Hidrógeno y su aplicación en automotores

Sobre las bondades del hidrógeno hace más de cuatro años escribí el artículo “Hidrógeno, ¿el combustible del futuro?” (ED 27/01/16), en el que describí las propiedades de este elemento, como el de ser elemento químico más ligero, abundante y básico del Universo (75%), contener más energía que otros combustibles comunes por peso, pero al ser el elemento más ligero y estar en estado gaseoso, a temperatura y presión ambientales hace que contenga menos energía por volumen que cualquiera de los otros combustibles. Sin embargo, nunca se encuentra en estado gaseoso porque al ser más ligero que el aire, se elevaría en la atmósfera, por lo que para obtenerlo se necesita algún proceso que lo separe de otros compuestos que lo contengan.

Por ser el gas menos denso a temperatura ambiente y contener menos energía, se comprime en tanques presurizados, de forma que su densidad sea mayor y necesite menos espacio para almacenar más energía. Esto hace el proceso de obtención de hidrógeno más costoso e ineficiente, puesto que se necesita comprimir el gas dentro del tanque. La otra alternativa es almacenarlo en estado líquido, pero para ello se necesita depósitos con un gran aislamiento, ya que el hidrógeno hierve a -250ºC. Aun así, en estado líquido es menos eficiente que la gasolina, ya que un litro de ésta contiene un 64% más de energía.

A todo esto hay que sumar la peligrosidad del hidrógeno, puesto que es uno de los gases más inflamables que existen, lo que obliga a extremar la seguridad de los tanques y sistemas de transporte del gas, añadiendo peligro el que su llama sea incolora (recuérdese el incendio del dirigible alemán Hindenburg en 1937).

Se puede generar corriente eléctrica a partir de una reacción electroquímica entre hidrógeno y oxígeno, para convertir el hidrógeno en una fuente de energía masiva que reemplace a los altamente contaminantes combustibles fósiles. Dos siglos de investigaciones han conseguido que se conozca la manera de comprimir y almacenar el hidrógeno en una célula o pila de combustible silenciosa, que genera la energía necesaria para hacer funcionar diferentes tamaños de vehículos, con desecho de solo agua y calor, por lo que es un combustible limpio. A diferencia de los hidrocarburos, el hidrógeno está disponible sin limitación y puede ser producido en todo el mundo.

La huella de carbono depende de cómo se produce hidrógeno. De momento el método industrial más utilizado es a partir del gas natural, con una eficiencia del 80%, que empero produce emisión de CO2 en el proceso. Sin embargo, cuando se lo produce a partir de la electrólisis del agua, con una eficiencia del algo más del 40%, utilizando fuentes de energías renovables como la solar o eólica, obtenemos energía de manera limpia y cero emisiones en su utilización industrial.

Una pila de combustible de hidrógeno es un convertidor de energía, básicamente lo que hace es transformar la energía química almacenada en energía eléctrica, de forma que ésta permite alimentar distintos dispositivos. Durante este proceso de combustión los enlaces químicos del combustible (hidrógeno) y el oxidante (oxígeno) se rompen y mediante una reconfiguración electrónica (una transferencia de electrones entre las moléculas) se genera el producto resultante que será agua.

En los últimos años, se ha dado a conocer aplicaciones del hidrógeno en vehículos livianos, equipo pesado y locomotoras. A inicios de este año la empresa americana Nikola Motor presentó su pick up Nikola Badger que puede funcionar únicamente alimentándose de las baterías o mediante una pila de combustible que se alimenta de un tanque de hidrógeno y le da una autonomía de 965 kilómetros (Km) contra 800 Km de la Cybertruck de Tesla. Contará con unos 900 caballos de potencia (hp) y será capaz de alcanzar los 100 Km/h en tan solo 2,9 segundos, Sin embargo, su fabricación demorará unos años por el problema de la falta de infraestructura de repostaje de hidrógeno. Por ello, Nikola tiene previsto instalar cientos de hidrogeneras en EEUU.

La multinacional japonesa Komatsu, de la mano de Anglo American y Williams Engineering, cambiará el diésel por hidrógeno en su volquete Komatsu HD 605-7 que será el más grande del mundo, Con una capacidad de carga de 300 toneladas, quedará muy por encima del actual vehículo eléctrico más grande del mundo: el volquete ‘Lynx’, cuya capacidad de carga es de 65 toneladas.

Contará con ocho pilas de combustible Balvelo FCvelo City-HD de 100 kilowatts (kW) de potencia cada una, lo que arroja una potencia total de 800 kW o 1.088 hp. Las modificaciones respecto al vehículo que se toma como base incluyen reemplazar el depósito de combustible diésel por los 22 tanques de hidrógeno, y el motor diésel por las pilas de combustible y las baterías. La energía necesaria para obtener el hidrógeno provendrá de los paneles solares que hay en la misma mina. Se espera que su rendimiento operativo sea igual o mejor que los originales, pero con menores costos de mantenimiento, menos ruido y menos contaminación. Un volquete con motor diésel que consume 100.000 litros de combustible al año, puede llegar a emitir 260 toneladas de CO2.

La compañía francesa TGV Alstom fabrica las locomotoras a hidrógeno CoradiaiLint, que pueden recorrer sin repostar unos mil kilómetros, más o menos como un modelo diésel, y sus pilas se recargan en unos 15 minutos, no mucho más que una locomotora convencional. Sin embargo, no contaminan ni producen ruido como los que usan combustibles fósiles. Además, los trenes de hidrógeno ofrecen una solución para reemplazar los modelos de diésel sin necesidad de realizar ningún cableado eléctrico, una operación muy costosa.

Tras un año y medio transportando pasajeros entre pequeñas ciudades de Alemania, los dos primeros trenes de hidrógeno en el mundo han pasado con éxito su periodo de prueba. Estas máquinas, que en vez de humo emiten vapor y agua, han permitido observar los avances del hidrógeno como una de las tecnologías más ventajosas para reducir las emisiones de este transporte. Es capaz de desarrollar velocidades de hasta 140 km/h y transportar hasta 300 pasajeros con una autonomía de hasta 800 kilómetros. Alemania ha anunciado que pondrá en marcha otros 14 trenes de este tipo en 2022 e Italia ha firmado un contrato con el fabricante para comenzar a reemplazar a las locomotoras diésel. Otros países como Francia, Reino Unido y los Países Bajos también han mostrado su interés.