Autobuses, vehículos utilitarios y scooters de pila de combustible
Las pilas de combustible se pueden utilizar para alimentar motores eléctricos de autobuses, vehículos utilitarios y scooters eléctricos. La gran mayoría de estas pilas de combustible utilizan oxígeno del aire e hidrógeno comprimido; por lo tanto, estos vehículos sólo emiten agua y calor como subproductos. La principal razón para desarrollar tecnología de pilas de combustible para autobuses, vehículos utilitarios y scooters motorizados es su eficiencia, sus bajas o nulas emisiones y la producción de combustible a partir de fuentes locales en lugar de fuentes importadas. Las pilas de combustible para estos tipos de vehículos pueden tener una o todas las siguientes características:
• Una pila de combustible tiene el tamaño necesario para proporcionar toda la potencia a un vehículo. Es posible que haya una batería presente para el inicio.
• Una pila de combustible normalmente suministra una cantidad constante de energía, por lo que, para la aceleración del vehículo y otros picos de energía, normalmente se encienden dispositivos adicionales, como baterías o supercondensadores.
• Se puede utilizar una pila de combustible como fuente de energía secundaria. Se puede configurar un sistema en el que las baterías alimentan el vehículo y la pila de combustible recarga las baterías cuando es necesario.
Las pilas de combustible se pueden configurar de muchas maneras con el sistema eléctrico, la electrónica de potencia y otras fuentes de energía. La configuración depende de cada sistema, los requisitos de energía y los requisitos de energía máxima.
Autobuses de pila de combustible
Los autobuses son un buen candidato para la incorporación de las pilas de combustible al mercado de vehículos comerciales. La diferencia entre autobuses y automóviles son los requisitos de energía, la disponibilidad de espacio, el régimen operativo y los sitios de repostaje. Obviamente, los autobuses requieren más potencia que los automóviles y se desgastan más debido a las constantes paradas y arranques. A pesar de esto, la economía de combustible promedio de un autobús de pila de combustible es aproximadamente entre un 30 y un 140 % mejor que la de un autobús con motor diésel y de gas natural [1]. Los autobuses pueden repostar combustible en una instalación central, lo que facilita mucho el repostaje de hidrógeno. También se pueden almacenar fácilmente grandes cantidades de hidrógeno a bordo debido a la gran superficie de un autobús. El hidrógeno normalmente se almacena en un cilindro compuesto de gas comprimido ubicado en el techo. Este es un lugar seguro para almacenar el tanque ya que el hidrógeno es más liviano que el aire y no se encuentra cerca de componentes críticos del motor.
Estos autobuses tienen una gran ventaja sobre los autobuses diésel de transición porque tienen cero emisiones. Esto es fundamental en ciudades densamente pobladas y contaminadas. Muchos fabricantes de autobuses comenzaron a presentar sus primeros autobuses de pila de combustible a principios de los años 1990. Los autobuses de pila de combustible han estado activos en Whistler, Canadá, San Francisco, Estados Unidos, Hamburgo, Alemania, Shanghai, China, Londres, Inglaterra y varias otras ciudades. Más de 13 empresas han implementado autobuses de pila de combustible durante las últimas dos décadas. Los fabricantes notables incluyen NovaBus Corporation (una subsidiaria de Volvo), New Flyer Industries Ltd., EvoBus (una empresa de Daimler Chrysler), MAN, Van Hool, Hino Motors Ltd. (subsidiaria de Toyota) y SunLine Transit Agency. Los fabricantes de pilas de combustible fueron Fuji Electric, Ballard, UTC, Hydrogenics, Nuvera y Proton Motor Fuel Cell GmbH. Al igual que los automóviles de pila de combustible, el tipo de combustible más utilizado es el hidrógeno comprimido, aunque también se demostraron metanol y zinc. El tipo más común de pila de combustible utilizada es la PEMFC, pero también se han utilizado DMFC, PAFC y ZAFC. La potencia de la pila de combustible varía de 20 kW a 205 kW para autobuses de tránsito de 30 a 40 pies. Todos los autobuses de pila de combustible utilizaban pilas de combustible desarrolladas por una empresa de pilas de combustible (no fueron desarrolladas internamente).
Los principales obstáculos para la comercialización de autobuses de pila de combustible son el coste y la vida útil de la pila de combustible. Se fabrican menos autobuses de pila de combustible; por lo tanto, el costo por autobús es mayor que el de los autobuses con motor de combustión. Toyota ha desarrollado un autobús de pila de combustible de hidrógeno para los Juegos Olímpicos y Paralímpicos de Tokio 2020 que tiene el doble de potencia que el vehículo eléctrico de pila de combustible de Toyota, el Mirai. Toyota ofrece un sistema de pila de combustible de próxima generación capaz de producir energía igual o mayor que el sistema actual del autobús.
Vehículos utilitarios
Muchos vehículos utilitarios pueden adaptar la tecnología de pilas de combustible antes que los automóviles porque la tecnología competidora para estos vehículos suele ser baterías de plomo-ácido que a menudo requieren carga y tienen problemas de mantenimiento. Las demostraciones de vehículos utilitarios de pila de combustible muestran que ofrecen costos operativos reducidos, menor mantenimiento, menos tiempo de inactividad y una autonomía ampliada. Los vehículos utilitarios propulsados por pilas de combustible también pueden funcionar en interiores porque no generan emisiones. Ejemplos de vehículos utilitarios que pueden funcionar con pilas de combustible son:
• Carros de golf
• Vehículos de mantenimiento de césped
• Montacargas
• Empresas de mudanzas de aeropuertos
• Sillas de ruedas
• Vehículos no tripulados
• Barcos
• Aviones pequeños
• Submarinos
• Vehículos militares pequeños
Muchos fabricantes comenzaron a hacer demostraciones de sus primeros vehículos utilitarios de pila de combustible a principios de la década de 2000, más tarde que muchas de las demostraciones de automóviles y autobuses de pila de combustible. Al igual que los automóviles de pila de combustible, el tipo de combustible más utilizado es el hidrógeno comprimido, aunque también se demostraron metanol, hidruros metálicos y borohidruro de sodio. El tipo más común de pila de combustible utilizado es la PEMFC, pero también se utilizaron DMFC y AFC. Los vehículos utilitarios que más manifestaciones han tenido son las carretillas elevadoras, los barcos, los aviones, los patinetes y las bicicletas motorizadas.
Carretillas elevadoras
Las carretillas elevadoras industriales se utilizan para levantar y transportar materiales dentro de los almacenes. Las carretillas elevadoras de pila de combustible han ganado popularidad porque no producen emisiones locales y pueden utilizarse sin problemas de congelación ni mantenimiento a temperaturas más bajas. Esto es conveniente porque muchos almacenes almacenan productos a temperaturas refrigeradas o heladas. Hay al menos 4000 montacargas de pila de combustible utilizados para el manejo de materiales en los Estados Unidos en empresas como FedEx Freight, Sysco Foods y GENCO (en Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark y Whole Foods). Se espera que las carretillas elevadoras sean el mayor impulsor de la demanda de hidrógeno hasta 2020.
Los fabricantes de montacargas de pila de combustible incluyen Plug Power, Ballard y Toyota Industries Corp. El gigante de montacargas Hyster-Yale Materials Handling Inc. ha comprado Nuvera, una empresa con sede en EE. UU. que se especializa en tecnología de pilas de combustible de hidrógeno.
Barcos
Los barcos funcionan en gran medida con combustible diésel, pero el cambio al hidrógeno puede ofrecer importantes ventajas. En Europa, los barcos causan más contaminación que otros tipos de vehículos, y las pilas de combustible ofrecen la posibilidad de generar cero o bajas emisiones. Actualmente se están realizando investigaciones utilizando energía solar y eólica a bordo de barcos para generar hidrógeno. Esto resultará útil cuando los barcos se encuentren en alta mar y no puedan repostar combustible. Cuando se utilizan pilas de combustible de hidrógeno en buques de investigación, los investigadores pueden tomar muestras de aire sin que las emisiones de diésel contaminen los datos. Además, el hidrógeno tiene una ventaja en aguas y climas fríos porque no es susceptible a congelarse como los combustibles a base de petróleo. Los barcos de pila de combustible son mucho más silenciosos, por lo que presentan ventajas para el mapeo por sonar y el uso militar. Dado que el subproducto de la pila de combustible es agua, esta agua se puede utilizar para beber y para otros fines, lo que limita la cantidad de agua que se debe llevar a bordo.
Las pilas de pilas de combustible utilizadas en embarcaciones de pila de combustible tienen un rango de potencia de entre 3 kW y 41,5 kW. Anuvu, Inc. / Millennium Cell/ Duffy Electric Boats/Seaworthy Systems han realizado demostraciones de embarcaciones con pila de combustible; EIVD / MW-Line / Instituto Paul Scherrer (PSI); Texaco Ovonic Hydrogen Systems/ Hydrogenics/ Catalina Yachts; y sistemas de energía Ballard. El barco de pasajeros Nemo H2 fue desarrollado en Ámsterdam para 88 personas por Fuel Cell Boat. Este barco de pila de combustible opera en los canales de Ámsterdam desde diciembre de 2009. El barco tiene una pila de combustible PEM de 60 a 70 kW, una batería integrada de 30 a 50 kW y seis tanques de almacenamiento de hidrógeno. El hidrógeno se obtiene mediante electrólisis del agua por NoordzeeWind.
La Agencia Japonesa de Investigación y Educación Pesquera (FRA) se está asociando con Toyota Motor Corp. para desarrollar un barco pesquero propulsado por pilas de combustible de hidrógeno. La agencia nacional de investigación y desarrollo con sede en Yokohama comenzará a diseñar la carrocería del barco en el año fiscal 2019 y realizará pruebas en el océano en el año fiscal 2022, con el objetivo de comercializar el barco. La agencia planea construir un prototipo de 19 toneladas en el año fiscal 2019 para probar la seguridad y la practicidad. La energía eléctrica generada por un parque eólico marino (construido frente a la isla Fukuejima de la cadena Goto por Toda Corp.) se enviará a una compañía eléctrica local, cuyo excedente de energía se utilizará para producir hidrógeno a partir de agua dulce para reducir los costos de producción.
Aviones
Desde 2001 se han demostrado muchos aviones de pila de combustible y vehículos aéreos no tripulados (UAV). Una característica única de las pilas de combustible utilizadas para propulsar vehículos aéreos no tripulados o aviones es una baja firma térmica, poco ruido y la capacidad de alcanzar grandes altitudes. En 2003, el primer avión propulsado por hélice del mundo estaba propulsado íntegramente por una pila de combustible. La pila de combustible tenía un diseño único, que permitía integrar la pila de combustible con las superficies aerodinámicas del avión. También en 2003, Aerovironment / NASA Dryden Flight Research Center presentó Helios, un UAV con una pila de combustible PEMFC de 10 a 25 kW. En 2007, un UAV de pila de combustible Horizon estableció el récord de distancia recorrida para un UAV pequeño. En 2008, Boeing y sus socios demostraron en Europa un avión tripulado propulsado únicamente por una pila de combustible y baterías ligeras, llamado Avión demostrador de pila de combustible. El Laboratorio de Investigación Naval (NRL) voló un avión con pila de combustible durante 23 horas y 17 minutos en 2009. En 2010, Boeing presentó el UAV Phantom Eye, que utilizaba dos motores de combustión interna Ford para funcionar con hidrógeno. El avión Rapid 200-FC en Europa también completó seis vuelos de prueba en 2010. En Alemania, el HY4 fue el primer avión de pasajeros propulsado por una pila de combustible de hidrógeno en 2016. Tiene cuatro pilas de combustible de 11 kW y dos baterías de 20 kWh.
Scooters y bicicletas
En países con poblaciones muy grandes, los scooters y las bicicletas son formas de transporte populares. Las pilas de combustible pueden proporcionar una solución en estos países y ya se han demostrado positivamente. Los requisitos de energía son mucho menores y se han demostrado prototipos con hidrógeno comprimido y metanol. El almacenamiento de hidrógeno sigue siendo un problema para estos vehículos; por lo tanto, también se están considerando hidruros metálicos y electrolizadores.
Muchos fabricantes comenzaron a hacer demostraciones de sus primeros scooters y bicicletas con pila de combustible a principios de la década de 2000, tiempo posterior a muchas de las demostraciones de automóviles y autobuses con pila de combustible. Al igual que los automóviles de pila de combustible, el tipo de combustible más utilizado es el hidrógeno comprimido, aunque también se demostraron metanol, hidruros metálicos y zinc. El tipo más común de pila de combustible utilizado es la PEMFC, pero también se utilizaron DMFC y ZAFC. La potencia nominal de la pila de combustible oscilaba entre 400 W y 58 kW. Las empresas que han creado prototipos de scooters y motos motorizadas son Asia Pacific Fuel Cell Technologies (APFCT), Besel S.A. / Derbi, ECN / Piaggio & C SpA, Selin Sistemi SpA y Commissiariat a l’Energie Atomique, FAAM/ Beijing Fuyuan, Honda, Intelligent Energy / Seymourpowell, Manhattan Scientifics/ Aprilia s.P.a, Masterflex AG/ Veloform, MES-DEA, Aprilia, PEM Technologies, Inc., Powerzinc Electric, Yahama Motor Company y Yuasa Corporation.
La infraestructura del hidrógeno
El mayor obstáculo para la introducción de vehículos de pila de combustible es la falta de infraestructura de hidrógeno. Establecer una nueva infraestructura de combustible es extremadamente costoso (pero no más costoso que establecer una infraestructura de metanol o etanol). Sin embargo, ya existen más de 150 estaciones de servicio de hidrógeno en todo el mundo. Japón lidera el mundo con el número de estaciones de servicio de hidrógeno con 100, seguido de Estados Unidos con 44. El hidrógeno que se produce a partir de gas natural puede ser más barato que la gasolina. El hidrógeno producido a partir de agua y electricidad mediante hidrólisis es más caro que la gasolina utilizando métodos convencionales, a menos que se utilice electricidad de bajo coste fuera de las horas punta o se empleen paneles solares.
Conclusión
Los vehículos de pila de combustible han avanzado mucho durante las últimas dos décadas, y el progreso parece estar aumentando nuevamente debido al interés de varios gobiernos. Para ser una fuente de energía deseable para el futuro, se deben seguir realizando mejoras en la pila de combustible y los procesos de fabricación, así como en la creación de una fuente de hidrógeno no contaminante que pueda crearse preferiblemente in situ o cerca de donde será utilizado.
Referencias
[1] «Informe de progreso anual del año fiscal 2010: Descripción general del subprograma de validación de tecnología VIII.0». Juan Garbak. Programa de Hidrógeno del Departamento de Energía.
