El pasado 13 de diciembre finalizó la Cumbre del Clima, COP28, que tuvo lugar en Emiratos Árabes Unidos y en la que se firmó un acuerdo histórico basado en una transición conjunta para abandonar los combustibles fósiles a nivel mundial, con el objetivo acordado internacionalmente en París 2015, de limitar el calentamiento global a 1,5 grados centígrados en comparación con la época preindustrial.
Por otra parte, el pasado 23 de octubre terminó el plazo, en España, para solicitudes del desarrollo de proyectos relacionados con vehículos híbridos y eléctricos de pila de combustible de hidrógeno, en el que se aprobaron 40 millones de euros y donde se preveía una inversión privada de 160 millones de euros. Se tratan de fondos públicos nacionales aprobados en un Real Decreto que regulaba la concesión directa de ayudas en 2023 para proyectos innovadores englobando: modelos, sistemas y componentes relacionados con vehículos híbridos y eléctricos de pila de combustible de hidrógeno.
A nivel mundial, el impulso del hidrógeno sigue acelerándose con más de 1040 proyectos anunciados, que requieren una inversión de 320.000 millones de dólares. De estos proyectos, 795 se pondrán en marcha antes de 2030. Por su parte, la oferta representa aproximadamente dos tercios de las inversiones anunciadas hasta 2030, de las cuales Europa y Norteamérica representan el 60% de los volúmenes totales.
La búsqueda de soluciones energéticas más sostenibles es un requisito inminente frente a la lucha del cambio climático, y en este ámbito, la trabajabilidad eficiente del hidrógeno supone un avance prometedor. Por su parte, la investigación y desarrollo de proyectos con hidrógeno sigue aumentando, tanto a nivel de número de proyectos, como en la madurez de los propios proyectos en curso, sin embargo; “¿Qué es el hidrógeno renovable?”, “¿Por qué es beneficioso?”, “¿Por qué su uso no está implementado y extendido actualmente?”, “¿Cuándo podremos emplear esta tecnología?”
Estas son algunas de las preguntas que nos planteamos en Trem, como estudio de ingeniería y diseño estratégico de producto, y que tratamos de enfocar y dar respuesta en este blog, poniendo el foco en un punto de vista centrado en la movilidad que podría realizarse con este tipo de combustible.
Hidrógeno verde
El hidrógeno verde es una forma de este, obtenido a partir de fuentes de energía renovable: solar, eólica, etc. Qué mediante un proceso de electrólisis del agua,divide esta (H2O) en sus componentes básicos: hidrógeno (H2) y oxígeno (O2). El hidrógeno resultante, puede almacenarse y emplearse para la generación de energía eléctrica mediante un proceso transformador, cuyo resultado es la generación de oxígeno, es decir, emite gases no contaminantes al medio y a la atmósfera: CO2, NOx o partículas PM10 y PM2,5.
Para la transformación del hidrógeno en electricidad, es necesaria la aplicación de un sistema denominado pila de combustible, el cual se trata de un dispositivo electroquímico que transforma de manera directa la energía química en eléctrica. Para ello, se parte de un combustible, hidrógeno y un comburente, principalmente, oxígeno, los cuales se transforman para producir agua y energía en forma de corriente contínua y calor.
De esta forma, el hidrógeno adquiere una infinidad de aplicaciones en diversos sectores del diseño industrial y la ingeniería, como es el caso de la movilidad y el transporte, aplicaciones estacionarias como generadores de electricidad y calor en infraestructuras, e incluso de potencia en caso de emergencia, y aplicaciones portátiles como es el caso de pequeños dispositivos eléctricos.
El hidrógeno en la movilidad
En este blog, nos centraremos en las aplicaciones que el hidrógeno tiene en el transporte. En este ámbito, los vehículos a partir de hidrógeno pueden clasificarse en:
Vehículos de pila de combustible
Los vehículos de pila de combustible o FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) son aquellos que generan energía a partir de la pila de combustible y que suele estar acoplada a una pequeña batería o supercondensador. El hidrógeno (H2) se almacena comprimido a alta presión en un tanque a bordo del vehículo, de forma que la pila transforma el hidrógeno en electricidad aprovechando el oxígeno en el aire para generar agua.
Vehículos de combustión de hidrógeno
Los vehículos de combustión de hidrógeno (H2-ICE), emplean motores alternativos de combustión interna para propulsarse. En este caso, se emplea como combustible hidrógeno o una mezcla de hidrocarburos, que permite reducir en gran medida los niveles de CO2 respecto a motores actuales.
Esta opción evita la producción de baterías o pilas de combustible, de forma que si el combustible es 100% hidrógeno, el residuo generado en la combustión será agua.
Vehículos de autonomía extendida basada en hidrógeno
Los vehículos de autonomía extendida, por su parte, son vehículos híbridos que cuentan con un sistema de baterías y, adicionalmente, un sistema de almacenamiento del hidrógeno y una pila de combustible, de forma que pueden usar tanto una fuente energética, como otra, o las dos de manera simultánea. Son vehículos muy versátiles ya que permiten la recarga de electricidad o del hidrógeno.
Desde un punto de vista teórico e ideal, el hidrógeno parece una solución prometedora frente a los problemas de emisión actuales, así como una excelente respuesta para luchar contra la crisis climática, sin embargo, como las demás fuentes energéticas y la generación de las nuevas tecnologías, el hidrógeno presenta una serie de beneficios, retos y debilidades que se disponen a continuación.
Enfocado a la movilidad urbana, y tomando como referencia las fuentes energéticas competidoras principales, es decir, el diésel, la gasolina y las baterías eléctricas, veamos qué beneficios ofrece el hidrógeno y qué desafíos se deberían afrontar para obtener el mayor rendimiento de este material.
Emisiones de sistemas con hidrógeno
Por una parte, el hidrógeno ofrece una fuente de energía limpia y renovable para distintos tipos de vehículos y medios de transporte, como la conseguida con las baterías eléctricas, reduciendo las emisiones de carbono, como las provenientes del diesel y la gasolina, y contribuyendo a una movilidad más sostenible. Esto es especialmente interesante en zonas urbanas, cada vez más densificadas y que generan mayor cantidad de emisiones.
Eficiencia de sistemas con hidrógeno
Además, los vehículos de hidrógeno ofrecen una mayor autonomía y tiempos de recarga más rápidos en comparación con las baterías eléctricas, lo que los hace ideales para la movilidad urbana y aplicaciones industriales.
En este punto, se realizamos una comparativa de la autonomía de los vehículos, tomando como referencia las distintas fuentes energéticas nombradas anteriormente y volúmenes de depósito similares en términos de capacidad y típicos en el mercado:
Para un depósito de diesel y gasolina de unos 50 litros de volumen, se podría obtener una autonomía de entre 750 km y 1000 km y de entre 500 km y 750 km, respectivamente. Para una batería eléctrica de 50 kWh, se podría obtener una autonomía de entre 200 y 300 km. Sin embargo, la autonomía de los vehículos de pila de hidrógeno, con un depósito de hidrógeno de 5 litros, permitiría una autonomía de entre 500-600 km, con tiempos de carga inferiores a 5 minutos, y con un precio del hidrógeno (a partir de fuentes renovables) de entre 5-6 €/kg.
Producción del hidrógeno
Por otra parte, la instauración de esta fuente energética está aún muy lejos ya que son numerosos los retos que debemos enfrentar los ingenieros y diseñadores para rentabilizar y optimizar el empleo del hidrógeno en el paradigma actual.
En términos de obtención de la materia prima, el hidrógeno requiere un input energético para realizar la electrólisis del agua y una transformación secundaria del hidrógeno en electricidad. Este supone uno de los problemas principales para la obtención de este material, y es la baja eficiencia y el alto coste de la tecnología fotoelectroquímica para producir hidrógeno. Sin embargo, estudios recientes en la Universidad de Rice, Houston (Texas), han obtenido resultados prometedores en este ámbito, con una eficiencia de conversión del 20,8% empleando semiconductores más económicos.
En comparación con las baterías eléctricas que ofrecen mayores eficiencias de conversión (aproximadamente del 90%), el hidrógeno tiene un largo camino que recorrer.
Almacenamiento y transporte del hidrógeno. Puntos de carga
El hidrógeno debe enfrentar importantes desafíos en términos de almacenamiento y transporte de la materia prima, como la compresión y la licuefacción. En este ámbito, cabe destacar que el hidrógeno es la partícula más pequeña de la tabla periódica y, por lo tanto, es altamente compleja de almacenar y conservar.
Esto no solo supone un reto en innovación tecnológica y una mejora de la precisión de los sistemas actuales, sino que supone una inversión en infraestructura y desarrollo de sistemas óptimos para este fin.
En este punto, cabe destacar el establecimiento de los puntos de carga para los vehículos, los cuales serán necesarios solventar para permitir el almacenamiento del hidrógeno, ya sea en forma gaseosa o en forma líquida, su correcto funcionamiento, su
usabilidad y la interacción con el usuario.
Conclusiones
El hidrógeno puede ser una fuente de energía limpia y versátil cuando se produce a partir de fuentes renovables, sin embargo, aún, son varios los desafíos que debe superar para instaurarse competitivamente en el mercado, como optimizar su eficiencia y hacer frente los altos costos en innovación tecnológica referente a los sistemas de obtención del hidrógeno, su almacenamiento y transporte.
Por su parte, la gasolina y el diésel son eficaces para el almacenamiento de energía, pero altamente contaminantes, mientras que la electricidad, cuando se genera a partir de fuentes limpias, es altamente eficiente y tiene bajas emisiones de carbono, lo que la hace atractiva para aplicaciones móviles y estacionarias.
La inversión, tanto económica como temporal en el desarrollo de proyectos, será crucial para determinar la factibilidad de esta tecnología. En este punto, el papel de Trem como diseñadores e ingenieros es crucial, ya que tenemos la capacidad de transformar los recursos innovadores en elementos tangibles y consumibles para todos los usuarios. Esto no solo implica lanzar nuevos productos al mercado, sino hacer un aprovechamiento eficiente de la tecnología para generar escenarios favorables para el futuro de las personas.
¿Qué te parece? ¿Tienes algún proyecto en mente relacionado con hidrógeno renovable?