Pedeorelha | Cómo funcionan los coches de hidrógeno

Rudolf Cole
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Los visitantes miran el Honda FCX Clarity en el salón del automóvil Auto China 2008 en Beijing, el 20 de abril de 2008. AP Photo / Oded Balilty

El coche del futuro está aquí hoy. Por supuesto, todavía no puede comprar uno; pero si vive en California, puede alquilar uno. No usa gasolina y no contamina el aire. De hecho, produce vapor en lugar de escape. Entonces, ¿cuál es el combustible misterioso? Hidrógeno: el elemento más simple y abundante del universo. Y algunas personas piensan que en 20 a 30 años, todos conduciremos estos vehículos eficientes en combustible impulsados por hidrógeno..

Aunque los coches propulsados por hidrógeno tienen una cualidad de ciencia ficción, la idea no es realmente nueva. En realidad, la tecnología para usar hidrógeno para generar energía ha existido desde la primera parte del siglo XIX, más tiempo que los automóviles. Lo nuevo es que es posible que vea un automóvil impulsado por hidrógeno en la carretera, con vapor saliendo de su tubo de escape en lugar de gases malolientes. Actualmente existen varios coches de hidrógeno, pero la mayoría de ellos son coches de concepto. Estas máquinas de conducción ecológicas incluyen el Chevrolet Equinox, el BMW 745h y el que actualmente está disponible para arrendamiento en California, el Honda FCX..

Lo que hace posible un coche de hidrógeno es un dispositivo llamado pila de combustible, que convierte el hidrógeno en electricidad, emitiendo solo calor y agua como subproductos. Debido a que no contamina, el hidrógeno parece ser el combustible ideal para el siglo XXI. Mucha gente en el gobierno y la industria automotriz está entusiasmada con su potencial. Los automóviles de hidrógeno tienen el potencial de ser eficientes en combustible y ofrecen la esperanza de una conducción ecológica y ecológica. Pero todavía hay muchos problemas que deben superarse y preguntas que deben responderse antes de que el hidrógeno se convierta en el combustible elegido por suficientes personas para hacer una gran diferencia en nuestro uso actual de combustibles fósiles. Por ejemplo, ¿de dónde sacaremos el hidrógeno? ¿Qué tan caro será la compra de estos coches de bajo consumo? ¿Podrás encontrar una estación de repostaje de hidrógeno para recargar tu tanque? Y, quizás lo más importante, como combustible, el hidrógeno es realmente tan no contaminante como parece.?

Veremos esas preguntas en las páginas que siguen, pero podemos darle una respuesta rápida ahora mismo: a menos que viva en partes muy específicas del país y tenga los bolsillos llenos de dinero en efectivo, no espere un automóvil de hidrógeno en su camino de entrada dentro de la próxima década.

Contenido

Pilas de combustible de hidrógeno
Producción de vehículos de hidrógeno
Los retrocesos de los coches de hidrógeno

Un autobús propulsado por pila de combustible de hidrógeno sale del Centro de Convenciones de Connecticut en Hartford, Connecticut, para realizar una demostración. Foto AP / Niño Bob

En 1839, el científico galés Sir William Robert Grove tomó el conocido proceso electroquímico de la electrólisis, que utiliza electricidad para producir hidrógeno a partir del agua, y lo invirtió, generando electricidad y agua a partir de hidrógeno. Llamó a su invención una batería voltaica de gas, pero hoy la conocemos como pila de combustible de hidrógeno. Mucho más tarde, a mediados del siglo XX, la tecnología fue desarrollada por el inventor Francis Bacon. La tecnología que idearon estos dos inventores es fundamental para el funcionamiento de un coche de hidrógeno.

El primer sistema práctico de pila de combustible fue desarrollado a principios de la década de 1960 por General Electric para su uso en cápsulas espaciales orbitales. Y luego, en la década de 1990, las celdas de combustible comenzaron a aparecer en los autobuses urbanos. por eso sabemos que es factible alimentar vehículos con pilas de combustible. Puede pensar en una celda de combustible como una especie de batería, excepto que mientras una batería mantiene su combustible dentro de sí misma, es necesario recargar una celda de combustible. El combustible para una pila de combustible de hidrógeno es, como su nombre indica, hidrógeno. Como recordará de la clase de química de la escuela secundaria, el hidrógeno es el más simple de todos los elementos. Un átomo de hidrógeno consta de un solo electrón y un solo protón. La celda de combustible genera electricidad quitando los electrones de los protones y usando los electrones para crear una corriente pura de electricidad. Los átomos de hidrógeno ionizados luego se combinan con el oxígeno para formar agua. El otro subproducto de este proceso es el calor, por lo que esta agua generalmente toma la forma de vapor. ¿Cómo es eso para una conducción ecológica??

El tipo de pila de combustible que se utiliza en los automóviles es la pila de combustible de membrana de intercambio de polímero (o PEM). Las pilas de combustible PEM tienen la ventaja de ser ligeras y pequeñas. Constan de dos electrodos (un ánodo cargado negativamente y un cátodo cargado positivamente), un catalizador y una membrana. El hidrógeno ingresa a la celda de combustible en el ánodo en forma de moléculas de H2, cada una de las cuales contiene dos átomos de hidrógeno. Un catalizador en el ánodo rompe las moléculas en iones de hidrógeno (los protones) y un flujo de electricidad (los electrones). Los iones atraviesan la membrana, pero la electricidad tiene que circular. Mientras lo hace, se puede aprovechar para que funcione. Así como el hidrógeno entra en la pila de combustible en el ánodo, el oxígeno entra en el cátodo. Los protones y electrones se reúnen en el cátodo y se unen al oxígeno para formar agua, la mayoría de la cual se convierte en el escape de la celda de combustible. Las pilas de combustible están diseñadas para ser planas y delgadas, principalmente para que puedan apilarse. Cuantas más pilas de combustible haya en la pila, mayor será el voltaje de la electricidad que produce la pila..

Mucha gente piensa que los vehículos que consumen menos combustible, como los que funcionan con hidrógeno, serán cruciales para satisfacer las demandas de energía del siglo XXI. En 2003, el presidente George W. Bush anunció una iniciativa Freedom Fuel de 1.200 millones de dólares en apoyo del desarrollo de la tecnología de pilas de combustible. Las pilas de combustible tienen dos ventajas importantes sobre los combustibles fósiles. Primero, no agotan el suministro limitado de petróleo del mundo, lo que nos ayuda a preservar los suministros existentes y también podrían reducir nuestra dependencia del petróleo extranjero. En segundo lugar, el único subproducto del funcionamiento de una pila de combustible es el calor y el agua, lo que significa que las pilas de combustible no producen contaminación. Esto es de vital importancia en una época en la que se cree que las emisiones de carbono de los automóviles promueven el calentamiento global..

En la página siguiente veremos cómo se producen los coches de hidrógeno y las pilas de combustible. Y quizás lo más importante es que veamos de dónde vendrá el hidrógeno en sí..

La Tierra tiene mucho hidrógeno disponible en forma de agua; sin embargo, separarlo, recolectarlo y almacenarlo puede resultar bastante difícil. Foto AP / NASA

Entonces, ¿cómo construyen los fabricantes vehículos de bajo consumo de combustible, como los coches de pila de combustible? Bueno, la producción de automóviles de hidrógeno no es muy diferente de la producción de automóviles típicos. Por supuesto, el tren de transmisión, por ejemplo, y los sistemas eléctricos serán algo únicos porque una celda de combustible genera electricidad. Por lo tanto, un automóvil propulsado por hidrógeno y un automóvil eléctrico tienen mucho en común a ese respecto. Quizás una pregunta más importante es cómo se producirá el hidrógeno en sí. Dado que el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo y constituye aproximadamente el 90 por ciento de los átomos que existen, uno pensaría que esto no sería un problema. Bueno, piénselo de nuevo. El hidrógeno es también el elemento más ligero del universo y cualquier hidrógeno no contenido en la superficie de la Tierra flotará inmediatamente hacia el espacio exterior. El hidrógeno que queda en este planeta está unido a otros elementos en forma molecular, más comúnmente en moléculas de agua (H2O). Y resulta que hay mucho H2O en la superficie de la Tierra..

Pero, ¿cómo separamos las moléculas de hidrógeno en el agua de las moléculas de oxígeno? Y si no usamos agua como fuente de hidrógeno, ¿de dónde más podemos obtener hidrógeno??

La forma más sencilla de obtener hidrógeno del agua es la que conocía Sir William Grove hace más de 150 años: la electrólisis. Si pasa una corriente eléctrica a través del agua, las moléculas de H2O se descomponen. Similar al funcionamiento de la pila de combustible, este proceso utiliza un ánodo y un cátodo, generalmente hechos de metales inertes. Cuando se aplica una corriente eléctrica al agua, se forma hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo. Aunque este proceso es lento, se puede realizar a gran escala.

Una fuente alternativa de hidrógeno es el gas natural, que se compone de hidrocarburos naturales. Se puede utilizar un proceso llamado reformación con vapor para separar el hidrógeno del gas del carbono. En la actualidad, este es el método más común de producción de hidrógeno a escala industrial y probablemente sería el primer método utilizado para producir hidrógeno para vehículos de pila de combustible. Desafortunadamente, este proceso utiliza combustibles fósiles, el gas natural, por lo que si el objetivo de construir automóviles que funcionan con hidrógeno es evitar agotar las reservas de combustibles fósiles, el gas natural sería la peor fuente posible de este combustible..

Algunos expertos han sugerido que podría ser posible construir plantas de hidrógeno en miniatura que quepan en el garaje de una persona promedio, por lo que ni siquiera será necesario conducir hasta la estación de servicio local para llenar el tanque de hidrógeno del automóvil. La forma más extrema de esta idea ha sido la sugerencia de que la electrólisis podría realizarse dentro del propio automóvil, lo que haría posible la asombrosa idea de un automóvil que funciona con agua. Sin embargo, la energía para la electrólisis debe provenir de algún tipo de batería, por lo que un automóvil impulsado por agua debería recargarse periódicamente..

Entonces, ¿son las máquinas de conducción ecológicas, como los vehículos equipados con pilas de combustible, los coches del futuro? Mucha gente lo espera, pero existen varios obstáculos potenciales en el camino hacia un mundo en el que la gente se desplaza en coches que funcionan con hidrógeno. Los veremos en la página siguiente..

Los vehículos propulsados por hidrógeno de Daimler, Volkswagen y BMW viajan por una autopista de Nueva York. Los autos fueron parte de un Hydrogen Road Tour de 31 ciudades que también incluye vehículos propulsados por hidrógeno de GM, Honda, Hyundai, Kia, Nissan y Toyota. Foto AP / Richard Drew

Mucha gente cree que las pilas de combustible de hidrógeno son la tecnología de combustible alternativo más importante que se está desarrollando actualmente. Sin embargo, no está exento de problemas, y pueden pasar décadas antes de que la tecnología de pilas de combustible sea de uso generalizado. Podemos agrupar aproximadamente los problemas del hidrógeno en tres categorías: los costes de desarrollo de la tecnología, las dificultades y peligros del almacenamiento de hidrógeno y la posibilidad de que esta "tecnología no contaminante" no sea tan no contaminante después de todo. Estos son algunos de los contratiempos de los autos de hidrógeno que podemos esperar enfrentar en un futuro cercano.

Los costos de desarrollar la tecnología del hidrógeno son altos. No solo tenemos que diseñar y desarrollar las pilas de combustible y los coches, sino que también tenemos que desarrollar una infraestructura para respaldar estos vehículos de bajo consumo. Imagínese si actualmente tuviera un automóvil de hidrógeno. ¿Dónde irías a llenar tu tanque? Suponiendo que no tenga una instalación de producción de hidrógeno en su garaje, necesitará una estación de reabastecimiento de hidrógeno, y el único lugar donde existe una cantidad significativa de tales estaciones en este momento es en el estado de California, donde el gobernador Arnold Schwarzenegger tiene comprometido a apoyar un futuro del hidrógeno. Algunas de las estimaciones más pesimistas han colocado el costo de construir una infraestructura que permitirá que una cantidad significativa de autos de hidrógeno sea tan alto como $ 500 mil millones, y el tiempo para producir la infraestructura hasta cuatro décadas.!

El costo de los autos también es alto. Con el platino como el catalizador más utilizado en las celdas de combustible, el precio de un vehículo de celda de combustible única es actualmente de más de $ 100,000 e incluso quizás considerablemente más, razón por la cual los únicos autos de hidrógeno disponibles para que usted conduzca en este momento son en arrendamiento , no para la venta. Pocas personas están en condiciones de pagar un automóvil tan caro. Se están desarrollando otros catalizadores que probablemente serán menos costosos que el platino, pero nadie sabe cuándo estarán disponibles para su uso a gran escala..

El problema del almacenamiento también es espinoso. El hidrógeno es un gas y le gusta esparcirse. Ponerlo en un automóvil significa reducirlo a un tamaño razonable, y eso no es fácil. Además, el hidrógeno se calienta mientras está en el tanque de un automóvil estacionado, lo que hace que el gas se expanda. Esto significa que los tanques deben ventilar periódicamente el hidrógeno del automóvil. Deje un automóvil de hidrógeno sentado durante más de unos días y todo el combustible se acabará. El hidrógeno también es altamente inflamable: algunos creen que la espectacular explosión del dirigible Hindenburg en la década de 1930 fue el resultado de un incendio de hidrógeno, por lo que, si el hidrógeno sale del tanque, tiene el potencial de ser peligroso. . Afortunadamente, los incendios de hidrógeno no son tan calientes como los de gasolina y es menos probable que inicien incendios secundarios. Y debido a que el hidrógeno se eleva, la mayor parte del hidrógeno que se escapa flotará antes de que realmente pueda causar algún daño..

¿Y el hidrógeno realmente no contamina? Una celda de combustible produce solo calor y agua como escape, pero los procesos utilizados para crear el hidrógeno no son necesariamente tan limpios. La electrólisis utiliza electricidad y esa electricidad a menudo proviene de plantas que queman carbón, una fuente altamente contaminante. Y cuando el hidrógeno se extrae del gas natural, produce emisiones de carbono, que es exactamente lo que estamos tratando de evitar al usar hidrógeno en primer lugar..

Mucha gente piensa que eventualmente superaremos estos obstáculos, pero va a ser difícil. Otros creen que nuestra mejor apuesta para la eficiencia del combustible y la conducción ecológica en el futuro cercano no radica en el hidrógeno, sino en los vehículos eléctricos híbridos, como el Toyota Prius, el Ford Fusion híbrido y otros vehículos híbridos similares. Aún así, es posible que dentro de las próximas dos décadas, tenga un automóvil con celda de combustible de hidrógeno.

Para obtener más información sobre combustibles alternativos, automóviles híbridos y otros temas relacionados, siga los enlaces de la página siguiente..

Fuentes

Barras, Colin. "La pila de combustible sin platino promete energía ecológica y barata". Científico nuevo. 15 de diciembre de 2008. (21 de abril de 2009) http://www.newscientist.com/article/dn16275-platinumfree-fuel-cell-promises-cheap- green-power.html
Berger, Michael. "La nanotecnología podría limpiar el pequeño y sucio secreto del coche de hidrógeno". Nanowerk. 19 de julio de 2007. (21 de abril de 2009) http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2239.php
Ciencia diaria. "¿Automóviles de hidrógeno? El tanque de almacenamiento de hidrógeno prototipo mantiene una mayor resistencia térmica". 10 de junio de 2008. (21 de abril de 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2008/06/080604140935.htm
Ciencia diaria. "Los automóviles alimentados con hidrógeno no son la mejor manera de reducir la contaminación, los gases de efecto invernadero y la dependencia del petróleo". 18 de julio de 2003. (21 de abril de 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2003/07/030718084311.htm
Squatriglia, Chuck. "Los coches de hidrógeno están aquí. Ahora solo necesitamos una infraestructura de combustible". Cableado. 12 de marzo de 2008. (21 de abril de 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/hydrogen-cars-a.html
Squatriglia, Chuck. "Conducimos el vehículo de pila de combustible de hidrógeno Chevrolet Equinox". Cableado. 11 de marzo de 2008. (21 de abril de 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/we-drive-the-ch.html
Wrigglesworth, Phil. "El coche del futuro perpetuo". El economista. 4 de septiembre de 2008. (21 de abril de 2009) http://www.economist.com/science/tq/displaystory.cfm?story_id=11999229

Cómo funcionan los coches de hidrógeno

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