Utilización de pilas de combustible en automoción: ventajas, inconvenientes y retos

Autor: [Baudilio Coto-Universidad Rey Juan Carlos]

La historia de los medios de transporte y de las tecnologías del hidrógeno, (muy relacionadas con las tecnología de pilas de combustible), han tenido hasta hace unos pocos años unas vidas paralelas. Exceptuando los medios de transporte basados en energía eólica (barcos) o en “fuerza bruta” (carros), la historia comienza entre el último tercio del siglo XVIII y la primera mitad del siglo XIX con la invención casi consecutiva del automóvil, el submarino, el globo, el barco de vapor, la locomotora y el tranvía. Fue por entonces cuando primero se descubrió el hidrógeno, y se empezó a producirlo y estudiarlo, y más tarde se descubrió el fenómeno de las pilas de combustible.

Hace doscientos años, el ingeniero suizo François Isaac de Rivaz inventó un motor de combustión interna que funcionaba con una mezcla de combustible de hidrógeno y oxígeno, pero el automóvil que diseñó para el motor fue un fracaso. Los primeros automóviles eléctricos se inventaron unos 25 años más tarde, mucho antes de que aparecieran los Sres. Daimler, inventor del motor a gas moderno en 1885, y Benz, titular, en 1886, de la patente DRP 37435 por un automóvil a gasolina.

A principios del siglo XX, los automóviles eléctricos eran más comunes que los modelos a gasolina, por muchas de las razones por las que hoy los consumidores se interesan nuevamente por los automóviles eléctricos: no producían emanaciones nocivas, eran silenciosos y más fáciles de manejar. La posibilidad de sustituir los motores de combustión interna alimentados por combustibles fósiles por sistemas alternativos, más eficientes y con menores emisiones, ha sido objeto de estudio desde los años 60. La viabilidad de utilizar pilas de combustible como posible alternativa quedó demostrada en los años 70. Entonces, ¿por qué los automóviles a gasolina, más contaminantes, coparon el mercado? Esto sin duda se debe a varios factores, pero su elevado coste, como razón de peso muy importante, ha hecho que aún a día de hoy su comercialización no sea competitiva.

El Observatorio de Prospectiva Tecnológica Industrial (OPTI) ha realizado no hace demasiado tiempo un estudio “Hidrógeno y Pilas de Combustible” donde se estima que en 2020 existirán en Europa nueve millones de vehículos propulsados por hidrógeno (5% del parque automovilístico). Para atender la demanda de hidrógeno de dichos vehículos se requerirá un mínimo de 5.000 – 10.000 estaciones de servicio de hidrógeno (“Hidrogeneras”). Entre las pocas cosas claras a día de hoy en relación con el porvenir del hidrógeno destaca la unión entre uso de hidrógeno y pilas de combustible. Estas últimas tienen una previsible aplicación en el transporte, teniendo en cuenta que el grado de desarrollo tecnológico de las pilas de combustible hace pensar que esta opción es bastante probable de que tenga éxito y de hecho las principales marcas automovilísticas han presentado en los últimos años prototipos de coches propulsados por hidrógeno.

La aplicación de esta tecnología en vehículos de automoción tiene unos requerimientos diferenciadores respecto de otros usos que condicionan el tipo de pila a utilizar, su rendimiento y coste final. Entre los requisitos más importantes se encuentran:

-     El peso y volumen de todo el sistema (incluyendo los subsistemas adicionales necesarios) ha de ser bajo.

-     El tiempo de autonomía ha de ser largo.

-     La temperatura de operación no debería ser excesivamente elevada.

-     El tipo de combustible y el almacenamiento del mismo son críticos.

-     La velocidad de respuesta ha de ser rápida, tanto en el calentamiento inicial como en la adaptación a la potencia demandada.

-     La durabilidad de los componentes ha de ser alta, permitiendo una vida útil superior a 10 años.

Por ello, las pilas de membrana polimérica (PEMFC) y las de metanol (DMFC), cuyos combustibles son el hidrógeno y el metanol diluido, respectivamente, parecen las más adecuadas para cumplir estos requerimientos. Con una baja temperatura de funcionamiento, alrededor de 80°C, las PEM pueden alcanzar rápidamente la temperatura operativa. Estas pilas pueden ofrecer una eficacia superior al 60% comparada con el 25% que se consigue con los motores de combustión interna. Permite una gran reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (la reducción puede llegar a ser del 50%, y aún mayor si el combustible es el hidrógeno). Su uso va vinculado a un motor eléctrico, con ello, la eliminación de componentes móviles, en teoría, debería mejorar la durabilidad y desde un punto de vista geopolítico, permitiría una reducción de la dependencia energética, ya que el combustible se podría obtener de fuentes distintas (biocombustibles, gas natural, carbón, etc.) frente a la dependencia del suministro de los combustibles fósiles.

Investigaciones efectuadas en el Pembina Institute indican que los vehículos que emplean metanol como combustible pueden alcanzar eficiencias de 1.76 veces las de vehículos impulsados por un motor de combustión de gasolina. Las pilas de combustible PEM tienen además la mayor densidad energética de entre todas las actuales pilas de combustible, un factor crucial a la hora de considerar el diseño de vehículos. Además, el electrolito polimérico sólido ayuda para minimizar la corrosión y evitar problemas de gestión. Un posible inconveniente es la calidad del combustible. Para evitar el envenenamiento catalítico a esta baja temperatura de funcionamiento, las pilas PEM necesitan hidrógeno no contaminado como combustible.

 La mayoría de los fabricantes de automóviles ven las pilas PEM como sucesoras de los motores de combustión interna. General Motors, Ford, Daimler Chrysler, Toyota, Honda entre otros, disponen de prototipos con esta tecnología, resultando que los ensayos en carretera han sido positivos empleando distintos vehículos y lugares. Por tanto, las ventajas de esta tecnología respecto de los motores convencionales parecen claras, aunque también existen algunos inconvenientes, los cuales están principalmente relacionados con el coste de fabricación y de operación de los dispositivos y con su durabilidad:

-     Los costes de fabricación son altos, parcialmente aún debido al hecho de que no haya una producción a gran escala.

-     Algunos componentes se encuentran en condiciones, vinculadas al proceso electroquímico, altamente corrosivas y por tanto su durabilidad es muy baja.

-     Se requiere un catalizador muy caro, que normalmente es de platino y por tanto genera una gran dependencia de este componente.

-     En el caso del hidrógeno, normalmente se precisa un combustible de alta pureza que además entraña una gran dificultad y riesgo relacionados con su almacenamiento.

-     A día de hoy, es clara la escasez de infraestructuras relacionadas con el repostaje de los nuevos combustibles. En el caso del hidrógeno, la infraestructura existente no es adaptable, cosa que en cambio sí que sería más sencilla para combustible líquido como el metanol.

Por todo ello, los retos a los que actualmente se enfrenta esta tecnología de cara a su comercialización masiva en un futuro más o menos inmediato son los siguientes:

-     Se ha de conseguir una reducción de costes en la fabricación.

-     Se han de reducir los costes de operación hasta límites similares a los de los motores de combustión (aprox. 12$/kW).

-     Se ha de lograr un aumento del tiempo de vida útil que se acerque, al menos, a los 15 años.

-     Se ha de reducir el peso y volumen del sistema y de los subsistemas involucrados en el conjunto de la pila de combustible.

-     Se ha de mejorar el rendimiento de los reformadores de combustible (en el caso de que se incluya dicho sistema frente a la posibilidad de almacenamiento).

-     Se han de mejorar los sistemas de almacenamiento y producción de hidrógeno y se ha de reducir el coste de producción.

-     En el caso de las PEMFC, se requiere el desarrollo de una economía del hidrógeno que asegure su distribución, disponibilidad y fiabilidad a un coste competitivo respecto de los combustibles fósiles.

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