El coche del futuro no contamina y ya existe

NUEVAS TECNOLOGIAS

En este artículo, después de la introducción, vamos a empezar por el final proponiendo antes de las conclusiones a que vamos a llegar el coche del futuro que no contamina, que se puede utilizar en todos los aspectos como el térmico (gasolina, diésel o gas), sin emitir contaminantes tóxicos ni dióxido de carbono CO2, que si bien no es contaminante tóxico fomenta el calentamiento global de nuestro planeta.

En la búsqueda de energías limpias alternativas a los combustibles sólidos que emiten CO2, no sabemos cuanto influyen otros aspectos que no sean los propiamente técnicos y de protección al medio ambiente, lo más probable es que tengan tanto o más peso en la posibilidad de que alguna de estas tecnologías se implante, al menos a corto plazo.

Cómo no sabemos cuál es la realidad, nos limitamos a la propuesta que vamos a razonar ya que con la información disponible es la más viable.

De hecho, ya hay marcas de automóviles que ofrecen esta tecnología, a precios muy elevados por las sumamente escasas unidades producidas, y además no hay prácticamente donde repostar.

Hay acciones privadas para promover esta tecnología que, desde nuestro punto de vista con la información accesible, supondría el máximo interés para todas las marcas de coches y camiones invertir en esta por su clara proyección futura; esta tecnología es la pila de combustible de hidrógeno.

Hemos hablado de ella en muchos artículos del blog por parecernos hoy, bueno hace ya tiempo, la mejor solución energética limpia no solamente para el automóvil.

Consideramos que merece la pena volver sobre la pila de combustible de hidrógeno aportando más datos e informaciones según se vayan conociendo.

El coche que no contamina ni emite CO2 … ¿ya existe?

Vamos a empezar este artículo como se ha anticipado por el final, pues se va a indicar ya la tecnología que aporta la solución, que se va a ir razonando.

Tiene que ser esta tecnología válida para todo uso del automóvil cómo con motor térmico, sin contaminar ni emitir CO2:

  • Este automóvil ha de ser adecuado para ciudad o recorridos cortos; con similar respuesta y capacidad de maniobra
  • No tenemos en cuenta que el hecho de poder entrar en el centro de las ciudades, aunque no sea contaminante, ocupa espacio y si hay muchos coches habrá problemas
  • Tiene que permitir recorridos largos por carretera a velocidad de crucero de 120 km, o la autorizada según la vía
  • La respuesta al acelerar y en subidas ha de ser similar a un coche térmico equivalente
  • La autonomía debe ser más o menos unos 500 km a velocidad de crucero en carretera o autopista; con prestaciones comparables al coche con motor térmico similar, así se pueden hacer viajes en las mismas condiciones
  • El repostaje ha de poder hacerse en no más de cinco minutos, como con motor térmico
  • Es imprescindible que haya suficientes puntos para poder repostar
  • La capacidad de ocupantes y equipaje ha de ser como en un coche equivalente con motor térmico
  • Y también el confort por el espacio disponible
  • Se representa un automóvil con cinco plazas y un maletero acorde a esta ocupación
  • El coche que ofrece estas prestaciones es movido por pila de combustible de hidrógeno … y existe …
  • … si este coche existe ¿porqué la oferta es sumamente escasa a los conductores?
  • Como se aprecia el coche se desplaza por motor eléctrico, es decir la pila de combustible produce la electricidad, y cuenta con la ayuda de una pequeña batería para situaciones puntuales

Lo iremos viendo con más detalle.

Esta tecnología que no contamina se ha investigado repetidamente durante las sucesivas crisis del petróleo, al igual que la propulsión eléctrica.

Una vez recuperada la disposición y el precio de los combustibles fósiles cesaban las investigaciones.

Hace años, y actualmente ya es prioritario, la razón de contar con energías limpias es no emitir contaminantes tóxicos ni CO2.

El motor térmico con sistemas de limpieza neutraliza los contaminantes tóxicos, como luego veremos, pero sigue saliendo por el escape CO2 que es imprescindible eliminar, y no es posible con los motores térmicos.

Gases que emite el motor térmico y las soluciones

Vamos a utilizar para las explicaciones imágenes de base de cinco vehículos genéricos sobre los que se proyectan dibujos que apoyan los contenidos.

En todos, para simplificar, la implantación técnica es de motor longitudinal delantero de cuatro cilindros en línea, y son motrices las ruedas traseras:

  • Automóvil de turismo con tres volúmenes y motor térmico de gasolina
  • Furgoneta con motor térmico diésel (gasóleo)
  • Camioneta o pickup con motor dual fuel de gasóleo y gas, funciona el motor con ambos combustibles simultáneamente
  • Familiar con motor bi fuel de gasolina o gas, uno u otro combustible no dos a la vez
  • SUV híbrido con motor térmico de gasolina, diésel o gas y eléctrico con baterías específicas

Los gases contaminantes tóxicos afectan directamente a la salud, los no tóxicos no afectan, de hecho son ingeribles, pero tienen otros efectos nocivos para el medio ambiente.

Los que emiten estos vehículos en mayor o menor proporción son estos:

  • CO Monóxido de carbono; contaminante tóxico
  • HC Hidrocarburos no quemados; contaminante tóxico
  • NOX Óxidos de nitrógeno; contaminante toxico
  • MPC Micropartículas de hollín; contaminante tóxico
  • CO2 Dióxido de carbono; contaminantes no tóxico cuyo efecto nocivo es contribuir al calentamiento global

Las soluciones para evitar que estos gases salgan al exterior son estas:

  • Para CO y HC el catalizador de oxidación
  • Los NOX precisan según la cantidad que genere el motor, de más o menos, de esos sistemas:
    • Catalizador de reducción; separa el oxígeno del nitrógeno
    • Recirculación de gases de escape EGR; entran en admisión parte de los gases quemados para disminuir la cantidad de oxígeno. Puede haber una o más
    • Catalizador de reducción selectiva SCR; mediante un aditivo (AdBLue) separa oxígeno y nitrógeno. Es necesario uno o más si el motor emite muchos NOX
  • Las micropartículas MPC se almacenan y queman intermitentemente en el filtro antipartículas
  • El dióxido de carbono CO2 no se puede eliminar si se queman combustibles fósiles o con carbono en su composición
  • Solamente se puede eliminar el CO2 si se prescinde de combustibles con contenido en carbono

El motor de gasolina genera una cantidad media de CO, HC y NOX pues funciona con una proporción aire-combustible determinada.

En el motor diésel la proporción de gasóleo y aire es muy variable, con bastante más cantidad de este último que con gasolina, esto implica menos CO y HC y bastante más NOX.

Con relación a las micropartículas MPC emite más el motor diésel.

Al consumir más combustible el motor de gasolina que el diésel este emite menos CO2.

Hay una relación entre CO2 y NOX, el motor de gasolina genera más CO2 (más consumo) y el diésel menos CO2 (menos consumo) y bastante más NOX.

¿Qué elegir emitir más CO2 o NOX?

Consideramos híbrido el automóvil con motor térmico y eléctrico con baterías, al ser la denominación más utilizada.

En realidad, es híbrido un motor cuando puede utilizar al menos dos combustibles, por lo que de los vehículos de la imagen serían híbridos también tanto el dual fuel (gas y gasóleo) y bi fuel (gasolina y gas).

Este enlace explica los sistemas dual fuel y bi fuel si te interesa el gas como combustible.

Sistemas de propulsión que no emiten contaminantes tóxicos ni CO2

Al tener que prescindir de combustibles con carbono para no emitir CO2 vamos a ver tres soluciones que lo consiguen.

Motor térmico de explosión de hidrógeno

  • El motor es como el de gasolina con bujías, en el que se sustituye esta por hidrógeno como combustible que se almacena en un depósito específico
  • Necesita embrague, caja de cambios, transmisión y diferencial al ser progresivo el incremento de par motor desde ralentí al acelerar
  • Circulando emite vapor de agua por el escape. Puede haber otras emisiones como luego veremos

Motor eléctrico con baterías

  • Un motor eléctrico es el encargado de mover las ruedas motrices
  • Utiliza la electricidad almacenada en las baterías específicas de propulsión
  • Dispone de un cargador de baterías para conectar a la red de suministro eléctrico
  • Una relación de desmultiplicación y diferencial pasan el movimiento desde el motor eléctrico a las ruedas motrices
  • Circulando no se producen emisiones contaminantes
  • No necesita embrague ni caja de cambios pues el par motor está disponible desde el inicio de la marcha al acelerar

Pila de combustible de hidrógeno

  • La pila de combustible genera electricidad con aire (oxígeno) e hidrógeno
  • Las ruedas motrices se mueven por un motor eléctrico
  • Dispone de una pequeña batería específica de apoyo para situaciones puntuales
  • Desde el motor eléctrico pasa el movimiento a las ruedas motrices por engranajes de desmultiplicación y el diferencial
  • Se emite vapor de agua por el escape circulando
  • Sin embrague ni caja de cambios, pues está el par motor disponible al acelerar cuando comienza el desplazamiento

Como se ve en las imágenes, si se dispone de par al iniciar la marcha no hace falta caja de cambios para multiplicarlo, ni la conexión progresiva con el motor mediante el embrague o convertidor.

Los elementos necesarios para el desplazamiento del automóvil dependen de la energía de propulsión que se utilice.

Comparación de sistemas de propulsión que no emiten contaminantes ni CO2

Una vez presentadas las opciones conocidas que permiten el desplazamiento del automóvil sin emitir contaminantes tóxicos (CO, HC, NOX y micropartículas), y no tóxicos, pero con efectos nocivos para el medio ambiente (CO2), vamos a ir valorando y comparando lo que cada una ofrece y las posibles objeciones:

  • Los sistemas de propulsión son; motor térmico de explosión de hidrógeno, motor eléctrico con baterías y pila de combustible de hidrógeno que genera electricidad
  • Vemos estos sistemas en tres automóviles, que pasamos a analizar

Motor térmico de explosión de hidrógeno

  • En principio emite vapor de agua circulando
  • Es como un motor convencional de gasolina que quema hidrógeno, este entra en los cilindros como combustible y explota al saltar la chispa en la bujía
  • El par motor es progresivo por lo que necesita embrague o convertidor, caja de cambios, transmisión y diferencial
  • Para que el par motor aumente más rápidamente al acelerar, curva lo más plana posible, se utilizan diversos complementos que se citan en el enlace anterior
  • Puede generar cierta cantidad de NOX; al aumentar la temperatura por la explosión se pueden producir al reaccionar el nitrógeno con el oxígeno sobrante
  • Si puede quemar también gasolina generará además HC y CO; estos vehículos no se han comercializado, los prototipos de prueba también tienen alimentación de gasolina, y cuando funcionan con este combustible producen CO, HC y NOX
  • Parece un sistema adecuado para vehículos de gasolina ya circulando, con ciertas modificaciones para funcionar con hidrógeno, así se mantendrían en marcha hasta el fin de su vida útil sin contaminar
  • Con hidrógeno, es más versátil y simple la pila de combustible, como veremos

Motor eléctrico con baterías

  • El par motor está disponible desde el inicio de la marcha; la electricidad almacenada en las baterías “es el par motor”, y sale más o menos cantidad (intensidad) según la aceleración y velocidad
  • No necesita embrague ni caja de cambios; pues la caja es para multiplicar el par motor, y se dispone de toda la electricidad que aporta par con las baterías para suministrar al motor eléctrico según la aceleración y velocidad
  • Las baterías se auto recargan en retenciones; entonces el motor eléctrico actúa como generador
  • La autonomía depende mucho de la velocidad y aceleraciones; para ganar velocidad y mantenerla hace falta par motor, es decir electricidad de las baterías
  • Para uso urbano o recorridos cortos es una buena opción; pues no se precisan aceleraciones intensas, la velocidad no es alta y hay frecuentes retenciones
  • En viaje a velocidad normal se reduce su autonomía apreciablemente; mantener velocidades de carretera, 90 km/h y más de autopista 120 km/h, exige potencia que depende del par y este de la electricidad de las baterías que se agotan bastante antes
  • Tiempo de recarga en red largo de 6 a 20 horas según capacidad; depende de la capacidad eléctrica de las baterías y la potencia de la red de recarga
  • En un enchufe domestico normal puede superar las 24 horas con baterías de gran capacidad
  • Con cargadores rápidos se reduce el tiempo a una media hora hasta el 80%; estos cargadores disponen de potencias eléctricas elevadas que pueden cargar en bastante menos tiempo
  • No se suele cargar más del 80% para proteger a las baterías
  • Si se utiliza carga rápida habitualmente las baterías se fatigan más; se debe utilizar esporádicamente, de hacerlo con frecuencia se degradan antes las baterías; esto se aprecia por la progresiva disminución de la autonomía, es como se detecta que las baterías van llegando al final de su vida útil en el automóvil
  • Para viajes además haría falta disponer de amplía red de electrolineras; si se han de hacer largos recorridos se tiene que saber dónde es posible recargar, pues la red en ruta es escasa actualmente
  • La electricidad de recarga debe estar generada con energías limpias; cuando se enchufan las baterías a la red para su recarga es necesario que la electricidad de la central de suministro la genere sin contaminar ni emitir CO2

Pila de combustible de hidrógeno

  • El par motor está disponible desde el inicio de la marcha; la pila produce electricidad en cantidad proporcional a la aceleración y velocidad
  • No necesita embrague ni caja de cambios; pues se genera suficiente par al acelerar
  • Produce electricidad con aire e hidrógeno; el hidrógeno proviene del depósito de combustible y el oxígeno del aire exterior, de la reacción entre ambos elementos químicos se obtiene electricidad
  • Cuenta con una batería de asistencia para algunas situaciones; puede ser útil con mucho frío para iniciar la marcha, en determinadas secuencias de aceleración, … es un complemento o apoyo
  • Adecuada para todo uso, ciudad y viajes, autonomía como motor térmico; se pueden recorrer más de 400 km
  • Hay automóviles que superan los 600 km y se pueden comprar hoy en algunos países, y serían coches de uso habitual  si hubiese suficiente red de hidrogeneras, es uno de los objetivos para su difusión
  • Solamente emite vapor de agua circulando; puede salir por el escape o condensarse en un depósito para ser evacuada en estado líquido bajo el coche
  • No emite contaminantes ni CO2 que es uno de los objetivos
  • Repostaje rápido como en el térmico; es similar a un vehículo que funcione con otro gas (GLP o GNC) y lleva entre tres y cinco minutos. Es uno de los objetivos
  • Se ha de disponer de red de hidrogeneras para el repostaje; es la razón principal para que se ofreciera masivamente este sistema de propulsión
  • Una forma sencilla de fabricar hidrógeno es con electricidad y agua; además permite gran versatilidad, como se comenta más adelante
  • La electricidad para la producción del hidrógeno debe estar generada con energías limpias; es necesario que la electricidad de la central de suministro la genere sin contaminar ni emitir CO2

Como resumen de momento se llega a estas conclusiones, que ponemos entre interrogaciones pues las decisiones están en el aire actualmente:

  • Motor térmico de explosión de hidrógeno; al ser más versátil la pila de combustible parece que la opción más verosímil es su ¿adaptación a vehículos térmicos de gasolina ya circulando?
  • Motor eléctrico de baterías; su aplicación más coherente es ¿para uso urbano y recorridos cortos o medios a velocidad limitada? que no precisen cargas rápidas habituales. Para viajes no parece hoy una buena opción por la necesidad de cargas rápidas frecuentes que afectan a la duración de las baterías
  • Pila de combustible de hidrógeno; parece una buena solución si se dispone de suficiente red de hidrogeneras

De esta comparación se deduce que la pila de combustible de hidrógeno es la opción que en conjunto aporta mejores resultados.

Para su implantación masiva en vehículos hace falta tecnología, que está practicante resuelta, y otros complementos imprescindibles que afectan a su fabricación y distribución principalmente, que son responsabilidad de diferentes estamentos con grandes repercusiones industriales, económicas y sociales.

Hay un sistema de propulsión híbrido que podría ser una contradicción, el hibrido enchufable, permite rodar al menos 40 km en eléctrico y después se pone en marcha el motor térmico, entonces emite CO2 por lo que no le contemplamos como opción comparable. En el enlace anterior hay más información.

Puede producir el motor térmico de gasolina o gasóleo también otros contaminantes tóxicos, los más habituales son óxidos de azufre SOx debido al contenido de azufre en el combustible.

Al reducir la presencia de este elemento químico en el combustible, disminuyen sensiblemente los contaminantes tóxicos que le contienen en el escape.

Funcionamiento de la pila de combustible de hidrógeno

Vamos a ver a continuación un esquema de la pila de combustible de hidrógeno que apoya las explicaciones de su funcionamiento, empezando por describir sus componentes:

  • Placas de hidrógeno y oxígeno; recibe cada una el elemento químico correspondiente. Del aire interviene solamente el oxígeno
  • Ánodo (–) a continuación de la placa de hidrógeno y cátodo (+) que sigue a la placa de oxígeno
  • Membrana de intercambio de protones (PEM); donde se desarrollan las reacciones químicas entre el hidrógeno y el oxígeno
  • Se representa una rueda motriz con un motor eléctrico, puede ser una forma de hacerlo, luego lo veremos, o mediante una transmisión con diferencial
  • El motor eléctrico que mueve la rueda recibe electricidad de la pila de combustible
  • Llegada de hidrógeno H2 y oxígeno O2 a sus respectivas placas
  • El hidrógeno lo aporta el depósito de este combustible y el oxígeno el aire a través de un filtro
  • De la pila de combustible parte un sistema de escape para evacuar lo que se genera
  • Hay un circuito en la zona de hidrógeno para recuperar lo que sobre de este combustible tras las reacciones químicas y reutilizarlo
  • Funcionamiento; al ponerse en marcha entra hidrógeno y oxígeno a la membrana de intercambio de protones PEM, desarrollándose reacciones químicas que producen electricidad para mover el motor eléctrico y las ruedas, y como residuo se genera agua H2O en forma de vapor que sale al exterior, directamente o a través de un condensador
  • El hidrógeno ha de ser de extrema pureza y se suministra a elevada presión, y el aire con el máximo filtrado posible

Al acelerar se aporta más hidrógeno y oxígeno para generar la electricidad demandada, sin demoras que alteren la respuesta.

Los componentes de la pila de combustible de hidrógeno empezaron siendo bastante voluminosos y caros, las siguientes investigaciones fueron aportando materiales tanto o más eficientes con sensibles reducciones de tamaño y costes.

Se reducirán bastante más con el desarrollo técnico y fabricación masiva de vehículos.

Esquema del coche con pila de combustible de hidrógeno

Para el esquema didáctico que vamos a ver utilizamos como imagen de base el Toyota Mirai que dispone de pila de combustible de hidrógeno:

  • Pila de combustible
  • Depósitos de hidrógeno a muy alta presión
  • Baterías de apoyo para situaciones puntuales
  • Control electrónico de la energía; controla los diferentes elementos y sistemas de funcionamiento
  • Motor eléctrico; recibe la electricidad producida por la pila de combustible según las demandas de aceleración o velocidad
  • El motor eléctrico aporta el par generalmente por unos engranajes al diferencial, desde este los palieres o transmisiones lo hacen llegar a las ruedas motrices, delanteras en este coche
  • Se representa el circuito de hidrógeno desde sus depósitos a la placa de hidrógeno de la pila de combustible
  • También se ve el circuito eléctrico de alta tensión entre el control electrónico de la energía, motor eléctrico, pila de combustible y baterías de apoyo
  • La entrada de oxígeno a su placa se representa con el filtro de aire

La capacidad de ocupantes y equipaje es similar a un automóvil con motor térmico equivalente en tamaño, es uno de los objetivos.

Con el desarrollo de esta tecnología se ha ido reduciendo el tamaño de sus componentes, logrando que el espacio disponible para ocupantes y equipaje sea similar a un automóvil con motor térmico, que era uno de los objetivos propuestos al inicio de este artículo.

Coche eléctrico con baterías y con pila de combustible de hidrógeno

Terminamos comparando las dos tecnologías que permiten circular sin emitir contaminantes tóxicos ni CO2.

El coche eléctrico con baterías es bastante conocido, no tanto la pila de combustible de hidrógeno para los no aficionados al automóvil, veamos donde nos lleva la comparación.

Coche eléctrico con baterías

  • El coche eléctrico necesita electricidad en sus baterías; de su energía dependen sus prestaciones y autonomía
  • Para carretera y autopista su autonomía es limitada y precisa mucho tiempo de recarga; se aumenta la autonomía circulando a menos velocidad, pero entonces no es comparable al coche con motor térmico
  • Si hay suficientes electrolineras de carga rápida se podría utilizar para viajes; mientras se dispone de red de recarga bien distribuida, si la llega a haber, se han de programar minuciosamente los viajes en función de donde se puede recargar en poco tiempo
  • Las baterías se fatigan con cargas rápidas frecuentes; se ha de tener en cuenta antes de utilizar el coche para evitar posteriores contratiempos
  • Los materiales de las baterías son caros y están muy localizados; sería depender de otras zonas geográficas muy concretas como sucede con el petróleo
  • El reciclaje de las baterías es costoso, complejo y limitado; el primer reciclaje se suele aconsejar cuando la autonomía comparada con la original baja al 80%. Las baterías tendrán un segundo uso después del automóvil antes del reciclaje final
  • Las centrales de suministro han de producir electricidad de forma limpia en su totalidad; se ha de tener en cuenta al valorar la contaminación de este sistema de propulsión

Pila de combustible de hidrógeno

  • El coche de pila de combustible necesita hidrógeno y aire
  • Es adecuado para todo uso; ciudad y carretera
  • Ha de haber suficientes hidrogeneras
  • La batería de propulsión es pequeña y de apoyo
  • Los materiales de la pila de combustible son caros por la escasa producción
  • Menos problemas de reciclaje de la pila al fin de su vida útil
  • La producción de electricidad para fabricar hidrógeno ha de ser limpia
  • Se puede transportar el hidrógeno para su distribución, es un gas
  • Es posible producir hidrógeno en las mismas hidrogeneras
  • Las casas pueden producir su hidrógeno con agua y electricidad
  • Parece una buena opción de energía … no solo para el automóvil
  • Las imágenes de ambos coches, en los que el motor eléctrico engrana con el diferencial y este pasa el movimiento a las ruedas delanteras motrices mediante los palieres o transmisiones, desaparecen y son sustituidas por otras en las que hay un motor eléctrico en cada rueda motriz Me, prescindiendo del diferencial y elementos de transmisión, se simplifican los componentes y peso aunque aumenta la masa no suspendida
  • En ambos sistemas de propulsión, eléctrica con baterías y pila de combustible de hidrógeno, hace falta disponer de electricidad por lo que se ha de valorar cuál es más versátil y limpio en todo el proceso

La pila de combustible de hidrógeno no es solamente una energía para mover vehículos, tiene muchas más utilidades, hasta el punto que puede ser un antes y un después para la disposición de energía.

Esto implica que se ha de hacer contemplando globalmente sus implicaciones y valorando las ventajas para el medio ambiente.

Sería deseable que las demoras que pueda haber en su desarrollo sean para mantener el mejor equilibrio posible de la sociedad, pero sin tardar demasiado por razones que no sean éticas.

Seguiremos hablando de este tema en otros artículos que tengan relación, y también si hay novedades que aporten soluciones eficientes, que es lo que esperamos.

Video resumen El coche del futuro no contamina y ya existe

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