Hidrógeno

El hidrógeno (H2), cuando se usa en una celda de combustible para proporcionar electricidad, es un combustible alternativo libre de emisiones producido a partir de diversas fuentes de energía. Es un combustible que se puede producir a partir de diversos recursos domésticos.

Aunque el hidrógeno en el mercado como combustible de transporte todavía esta en pañales, el gobierno y la industria están trabajando para la producción y distribución de hidrógeno limpio, económico y seguro para su uso generalizado en vehículos eléctricos de celdas de combustible (FCEV).

Los FCEV de servicio liviano ahora están disponibles en cantidades limitadas para el mercado de consumo en regiones localizados (Estados unidos y Europa). El mercado también se está desarrollando para autobuses, equipos de manejo de materiales (como montacargas), equipos de apoyo en tierra, vehículos de servicio mediano y pesado y aplicaciones estacionarias.

El hidrógeno es abundante en nuestro medio ambiente. Se almacena en agua (H2O), hidrocarburos (como metano, CH4) y otros organismos. Uno de los desafíos de usar hidrógeno como combustible proviene de poder extraerlo eficientemente de estos compuestos.

Actualmente, la reforma del vapor, que combina vapor a alta temperatura con gas natural para extraer hidrógeno, representa la mayoría del hidrógeno producido en los Estados Unidos. El hidrógeno también se puede producir a partir del agua a través de la electrólisis. Este proceso consume más energía, pero puede aprovechar el exceso de energía renovable de bajo costo, como la energía eólica o solar, al tiempo que evita las emisiones nocivas asociadas con otros tipos de producción de energía.

Aunque la producción de hidrógeno puede generar emisiones que afectan la calidad del aire, dependiendo de la fuente, un FCEV que funciona con hidrógeno emite solo vapor de agua y aire caliente residuo  y se considera un vehículo de cero emisiones. Los principales esfuerzos de investigación y desarrollo tienen como objetivo hacer que estos vehículos y su infraestructura sean prácticos para un uso generalizado. Esto ha llevado a la implementación inicial de vehículos de producción de servicio liviano para consumidores minoristas.

El hidrógeno como combustible alternativo

El interés en el hidrógeno como combustible de transporte alternativo se deriva de su capacidad para alimentar las celdas de combustible en los FCEV de cero emisiones, su potencial para la producción nacional, su rápido tiempo de llenado y el Alta eficiencia de la pila de combustible. La energía en 1 kilogramo de gas hidrógeno es casi la misma que la energía en 1 galón (2.8 kilogramos) de gasolina. Debido a que el hidrógeno tiene una baja densidad de energía volumétrica, se almacena a bordo de un vehículo como gas comprimido para alcanzar el rango de conducción de los vehículos convencionales.

Producción y distribución de hidrógeno

Aunque abundante en la tierra como elemento, el hidrógeno casi siempre se encuentra como parte de otro compuesto, como el agua (H2O), y debe separarse de los compuestos que lo contienen antes de que pueda usarse en vehículos. Una vez separado, el hidrógeno puede usarse junto con el oxígeno del aire en una celda de combustible para crear electricidad a través de un proceso electroquímico.

El hidrógeno se puede producir a partir de diversos recursos domésticos, incluidos los combustibles fósiles, la biomasa y la electrólisis del agua con electricidad. El impacto ambiental y la eficiencia energética del hidrógeno dependen de cómo se produce. Varios proyectos están en marcha para disminuir los costos asociados con la producción de hidrógeno. Algunos métodos son:

• Conversión del gas natural / gasificación: Se crea al hacer reaccionar el gas natural con vapor a alta temperatura. El monóxido de carbono resultante se hace reaccionar con agua para producir hidrógeno adicional. Este método es el más barato, más eficiente y más común.
• Gasificación: Se puede crear un gas de síntesis haciendo reaccionar carbón o biomasa con vapor y oxígeno a alta temperatura en un gasificador presurizado, que se convierte en componentes gaseosos. El gas resultante contiene hidrógeno y monóxido de carbono, que reacciona con vapor para separar el hidrógeno.
• Electrolisis: una corriente eléctrica divide el agua en hidrógeno y oxígeno. Si la electricidad es producida por fuentes renovables, como la solar o la eólica, el hidrógeno resultante también se considerará renovable y tendrá numerosos beneficios de emisiones
• Conversión de líquidos renovables: los combustibles líquidos renovables, como el etanol, se hacen reaccionar con vapor a alta temperatura para producir hidrógeno cerca del punto de uso final.
• Fermentación: la biomasa se convierte en materias primas ricas en azúcar que se pueden fermentar para producir hidrógeno.
• División de agua a alta temperatura: las altas temperaturas generadas por concentradores solares o reactores nucleares generan reacciones químicas que dividen el agua para producir hidrógeno.
• División fotobiológica del agua: los microbios, como las algas verdes, consumen agua en presencia de la luz solar y producen hidrógeno como subproducto.
• División fotoelectroquímica del agua: los sistemas fotoelectroquímicos producen hidrógeno a partir del agua utilizando semiconductores especiales y energía a partir de la luz solar.

El principal desafío para la producción de hidrógeno es reducir el costo de las tecnologías de producción para hacer que el costo del hidrógeno resultante sea competitivo con los combustibles de transporte convencionales.

Pilas de combustible y vehículos

La investigación y el desarrollo de celdas de combustible de hidrógeno tiene como objetivo reducir los costos y el tamaño del sistema de celdas de combustible y mejorar el rendimiento y la durabilidad de los sistemas de celdas de combustible de membrana de polímero electrolítico (PEM) para el transporte y para pequeñas aplicaciones estacionarias y portátiles. La investigación de vehículos eléctricos con celdas de combustible de hidrógeno es importante para desarrollar tecnologías que desarrollen sistemas, subsistemas y componentes de celdas de combustible.

Los vehículos eléctricos de celda de combustible (FCEV) funcionan con hidrógeno. Son más eficientes que los vehículos convencionales con motor de combustión interna y no producen emisiones del tubo de escape: solo emiten vapor de agua y aire caliente. Los FCEV y la infraestructura de hidrógeno para alimentarlos se encuentran en las primeras etapas de implementación.

¿Qué es un vehículo eléctrico de pila de combustible?

Los FCEV usan un sistema de propulsión similar al de los vehículos eléctricos, donde la energía almacenada como hidrógeno es convertida en electricidad por la celda de combustible. A diferencia de los vehículos convencionales con motor de combustión interna, no producen emisiones dañinas del tubo de escape.

Los FCEV se alimentan con gas hidrógeno puro almacenado en un tanque en el vehículo. Al igual que los vehículos convencionales con motor de combustión interna, pueden cargar combustible en menos de 5 minutos y tener un alcance de conducción de más de 500 Km. Los FCEV están equipados con otras tecnologías avanzadas para aumentar la eficiencia, como los sistemas de frenado regenerativos, que capturan la energía perdida durante el frenado y la almacenan en una batería. Los principales fabricantes de automóviles están ofreciendo un número limitado pero creciente de FCEV de producción al público en ciertos mercados, en sintonía con lo que puede soportar la infraestructura en desarrollo.

Cómo funcionan las pilas de combustible

El tipo más común de celda de combustible para aplicaciones de vehículos es la celda de combustible de membrana de electrolito de polímero (PEM). En una celda de combustible PEM, una membrana electrolítica se intercala entre un electrodo positivo (cátodo) y un electrodo negativo (ánodo). Se introduce hidrógeno en el ánodo y se introduce oxígeno (del aire) al cátodo. Las moléculas de hidrógeno se separan en protones y electrones debido a una reacción electroquímica en el catalizador de la pila de combustible. Los protones luego viajan a través de la membrana al cátodo.

Los electrones se ven obligados a viajar a través de un circuito externo para realizar el trabajo (proporcionando energía al automóvil eléctrico) y luego se recombinan con los protones en el lado del cátodo, donde los protones, los electrones y las moléculas de oxígeno se combinan para formar agua.