Vehículo de hidrógeno
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El Toyota Mirai 2015 es uno de los primeros vehículos de pila de combustible de hidrógeno que se vende comercialmente. El Mirai se basa en el prototipo de vehículo de pila de combustible de Toyota (FCV) (mostrado). [1]

Un vehículo de hidrógeno es un tipo de vehículo de combustible alternativo que utiliza combustible de hidrógeno como fuerza motriz . Los vehículos de hidrógeno incluyen cohetes espaciales propulsados ​​por hidrógeno , así como automóviles y otros vehículos de transporte. La energía se genera convirtiendo la energía química del hidrógeno en energía mecánica , ya sea haciendo reaccionar hidrógeno con oxígeno en una celda de combustible para alimentar motores eléctricos o, con menos frecuencia, quemando hidrógeno en un motor de combustión interna . [2]

A partir de 2021 , hay dos modelos de autos de hidrógeno disponibles públicamente en mercados selectos: el Toyota Mirai (2014–), que es el primer vehículo eléctrico de celda de combustible dedicado (FCEV) producido en masa , y el Hyundai Nexo (2018–). El Honda Clarity se produjo de 2016 a 2021. [3] Algunas otras empresas, como BMW , todavía están explorando los coches de hidrógeno, mientras que Volkswagen ha expresado que la tecnología no tiene futuro en el espacio automotriz, principalmente porque un vehículo eléctrico de pila de combustible consume aproximadamente tres veces más energía que un automóvil eléctrico a batería por cada milla recorrida. A diciembre de 2020, Había 31.225 pasajeros FCEVs propulsados con hidrógeno en las carreteras del mundo. [4] -

A partir de 2019, el 98% del hidrógeno se produce mediante reformado de metano con vapor , que emite dióxido de carbono . [5] Puede producirse por medios termoquímicos o pirolíticos utilizando materias primas renovables , pero los procesos son actualmente costosos. [6] Se están desarrollando varias tecnologías que tienen como objetivo ofrecer costos lo suficientemente bajos y cantidades lo suficientemente grandes como para competir con la producción de hidrógeno utilizando gas natural. [7]

Los beneficios de la tecnología de hidrógeno son un tiempo de repostaje rápido (comparable a la gasolina) y una autonomía de conducción prolongada en un solo tanque. Los inconvenientes del uso de hidrógeno son las altas emisiones de carbono cuando el hidrógeno se produce a partir del gas natural, la carga del costo de capital, el bajo contenido de energía por unidad de volumen en condiciones ambientales, la producción y compresión de hidrógeno, la inversión requerida en estaciones de servicio para dispensar hidrógeno, el transporte de hidrógeno a las estaciones de servicio y la falta de capacidad para producir o dispensar hidrógeno en el hogar. [8] [9] [10]

Vehículos

Honda FCX Clarity , un vehículo de demostración de pila de combustible de hidrógeno introducido en 2008
Más información: vehículo de pila de combustible

Automóviles, autobuses , montacargas, trenes , bicicletas PHB , botes de canal , bicicletas de carga , carritos de golf , motocicletas , sillas de ruedas , barcos , aviones , submarinos y cohetes ya pueden funcionar con hidrógeno, en diversas formas. La NASA usó hidrógeno para lanzar transbordadores espaciales al espacio. Un modelo de coche de juguete que funciona funciona con energía solar , utilizando una pila de combustible regenerativa para almacenar energía en forma de hidrógeno y oxígeno.gas. Luego puede convertir el combustible nuevamente en agua para liberar la energía solar. [11] Desde el advenimiento de la fracturación hidráulica, la principal preocupación de los vehículos de pila de combustible de hidrógeno es la confusión entre los consumidores y las políticas públicas sobre la adopción de vehículos de hidrógeno propulsados ​​por gas natural con elevadas emisiones ocultas en detrimento del transporte ecológico. [10]

Automóviles

El coche de producción Hyundai ix35 FCEV

A partir de 2021 , hay dos autos de hidrógeno disponibles públicamente en mercados selectos: el Toyota Mirai y el Hyundai Nexo . [12] El Honda Clarity se produjo entre 2016 y 2021. [3]

El Hyundai Nexo es un SUV crossover con pilas de combustible de hidrógeno

En 2013 se lanzó el Hyundai Tucson FCEV , era una conversión del Tucson y estaba disponible solo con volante a la izquierda y se convirtió en el primer vehículo de este tipo producido en masa comercialmente en el mundo. [13] [14] Hyundai Nexo , que sucedió al Tucson en 2018, fue seleccionado como el "SUV más seguro" por Euro NCAP en 2018 [15] y fue calificado como "Bueno" en una prueba de choque lateral realizada por el Instituto de Seguros. para la seguridad vial (IIHS) [16]

Toyota lanzó el primer vehículo de pila de combustible (FCV) exclusivo del mundo, el Mirai , en Japón a finales de 2014 y comenzó a vender en California, principalmente en el área de Los Ángeles y también en mercados seleccionados de Europa, Reino Unido, Alemania y Dinamarca. [17] más adelante en 2015. [18] El automóvil tiene un alcance de 312 millas (502 km) y tarda unos cinco minutos en rellenar su tanque de hidrógeno. El precio de venta inicial en Japón fue de unos 7 millones de yenes (69.000 dólares). [19] El ex presidente del Parlamento Europeo, Pat Cox, estimó que Toyota perdería inicialmente alrededor de 100.000 dólares por cada Mirai vendido. [20] A fines de 2019, Toyota había vendido más de 10,000 Mirais. [21] [5]Muchas empresas de automóviles han introducido modelos de demostración en cantidades limitadas (consulte la Lista de vehículos de pila de combustible y la Lista de vehículos con motor de combustión interna de hidrógeno ). [22] [23]

En 2013, BMW arrendó tecnología de hidrógeno a Toyota , y un grupo formado por Ford Motor Company , Daimler AG y Nissan anunció una colaboración en el desarrollo de tecnología de hidrógeno. [24] Para 2017, sin embargo, Daimler había abandonado el desarrollo de vehículos de hidrógeno, [25] y la mayoría de las empresas de automóviles que desarrollaban coches de hidrógeno habían cambiado su enfoque a los vehículos eléctricos de batería. [26]

Carrera de autos

Un prototipo de Ford Fusion Hydrogen 999 Fuel Cell Race Car en Bonneville Salt Flats, en agosto de 2007, estableció un récord de 207,297 millas por hora (333,612 km / h), utilizando un gran tanque de oxígeno comprimido para aumentar la potencia. [27] El récord de velocidad en tierra para un vehículo con motor de hidrógeno de 286.476 millas por hora (461,038 kilometros / h) fue fijado por Universidad Estatal de Ohio 's Buckeye bala 2 , que alcanzó una velocidad 'volar-milla' de 280.007 millas por hora (450.628 km / h) en las salinas de Bonneville en agosto de 2008.

En 2007, la Hydrogen Electric Racing Federation se formó como una organización de carreras para vehículos propulsados ​​por pilas de combustible de hidrógeno. La organización patrocinó la Hydrogen 500, una carrera de 500 millas. [28]

Autobuses

Artículo principal: bus de pila de combustible
Autobús Solaris Urbino 12 cerca de la fábrica en Bolechowo, Polonia

Varios fabricantes están probando autobuses de pila de combustible en diferentes ubicaciones, por ejemplo, el Ursus Lublin. [29] Solaris Bus & Coach presentó sus autobuses eléctricos de hidrógeno Urbino 12 en 2019. Se han encargado varias docenas y se espera que se entreguen en 2020 y 2021. [30]

Tranvías y trenes

En marzo de 2015, China South Rail Corporation (CSR) hizo una demostración del primer tranvía del mundo con pilas de combustible de hidrógeno en una instalación de montaje en Qingdao. El ingeniero jefe de la subsidiaria de CSR CSR Sifang Co Ltd. , Liang Jianying, dijo que la compañía está estudiando cómo reducir los costos de funcionamiento del tranvía. [31] Se han construido pistas para el nuevo vehículo en siete ciudades chinas. China planea gastar 200.000 millones de yuanes (32.000 millones de dólares) hasta 2020 para aumentar las vías del tranvía a más de 1.200 millas. [32]

En el norte de Alemania, en 2018, se pusieron en servicio los primeros trenes Coradia iLint propulsados ​​por pilas de combustible ; el exceso de energía se almacena en baterías de iones de litio . [33]

Un tren experimental "Hydroflex", British Rail Class 799 , comenzó las pruebas en Gran Bretaña en junio de 2019. [34]

Buques

Artículo principal: barco propulsado por hidrógeno

A partir de 2019, las pilas de combustible de hidrógeno no son adecuadas para la propulsión en grandes barcos de larga distancia, pero se están considerando como un extensor de alcance para embarcaciones eléctricas más pequeñas, de corta distancia y de baja velocidad, como los transbordadores. [35] El hidrógeno en el amoníaco se considera un combustible de larga distancia. [36]

Bicicletas

Bicicleta de hidrógeno PHB

En 2007, Pearl Hydrogen Power Source Technology Co de Shanghai , China, hizo una demostración de una bicicleta de hidrógeno PHB . [37] [38] En 2014, científicos australianos de la Universidad de Nueva Gales del Sur presentaron su modelo Hy-Cycle. [39] El mismo año, Canyon Bicycles comenzó a trabajar en el concepto de bicicleta Eco Speed. [40]

En 2017, Pragma Industries of France desarrolló una bicicleta que podía viajar 100 km en un solo cilindro de hidrógeno. [41] En 2019, Pragma anunció que el producto, "Alpha Bike", se ha mejorado para ofrecer un rango de pedaleo asistido eléctricamente de 150 km, y las primeras 200 de las bicicletas se entregarán a los periodistas que cubran la 45a cumbre del G7. en Biarritz , Francia. Si tiene éxito, [42] Lloyd Alter de TreeHuggerrespondió al anuncio, preguntando "por qué ... pasar por la molestia de usar electricidad para producir hidrógeno, solo para convertirlo de nuevo en electricidad para cargar una batería para hacer funcionar la bicicleta eléctrica [o] elegir un combustible que necesite una costosa estación de servicio que sólo puede manejar 35 bicicletas al día, cuando puede cargar una bicicleta con batería en cualquier lugar. [Si] fue un operador de flota cautivo, ¿por qué [no] simplemente cambiar las baterías para obtener el rango y la rotación rápida? " [43]

Vehículos militares

La división militar de General Motors , GM Defense , se centra en los vehículos de pila de combustible de hidrógeno. [44] Su SURUS (Superestructura Universal Silent Utility Rover) es una plataforma eléctrica de celda de combustible flexible con capacidades autónomas. Desde abril de 2017, el Ejército de los EE. UU. Ha estado probando el Chevrolet Colorado ZH2 comercial en sus bases de EE. UU. Para determinar la viabilidad de los vehículos propulsados ​​por hidrógeno en entornos tácticos de misiones militares. [45]

Motocicletas y scooters

ENV desarrolla motocicletas eléctricas impulsadas por una pila de combustible de hidrógeno, incluidas las Crosscage y Biplane . Otros fabricantes como Vectrix están trabajando en patinetes de hidrógeno. [46] Por último, se están fabricando scooters híbridos eléctricos de pila de combustible de hidrógeno, como el scooter de pila de combustible Suzuki Burgman [47] y el FHybrid . [48] El Burgman recibió la aprobación de "tipo de vehículo completo" en la UE. [49] La empresa taiwanesa APFCT realizó una prueba en la calle en vivo con 80 scooters de pila de combustible para la Oficina de Energía de Taiwán. [50]

Auto rickshaws

Mahindra HyAlfa y Bajaj Auto han construido vehículos conceptuales de rickshaw automáticos de hidrógeno . [51] [52]

Quads y tractores

El H-Due [53] de Autostudi Srl es un quad propulsado por hidrógeno, capaz de transportar de 1 a 3 pasajeros. Se ha propuesto un concepto para un tractor propulsado por hidrógeno. [54]

Aviones

Más información: Aviones de hidrógeno
El demostrador de pila de combustible de Boeing impulsado por una pila de combustible de hidrógeno

Empresas como Boeing , Lange Aviation y el Centro Aeroespacial Alemán buscan el hidrógeno como combustible para aviones tripulados y no tripulados. En febrero de 2008, Boeing probó un vuelo tripulado de un pequeño avión propulsado por una pila de combustible de hidrógeno. También se han probado aviones de hidrógeno no tripulados. [55] Para los grandes aviones de pasajeros, The Times informó que "Boeing dijo que era poco probable que las pilas de combustible de hidrógeno accionaran los motores de los grandes aviones de pasajeros, pero que podrían usarse como unidades de energía de respaldo o auxiliares a bordo". [56]

En julio de 2010, Boeing presentó su UAV Phantom Eye propulsado por hidrógeno , impulsado por dos motores de combustión interna de Ford que se han convertido para funcionar con hidrógeno. [57]

En Gran Bretaña, se ha propuesto que los motores de reacción A2 utilicen las propiedades termodinámicas del hidrógeno líquido para lograr un vuelo de muy alta velocidad y larga distancia (antípoda) al quemarlo en un motor a reacción preenfriado .

Carretillas elevadoras

Una carretilla elevadora con motor de combustión interna de hidrógeno (o "HICE") o carretilla elevadora HICE es una carretilla elevadora industrial con motor de combustión interna alimentada con hidrógeno que se utiliza para levantar y transportar materiales. La primera carretilla elevadora HICE de producción basada en el Linde X39 Diesel se presentó en una exposición en Hannover el 27 de mayo de 2008. Utilizaba un motor de combustión interna diesel de 2.0 litros, 43 kW (58 hp) convertido para usar hidrógeno como combustible con el uso de compresor e inyección directa . [58] [59]

Una carretilla elevadora de celda de combustible (también llamada carretilla elevadora de celda de combustible) es una carretilla elevadora industrial accionada por celda de combustible. En 2013, se utilizaron más de 4.000 montacargas de pila de combustible en el manejo de materiales en los EE. UU. [60] El mercado mundial se estimó en 1 millón de carretillas elevadoras accionadas por celdas de combustible por año durante 2014-2016. [61] Empresas de todo el mundo explotan flotas. [62] Pike Research declaró en 2011 que las carretillas elevadoras accionadas por pilas de combustible serán el mayor impulsor de la demanda de combustible de hidrógeno para 2020. [63]

La mayoría de las empresas de Europa y EE. UU. No utilizan carretillas elevadoras impulsadas por petróleo, ya que estos vehículos trabajan en interiores donde las emisiones deben controlarse y, en su lugar, utilizan carretillas elevadoras eléctricas. [61] [64] Los montacargas que funcionan con pilas de combustible pueden proporcionar beneficios sobre los montacargas que funcionan con baterías, ya que se pueden repostar en 3 minutos. Se pueden utilizar en almacenes refrigerados, ya que su rendimiento no se degrada con temperaturas más bajas. Las unidades de pila de combustible a menudo se diseñan como reemplazos directos. [65] [66]

Cohetes

Muchos cohetes grandes utilizan hidrógeno líquido como combustible, con oxígeno líquido como oxidante (LH2 / LOX). Una ventaja del combustible para cohetes de hidrógeno es la alta velocidad de escape efectiva en comparación con los motores de queroseno / LOX o UDMH / NTO . Según la ecuación del cohete Tsiolkovsky , un cohete con mayor velocidad de escape utiliza menos propulsor para acelerar. Además, la densidad de energía del hidrógeno es mayor que la de cualquier otro combustible. [67] LH2 / LOX también produce la mayor eficiencia en relación con la cantidad de propulsor consumido, de cualquier propulsor de cohete conocido. [68]

Una desventaja de los motores LH2 / LOX es la baja densidad y baja temperatura del hidrógeno líquido, lo que significa que se necesitan tanques de combustible más grandes y aislados y, por lo tanto, más pesados. Esto aumenta la masa estructural del cohete, lo que reduce significativamente su delta-v. Otra desventaja es la poca capacidad de almacenamiento de los cohetes impulsados ​​por LH2 / LOX: debido a la constante ebullición de hidrógeno, el cohete debe alimentarse poco antes del lanzamiento, lo que hace que los motores criogénicos no sean adecuados para misiles balísticos intercontinentales y otras aplicaciones de cohetes con la necesidad de preparaciones de lanzamiento breves. .

En general, la delta-v de una etapa de hidrógeno no suele ser muy diferente de la de una etapa de combustible denso, pero el peso de una etapa de hidrógeno es mucho menor, lo que la hace particularmente efectiva para las etapas superiores, ya que son transportadas por la etapa inferior. etapas. Para las primeras etapas, los cohetes de combustible denso en los estudios pueden mostrar una pequeña ventaja, debido al tamaño más pequeño del vehículo y la menor resistencia al aire. [69]

LH2 / LOX también se utilizaron en el transbordador espacial para hacer funcionar las celdas de combustible que alimentan los sistemas eléctricos. [70] El subproducto de la pila de combustible es el agua, que se utiliza para beber y otras aplicaciones que requieren agua en el espacio.

Camiones pesados

United Parcel Service comenzó a probar un vehículo de reparto impulsado por hidrógeno en 2017. [71] US Hybrid , Toyota y Kenworth también planean probar camiones de celda de combustible de hidrógeno de arrastre de Clase 8 . [72]

En 2020, Hyundai comenzó la producción comercial de sus camiones de celda de combustible Xcient y envió diez de ellos a Suiza . Tiene previsto vender a mercados adicionales, [73] [74] [75] incluidos los Estados Unidos para 2022. [76]

Vehículo de combustión interna

Artículos principales: Vehículo con motor de combustión interna de hidrógeno y Lista de vehículos con motor de combustión interna de hidrógeno

Los automóviles con motor de combustión interna de hidrógeno son diferentes de los automóviles con celda de combustible de hidrógeno. El coche de combustión interna de hidrógeno es una versión ligeramente modificada del coche de motor de combustión interna de gasolina tradicional . Estos motores de hidrógeno queman combustible de la misma manera que lo hacen los motores de gasolina; la principal diferencia es el producto de escape. La combustión de gasolina produce emisiones de dióxido de carbono , monóxido de carbono , NOx, partículas e hidrocarburos no quemados, [77] mientras que el principal producto de escape de la combustión de hidrógeno es el vapor de agua.

En 1807 Francois Isaac de Rivaz diseñó el primer motor de combustión interna de hidrógeno . [78] En 1965, Roger Billings , entonces estudiante de secundaria, convirtió un Modelo A para que funcionara con hidrógeno. [79] En 1970 Paul Dieges patentó una modificación de los motores de combustión interna que permitía que un motor de gasolina funcionara con hidrógeno US 3844262  .

Mazda ha desarrollado motores Wankel que queman hidrógeno, que se utilizan en el Mazda RX-8 Hydrogen RE . La ventaja de utilizar un motor de combustión interna, como los motores Wankel y de pistón, es el menor costo de reequipamiento para la producción. [80]

Se han realizado demostraciones de las carretillas elevadoras HICE [81] basadas en motores diésel de combustión interna reconvertidos con inyección directa . [59]

Pila de combustible

Más información: pila de combustible

Costo de la pila de combustible

Las pilas de combustible de hidrógeno son relativamente caras de producir, ya que sus diseños requieren sustancias raras, como el platino , como catalizador , [82] En 2014, el ex presidente del Parlamento Europeo Pat Cox estimó que Toyota perdería inicialmente unos 100.000 dólares por cada Mirai vendido. [20] En 2020, los investigadores del Departamento de Química de la Universidad de Copenhague están desarrollando un nuevo tipo de catalizador que esperan reducirá el costo de las pilas de combustible. [83]Este nuevo catalizador utiliza mucho menos platino porque las nanopartículas de platino no están recubiertas por carbono que, en las pilas de combustible de hidrógeno convencionales, mantiene las nanopartículas en su lugar, pero también hace que el catalizador se vuelva inestable y lo desnaturalice lentamente, requiriendo aún más platino. . La nueva tecnología utiliza nanocables duraderos en lugar de nanopartículas. "El siguiente paso para los investigadores es ampliar sus resultados para que la tecnología se pueda implementar en vehículos de hidrógeno". [84]

Condiciones de congelación

Los problemas en los primeros diseños de pilas de combustible a bajas temperaturas en relación con la autonomía y las capacidades de arranque en frío se han abordado de modo que "ya no puedan verse como obstáculos". [85] Los usuarios en 2014 dijeron que sus vehículos de pila de combustible funcionan sin problemas en temperaturas bajo cero, incluso con los calentadores a todo volumen, sin reducir significativamente el alcance. [86] Los estudios que utilizan radiografía de neutrones en arranque en frío sin ayuda indican formación de hielo en el cátodo, [87] tres etapas en el arranque en frío [88] y conductividad iónica de Nafion. [89] También se definió un parámetro, definido como culombio de carga, para medir la capacidad de arranque en frío. [90]

Vida de servicio

La vida útil de las pilas de combustible es comparable a la de otros vehículos. [91] La vida útil de la pila de combustible de membrana de polímero-electrolito (PEM) es de 7.300 horas en condiciones de ciclo. [92]

Hidrógeno

El hidrógeno no existe en depósitos o depósitos convenientes como los combustibles fósiles o el helio . [93] Se produce a partir de materias primas como el gas natural y la biomasa o se electroliza a partir del agua. [94] Un beneficio sugerido del despliegue a gran escala de vehículos de hidrógeno es que podría conducir a una disminución de las emisiones de gases de efecto invernadero y precursores del ozono. [95] Sin embargo, a partir de 2014, el 95% del hidrógeno está hecho de metano . Puede producirse por medios termoquímicos o pirolíticos utilizando materias primas renovables, pero ese es un proceso costoso. [6] Sin embargo, la electricidad renovable se puede utilizar para impulsar la conversión de agua en hidrógeno: Viento integrado en hidrógeno (Las plantas de energía a gas ), que utilizan la electrólisis del agua , están explorando tecnologías para ofrecer costos lo suficientemente bajos y cantidades lo suficientemente grandes como para competir con las fuentes de energía tradicionales. [96]

Según Ford Motor Company, un vehículo de pila de combustible de hidrógeno generaría sólo tres quintas partes de la cantidad de dióxido de carbono que un vehículo comparable que funcione con gasolina mezclada con un 10 por ciento de etanol. [97] Aunque los métodos de producción de hidrógeno que no utilizan combustibles fósiles serían más sostenibles, [98] actualmente la energía renovable representa solo un pequeño porcentaje de la energía generada, y la energía producida a partir de fuentes renovables se puede utilizar de manera más eficiente en vehículos eléctricos y para aplicaciones no vehiculares. [99]

Los desafíos que enfrenta el uso de hidrógeno en vehículos incluyen principalmente su almacenamiento a bordo del vehículo. Si bien la eficiencia del hidrógeno entre el pozo y la rueda de la forma menos eficiente de producirlo (electrólisis) es inferior al 25 por ciento, [10] [100] [101] [102] aún excede la de los vehículos basados ​​en motores de combustión interna. . [103] [104]

Producción

Más información: producción de hidrógeno

El hidrógeno molecular necesario como combustible a bordo para vehículos de hidrógeno se puede obtener a través de muchos métodos termoquímicos que utilizan gas natural , carbón (mediante un proceso conocido como gasificación del carbón), gas de petróleo licuado , biomasa ( gasificación de biomasa ), mediante un proceso llamado termólisis , o como un producto de desecho microbiano llamado biohidrógeno o producción de hidrógeno biológico . El 95% del hidrógeno se produce mediante gas natural [105] y el 85% del hidrógeno producido se utiliza para eliminar el azufre de la gasolina. El hidrógeno también se puede producir a partir del agua mediante electrólisis con eficiencias de trabajo de 65 a 70%.[106] El hidrógeno también se puede producir mediante reducción química utilizando hidruros químicos o aluminio. [107] Las tecnologías actuales para la fabricación de hidrógeno utilizan energía en diversas formas, que suman entre el 25 y el 50 por ciento del valor calorífico superior del combustible de hidrógeno, que se utiliza para producir, comprimir o licuar y transmitir el hidrógeno por tuberías o camiones. [98]

Las consecuencias ambientales de la producción de hidrógeno a partir de recursos energéticos fósiles incluyen la emisión de gases de efecto invernadero , una consecuencia que también resultaría del reformado a bordo de metanol en hidrógeno. [100] Los análisis que comparan las consecuencias medioambientales de la producción y el uso de hidrógeno en vehículos de pila de combustible con el refinado de petróleo y la combustión en motores de automóviles convencionales no coinciden en si se produciría una reducción neta de ozono y gases de efecto invernadero. [10] [95] La producción de hidrógeno utilizando recursos de energía renovable no crearía tales emisiones, pero la escala de producción de energía renovable necesitaría expandirse para usarse en la producción de hidrógeno para una parte significativa de las necesidades de transporte. [108]A partir de 2016, el 14,9 por ciento de la electricidad de EE. UU. Se produjo a partir de fuentes renovables. [109] En unos pocos países, las fuentes renovables se están utilizando más ampliamente para producir energía e hidrógeno. Por ejemplo, Islandia está utilizando energía geotérmica a hidrógeno producto, [110] y Dinamarca está utilizando viento . [111]

Almacenamiento

Más información: almacenamiento de hidrógeno
Marca de almacenamiento de hidrógeno comprimido

El hidrógeno comprimido en tanques de hidrógeno a 350 bar (5.000 psi) y 700 bar (10.000 psi) se utiliza para sistemas de tanques de hidrógeno en vehículos, basados ​​en la tecnología de compuestos de carbono tipo IV. [112]

El hidrógeno tiene una densidad de energía volumétrica muy baja en condiciones ambientales, en comparación con la gasolina y otros combustibles para vehículos. [113] Debe almacenarse en un vehículo, ya sea como un líquido súper enfriado o como un gas altamente comprimido, lo que requiere energía adicional para lograrlo. [114] En 2018, investigadores de CSIRO en Australia impulsaron un Toyota Mirai y un Hyundai Nexo con hidrógeno separado del amoníaco utilizando una tecnología de membrana. El amoníaco es más fácil de transportar de forma segura en camiones cisterna que el hidrógeno puro. [115]

Infraestructura

Repostaje de vehículos de hidrógeno
Abastecimiento de hidrógeno
Más información: Infraestructura de hidrógeno
Más información: Autopista del Hidrógeno

La infraestructura de hidrógeno consta de estaciones de servicio equipadas con hidrógeno, que se suministran con hidrógeno a través de remolques de tubos de hidrógeno comprimido , camiones cisterna de hidrógeno líquido o producción in situ dedicada, y algunos transportes industriales por tuberías de hidrógeno . La distribución de combustible de hidrógeno para vehículos en todo EE. UU. Requeriría nuevas estaciones de hidrógeno que costarían entre 20 mil millones de dólares en los EE. UU. [116] (4.6 mil millones en la UE). [117] y medio billón de dólares en Estados Unidos. [10] [118]

En 2021 , había 49 estaciones de repostaje de hidrógeno de acceso público en los EE. UU., 48 de las cuales estaban ubicadas en California (en comparación con 42,830 estaciones de carga eléctrica). [119] [120] En 2017, había 91 estaciones de servicio de hidrógeno en Japón. [121]

Códigos y estándares

Los códigos y estándares de hidrógeno , así como los códigos y estándares técnicos para la seguridad del hidrógeno y el almacenamiento de hidrógeno , han sido una barrera institucional para el despliegue de tecnologías de hidrógeno . Para permitir la comercialización de hidrógeno en productos de consumo, los gobiernos federales, estatales y locales deben desarrollar y adoptar nuevos códigos y estándares. [122]

Soporte oficial

Iniciativas estadounidenses

En 2003, George W. Bush anunció una iniciativa para promover los vehículos propulsados ​​por hidrógeno. [123] En 2009, el presidente Obama y su secretario de Energía, Steven Chu, eliminaron la financiación de la tecnología de pilas de combustible después de concluir que aún faltaban décadas para la tecnología. Bajo fuertes críticas, la financiación se restauró parcialmente. [124] [125]

En 2013, el senador Byron L. Dorgan dijo que "el proyecto de ley de asignaciones de energía y agua hace inversiones en los esfuerzos de nuestra nación para desarrollar fuentes de energía seguras y locales que reducirán nuestra dependencia del petróleo extranjero. Y, porque la investigación y el desarrollo continuos son necesarios para desarrollar tecnologías que cambian el juego, este proyecto de ley también restaura los fondos para la investigación de la energía del hidrógeno ". El mismo año, el Departamento de Energía de EE. UU. Otorgó 9 millones de dólares en subvenciones para acelerar el desarrollo de tecnología, 4,5 millones para membranas de celdas de combustible avanzadas, 3 millones de dólares a 3M para trabajar en membranas con mayor durabilidad y rendimiento, y 1,5 millones a la Escuela de Colorado. of Mines para trabajar en membranas de pilas de combustible más simples y asequibles. [126]Las inversiones estadounidenses en abastecimiento de combustible estaban previstas en 2014. [127]

Otros esfuerzos

En Japón, el hidrógeno se obtiene principalmente de fuera de Japón. [94] [128]

Noruega planea una serie de estaciones de repostaje de hidrógeno a lo largo de las carreteras principales. [129] [130]

Crítica

Los críticos afirman que es probable que el plazo para superar los desafíos técnicos y económicos para implementar el uso a gran escala de los automóviles de hidrógeno dure al menos varias décadas. [99] [131] Afirman que el enfoque en el uso del automóvil de hidrógeno es un desvío peligroso de las soluciones más fácilmente disponibles para reducir el uso de combustibles fósiles en los vehículos. [132] En mayo de 2008, Wired News informó que "los expertos dicen que pasarán 40 años o más antes de que el hidrógeno tenga un impacto significativo en el consumo de gasolina o el calentamiento global, y no podemos permitirnos esperar tanto tiempo. Mientras tanto, el combustible las células están desviando recursos de soluciones más inmediatas ". [133]

Las críticas a los vehículos de hidrógeno se presentan en el documental de 2006, ¿Quién mató al coche eléctrico? . Según el ex funcionario del Departamento de Energía de Estados Unidos, Joseph Romm , "un automóvil de hidrógeno es una de las formas menos eficientes y más caras de reducir los gases de efecto invernadero". Cuando se le preguntó cuándo estarán ampliamente disponibles los coches de hidrógeno, Romm respondió: "No en nuestra vida, y muy posiblemente nunca". [134] El Los Angeles Times escribió, en 2009, "La tecnología de pila de combustible de hidrógeno no funcionará en los coches ... De cualquier forma que se mire, el hidrógeno es una forma pésima de mover los coches". [135] La revista The Economist , en 2008, citó a Robert Zubrin , autor de Energy Victory., como diciendo: "El hidrógeno es 'casi el peor combustible para vehículos posible'". [136] La revista señaló la retirada de California de los objetivos anteriores: "En [2008] la Junta de Recursos del Aire de California , una agencia del gobierno estatal de California y un referente para los gobiernos estatales en todo Estados Unidos, cambió su requisito para el número de emisiones cero vehículos (ZEV) que se construirán y venderán en California entre 2012 y 2014. El mandato revisado permite a los fabricantes cumplir con las reglas construyendo más autos eléctricos de batería en lugar de vehículos de celda de combustible ". [136]La revista también señaló que la mayor parte del hidrógeno se produce a través de la reformación de metano con vapor, que genera al menos tantas emisiones de carbono por milla como algunos de los automóviles de gasolina de hoy en día. Por otro lado, si el hidrógeno pudiera producirse utilizando energía renovable, "seguramente sería más fácil simplemente usar esta energía para cargar las baterías de vehículos híbridos enchufables o totalmente eléctricos". [136] A partir de 2019, el 98% del hidrógeno se produce mediante reformado con vapor de metano , que emite dióxido de carbono. [5]

Un estudio de 2009 en UC Davis , publicado en el Journal of Power Sources , encontró de manera similar que, a lo largo de su vida, los vehículos de hidrógeno emitirán más carbono que los vehículos de gasolina. [137] Esto concuerda con un análisis de 2014. [10] El Washington Post preguntó en 2009: "¿Por qué querrías almacenar energía en forma de hidrógeno y luego usar ese hidrógeno para producir electricidad para un motor, cuando la energía eléctrica ya está esperando ser succionada de los enchufes? en todo Estados Unidos y almacenados en baterías de automóviles "? [105] The Motley Fool declaró en 2013 que "todavía existen obstáculos prohibitivos en cuanto a costos [para los automóviles de hidrógeno] relacionados con el transporte, el almacenamiento y, lo más importante, la producción". [138]

Rudolf Krebs, de Volkswagen, dijo en 2013 que "no importa lo excelentes que se hagan los autos, las leyes de la física obstaculizan su eficiencia general. La forma más eficiente de convertir la energía en movilidad es la electricidad". Él elaboró: "La movilidad del hidrógeno solo tiene sentido si se usa energía verde", pero ... primero hay que convertirlo en hidrógeno "con bajas eficiencias" donde "se pierde alrededor del 40 por ciento de la energía inicial". Luego debe comprimir el hidrógeno y almacenarlo a alta presión en tanques, lo que consume más energía. "Y luego hay que convertir el hidrógeno de nuevo en electricidad en una celda de combustible con otra pérdida de eficiencia". Krebs continuó: "al final, de tu 100 por ciento original de energía eléctrica, terminas con 30 a 40 por ciento".[139] Business Insider comentó:

El hidrógeno puro puede derivarse industrialmente, pero requiere energía. Si esa energía no proviene de fuentes renovables, entonces los autos de celda de combustible no son tan limpios como parecen. ... Otro desafío es la falta de infraestructura. Las estaciones de servicio deben invertir en la capacidad de repostar los tanques de hidrógeno antes de que los FCEV [vehículos eléctricos de celda de combustible] se vuelvan prácticos, y es poco probable que muchos lo hagan mientras hay tan pocos clientes en la carretera en la actualidad. ... Para agravar la falta de infraestructura está el alto costo de la tecnología. Las pilas de combustible son "todavía muy, muy caras". [140]

En 2014, Joseph Romm dedicó tres artículos a actualizar sus críticas a los vehículos de hidrógeno realizadas en su libro The Hype about Hydrogen . Dijo que los vehículos de pila de combustible aún no habían superado el alto costo de los vehículos, el alto costo de combustible y la falta de infraestructura de suministro de combustible. "Se necesitarían varios milagros para superar todos esos problemas simultáneamente en las próximas décadas". [141] Además, escribió, "los FCV no son ecológicos" debido al escape de metano durante la extracción de gas natural y cuando se produce hidrógeno, como el 95% del mismo, mediante el proceso de reformado con vapor. Concluyó que la energía renovable no se puede utilizar económicamente para producir hidrógeno para una flota de FCV "ni ahora ni en el futuro". [142] GreenTech MediaEl analista llegó a conclusiones similares en 2014. [143] En 2015, Clean Technica enumeró algunas de las desventajas de los vehículos de pila de combustible de hidrógeno [144] al igual que Car Throttle . [145] Otro escritor de Clean Technica concluyó que "si bien el hidrógeno puede desempeñar un papel en el mundo del almacenamiento de energía (especialmente el almacenamiento estacional), parece un callejón sin salida cuando se trata de vehículos convencionales". [146] Un estudio de 2016 en la edición de noviembre de la revista Energy realizado por científicos de la Universidad de Stanford y la Universidad Técnica de Munich.concluyó que, incluso asumiendo la producción local de hidrógeno, "invertir en vehículos de batería totalmente eléctricos es una opción más económica para reducir las emisiones de dióxido de carbono, principalmente debido a su menor costo y eficiencia energética significativamente mayor". [147]

Un análisis de 2017 publicado en Green Car Reports concluyó que los mejores vehículos de pila de combustible de hidrógeno consumen "más de tres veces más electricidad por milla que un vehículo eléctrico ... generan más emisiones de gases de efecto invernadero que otras tecnologías de propulsión ... [y han ] costos de combustible muy altos ... Teniendo en cuenta todos los obstáculos y requisitos para la nueva infraestructura (que se estima en 400 mil millones de dólares), los vehículos de celda de combustible parecen ser, en el mejor de los casos, una tecnología de nicho, con poco impacto en el consumo de petróleo de EE. UU. . [121] El Departamento de Energía de EE. UU. Está de acuerdo, para el combustible producido por la red eléctrica a través de la electrólisis, pero no para la mayoría de las otras vías de generación. [148] Un video de 2019 de Real Engineeringseñaló que, a pesar de la introducción de vehículos que funcionan con hidrógeno, el uso de hidrógeno como combustible para los automóviles no ayuda a reducir las emisiones de carbono del transporte. El 95% del hidrógeno que todavía se produce a partir de combustibles fósiles libera dióxido de carbono, y producir hidrógeno a partir del agua es un proceso que consume energía. El almacenamiento de hidrógeno requiere más energía, ya sea para enfriarlo al estado líquido o para ponerlo en tanques a alta presión, y entregar el hidrógeno a las estaciones de servicio requiere más energía y puede liberar más carbono. El hidrógeno necesario para mover un FCV por kilómetro cuesta aproximadamente 8 veces más que la electricidad necesaria para mover un BEV a la misma distancia. [149]También en 2019, Katsushi Inoue, presidente de Honda Europa, declaró: "Nuestro enfoque ahora está en los vehículos híbridos y eléctricos. Tal vez vendrán autos con celda de combustible de hidrógeno, pero esa es una tecnología para la próxima era". [150]

Una evaluación de 2020 concluyó que los vehículos de hidrógeno todavía tienen solo un 38% de eficiencia, mientras que los vehículos eléctricos con batería tienen una eficiencia del 80%. [151] [152]

Seguridad y suministro

Artículo principal: seguridad del hidrógeno

El combustible de hidrógeno es peligroso debido a la baja energía de ignición (ver también Temperatura de autoignición ) y la alta energía de combustión del hidrógeno, y porque tiende a filtrarse fácilmente de los tanques. [153] Se han notificado explosiones en estaciones de servicio de hidrógeno. [154] Las estaciones de abastecimiento de hidrógeno generalmente reciben entregas de hidrógeno por camión de los proveedores de hidrógeno. Una interrupción en una instalación de suministro de hidrógeno puede cerrar varias estaciones de abastecimiento de hidrógeno. [155]

Comparación con otros tipos de vehículos de combustible alternativo

Artículo principal: vehículo de combustible alternativo

Los vehículos de hidrógeno compiten con varias alternativas propuestas a la moderna infraestructura de vehículos propulsados ​​por combustibles fósiles . [82]

Híbridos enchufables

Artículo principal: híbrido enchufable

Los vehículos eléctricos híbridos enchufables , o PHEV, son vehículos híbridos que se pueden enchufar a la red eléctrica y contienen un motor eléctrico y también un motor de combustión interna . El concepto PHEV aumenta los vehículos eléctricos híbridos estándar con la capacidad de recargar sus baterías desde una fuente externa, lo que permite un mayor uso de los motores eléctricos del vehículo y reduce su dependencia de los motores de combustión interna. La infraestructura necesaria para cargar los PHEV ya está en funcionamiento [156].y la transmisión de energía de la red al automóvil tiene una eficiencia de aproximadamente un 93%. Sin embargo, esta no es la única pérdida de energía al transferir energía de la red a las ruedas. La conversión de CA / CC debe realizarse desde el suministro de CA de la red a la CC del PHEV. Esto es aproximadamente un 98% de eficiencia. [157] A continuación, se debe cargar la batería. En 2007, la batería de fosfato de hierro y litio tenía una eficiencia de entre el 80 y el 90% en la carga / descarga. [158] La batería debe enfriarse. [159]A partir de 2009, "la eficiencia total del pozo a las ruedas con la que un vehículo con celda de combustible de hidrógeno podría utilizar electricidad renovable es aproximadamente del 20% ... La eficiencia del pozo a las ruedas de cargar una batería a bordo y luego descargarla para funcionar un motor eléctrico en un PHEV o EV, sin embargo, es 80% ... cuatro veces más eficiente que las rutas actuales de los vehículos de celda de combustible de hidrógeno ". [102] Un estudio de diciembre de 2009 en UC Davis encontró que, a lo largo de su vida, los PHEV emitirán menos carbono que los vehículos actuales, mientras que los coches de hidrógeno emitirán más carbono que los vehículos de gasolina. [137]

Gas natural

Artículo principal: vehículo de gas natural

Los vehículos de gas natural comprimido (GNC), HCNG , GLP o GNL ( vehículos de gas natural o GNV) basados ​​en motores de combustión interna utilizan metano ( gas natural o biogás ) directamente como fuente de combustible. El gas natural tiene una densidad energética más alta que el gas hidrógeno. Los NGV que utilizan biogás son casi neutros en carbono . [160] A diferencia de los vehículos de hidrógeno, los vehículos de GNC han estado disponibles durante muchos años y hay suficiente infraestructura para proporcionar estaciones de servicio comerciales y domésticas. En todo el mundo, había 14,8 millones de vehículos a gas natural a fines de 2011. [161]El otro uso del gas natural es el reformado con vapor, que es la forma común de producir gas hidrógeno para su uso en automóviles eléctricos con pilas de combustible.

Vehículos totalmente eléctricos

Artículo principal: coche eléctrico

Un artículo de 2008 Technology Review afirmaba: "Los coches eléctricos y los coches híbridos enchufables tienen una enorme ventaja sobre los vehículos de pila de combustible de hidrógeno en el uso de electricidad baja en carbono. Esto se debe a la ineficacia inherente de todo el proceso de repostaje de hidrógeno, desde generar el hidrógeno con esa electricidad para transportar este gas difuso a largas distancias, llevar el hidrógeno al automóvil y luego pasarlo a través de una celda de combustible, todo con el propósito de convertir el hidrógeno de nuevo en electricidad para impulsar exactamente el mismo motor eléctrico que usted ' Lo encontraré en un coche eléctrico ". [162] Termodinámicamente, cada paso adicional en el proceso de conversión disminuye la eficiencia general del proceso. [163] [164]

Una comparación de 2013 de vehículos eléctricos de batería e hidrógeno coincidió con la cifra del 25% de Ulf Bossel en 2006 y afirmó que el costo de una batería de vehículo eléctrico "está bajando rápidamente y la brecha se ampliará aún más", mientras que hay poco "existente infraestructura para transportar, almacenar y entregar hidrógeno a los vehículos y su instalación costaría miles de millones de dólares, los enchufes domésticos de todos son estaciones de "reabastecimiento de vehículos eléctricos" y el "costo de la electricidad (según la fuente) es al menos un 75% más barato que el hidrógeno ". [165] Para 2018, el costo de las baterías para vehículos eléctricos había caído a menos de $ 150 por kWh. [166]

Los primeros diseños de automóviles eléctricos ofrecían una autonomía de conducción limitada, lo que provocaba ansiedad por la autonomía . Por ejemplo, el Nissan Leaf 2013 tenía un alcance de 121 km (75 millas), [167] Los modelos de vehículos eléctricos más recientes generalmente tienen un alcance considerablemente mayor; por ejemplo, el Tesla Model S 2020 tiene un alcance de más de 400 millas (640 km). [168] La mayoría de los viajes diarios en los EE. UU. Son de 30 a 40 millas (48 a 64 km) por día de ida y vuelta, [169] y en Europa, la mayoría de los viajes diarios al trabajo son de alrededor de 20 kilómetros (12 millas) de ida y vuelta [170].

En 2013, John Swanton de la Junta de Recursos del Aire de California , que veía los vehículos eléctricos y los vehículos de hidrógeno como tecnologías complementarias, declaró que los vehículos eléctricos dieron el salto a los automóviles de pila de combustible, que "son como los vehículos eléctricos hace 10 años. Los vehículos eléctricos son para consumidores reales, sin condiciones. Con los vehículos eléctricos, tiene una gran cantidad de infraestructura en su lugar. [171] Business Insider, en 2013 comentó que si la energía para producir hidrógeno "no proviene de fuentes renovables, entonces los autos de celda de combustible no son tan limpios como parecen. ... Las estaciones de servicio deben invertir en la capacidad de repostar tanques de hidrógeno antes de que los FCEV se conviertan en Práctico, y es poco probable que muchos lo hagan mientras hay tan pocos clientes en la carretera en la actualidad ... Para agravar la falta de infraestructura está el alto costo de la tecnología. Las celdas de combustible son "todavía muy, muy caras", incluso en comparación con vehículos eléctricos a batería. [140]

Ver también

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enlaces externos

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  • Fuel Cell Today: inteligencia basada en el mercado sobre la industria de las pilas de combustible
  • Páginas de hidrógeno del Departamento de Energía de EE. UU.
  • Sandia Corporation - Descripción del motor de combustión interna de hidrógeno
  • Interior del primer automóvil de producción impulsado por hidrógeno del mundo BBC News, 14 de septiembre de 2010
  • Toyota Ecopark Hydrogen Demonstration ARENAWIRE, 22 de marzo de 2019
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