno. Este se combina con los protones y los electrones. Anteriormente citados para formar agua. Como esta reacción naturalmente. Está desplazada hacia la formación de agua. Cuando se produce, se libera energía en forma de calor. Ésta es una reacción positiva. Y por lo tanto exotérmica.

El Proceso Químico

Este proceso se lleva a cabo es el siguiente manera:

Ánodo: 2H2 4H+ + 4e

Cátodo: 4H+ + 4e- + O2 2H2O

Reacción Global: 2H2 + O2 2H2O

Esta operación. Se puede hacer de manera continua. Si los suministros de componentes se hacen. En forma constante y a un régimen de flujo estable.

En este tipo de operación. Al hacerse en forma isotérmica. Las limitaciones termodinámica para el rendimiento no existen (Ciclo de Carnot).

Tipos de Celdas

Ácido Fosfórico (PAFC) Temperatura de Operación: 

220 °C Este es el tipo de celda. Más desarrollado a nivel comercial. Y ya se encuentra en uso en aplicaciones tan diversas como. Clínicas, hospitales, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas eléctricas y una terminal aeroportuaria. Las celdas de combustible de ácido fosfórico. Generan electricidad a más del 40% de eficiencia. Y cerca del 85% si el vapor que ésta produce. 

Es empleado en cogeneración. Comparado con el 30% de la más eficiente máquina de combustión interna. Este tipo de celdas puede ser usado en vehículos grandes como autobuses y locomotoras. Existen en producción comercial unidades de alrededor de 200 kw.   

funciones de las celdas de hidrógeno

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Carbonato Fundido (MCFC) Temperatura De Operación:  

600 °C Las celdas de combustible de carbonato fundido. Prometen altas eficiencias combustible-electricidad. Y la habilidad para consumir combustibles a base de carbón. En este tipo de celdas. Es aprovechada la electricidad y el calor generado.  

Óxido Sólido (SOFC) Temperatura de Operación:

500 – 1000 °C Es una celda de combustible altamente prometedora. Podría ser utilizada en aplicaciones grandes de alta potencia. Incluyendo estaciones de generación de energía eléctrica. A gran escala e industrial. Algunas organizaciones que desarrollan este tipo de celdas. También prevén el uso de éstas en vehículos motores. Las unidades que se abrigan. Van desde 25 hasta 100kw de potencia.

Un sistema de óxido sólido. Normalmente utiliza un material duro cerámico. En lugar de un electrolito líquido. Permitiendo así que la temperatura de operación sea muy elevada. Las eficiencias de generación de potencia pueden alcanzar un 60%.  

Alcalinas Temperatura De Operación:  

50 – 250 °C Utilizadas desde hace mucho tiempo por la NASA. En misiones espaciales, este tipo de celdas. Pueden alcanzar eficiencias de generación eléctrica de hasta un 70%. Estas celdas utilizan hidróxido de potasio como electrólito. Hasta hace poco tiempo. Eran demasiado costosas para aplicaciones comerciales. Pero varias compañías están examinando la forma de reducir los costos. Y mejorar la flexibilidad en su operación.  

Polímero Sólido. Membrana de Intercambio Protónico (PEM) Temperatura de Operación:  

50 – 100 °C Tienen una densidad de potencia alta. Pueden variar su salida para satisfacer cambios en la demanda de potencia. Y son adecuadas para aplicaciones. Donde se requiere una demanda inicial de energía bastante importante. Tal como en el caso de automóviles. De acuerdo con el Departamento de energía de los Estados Unidos.

“Son los principales candidatos para vehículos ligeros, edificios. Y potencialmente otras aplicaciones mucho más pequeñas. Tales como baterías recargables para videocámara”. La potencia máxima suministrada por estas baterías varía de 50 W a 75 kW.   

Vehículos de Hidrógeno 

Los vehículos de hidrógeno en realidad son eléctricos. Sólo que en lugar de utilizar energía almacenada en baterías. Lo hacen generando corriente. Al hacer pasar oxígeno e hidrógeno por una sofisticada y costosa unidad denominada. Celdas de hidrógeno o de Combustible. 

Un vehículo de hidrógeno. O vehículo impulsado por hidrógeno. Es un vehículo de combustible alternativo. Que utiliza hidrógeno diatómico como su fuente primaria de energía para propulsarse. 

Estos vehículos utilizan generalmente el hidrógeno. En uno de estos dos métodos: combustión. O conversión de pila de combustible o celdas de hidrógeno. En la combustión. El hidrógeno se quema en un motor de explosión. De la misma forma que la gasolina. En la conversión de pila de combustible o celdas se hidrógeno. 

El hidrógeno se oxida y los electrones que este pierde. Es la corriente eléctrica. Que circulará a través de pilas de combustible que mueven motores eléctricos. De esta manera. La pila de combustible funciona como una especie de batería. 

El vehículo con pila de combustible. Se considera un vehículo de cero emisiones. Porque el único subproducto del hidrógeno consumido es el agua. Que adicionalmente. Puede también mover una micro-turbina 

Honda como Pionera

A enero de 2010. La Honda es la única firma que ha obtenido (hasta ahora). La homologación para comercializar su vehículo impulsado por este sistema. El FCX Clarity, en Japón y Estados Unidos. El FCX Clarity. Empezó a comercializarse en Estados Unidos en julio de 2008. Y en Japón en noviembre del mismo año. De momento. La compañía no ha anunciado planes de comercializarlo en Europa. Aunque sí se sabe que en el centro de I+D de Honda. En Alemania ya trabajan con él. 

celdas de hidrógeno energía verde

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La Electricidad se genera Mediante El siguiente proceso: 

  1. Se hace pasar por un electrodo. De la celda el Hidrógeno almacenado a 5.000 psi (el estándar de la industria será 10.000 psi). Ypor el otro Oxígeno. 
  2. Ambos elementos pasan a lo largo de una membrana. Que está compuesta por metales preciosos como el Paladio. Que separa los electrones del Hidrógeno. Los mismos que son utilizados para surtir el motor eléctrico.Los protones atraviesan la membrana y se unen al oxígeno.
  3. Al terminar el paso de los elementos por la celda.Se obtiene electricidad para el motor por un lado y vapor de agua por el otro.Al unir el hidrógeno des ionizado y el oxígeno. 

Si es tan ecológico ¿Por qué no se usa masivamente el Hidrógeno? 

Hay varios problemas. Si bien el hidrógeno es uno de los elementos más abundantes. No es fácil encontrarlo en estado puro. Para ello es necesario “producirlo”. Y los métodos pueden ser a partir de hidrocarburos. O separándolo del agua con electricidad. En el primer caso no es tan conveniente. Ya que sigue dependiendo de una fuente contaminante y no renovable. En el segundo depende de cómo se generó esa electricidad. Si fue mediante represas, viento o colectores solares. Entonces si es ecológico. 

Otro problema de las Celdas de Hidrógeno. Es su alto costo de producción ya que aún se necesitan materiales preciosos para funcionar. Aunque ya se están haciendo avances en ese sentido. Además. Las membranas tienen una degradación. Que va mermando su rendimiento con el tiempo. 

Finalmente es necesario generar una red de abastecimiento, para los vehículos de hidrógeno y eso requiere un trabajo conjunto entre gobiernos. Proveedores y las automotrices. 

Automóviles 

En la Unión Europea, está en vigor el Reglamento (CE) n° 79/2009 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 14 de enero de 2009. Relativo a la homologación de los vehículos de motor impulsados por hidrógeno y que modifica la Directiva 2007/46/CE. 

  • Vehículo impulsado por hidrógeno: cualquier vehículo de motor que utilice hidrógeno. Como combustible de locomoción: 
  • Componente de hidrógeno: el depósito de hidrógeno y todas las demás partes del vehículo. Impulsado por hidrógeno que estén en contacto directo con el hidrógeno. O que formen parte de un sistema de hidrógeno. 
  • Sistema de hidrógeno: el conjunto de componentes de hidrógeno. Y de conectores equipados en los vehículos impulsados por hidrógeno. A excepción de los sistemas de propulsión y las unidades de potencia 

celdas de hidrógeno

 

Fabricantes de Automóviles de Hidrógeno 

 

  • BMW 
  • Honda — Honda FCX Clarity 
  • DaimlerChrysler — Mercedes-Benz Necar 5 
  • Ford — Ford Focus FCV 
  • General Motors — Hy-wire, HydroGen3 
  • Honda — Honda EV Plus 
  • Hyundai — Hyundai Santa Fe FCEV 
  • Mazda — Mazda RX-83 
  • Nissan — Nissan X-Trail FCV 
  • Volkswagen 
  • Ferrari 
  • Toyota 

Componentes y Sistemas de Hidrógeno Aplicados a Vehículos Motorizados 

Hay sistemas de hidrógeno. Que producen gas HHO mediante generadores de varios tipos. Los más populares son conocidos como celdas seca y húmeda. Ambos son adaptables a cualquier tipo de vehículo y clase. No hay dispositivos de compresión ni almacenamiento. El ahorro de estos sistemas. No está demostrado científicamente ni empíricamente. Pues dividir el agua en hidrógeno y oxígeno consume mucho más energía. De la que se puede aprovechar. Según lo estipulado en la primera y segunda ley de la termodinámica. 

La Electrólisis

La electrolisis es en realidad. El proceso inverso y recíproco. A la combustión de hidrógeno y oxígeno. Mientras dicha combustión libera energía. Al combinar hidrógeno y oxígeno para formar agua. La electrolisis se encarga de proporcionar. Esa misma cantidad de energía para volver a separarlos. Esto hace que el balance energético sea igual a cero. O sea que si se gasta energía del alternador (el cual se obtiene del motor y, por ende, del combustible). Para producir la electrólisis y luego el HHO obtenido combustiona dentro del motor. 

La energía desarrollada por el motor sería equivalente. A la que se consumió de él mediante la electrolisis. Ninguno de los procesos involucrados. Es ideal y cada uno de ellos. Tiene una eficiencia energética muy inferior al 100%. 

Para Concluir podemos decir…

El motor tiene una eficiencia de alrededor del 30%. Lo cual se traduce en que solo el 30% de la energía térmica. Proporcionada por el combustible se convierte en energía mecánica. Mientras el restante 70% se dispersa como calor. La eficiencia del alternador ronda el 80%. Lo que significa que el 20% de la energía mecánica. Provista por el motor también se dispersa.

Finalmente una buena y eficiente electrolisis rinde típicamente un 50%. Perdiéndose en el proceso la mitad de la energía invertida por lo tanto, se requiere más energía para hacer funcionar las células de electrolisis, que la que se puede extraer de la combustión. De la mezcla resultante de hidrógeno y oxígeno. Así es como las celdas de hidrógeno pueden darle más vida a tu vehículo. Y ayudar a salvar el planeta. Aunque las celdas de hidrógeno causen revuelo. 

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