14.5: Hidrógeno y Electricidad como Combustibles Alternativos
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Introducción
Desde principios del siglo XX, el petróleo y el motor de combustión interna han dominado el transporte. Las fortunas del petróleo y los vehículos se han entrelazado, con las carreras petroleras para satisfacer las demandas energéticas de la creciente potencia y número de vehículos personales, vehículos que conducen más lejos en respuesta a las crecientes oportunidades de carreteras interestatales para viajes personales de larga distancia y envío de carga, y mayores movilidad personal que produce patrones de vida en suburbios lejanos que requieren petróleo y automóviles para funcionar. En años recientes y futuros, el mayor crecimiento del transporte será en países en desarrollo donde la necesidad y el mercado del transporte está creciendo rápidamente. China tiene una clase media emergente que es más grande que toda la población de Estados Unidos, señal de que los países en desarrollo pronto dirigirán o influirán fuertemente en el surgimiento de nuevas tecnologías diseñadas para atender sus necesidades. Más allá de desplegar nuevas tecnologías, los países en desarrollo tienen una segunda ventaja potencialmente grande: no necesitan seguir el mismo camino de desarrollo a través de tecnologías intermedias obsoletas tomadas por el mundo desarrollado. Saltando directamente a las tecnologías más avanzadas evita las infraestructuras heredadas y los largos tiempos de rotación, lo que permite la innovación y el despliegue a una escala acelerada.
El motor de combustión interna y los vehículos que alimenta han logrado enormes avances de ingeniería en el último medio siglo, aumentando la eficiencia, durabilidad, comodidad y agregando características estándar como aire acondicionado, control de crucero, uso de teléfonos celulares manos libres y sistemas de posicionamiento global. Simultáneamente, la industria automotriz se ha vuelto global, aumentando drásticamente la competencia, la elección del consumidor y el alcance de marketing. La tendencia más reciente en el transporte son las oscilaciones dramáticas en el precio del petróleo, el alma de los vehículos tradicionales propulsados con motores de combustión interna.
El hidrógeno como combustible alternativo
La sinergia tradicional del petróleo con los automóviles ahora puede estar mostrando signos de tensión. La dependencia de los vehículos en un solo combustible cuyo precio muestra fuertes fluctuaciones y cuyo rumbo futuro es en última instancia insostenible presenta desafíos comerciales a largo plazo. Motivada por estas preocupaciones de negocios y sustentabilidad, la industria automotriz comienza a diversificarse hacia otros combustibles. El hidrógeno hizo su debut a principios de la década de 2000, y demostró que tiene el potencial de alimentar vehículos usando celdas de combustible para producir electricidad a bordo para motores eléctricos (Eberle y von Helmholt, 2010, Crabtree, Dresselhaus, & Buchanan, 2004). Una ventaja del hidrógeno es la eficiencia, hasta 50 por ciento o más para las pilas de combustible, hasta 90 por ciento o más para los motores eléctricos que alimentan el automóvil, en comparación con la eficiencia del 25 por ciento para un motor de combustión interna. Una segunda ventaja es la reducción de la dependencia del petróleo extranjero: el hidrógeno puede producirse a partir del gas natural o de recursos totalmente renovables como la descomposición solar del agua. Una tercera ventaja potencial del hidrógeno es la ambiental: las emisiones del automóvil de hidrógeno son inofensivas: agua y una pequeña cantidad de calor, aunque las emisiones de la cadena de producción de hidrógeno pueden compensar significativamente esta ventaja.
La visión de los autos de hidrógeno propulsados por pilas de combustible sigue siendo fuerte. Debe superar desafíos significativos, sin embargo, antes de volverse práctico, como almacenar hidrógeno a bordo de vehículos a altas densidades, encontrar catalizadores baratos y abundantes en la tierra para promover la reducción de oxígeno a agua en las celdas de combustible, y producir suficiente hidrógeno a partir de fuentes renovables como la solar división de agua impulsada para alimentar la industria automotriz (Crabtree & Dresselhaus, 2008). Las cadenas portacables de hidrógeno y eléctricas para automóviles se ilustran en la Figura siguiente. Muchos científicos y compañías automotrices están explorando el hidrógeno como una alternativa a largo plazo al petróleo.
Figura\(\PageIndex{1}\): Transporte Eléctrico El transporte se electrifica reemplazando el motor de gasolina por un motor eléctrico, alimentado por electricidad de una batería a bordo del automóvil (panel superior) o electricidad de una pila de combustible y sistema de almacenamiento de hidrógeno a bordo del automóvil (panel inferior). Para una máxima efectividad, ambas rutas requieren producción renovable de electricidad o hidrógeno. Fuente: George Crabtree usando imágenes de Rondol, skinnylawyer, Tinu Bao, Departamento de Energía de Estados Unidos, Oficina de CienciasLa electricidad como combustible alternativo
Los autos eléctricos representan una segunda alternativa al petróleo para el transporte, con muchas similitudes con el hidrógeno (ver Figura Transporte Eléctrico). Los vehículos eléctricos son manejados por un motor eléctrico, como en un automóvil de pila de combustible, hasta cuatro veces más eficientes que un motor de gasolina. El motor eléctrico es mucho más simple que un motor de gasolina, teniendo solo una parte móvil, un eje que gira dentro de una carcasa estacionaria y rodeado por una bobina de alambre de cobre. La electricidad proviene de una batería, cuya capacidad de almacenamiento, como la de los materiales de hidrógeno, es demasiado pequeña para permitir la conducción de larga distancia. Desarrollar baterías de mayor densidad de energía para vehículos es un desafío importante para la industria del automóvil eléctrico. La batería debe cargarse antes de conducir, lo que se puede hacer desde la red utilizando el exceso de capacidad disponible por la noche, o durante el día desde estaciones especiales de carga solar que no agregan carga adicional a la red. Debido a que la carga suele tardar horas, una alternativa potencialmente atractiva es cambiar la batería en cuestión de minutos por una recién cargada en estaciones especiales de intercambio. Una gran flota de autos eléctricos en Estados Unidos requeriría electricidad adicional significativa, hasta 130 GW si toda la flota de pasajeros y camiones ligeros se convirtiera en electricidad, o el 30 por ciento del uso promedio de electricidad de Estados Unidos en 2008.
El consumo de energía de los autos eléctricos es aproximadamente un factor de cuatro menos que para los autos de gasolina, consistente con la mayor eficiencia de los motores eléctricos sobre los motores de combustión interna. Aunque los autos de gasolina varían significativamente en su eficiencia energética, un valor “típico” en medio de la carretera para un automóvil de cinco pasajeros es de 80KWh/100km. Un típico auto eléctrico (como el Think Ox de Noruega, el Chevy Volt que opera en su modo eléctrico, o el Nissan Leaf) utiliza ~ 20 kWh/100km. Si bien el costo energético de los autos eléctricos en el punto de uso es significativamente menor, se debe considerar el costo en el punto de producción, la planta generadora de electricidad. Si la electricidad del vehículo proviene del carbón con una eficiencia de conversión del 33 por ciento, el costo de la energía primaria es de 60 kWh/100km, acercándose pero aún más pequeño que el del auto de gasolina. Si la electricidad es generada por turbinas de gas natural de ciclo combinado con 60 por ciento de eficiencia, el costo de energía primaria es de 33 kWh/100km, menos de la mitad del costo de energía primaria para los autos de gasolina. Estas comparaciones se presentan en la Tabla siguiente.
| Gasolina Motor 5 turismos | Batería Eléctrica Nissan Leaf, Chevy Volt (modo de batería), Think Ox | |
|---|---|---|
| Uso de energía en el punto de uso | 80 kWh/100 km | 20 kWh/100 km |
| Uso de energía en el punto de producción: Carbón con 33% de eficiencia | 60 kWh/100 km | |
| Gas Natural de Ciclo Combinado con 60% de eficiencia | 33 kWh/100 km |
| Gasolina Motor 5 turismos | Batería Eléctrica Nissan Leaf, Chevy Volt (modo de batería), Think Ox | |
|---|---|---|
| \(\ce{CO2}\)Emisiones en el punto de uso | 41 lbs | ~ 0 |
| \(\ce{CO2}\)Emisiones en el punto de producción Carbón a 2.1 lb\(\ce{CO2}\) /kWh | 42 lbs | |
| Gas a 1.3 lb\(\ce{CO2}\) /kWh | 25 lbs | |
| Nuclear, hidroeléctrica, eólica o solar | < 1 lb |
La huella de carbono de los autos eléctricos requiere un cálculo similar. Para la electricidad de carbón que produce 2.1 lb\(\ce{CO2}\) /kWh, conducir 100km produce 42 lbs (19 kgs) de dióxido de carbono; para la electricidad de gas que produce 1.3 lb\(\ce{CO2}\) /kWh, 100km de conducción produce 26 lbs (11.7 kgs) de dióxido de carbono. Si la electricidad es producida por energía nuclear o renovable como eólica, solar o hidroeléctrica, no se produce dióxido de carbono. Para un auto de gasolina “típico”, 100km de conducción produce 41 lbs (18.5 kgs) de dióxido de carbono. Así, la huella de carbono de un automóvil eléctrico “típico” es, en el peor de los casos igual, a la de un automóvil de gasolina y, en el mejor de los casos, cero. Tabla Comparaciones de Emisiones de Carbono resume las comparaciones de huella de carbono.
Las soluciones híbridas
A diferencia de los autos eléctricos, los vehículos híbridos dependen únicamente de la gasolina para su potencia. Sin embargo, los híbridos tienen un motor eléctrico suplementario y un sistema de accionamiento que opera solo cuando el rendimiento del motor de gasolina es débil o necesita un impulso: al comenzar desde una parada, pasar o escalar colinas. Los autos de gasolina convencionales tienen un solo motor que debe propulsar el auto en todas las condiciones; por lo tanto, debe dimensionarse para la tarea más grande. En condiciones normales de conducción el motor es más grande y menos eficiente de lo que necesita ser. El híbrido resuelve este dilema al proporcionar dos trenes motrices, un motor de gasolina para conducción normal y un motor eléctrico para necesidades de alta potencia al arrancar, escalar colinas y pasar. El motor y el motor se adaptan a sus respectivas tareas, permitiendo que cada uno sea diseñado para lograr la máxima eficiencia. Como el motor eléctrico es en general mucho más eficiente, su uso puede aumentar significativamente el ahorro de combustible.
La batería en los autos híbridos tiene dos funciones: acciona el motor eléctrico y además recoge energía eléctrica del frenado regenerativo, convertida a partir de la energía cinética en las ruedas por pequeños generadores. El frenado regenerativo es efectivo en la conducción de arranque y parada, aumentando la eficiencia hasta en un 20 por ciento. A diferencia de los motores de gasolina, los motores eléctricos no utilizan energía mientras están quietos; por lo tanto, los híbridos apagan el motor de gasolina cuando el automóvil se detiene para ahorrar la energía al ralentí. Los motores de gasolina son notoriamente ineficientes a bajas velocidades (de ahí la necesidad de bajas relaciones de transmisión), por lo que el motor eléctrico acelera el híbrido a ~15 mph (24 kph) antes de que el motor de gasolina se reinicie. Al apagar el motor de gasolina mientras está parado, aumenta la eficiencia hasta un 17 por ciento. Las características de ahorro de energía de los híbridos suelen reducir sus requerimientos de energía de 80 kWh/100 km a 50-60 kWh/100 km, un ahorro significativo. Es importante señalar, sin embargo, que a pesar de un sistema de accionamiento por motor eléctrico suplementario, toda la energía de un híbrido proviene de la gasolina y ninguna de la red eléctrica.
El híbrido enchufable se diferencia de los híbridos convencionales en aprovechar tanto la gasolina como la red eléctrica por su energía. La mayoría de los híbridos enchufables están diseñados para funcionar con electricidad primero y con gasolina en segundo lugar; el motor de gasolina arranca solo cuando se agota la batería. El híbrido enchufable es así un automóvil eléctrico con un motor de gasolina suplementario, lo contrario de los autos híbridos convencionales descritos anteriormente. El valor del híbrido enchufable es que resuelve la “ansiedad por el campo de prácticas” del consumidor: no hay preocupaciones de llegar a casa con seguridad de un viaje que resulta ser más largo de lo esperado. La desventaja del híbrido enchufable es la tecnología suplementaria adicional del motor de gasolina, lo que agrega costo y complejidad al automóvil.
El desafío de la batería
Para lograr un rango de prácticas razonable, los autos eléctricos y los híbridos enchufables necesitan baterías grandes, uno de sus mayores desafíos de diseño y una barrera de consumo potencialmente significativa para las ventas generalizadas. Incluso con las baterías prácticas más grandes, el rango de manejo de la electricidad es limitado, quizás a ~100km. El diseño de baterías de mayor densidad de energía es actualmente un foco importante de investigación energética, y se espera que los avances en la tecnología de baterías de iones de litio traigan mejoras La segunda barrera potencial para la aceptación pública de los vehículos eléctricos es el tiempo de carga, hasta ocho horas desde un tomacorriente estándar para el hogar. Esto puede adaptarse a la carga nocturna en casa, pero podría ser un problema para viajes más allá del alcance de la batería: con un automóvil de gasolina el conductor simplemente se llena en unos minutos y está en camino. Se están considerando nuevas soluciones de infraestructura como estaciones de intercambio de baterías para viajes largos.
Desde una perspectiva de sustentabilidad, resulta interesante la comparación de autos de gasolina, eléctricos, híbridos e híbridos enchufables. Los autos híbridos toman toda su energía de la gasolina y representan la menor diferencia con los autos de gasolina. Sus sistemas suplementarios de propulsión eléctrica reducen el consumo de gasolina entre 30 y 40 por ciento, promoviendo así la conservación de un recurso finito y reduciendo la dependencia del petróleo extranjero. Los autos eléctricos, sin embargo, obtienen toda su energía de la electricidad de la red, una fuente de energía doméstica, eliminando por completo la dependencia del petróleo extranjero y el uso de recursos petroleros finitos. Por lo tanto, su valor de sustentabilidad es mayor que los híbridos. Los híbridos enchufables tienen el mismo potencial que todos los vehículos eléctricos, siempre que sus motores de gasolina se utilicen con moderación. En términos de emisiones de carbono, el valor de sustentabilidad de los vehículos eléctricos depende enteramente de la fuente eléctrica: neutral para el carbón, positivo para el gas y altamente positivo para energía nuclear o renovable hidroeléctrica, eólica o solar. Desde una perspectiva energética, los autos eléctricos utilizan un factor de cuatro menos energía que los autos de gasolina en el punto de uso, pero esta ventaja se ve parcialmente comprometida por ineficiencias en el punto de generación eléctrica. Incluso la ineficiente electricidad a carbón deja una ventaja para los autos eléctricos, y la electricidad eficiente de ciclo combinado a gas deja a los autos eléctricos más que un factor de dos más eficiencia energética que los autos de gasolina.