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El coche de hidrógeno no es solo humo: así es su tecnología

El coche de hidrógeno no es solo humo: así es su tecnología
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Hemos hablado ya varias veces de coches híbridos y también de coches eléctricos. Hablemos en esta ocasión de los coches de hidrógeno, quizás los más tapados de esta revolución. Frente a las limitaciones que todavía presentan a día de hoy los coches 100% eléctricos de batería, algunos proponen los coches de hidrógeno como solución, por su mayor autonomía y por su mayor velocidad de repostaje (explicaremos mejor esto más adelante).

El principal motivo que se suele argumentar a favor de los coches eléctricos de pila de combustible de hidrógeno (que muchas veces por abreviar se llaman sin más coches de hidrógeno), es que en la práctica los conductores no tendríamos que cambiar nuestros hábitos, y utilizaríamos un coche casi idéntico al actual, que iríamos a repostar cada cierto tiempo a una estación de servicio, en este caso una hidrogenera, en lugar de una gasolinera.

Hidrogenera en Japón

Más autonomía y repostaje rápido

Está más que comprobado que el ser humano es un animal de costumbres y que en general nos cuesta mucho trabajo, nos da mucha pereza, y no nos suele gustar tener que cambiar de hábitos y de costumbres. Un de los escollos importantes de los coches eléctricos, es la oposición, la resistencia a tener que cambiar del modelo de gasolinera al modelo de enchufe.

A los coches 100% eléctricos de baterías (coches eléctricos a secas), coches de cero emisiones locales, se les sigue criticando por tener una autonomía limitada, en uno de precio asequible es del orden de unos 200 km. No es menos cierto que aunque solo uno, ya hay un coche eléctrico con mucha más autonomía que "la normal": el Tesla Model S tiene 502 km de autonomía homologada NEDC, eso sí, no es un coche de precio asequible.

Y también se les critica por la lentitud de la recarga de la batería, normalmente unas ocho horas en recarga lenta, la que haríamos en casa por la noche cuando el coche está parado "durmiendo", y unos 30 minutos en recarga rápida, en una estación de recarga pública. Hay de todos modos otra opción, que la tecnología ya nos permite, para "repostar" un coche eléctrico más rápido: el cambio rápido de batería, que un minuto y medio permite tener el coche completamente cargado, pero eso sí, ahora mismo apenas está presente en un par de países, y requiere la construcción de estaciones de cambio.

Estos dos motivos son los principales argumentos que esgrime un coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno: sigue siendo de cero emisiones locales, pero viene a tener una autonomía de unos 500 a 600 km y se puede recuperar la autonomía al completo en dos o tres minutos, porque simplemente hay que repostar hidrógeno con un surtidor, en una hidrogenera, vamos, como si fuera un coche de gasolina.

No voy a poner en la lista de aspectos criticables del coche 100% eléctrico de batería, ni su precio de compra, ni la vida útil de las baterías, ni tampoco la todavía reducida infraestructura de recarga, porque como veremos en este artículo y en su segunda parte, esos tres aspectos son también criticables en el coche de hidrógeno.

Boquerel hidrógeno

Coche de hidrógeno: dos tipos

Cuando nos referimos a coche de hidrógeno en las dos partes de este artículo, queremos decir coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno. Es importante dejar claro esto porque también hay coches con motor de combustión interna alimentados por hidrógeno. Los explicaremos brevemente.

Un motor de gasolina, o de explosión, para funcionar utiliza un combustible que se quema mezclado con el oxígeno del aire, en presencia de una chispa que provoca la ignición dentro de la cámara del cilindro, y así se genera el movimiento del pistón, que se traduce en giro del motor que finalmente se transmite a las ruedas.

Ese combustible lo más habitual es que sea gasolina, obtenida por refinado del petróleo, pero también se pueden utilizar otros combustibles. Un motor de explosión se puede adaptar sin demasiados problemas, principalmente con cambios en el sistema de inyección, para funcionar con un gas, en lugar de con gasolina. Ese gas puede ser GLP, gas licuado de petróleo, una mezcla de butano y propano, GNC o GNL, gas natural comprimido o licuado, o sea metano, o incluso hidrógeno.

Y esto no es nada nuevo, hace ya varias décadas que se puede hacer, lo que sucede es que no es nada interesante, sobre todo por la bajísima eficiencia que resulta, y porque es un malgasto insensato de energía (sobre todo porque obtener un kilo de hidrógeno requiere gastar mucha energía, lo veremos mejor después). El rendimiento de un motor de gasolina moderno y "eficiente" es de alrededor de un 25%. Además, como el consumo de hidrógeno de esta manera es muy alto, la autonomía de estos coches es mínima, de unos 100 o 150 km, algo que no soluciona nada.

Con respecto a las emisiones contaminantes que genera un coche de hidrógeno de este tipo, de motor de explosión alimentado por hidrógeno, hay que decir que no es 100% de cero emisiones locales porque, aunque realmente sea muy muy poco, el consumo del aceite lubricante del motor genera algunas emisiones de CO₂, hidrocarburos y óxidos de nitrógeno (que no se diga que nos dejamos algo en el tintero).

Insisto, no volveremos a hablar más de este tipo de coches de hidrógeno en el resto del artículo y en la segunda parte, porque son un sinsentido energético, y nos centraremos solo en los coches eléctricos de pila de combustible de hidrógeno.

Pila de combustible de hidrógeno

La tecnología: pila de combustible de hidrógeno

Así que lo que de verdad busca la industria del automóvil, lo que están investigando los ingenieros con ahínco, (y lo que tiene el apoyo de las compañías petroleras, interesadas en vender hidrógeno en las estaciones de servicio) con respecto al "coche de hidrógeno" es el coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno. En inglés se suele hablar de fuel cell electric vehicle o FCEV.

Como su propio nombre indica estamos hablando de un coche eléctrico, es decir un automóvil donde el motor que hace girar las ruedas se alimenta con electricidad. Un motor eléctrico moderno tiene un rendimiento de alrededor del 95%. Hay un matiz en estos coches: este tipo de coche eléctrico no se recarga enchufándolo a una toma de corriente.

En verdad estaríamos hablando de una especie de coche eléctrico de autonomía extendida donde el generador de energía eléctrica no se alimenta de gasolina o gasóleo, los combustibles habituales, sino de hidrógeno, aunque sin la posibilidad de enchufarlo. Y también se podría considerar un coche híbrido eléctrico en serie, con el importante matiz de que solo hay un motor, claro.

Para hacer un uso eficiente del hidrógeno se utiliza una pila de combustible. Su nombre lo dice todo, no deja de ser un tipo de pila, o sea una batería, donde los reactivos que se consumen se van reabasteciendo continuamente (combustible).

Mercedes-Benz Clase B F-Cell pila y tanque de hidrógeno bajo el suelo
Tanques de hidrógeno y pila de combustible bajo el suelo en un Mercedes-Benz Clase B F-Cell

Simplificándolo bastante, es un dispositivo que recibe hidrógeno (ánodo), lo mezcla con oxígeno (cátodo), y se produce un proceso electroquímico. Tiene lugar un intercambio de protones a través de una membrana, lo más habitual, (electrólito), y los electrones “que se han quedado solos” se mueven a través de un circuito externo, con lo que aparece una diferencia de potencial y una corriente eléctrica.

En otras palabras, y todavía más simplificado: mezclando hidrógeno y oxígeno del aire se genera electricidad y se desprende vapor de agua y nitrógeno. Esta electricidad pasa a unas baterías y de las baterías al motor.

Por cierto, el oxígeno es el del aire que se toma de la calle, debe filtrarse muy bien y se comprime para introducirlo en la pila, con un compresor eléctrico a bordo del coche. Esto consume energía de la que se genera a bordo.

El rendimiento del proceso que tiene lugar en la pila de combustible para obtener electricidad no es "ideal", como ningún proceso, y su rendimiento eléctrico suele estar entre un 50% y un 70%, dependiendo del tipo de pila (básicamente dependiendo del tipo de membrana que se emplea en el interior de la pila). Las más habituales suelen estar alrededor del 60%.

Honda FCX Clarity dibujo técnico

Componentes de un coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno

Como hemos dicho antes, no deja de ser un coche eléctrico, así que tenemos casi todos los componentes que encontraríamos en uno, más los añadidos por ser "de hidrógeno":

  • Un motor eléctrico, con su unidad electrónica de potencia, supervisor electrónico, cargador y engranaje reductor (la transmisión). Lo normal es que vaya en el vano motor delantero.

  • Una batería, normalmente de iones de litio, que almacena energía eléctrica y que sirve como búfer o reservorio de energía, para cuando se demanda mucha potencia y la pila de combustible no sería capaz de generar tanta electricidad instantáneamente, pero también para que el funcionamiento sea siempre suave y homogéneo. Suele ir bajo el suelo del habitáculo o debajo de los asientos traseros.

  • Uno o varios tanques de hidrógeno, normalmente cilíndricos y de fibra de carbono y otros materiales compuestos, que sean muy resistentes, sobre todo porque el hidrógeno que se almacena se comprime a muy alta presión, a hasta 700 bares de presión, o sea, unas 690 veces la presión atmosférica. El tanque ocupa mucho volumen, por ejemplo el del Honda FCX Clarity es de 171 litros de capacidad (exteriormente, debido al grueso de las paredes del tanque, todavía abulta un poco más). Suele colocarse debajo o detrás de los asientos traseros, según el coche.

  • Una pila de combustible, que exteriormente parece una caja de metal del tamaño de una maleta pequeña, y que suele colocarse en el centro del coche.

Toyota FCV bastidor y elementos

Obtención del hidrógeno

El hidrógeno para repostar estos coches no sale de la nada. Hay que tener muy claro que el hidrógeno es un combustible, pero no es una fuente de energía. No podemos encontrar hidrógeno en la naturaleza listo para ser utilizado.

Para obtener hidrógeno utilizable tenemos que extraerlo de otro compuesto y para ello tenemos que aplicar energía. Por eso se suele denominar carrier, portador o vector energético. De hecho para obtener un kilo de hidrógeno se consume bastante más energía que la que luego encierra ese kilo de hidrógeno.

Vamos a dar cifras para que quede más claro: un kilogramo de hidrógeno encierra unos 33 kWh de energía, pero para obtener ese kilo de hidrógeno, según el proceso que se emplee, se han consumido entre 55 y 70 kWh de energía. O sea, redondeando, gastamos el doble de energía de la que luego nos dará.

El hidrógeno se puede extraer de diferentes compuestos, por ejemplo del agua mediante electrólisis, de biomasa, o también de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo o el gas natural. A día de hoy alrededor del 96% del hidrógeno que se consume en el mundo se ha obtenido a partir de un combustible fósil, siendo lo más habitual que sea a partir de reformado con vapor de gas natural.

Resulta obvio decir que si el hidrógeno se obtiene del agua, y la electricidad consumida se genera con fuentes renovables, ese hidrógeno se puede considerar renovable, y de “cero emisiones” (entre comillas porque siempre habrá algunas emisiones del “pozo a la rueda” asociadas a la fuente de energía, que nunca son cero en un análisis de ciclo de vida completo).

Hyundai Tucson/ix35 FCEV 10

Pero si el hidrógeno se obtiene de combustibles fósiles, ni es renovable, ni es de cero emisiones. En su producción se genera dióxido de carbono pero también óxidos de nitrógeno y partículas, dependiendo de qué se utilice. El caso más desfavorable sería extraer hidrógeno a partir de carbón.

Si pensamos en términos de contaminación del aire, de reducir emisiones de todo tipo, además de las de dióxido de carbono (CO₂), es imprescindible obtener hidrógeno de manera renovable y no como se está produciendo hoy en día.

Después de toda la energía consumida para obtener el hidrógeno, también hay que consumir energía para comprimirlo, desde la presión atmosférica, 1,013 bares, hasta los 350 o incluso 700 bares de presión para rellenar los tanques de los coches (es muchísima presión).

Si queréis profundizar más sobre la producción de hidrógeno, y sobre el almacenamiento de hidrógeno, podéis leer los artículos de Motorpasión Futuro de los enlaces.

Por cierto, hablo de kilos porque es la cantidad realmente útil de hidrógeno, hablar de litros es una locura puesto que es un gas, y además de su bajísima densidad y de ser muy volátil, no hay la misma cantidad de hidrógeno en un litro dependiendo de la presión a la que se encuentre. Así que el consumo de un coche de hidrógeno se mide en kg/100 km, no en litros/100 km como hacemos con la gasolina.

No os perdáis la segunda parte sobre eficiencia, inconvenientes y retos de los coches eléctricos de pila de combustible de hidrógeno.

Continuará...

ACTUALIZACIÓN: Ya hemos publicado la segunda parte de este artículo | El coche de hidrógeno no es solo humo: estos son sus retos.

En Xataka | El cambio rápido de batería en los coches eléctricos: más rápido que repostar gasolina

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