Vehículos eléctricos ¿con baterías de litio o celda de hidrógeno?

Estimados Amigos de los Ve´s

En esta oportunidad envío a Uds. una artículo que intenta

aclarar sobre el uso del hidrógeno como combustible en vehículos.

Saludos cordiales

Ing. Ricardo Berizzo

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Vehículos eléctricos ¿con baterías de litio o celda de  hidrógeno?  

Si hay un tema que despierta profundas pasiones y enconadas discusiones en cualquier foro de aficionados a la movilidad eléctrica es sin duda la competición entre los diferentes combustibles, y muy especialmente entre baterías de litio y pilas de hidrógeno. Para muchos la pila de combustible de hidrógeno es el "santo grial" de la propulsión sostenible. En esta oportunidad vamos a  enfocar este tema teniendo en cuenta exclusivamente la eficiencia energética. Ya que toda discusión es estéril si no se fundamenta en los cálculos pertinentes.

No cabe dudas que hoy en día el sistema más eficiente en términos de consumo de energía es el coche eléctrico. Veamos qué cantidad de energía aprovecha un coche eléctrico en comparación con el  motor de combustión (MCI) y la pila de hidrógeno. Los costos y ventajas  de cada sistema ya son tema para otro estudio por lo que no vamos a entrar en detalle.

En general se acepta que la eficiencia de un motor térmico suele establecerse alrededor del 25% (la eficiencia máxima en un motor naftero que se podría alcanzar está entre 25-30% y un motor diésel entre 35-45%). Vamos  a  considerar  una de las cifras más aceptadas y asumir ese 30% de eficiencia para todo motor de combustión.

En motores eléctricos hay un gran rango de eficiencias pero en general los usados en automoción ronda entre el 85% y el 95% de eficiencia por lo que asumir un 95% es un compromiso aceptable, ya que además disponen de frenado regenerativo lo que aumenta la eficiencia. El cargador de baterías suele tener una eficiencia del 95% y la batería de litio otro 90%. El controlador  alcanza el 97% de eficiencia. (Datos de la tecnología del Chevrolet Bolt (GM) y baterías LG)

La cadena completa resultante cargador-baterías-controlador-motor eléctrico  tiene una eficiencia total del 78,78% pero tomando  datos de distintas fuentes relativas al gasto de coches eléctricos donde muchos usuarios dan por buena una eficiencia general del proceso del 70 al 85% en función de varias condiciones.

Para el coche de hidrógeno consideramos también las eficiencias del controlador y motor mencionadas ya que un coche a pila de hidrógeno  utiliza una motorización similar.

Dado que el hidrógeno no existe libre en la naturaleza hay que generarlo. En el caso de la generación de hidrógeno hay dos posibilidades básicas. Se puede crear a partir del reformado de gas natural (Metano CH4), petróleo o mediante gasificación de carbón y otros residuos, siendo el 96% de la producción de H2 mundial a partir de estos procesos, o si no a partir de la electrólisis del agua. En la actualidad los grandes volúmenes de hidrógeno que se utilizan son generados a partir de el metano, recurso no renovable.

Escogemos la electrólisis por ser el único proceso que no genera CO2 ni residuos y es el único sostenible a muy largo plazo al no depender de combustibles fósiles.

(Hay que señalar el hecho de que el hidrógeno producido hoy por electrolisis es del orden de 4.9 - 5.6 kW-h por cada m3 de hidrógeno producido, lo que resulta al menos dos veces más caro que el hidrógeno obtenido del gas natural CH4)

No tenemos en cuenta las pérdidas en la conversión  corriente alterna/continua para la electrólisis que suelen ser del 10% como en el cargador del coche eléctrico. Además en la electrólisis actualmente se suele llegar a eficiencias del 55 o 60%  tomamos ese 60% como válido. Luego hay que comprimir el hidrógeno a 350 bares para que se pueda usar en los tanques del coche mediante un compresor lo que conlleva un gasto de alrededor del 25% de la energía contenida en el gas. Consideramos 75% de eficiencia en el proceso de compresión.

En el caso de una pila de hidrógeno los principales fabricantes como Honda (primera marca en introducir un modelo de hidrógeno en el mercado fue Honda con el FCX Clarity en 2008)  no dan cifras precisas sobre el rendimiento de sus pilas pero vamos a estimarlo en un 60% de eficiencia de acuerdo a literatura especializada.

Esperamos que la generación eléctrica sea en un futuro libre de combustibles fósiles con un 100% de energías renovables, tanto para el coche eléctrico a baterías como para la generación de hidrógeno. Asumiremos las pérdidas técnicas en transporte y distribución del 10% en la red eléctrica e  incluso a ignoramos el 5% (estimado) de pérdidas en la distribución de combustible, tanto para derivados del petróleo como para el hidrógeno que son valores bastante aceptados por la diversa literatura al respecto.

Tomando en cuenta todas estas consideraciones podemos establecer la eficiencia general y simplificada de los tres sistemas:

Eficiencia Coche de Motor Térmico

100% x 0,30 = 30%

Eficiencia Coche Eléctrico a Baterías 

100%  * cargador * batería * controlador motor * motor

100% * 0.95 *0.95 *0.97 *0.95  = 78,78%

Eficiencia Coche de Hidrógeno

100% * electrolisis * compresión * celda *batería * controlador motor * motor

100% * 0.60 *0.75 *0.60 *0.97*0.97 *0.95 = 24,13%

Es decir, con la energía primaria necesaria para mover un coche de hidrógeno se podría suministrar energía  al menos a 3 coches eléctricos a baterías. Si bien los valores pueden diferir en función de  las eficiencias de los elementos constitutivos de la cadena de energía que se consideren, igualmente la diferencia es muy acentuada como para que se igualen.

Cabría preguntarse las razones de la insistencia, por parte de algunas prestigiosas automotrices y algunas voces aisladas,  en la utilización del hidrógeno como combustible ya que desde el punto de vista de la eficiencia energética  queda demostrado su relativa eficiencia.  Arriesgo varias opciones,  pueden ser algunas, todas o ninguna: interés en el negocio de generación del hidrógeno masivo (petroleras), falta de conocimiento específico, importantes estudios secundarios que se desprenden de su aplicación y la que más se hace hincapié "velocidad de recarga igual a la de los combustibles líquidos". Por favor, saquen Uds. sus conclusiones.  

Colaboró: Ing. Juan Fernandez  U.T.N. Regional Santa Fé

Ing. Ricardo Berizzo

Cátedra: Movilidad Eléctrica - U.T.N. Regional Rosario