Tendencias y perspectivas de las pilas de combustible de hidrógeno para el transporte limpio
Este artículo se centrará en las pilas de combustible de hidrógeno, las tendencias y las perspectivas de su aplicación. Las celdas de combustible basadas en hidrógeno están atrayendo cada vez más la atención en la industria automotriz actual, porque si el siglo XX fue el siglo del motor de combustión interna, entonces el siglo XXI puede convertirse en el siglo de la energía del hidrógeno en la industria automotriz. Ya hoy, gracias a las celdas de hidrógeno, las naves espaciales funcionan, y en algunos países del mundo, el hidrógeno se utiliza desde hace más de 10 años para generar electricidad.
Una celda de combustible de hidrógeno es un dispositivo electroquímico como una batería que genera electricidad a través de una reacción química entre el hidrógeno y el oxígeno, y el producto de la reacción química es agua pura, mientras que la quema de gas natural, por ejemplo, produce dióxido de carbono dañino para el medio ambiente.
Además, las celdas de hidrógeno pueden operar con mayor eficiencia, razón por la cual son particularmente prometedoras. Imagine motores de coche eficientes y respetuosos con el medio ambiente.Pero toda la infraestructura está actualmente construida y especializada para productos derivados del petróleo, y la introducción a gran escala de celdas de hidrógeno en la industria automotriz enfrenta este y otros obstáculos.
Mientras tanto, desde 1839 se sabe que el hidrógeno y el oxígeno pueden combinarse químicamente y así obtener una corriente eléctrica, es decir, el proceso de electrólisis del agua es reversible, esto es un hecho científico comprobado. Ya en el siglo XIX se empezaron a estudiar las pilas de combustible, pero el desarrollo de la producción de petróleo y la creación del motor de combustión interna abandonaron las fuentes de energía del hidrógeno y se convirtieron en algo exótico, poco rentable y caro de producir.
En la década de 1950, la NASA se vio obligada a recurrir a las pilas de combustible de hidrógeno, y luego por necesidad. Necesitaban un generador de energía compacto y eficiente para su nave espacial. Como resultado, Apollo y Gemini volaron al espacio con celdas de combustible de hidrógeno, lo que resultó ser la mejor solución.
Hoy en día, las celdas de combustible están completamente fuera de la tecnología experimental, y en los últimos 20 años se han logrado avances significativos en su comercialización más amplia.
No en vano se depositan grandes esperanzas en las pilas de combustible de hidrógeno. En el proceso de su trabajo, la contaminación ambiental es mínima, las ventajas técnicas y la seguridad son obvias, además, este tipo de combustible es fundamentalmente autónomo y puede reemplazar las pesadas y costosas baterías de litio.
El combustible de una pila de hidrógeno se convierte en energía directamente en el curso de una reacción química, y aquí se obtiene más energía que con la combustión convencional.Consume menos combustible y la eficiencia es tres veces mayor que la de un dispositivo similar que utiliza combustibles fósiles.
La eficiencia será tanto mayor cuanto mejor organizada esté la forma de utilizar el agua y el calor generados durante la reacción. Las emisiones de sustancias nocivas son mínimas, ya que solo se libera agua, energía y calor, mientras que incluso con el proceso mejor organizado de quema de combustible tradicional, inevitablemente se forman óxidos de nitrógeno, azufre, carbono y otros productos de combustión innecesarios.
Además, las propias industrias de combustibles convencionales tienen un efecto perjudicial sobre el medio ambiente, y las pilas de combustible de hidrógeno evitan una peligrosa invasión del ecosistema, ya que la producción de hidrógeno es posible a partir de fuentes de energía completamente renovables. Incluso la fuga de este gas es inofensiva, ya que se evapora instantáneamente.
La pila de combustible no importa de qué combustible se obtenga hidrógeno para su funcionamiento. La densidad de energía en kWh / l será la misma, y este indicador aumenta constantemente con la mejora de la tecnología para crear celdas de combustible.
El propio hidrógeno se puede obtener de cualquier fuente local conveniente, ya sea gas natural, carbón, biomasa o electrólisis (a través de energía eólica, solar, etc.) Desaparece la dependencia de los proveedores regionales de electricidad, los sistemas suelen ser independientes de las redes eléctricas.
Las temperaturas de operación de la celda son bastante bajas y pueden variar de 80 a 1000 °C, dependiendo del tipo de elemento, mientras que la temperatura en un motor de combustión interna convencional moderno alcanza los 2300 °C.La celda de combustible es compacta, emite un mínimo de ruido durante la generación, no tiene emisiones de sustancias nocivas, por lo que puede colocarse en cualquier lugar conveniente en el sistema en el que funciona.
En principio, no solo la electricidad, sino también el calor que se libera durante una reacción química se puede utilizar para fines útiles, por ejemplo, para calentar agua, calentar o enfriar espacios; con este enfoque, se acercará a la eficiencia de generar energía en una celda. 90%.
Las celdas son sensibles a los cambios en la carga, por lo que a medida que aumenta el consumo de energía, se debe suministrar más combustible. Esto es similar a cómo funciona un motor de gasolina o un generador de combustión interna. Técnicamente, la celda de combustible se implementa de manera bastante simple, ya que no hay partes móviles, el diseño es simple y confiable, y la probabilidad de falla es fundamentalmente extremadamente pequeña.
Una celda de combustible de hidrógeno-oxígeno con una membrana de intercambio de protones (por ejemplo, «con un electrolito de polímero») contiene una membrana que conduce protones de un polímero (Nafion, polibencimidazol, etc.), que separa dos electrodos: un ánodo y un cátodo. Cada electrodo suele ser una placa de carbono (matriz) con un catalizador soportado: platino o una aleación de platinoides y otros compuestos.
En el catalizador del ánodo, el hidrógeno molecular se disocia y pierde electrones. Los cationes de hidrógeno se transportan a través de la membrana hasta el cátodo, pero los electrones se donan al circuito externo porque la membrana no permite el paso de electrones. En el catalizador del cátodo, la molécula de oxígeno se combina con un electrón (que es suministrado por comunicaciones externas) y un protón entrante y forma agua, que es el único producto de la reacción (en forma de vapor y/o líquido).
Sí, los coches eléctricos de hoy funcionan con baterías de litio. Sin embargo, las celdas de combustible de hidrógeno pueden reemplazarlas. En lugar de una batería, la fuente de alimentación soportará mucho menos peso. Además, la potencia del automóvil no se puede aumentar en absoluto debido al aumento de peso debido a la adición de celdas de batería, sino simplemente ajustando el suministro de combustible al sistema mientras está en el cilindro. Por lo tanto, los fabricantes de automóviles tienen grandes expectativas para las pilas de combustible de hidrógeno.
Hace más de 10 años que se empezó a trabajar en la creación de coches de hidrógeno en muchos países del mundo, especialmente en EE.UU. y Europa. El oxígeno se puede extraer directamente del aire atmosférico utilizando una unidad compresora de filtración especial ubicada a bordo del vehículo. El hidrógeno comprimido se almacena en un cilindro de servicio pesado a una presión de alrededor de 400 atm. El repostaje tarda unos minutos.
El concepto de transporte urbano respetuoso con el medio ambiente se aplica en Europa desde mediados de la década de 2000: este tipo de autobuses de pasajeros se han encontrado durante mucho tiempo en Ámsterdam, Hamburgo, Barcelona y Londres. En una metrópolis, la ausencia de emisiones nocivas y la reducción del ruido son extremadamente importantes. El Coradia iLint, el primer tren de pasajeros ferroviario impulsado por hidrógeno, se lanzó en Alemania en 2018. Para 2021, se planea lanzar 14 trenes más de este tipo.
Durante los próximos 40 años, el cambio al hidrógeno como principal fuente de energía para los automóviles podría revolucionar la energía y la economía del mundo. Aunque ahora está claro que el petróleo y el gas seguirán siendo el principal mercado de combustibles durante al menos otros 10 años.No obstante, algunos países ya están invirtiendo en la creación de vehículos con pilas de combustible de hidrógeno, a pesar de que es necesario superar muchas barreras técnicas y económicas.
Crear infraestructura de hidrógeno, estaciones de servicio seguras es la tarea principal, porque el hidrógeno es un gas explosivo. De cualquier manera, con el hidrógeno, los costos de combustible y mantenimiento del vehículo se pueden reducir significativamente y se puede aumentar la confiabilidad.
Según las previsiones de Bloomberg, en 2040 los coches consumirán 1.900 teravatios hora en lugar de los actuales 13 millones de barriles diarios, lo que supondrá el 8 % de la demanda eléctrica, mientras que el 70 % del petróleo que se produce hoy en el mundo se destina a la producción de combustible para el transporte. . Por supuesto, en este punto, las perspectivas para el mercado de vehículos eléctricos de batería son mucho más pronunciadas e impresionantes que en el caso de las pilas de combustible de hidrógeno.
En 2017, el mercado de vehículos eléctricos fue de $ 17,4 mil millones, mientras que el mercado de automóviles de hidrógeno se valoró en solo $ 2 mil millones. A pesar de esta diferencia, los inversores siguen interesados en la energía del hidrógeno y financian nuevos desarrollos.
Así, en 2017 se creó el Hydrogen Council, que incluye a 39 grandes fabricantes de automóviles como Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Su finalidad es la investigación y desarrollo de nuevas tecnologías del hidrógeno y su posterior difusión.