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Vehículos de hidrógeno: ¿el combustible del futuro?

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Vehículos de hidrógeno: ¿el combustible del futuro?
Los vehículos con pila de combustible de hidrógeno, muy olvidados desde que la atención se centró en los biocombustibles y las baterías, están preparando su regreso.
Jeff Tollefson

Nature 464, 1262-1264 (2010)

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“El primer coche que conduzca un bebé nacido hoy podría funcionar con hidrógeno y sin generar contaminación”, declaró el anterior Presidente de Estados Unidos, George W. Bush, en 2003, al anunciar que destinaría 1.200 millones de dólares a una iniciativa sobre combustibles de hidrógeno para desarrollar vehículos comerciales con pila de combustible en 2020.

La idea era atractiva. Se romperían las ataduras con los yacimientos petrolíferos extranjeros y el tubo de escape de este tipo de vehículos no expulsaría otra cosa que vapor de agua. Como estaba previsto, el Congreso aprobó la partida y el Ministerio de Energía y otros organismos dedicados a la investigación se pusieron a trabajar. Pero, sin embargo, todos esos esfuerzos acabaron difuminándose en la oscuridad cuando el centro de atención cambió de rumbo y pasó primero a los biocombustibles y después a los vehículos eléctricos con batería. Ambos parecían ofrecer una vía más rápida y barata para reducir las emisiones de carbono en el transporte.

El cambio parecía cerrado cuando el Secretario de energía de Estados Unidos, Steven Chu, tomó posesión el año pasado. Chu destacó cuatro dificultades principales que presentaba la iniciativa del hidrógeno. Los fabricantes de vehículos todavía necesitaban una pila de combustible que fuera robusta, duradera y barata, además de una forma de almacenar suficiente hidrógeno en los vehículos para poder realizar recorridos de larga distancia. El hidrógeno también requería una nueva infraestructura de distribución, e incluso con ella, las ventajas en cuanto a gases de efecto invernadero serían mínimas hasta que alguien ideara una forma rentable de conseguir el hidrógeno a partir de fuentes de energía de baja emisión de carbono en vez del gas natural.

El pasado mes de mayo, cuatro meses después de jurar su cargo, Chu anunció que, en su primer presupuesto del Ministerio de Energía, el gobierno recortaría la partida destinada a la investigación de vehículos de pila de combustible. Los biocombustibles y las baterías eléctricas, dijo, son “una opción mucho mejor en la que invertir nuestro dinero”. El cambio fue acogido con alivio por muchos críticos de los vehículos de hidrógeno, incluidos algunos ecologistas que habían llegado a ver la iniciativa de Bush relacionada con el hidrógeno como un truco cínico para mantener su política basada en el petróleo al centrarse en una tecnología inalcanzable.

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Sin embargo, el proyecto presupuestario únicamente sirvió para dar energía a los partidarios de los vehículos de hidrógeno y, durante los meses posteriores, quedó claro que el debate no había hecho más que empezar. Los mismos fabricantes de coches que estaban realizando grandes inversiones en biocombustibles y baterías se dieron cuenta de que las pilas de combustible tenían un gran potencial a largo plazo que no debían ignorar. El grupo de presión del hidrógeno fue tan eficaz que el Congreso finalmente votó para invalidar la decisión de Chu y volver a asignar el dinero.

Después, en una reunión celebrada el 9 de septiembre en Stuttgart, Alemania, nueve importantes fabricantes de coches —Daimler, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Kia, Renault, Nissan y Toyota— firmaron una declaración conjunta en la que sugerían que los vehículos con pila de combustible podrían llegar a los concesionarios en 2015. En un anuncio conjunto realizado al día siguiente en Berlín, un grupo de empresas energéticas, entre las que se incluía Shell y la firma sueca Vattenfall, firmaron un acuerdo con Daimler para empezar a construir la infraestructura necesaria para el hidrógeno en Alemania.

Este afán por acelerar el desarrollo ha generado una cierta incredulidad en muchas personas. “No termino de verlo”, comentó Don Hillebrand, director del Centro de Investigación sobre Transporte del Laboratorio Nacional Argonne de Illinois. “No tiene sentido.”

Sin embargo, los defensores de los vehículos de hidrógeno están rebosantes de confianza. “Este memorándum de entendimiento marca la voluntad del sector de avanzar”, comentó Klaus Bonhoff, responsable de la National Organisation for Hydrogen and Fuel Cell Technology (NOW), una organización con sede en Berlín creada por el gobierno alemán en 2008 para encabezar el programa de hidrógeno del país.

Nature ha evaluado los cuatro retos principales a los que se enfrentan los vehículos con pila de combustible de hidrógeno y ha encontrado con que los dos lados tienen sus ventajas: algunos retos están a punto de superarse, pero a otros todavía les queda mucho camino.

Pila de combustible

Conceptualmente, al menos, una pila de combustible es sencillamente un dispositivo que toma el oxígeno del aire y el hidrógeno de un depósito, y genera una reacción controlada entre ellos para producir vapor de agua y energía eléctrica. En un vehículo, esa energía se puede después dirigir a través de un motor eléctrico normal para accionar las ruedas.

En la práctica, las pilas de combustible no son tan sencillas: controlar la reacción y extraer la corriente eléctrica requiere un sofisticado conjunto de piezas que incluye boquillas, membranas y catalizadores. Y ahí está el reto: en el modo de unir toda esa complejidad en un dispositivo que sea ligero, barato, robusto y duradero, además de lo suficientemente potente como para facilitar una rápida aceleración, hacer funcionar todas las luces, el aire acondicionado, la radio y otras comodidades que los consumidores esperan encontrar en un vehículo moderno.

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Hace diez años este objetivo parecía muy lejano. Los fabricantes de coches ni siquiera se atrevían a exponer sus vehículos experimentales con pila de combustible a condiciones meteorológicas de bajas temperaturas: les preocupaba que, al apagar la pila, el vapor de agua residual pudiera congelarse y hacer estragos en los delicados componentes de su interior. Como solución, las empresas transportaban los vehículos en remolques con calefacción.

Pero durante esta década, la tecnología de las pilas de combustible ha avanzado un largo trecho. “No es que alguien se levantara una mañana y dijera: ‘¡Ajá!: aquí está el gran avance’”, comentó Byron McCormick, director del programa de pilas de combustible de General Motors hasta enero de 2009. “Realmente ha sido la suma de muchos pasos pequeños.”

Por ejemplo, los vehículos con pila de combustible de General Motors eliminan el problema del tiempo frío haciendo que el sistema de escape de la pila continúe funcionando durante uno o dos minutos después de apagar el vehículo, utilizando el calor residual de la pila para expulsar el agua del sistema. Según Toyota, su utilitario deportivo experimental Highlander, equipado con pila de combustible, arranca a −37 °C.

Los ingenieros también están economizando en el uso de catalizadores caros. La pila de combustible de General Motors utiliza aproximadamente 80 gramos de platino para separar los electrones y protones de los átomos de hidrógeno. Al precio al que está actualmente el platino, aproximadamente 60 $ por gramo, esto supone un total de 4.800 $. Sin embargo, los representantes de General Motors alegan que su próxima pila de combustible utilizará menos de 30 gramos de platino, ya que se necesitarán capas de metal todavía más finas. Y los científicos de la empresa continúan experimentando con medidas como aumentar la superficie del catalizador introduciendo más textura a nanoescala. En los próximos diez años prevén reducir el uso del platino por debajo de los 10 gramos, lo que convertiría a la pila de combustible en un dispositivo que podría competir con los actuales convertidores catalíticos en términos de uso de metales preciosos.

Estas y otras ventajas se traducen en reducciones del precio. El Ministerio de Energía calcula que los costes de la pila de combustible por kilovatio de energía se han reducido aproximadamente un 75% entre 2002 y 2008, basados en previsiones de costes de fabricación de grandes volúmenes. Las empresas no hablan sobre los precios de venta al público excepto para decir que los vehículos cuya presentación está anunciada para mediados de la década tendrán un precio competitivo. “Llevo 10 años haciendo esto y las cifras incluso me sorprenden y me asustan”, comentó Craig Scott, director del grupo de tecnologías avanzadas de Toyota en Torrance, California. “Está claro que va a ser un coche que va a estar al alcance de muchas personas.”

“Está claro que va a ser un coche que va a estar al alcance de muchas personas.”

Almacenamiento a bordo

En junio de 2009, los ingenieros de Toyota y los supervisores del gobierno estadounidense se subieron en sendos Highlanders con pila de combustible en la sede norteamericana que la compañía mantiene en Torrance y realizaron un viaje de 533 kilómetros con tráfico real sin tener que repostar. Los cálculos sugieren que el rendimiento de los vehículos correspondió a una autonomía de 693 kilómetros con un solo depósito de hidrógeno, lo que igualaría la autonomía de los actuales vehículos de gasolina.

Hace diez años, esta hazaña hubiese resultado sobrecogedora. El hidrógeno gaseoso es fácil de almacenar en un depósito. Sin embargo, llevar en el vehículo la cantidad suficiente requeriría bien un depósito de proporciones ridículamente grandes que eliminaría el espacio para las personas, la compra o los bártulos de acampada, o bien un depósito excepcionalmente resistente que pudiera almacenar, en condiciones de seguridad, gas hidrógeno comprimido a una presión cien veces superior a la atmosférica. El hidrógeno líquido es mucho más denso, pero tendría que almacenarse en un depósito aislado a −253 °C, lo que aumentaría el peso, la complejidad y los gastos del vehículo.

Al final ganó la simplicidad relativa del hidrógeno comprimido. La mayoría de las empresas ha optado por utilizar modernos depósitos de fibra de carbono que pueden almacenar hidrógeno a una presión de hasta 680 atmósferas, manteniendo un peso relativamente bajo. Para aumentar aún más la autonomía, muchas empresas también están equipando sus vehículos con la misma tecnología de “frenado regenerativo” que permite a los coches híbridos de gasolina y electricidad y a los coches totalmente eléctricos capturar energía durante el frenado, almacenarla en baterías auxiliares y reutilizarla para la posterior aceleración.

De hecho, puesto que los vehículos eléctricos y los alimentados con hidrógeno utilizan motores eléctricos, ambos comparten muchas tecnologías. La única diferencia real está en la fuente de alimentación: pilas de combustible o baterías. Según Scott, es poco probable que los vehículos eléctricos basados en la química de baterías de ión-litio puedan superar una autonomía de 150-250 kilómetros con una sola carga. Y aunque esa distancia puede parecer suficiente para la conducción por ciudad, a los consumidores les gusta tener la opción de poder conducir distancias más largas. Por lo tanto, tras el abandono de la gasolina, la autonomía superior de los vehículos de hidrógeno podría suponer, a la larga, una ventaja.

Según Scott, los vehículos de hidrógeno y eléctricos tienen un espacio que ocupar. “Y yo creo que las pilas de combustible ocuparán un espacio más grande”, comentó.

Infraestructura de distribución

Independientemente de la autonomía, todos los vehículos necesitan repostar en algún momento. Y aquí es donde está el verdadero problema del hidrógeno: los vehículos de pila de combustible nunca se venderán a gran escala hasta que no exista una red viable de estaciones de servicio que los abastezca. Pero nadie está dispuesto a invertir el capital necesario para crear esa red hasta que no exista una flota de sedientos vehículos de hidrógeno que generen mercado.

Los surtidores de hidrógeno pueden instalarse —y de hecho ya se han instalado en estaciones de servicio existentes— y, a primera vista, tienen un aspecto muy parecido al de los surtidores convencionales. Sin embargo, puesto que el hidrógeno que se utiliza es un gas comprimido, llenar el depósito no es sólo cuestión de colocar la boquilla en la abertura del depósito y dejar que la gravedad se encargue del resto. En vez de ello, es necesario crear una unión hermética entre la boquilla y el vehículo para que los surtidores de gran potencia introduzcan el hidrógeno por la boquilla hasta alcanzar la presión deseada. En la práctica, los surtidores de hidrógeno con generación de corriente son seguros y fáciles de utilizar para el consumidor medio, pero tienen que funcionar a la perfección si los depósitos se deben llenar a la máxima presión. Por ahora, su rendimiento es bueno pero variable.

Una pregunta más importante que se hacen los fabricantes de coches es con cuánta rapidez se extenderá la red de estaciones de servicio de hidrógeno. En Estados Unidos, por ejemplo, la cantidad actual de surtidores de hidrógeno se mide por docenas, y no parece que se estén realizando grandes esfuerzos coordinados para cambiar la situación. Y, hasta hace poco, las cosas parecían estar igual en los demás países.

Ésta es la razón por la que los defensores del hidrógeno consideran tan importantes los acuerdos a los que se llegó en Alemania el año pasado, los cuales parece que solucionarán este problema. Los fabricantes de coches han prometido los coches y NOW está presionando para conseguir una red de varios cientos de surtidores en Alemania en los próximos años, con la instalación de 1.000 surtidores a finales de la década. Esa cifra debería bastar para proporcionar amplia cobertura en las áreas metropolitanas y acceso normal en las autopistas. Según Bonhoff, el consorcio prevé que el precio estará dentro de la línea de lo que las empresas de energía gastarían normalmente en mantener, modernizar y ampliar su infraestructura de gasolina a lo largo del mismo período.

Charlie Freese, director del programa de pilas de combustible de General Motors, comentó que los costes de la infraestructura de hidrógeno podrían ser igualmente manejables incluso en países mucho más grandes, como es el caso de Estados Unidos. En las primeras fases del lanzamiento de los vehículos de hidrógeno, la cuenca de Los Ángeles podría estar bien abastecida con 50 estaciones de hidrógeno por un coste de aproximadamente 200 millones de dólares. Si ampliamos los horizontes, podrían necesitarse unas 11.000 estaciones para proporcionar cobertura a todo Estados Unidos. “Es algo que podría hacerse por aproximadamente el mismo coste que el gaseoducto de Alaska”, añadió, refiriéndose al proyecto de 35.000 millones de dólares propuesto para transportar gas natural desde la vertiente norte de Alaska hasta el mercado norteamericano.

Producción de hidrógeno

Desde el punto de vista del clima, la principal cuestión a la que se enfrenta el hidrógeno es de dónde obtener el gas en primer lugar. Actualmente, la fuente más barata es mediante reacción química entre el vapor y el gas natural. Pero este proceso genera dióxido de carbono, lo que significa que la producción total de gases de efecto invernadero de los vehículos con pila de combustible no será muy inferior a la de los vehículos de gasolina convencionales. Por lo tanto, el reto está en obtener el hidrógeno a partir de fuentes renovables que no generen carbono.

“La cuestión es si podemos permitirnos tener una infraestructura de hidrógeno si deseamos utilizar energías renovables.”

Vattenfall lo considera una oportunidad y está construyendo unas instalaciones en Hamburgo que utilizarán el exceso de energía eólica para separar las moléculas de agua y producir hidrógeno para una flota de 20 autobuses con pila de combustible. Las empresas de energía tienden a dispersar las turbinas eólicas sobrantes por distintos lugares para compensar el hecho de que el viento es inherentemente inestable. Pero esas turbinas adicionales generarán más electricidad de la que la red puede manejar si el viento sopla en demasiados lugares a la vez. Cuando esto ocurre, las turbinas se apagan. Una vez que la instalación de Hamburgo entre en servicio, Vattenfall la utilizará para alimentar la unidad de electrólisis, utilizando el exceso de energía para fabricar hidrógeno y manteniendo la red estable.

El coste continúa siendo un problema, comentó Oliver Weinmann, responsable de gestión de la innovación para Vattenfall en Alemania. Según Weinmann, la empresa podrá producir hidrógeno a un coste de 3-4 € (4-5,3 $) por kilo, en comparación con los 2 € por kilo del hidrógeno producido a partir de gas natural. Pero ahora que Europa pretende aumentar su uso de energías renovables durante la próxima década, el potencial de crecimiento es enorme, comentó Weinmann.

“No es realmente una cuestión de si podemos construir la infraestructura de hidrógeno —apuntó Freese—. La cuestión es si podemos permitirnos tener una infraestructura de hidrógeno si deseamos utilizar energías renovables.”

Adopción

No a todo el mundo le convencen estos argumentos. Aunque los fabricantes de coches consigan llevar al mercado sus vehículos de pila de combustible en 2015, se necesitarán años para establecer una base de clientes, aumentar la producción y reducir los costes. Pocas empresas esperan ver la rentabilidad de estos vehículos hasta 2020 o incluso 2025. Mientras, tanto ellas como las compañías de energía también están estudiando los biocombustibles y los coches eléctricos alimentados con batería, cada uno de los cuales requeriría su propio sistema de distribución. Construir estas infraestructuras de transporte simultáneamente no sería posible.

Estas preocupaciones existen incluso en el sector del automóvil. Ford, por ejemplo, está limitando sus actividades con pila de combustible a la investigación a largo plazo, y actualmente no tiene previsto comercializar ningún vehículo de hidrógeno. Y BMW se está cubriendo las espaldas en esta área con la investigación de un vehículo convencional cuyo motor de combustión interna puede utilizar tanto gasolina como hidrógeno.

Algunos defensores del hidrógeno predicen un escenario múltiple en el que los vehículos de batería se utilizarán en las áreas urbanas, mientras que los surtidores de hidrógeno proliferarán en las autopistas para cubrir los viajes a largas distancias. Pero quizá el error más grande sería suponer que, en este juego, nadie sabe realmente lo que está haciendo, comentó John Heywood, director del Sloan Automotive Lab del Instituto Tecnológico de Massachusetts.

Heywood explicó que la primera tanda de vehículos no serán productos acabados, sino más bien “prototipos de producción” que permitirán a las empresas evaluar tanto su rendimiento como la respuesta de los consumidores. Toyota siguió este planteamiento con Prius, su coche híbrido de 1997, y no hay ningún motivo para pensar que el proceso será más rápido con los vehículos de hidrógeno o batería. En cualquier caso, podrían necesitarse tres o más décadas para revolucionar la flota automovilística global, comentó Heywood, y ése es el margen de tiempo por el que se están guiando los fabricantes de vehículos hoy en día.

“Hay dos caminos, y van a invertir tanto en el de la electricidad como en el del hidrógeno hasta que quede claro que uno de ellos es considerablemente mejor que el otro —apuntó Heywood—. Por ahora no conocemos la respuesta.”

 
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