Hidrógeno como combustible en motores de combustión
Varios fabricantes de vehículos de transporte pesado plantean emplear el hidrógeno como una alternativa al diésel en el periodo de transición hasta que la pila de combustible o las baterías electroquímicas puedan sustituirlo definitivamente.
Debido a que el hidrógeno es un combustible neutro en carbono, en su combustión solo se producen cantidades mínimas de hidrocarburos (HC), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) y partículas. El principal componente de los gases de escape es el óxido de nitrógeno (NOx). Gracias a su muy alta velocidad laminar de combustión y amplios límites de ignición, el hidrógeno permite una combustión pobre con una gran cantidad de aire en exceso, se traducen en una reducción de consumos respecto a los motores de combustión convencionales.
Como energético para vehículos eléctricos mediante celdas de combustible
El hidrógeno verde es un excelente combustible con propiedades únicas, especialmente en el ámbito de los campos electroquímicos que lo convierten en electricidad en las celdas de combustible con eficiencias del orden del 40 – 60%. La alta eficiencia de las celdas de combustible de hidrógeno, es que son máquinas electroquímicas no motores térmicos y por lo mismo no están sujetas a las limitaciones del ciclo de Carnot. La expansión de la movilidad eléctrica se considera un paso fundamental para lograr alcanzar los objetivos climáticos establecidos. En buses se puede cargar el hidrógeno directamente en estaciones de carga. Como alternativa se pueden cargar en estaciones de GNV , en este caso el bus tiene un tanque reformador (reformer) que convierte el metano en hidrógeno.
El hidrógeno verde empleado en celdas o pilas de combustible puede considerarse como una fuente de energía renovable con cero emisiones de CO2. Puede transportarse a largas distancias y utilizarse para almacenar grandes cantidades de energía. Su empleo tiene el potencial de descarbonizar algunos sectores del transporte en los que la electrificación mediante baterías se complica por su elevado peso, que reduce la capacidad de carga de los vehículos, y por los tiempos de inactividad que precisa para la recarga. En particular, tiene sentido en vehículos comerciales, autobuses, autocares e incluso trenes y barcos. En Perú se lo puede utilizar para vehículos y como alternativa como unidades fijas para generar energía eléctrica localizada en sistemas aislados. En la siguiente figura se detallan los elementos y flujos de los fluidos en una celda de combustible.
Las celdas de combustible son dispositivos en el que un flujo continuo de combustible y oxidante sufre una reacción química controlada suministrando directamente corriente eléctrica a un circuito externo. Los electrodos son estables y las emisiones contaminantes son mínimas o nulas. En las celdas de combustible los reactivos se suministran de forma continua desde el exterior, pudiendo generar energía eléctrica de forma ininterrumpida.
El hidrógeno verde se puede suministrar de forma continua al ánodo de las celdas de combustible. El oxígeno se puede suministrar de forma continua al cátodo de las celdas combustible. Cuando los fluidos son hidrógeno y oxígeno, además de producir energía eléctrica, el resultado de la reacción es agua. El hidrógeno se inyecta por el ánodo y el oxígeno por el cátodo. En la pila de combustible se obtiene electricidad a partir de sustancias que reaccionan químicamente entre sí.
Entre los dos electrodos aparece una fuerza electromotriz. Si se quiere más tensión y más corriente se conectan más pilas formando asociaciones serie paralelo. La tensión de las celdas de combustible en un circuito abierto es de 1,2 V.
El ánodo es donde se oxida el combustible y el cátodo donde el oxidante se reduce. El electrólito actúa como aislante eléctrico, como conductor protónico y como separador de las reacciones químicas del ánodo y del cátodo. Los electrones van del ánodo al cátodo por el exterior, es decir por el circuito. Los protones van del ánodo al cátodo por el electrólito. La unión en el cátodo da lugar a la reacción en la que se produce agua, saliendo al exterior agua y nitrógeno.
También se consigue el mismo efecto en las celdas de combustible en lugar de hidrógeno puro, con hidrógeno contenido en otras moléculas como por ejemplo el metanol siendo el residuo obtenido agua y dióxido de carbono. El hidrógeno verde entra en contacto con el ánodo y en el electrólito se ioniza. El hidrógeno ionizado alcanza el cátodo a donde han llegado los electrones por el circuito exterior, dando lugar a la formación de agua como residuo. Las aplicaciones de las pilas de combustible pueden ser para el transporte o pueden ser para usos estacionarios, como viviendas conectadas a la red o viviendas aisladas.
Según el tipo de electrolito tenemos cinco tipos de celdas de combustible:
Pilas de membrana de intercambio de protones o de membrana polimérica (PEMFC).
Pilas de combustible alcalinas (AFC).
Pilas de ácido fosfórico (PAFC).
Pilas de carbonato fundido (MCFC).
Pilas de óxido sólido (SOFC).
El almacenamiento del hidrógeno es fundamental para poder implementar las celdas de combustible. Para almacenar hidrógeno se requiera una gran cantidad de energía. Las opciones para almacenarlo son, por una parte como gas a presión. Por otra parte licuando el hidrógeno o formando hidruros metálicos. Como gas a presión, se comprime a unas 200 atm y se envasa en botellas para poderlo llevar al lugar de consumo. El principal problema es la poca energía almacenada y el elevado coste energético y el gran volumen requerido.