En Europa, el vehículo eléctrico de batería es la gran alternativa al vehículo térmico. Pero los asiduos a Espacio Toyota sabemos que son muchos los caminos hacia la movilidad electrificada...
El hidrógeno y la tecnología de pila de combustible es, sin duda, una de las alternativas que más potencial presenta, tanto por su capacidad de mejora, como por las grandes ventajas que ofrece. Y buena prueba de ello son los numerosos proyectos e investigaciones en marcha en todo el mundo. Veamos algunos de los más recientes.
El catalizador de hierro para fabricar vehículos de pila de combustible más baratos
Como hemos ido conociendo, los vehículos de pila de combustible obtienen su energía eléctrica del proceso químico en el que se combina hidrógeno y oxígeno para formar agua.
Este requiere de un catalizador que acelere la reacción química entre ambos elementos; en el caso del hidrógeno, necesita que sea por su compatibilidad de un metal del grupo del platino. Los metales de este grupo son realmente escasos y, por tanto valiosos. Es uno de los motivos por los que los vehículos de pila de combustible no tengan un precio tan competitivo... hasta ahora.
Una alternativa al platino como catalizador es el hierro (que como sabemos es abundante y barato), pero ante la presencia del oxígeno se oxida y se corroe con demasiada facilidad. Precisamente un proyecto de varias entidades norteamericanas, lideradas por la Universidad de Buffalo, han estado investigando en la forma de poder proteger el hierro del proceso de oxidación.
En el nuevo catalizador, se ha insertado el hierro entre finas capas de grafeno
Para ello han desarrollado un compuesto a base de hierro con nitrógeno y carbono, que en conjunto funcionan como un gran catalizador. Pero haciendo uso de un “preciso control atómico de las estructuras químicas”, han intercalado el carbono en forma de finas capas de grafeno, protegiendo las moléculas de hierro de la oxidación.
Con todo, el estudio promete un comportamiento muy similar a la de los catalizadores a base de platino, pero con un costo en materiales mucho menor.
La “batería” de hidrógeno con más de 1.000 km de autonomía para camiones y autobuses
Por su parte, el Instituto Leibniz de Catálisis (LIKAT), ubicado en la ciudad alemana de Rostock, presenta una alternativa muy diferente para los vehículos de pila de combustible.
En este caso se plantea sustituir el tradicional depósito de hidrógeno a 700 bares de presión por una especie de “batería” (así lo han llamado) que suministre el gas a demanda. Todo ello estando en circulación y sin necesidad de parar a repostar, lo que lo hace ideal para grandes vehículos como autobuses y camiones.
Para ello, se utiliza la técnica denominada “hidrogenación reversible de dióxido de carbono”, en la que se inyecta H2 y CO2 para formar ácido fórmico.
Este compuesto, de uso común y que puede encontrarse en la naturaleza, es mucho más fácil de transportar que el hidrógeno por sí solo, y permite alimentar la pila de combustible de forma habitual. Para que se produzca esta reacción química es necesario un catalizador (el LIKAT lo utiliza de manganeso) y un aminoácido como la lisina, presente en nuestro organismo.
Así se consigue, por un lado, una eficiencia del H2 superior al 80%, lo que ofrece autonomías superiores a los 1.000 km; y por el otro, permite recuperar prácticamente el 100% del CO2 tras la reacción. De esta forma, esta tecnología consigue dotar de valor al CO2 y rentabilizar su captura para uso industrial, una de las claves para reducir las emisiones contaminantes.
La pila de combustible refrigerada por aire comprimido para aviones eléctricos
HyPoint es una empresa californiana dedicada a las aeronaves de pila de combustible de hidrógeno. En concreto investiga soluciones que permitan aumentar la potencia eléctrica de los sistemas, así como reducir el peso de los mismos, las principales limitaciones de la aviación eléctrica. Con su tecnología, HyPoint asegura que podrá poner en vuelo pequeñas aeronaves para 2025, tales como drones, aeroplanos o los ya famosos eVTOL.
La innovación en el sistema de HyPoint es el uso de “turbo-air” (aire comprimido) tanto para la refrigeración como para alimentar de oxígeno la pila de combustible. Para lo primero, utilizan una novedosa membrana de alta temperatura (HTPEM), con un menor peso con respecto a la refrigeración líquida, y una eficiencia del 300% con respecto a las membranas de baja temperatura (LTPEM).
Para el suministro de oxígeno, el sistema utiliza un nuevo catalizador y una placa bipolar de gran ligereza, que permitirían multiplicar por 3 la potencia específica (hasta los 3.000W/kg) y por 7 la densidad energética (1.500 Wh/kg).
Además, implicaría otras ventajas, como cuadruplicar la esperanza de vida del sistema o funcionar correctamente en temperaturas entre los -60ºC y +60ºC. Todos ellos factores fundamentales para lograr una aviación factible basada en el hidrógeno.
Técnicas innovadoras para producir hidrógeno verde más barato
Ya hemos visto anteriormente que es posible producir hidrógeno verde usando agua y electricidad procedente de fuentes renovables. Para ello se utiliza una técnica o reacción química denominada electrólisis, que consigue separar los átomos de hidrógeno y oxígeno del agua, y para lo cual se pueden utilizar varias tecnologías.
La técnica más adecuada para producir hidrógeno verde es la Electrólisis de Membrana Polimérica de Protones
La más común, denominada Electrólisis Alcalina Convencional (AEM), es sencilla y barata, pero presenta unas bajas densidades de corriente y no es muy útil para usarse con fuentes renovables. Sí es más adecuada la tecnología denominada Electrólisis de Membrana Polimérica de Protones (PEM), pero requiere materiales costosos como el platino o el titanio.
Por suerte, existen varias investigaciones enfocadas a solventar estas limitaciones. Por un lado conocemos el proyecto de la Universidad de Hanyang y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea, que permitiría el uso de Electrólisis PEM con materiales más baratos (como el hierro) y de mayor conductividad. Con todo, se garantiza un rendimiento muy similar con un costo en materiales 3.000 veces menor y una vida útil de 1.000 horas continuas.
Otro proyecto similar es el desarrollado por la empresa norteamericana Verdagy, que busca combinar lo mejor de las tecnologías de Electrólisis Alcalina AEM y la de Membrana de Protones PEM.
Para ello han desarrollado una arquitectura de celda de un solo elemento, enfocado en membranas y con áreas activas más grandes. Esto permitiría rangos y densidades de corriente más altos, lo que lo haría idóneo para aprovechar los excedentes de energías renovables.
Como se puede comprobar, la investigación en torno al hidrógeno va más allá del vehículo de pila de combustible. Y no son solo los centros de investigación públicos los que persiguen el objetivo, sino también muchas empresas convencidas de su enorme potencial. El hidrógeno está llamado. no solo a revolucionar la movilidad, sino también a ser el vector de energía del futuro.
