Sobre la pila de combustible y por qué tardaremos en conducir coches a Hidrógeno

 Corría la década de los 60 y el ingeniero Estévez Valera dio una vuelta a media España montado en una sorprendente moto que, ¡oh! funcionaba con agua. En cada pueblo que paraba, este hombre de cada fuente echaba un trago y el resto, se lo llevaba el deposito de la moto y esta arrancaba.

En su momento parecía que este hombre había descubierto una maravilla de la ingeniería pero, como suele pasar en estos casos maravillosos, no era más que una reacción química muy que conocida que, el bueno de Arturo Estévez, camufló bajo un proyecto con el sugerente nombre de El Motor de Agua.

Lo que en realidad este hombre hacía era incluir boro al agua, éste desencadenaba una reacción que generaba hidrógeno el cual, se quemaba para producir energía como con cualquier otro combustible. Ahora, muchos pensaréis que a pesar de que no funcionaba como se prometía, la idea no era mala, al fin y al cabo no contamina y el agua nos sobra. La verdad es que esta idea plantea dos problemas, el primero, el del boro, que es un elemento caro y escaso. Necesitaríamos del orden de miles de euros para conseguir la energía en hidrógeno que nos da un depósito de combustible.

En cualquier caso, imaginemos que el boro nos sobrase (que, repito, no es el caso), entonces tendríamos otro problema energético que os voy a explicar con un símil. Seguro que todos alguna vez habréis quemado un arbolito, unas ramas o habréis encendido una hoguera con madera, carbón o papel. Una vez quemados estos productos generamos cenizas, ahora bien, ¿tendría sentido mediante una reacción química volver a convertir esas cenizas en madera, para volver a quemarla y que nos volvieran a quedar cenizas? ¿a que no? al fin y al cabo la energía que ganamos en la combustión la estaríamos perdiendo en volver a generar madera para volver a quemarla.

Esa es exactamente la idea del motor de agua. El agua serían las cenizas que resultan de quemar el hidrógeno, por tanto no tiene mucho sentido a priori y según lo planteaba Estévez volver a convertirla en hidrógeno y generar de ahí una combustión.

Por tanto, la idea de este hombre cayó en desagracia y hasta Franco, que en un principio la había alabado, acabó por prohibir la tecnología y cualquier derivado de ella. 

En realidad la idea del motor que quema hidrógeno no ha caído del todo en desgracia, marcas como BMW lo intentaron, pero no llegó a buen puerto, veamos por qué.

Como creo que dijo en su momento Hommer Simpson, en esta casa respetamos las leyes de la termodinámica. Y hay una, concretamente la segunda que dice que, si generamos hidrógeno a partir de una reacción química, estaremos empleando más energía que la que luego este hidrógeno nos devolverá al quemarlo o emplearlo de alguna otra manera.

Y es que el hidrógeno no es una fuente de energía sino más bien un vector energético, es decir, una sustancia que almacena energía para usarla más tarde. En un mundo ideal, la idea sería emplear el excedente que generen las energías renovables para, con esa energía eléctrica y por medio de una electrólisis, conseguir hidrógeno que, posteriormente utilizaremos o bien en los coches o bien en cualquier otro sistema.

Aquí se nos plantea un problema, que no vamos en el mundo tan sobrados de energía renovables como para emplear un exceso en generar hidrógeno y si tuviéramos ese exceso y empleásemos esa energía en la electrólisis, estaríamos perdiendo entre un 25 y un 30% de la energía que luego el hidrógeno nos devolverá en la combustión (ojo, hablo de una combustión tal cual, luego si lo metiéramos en un motor convencional estaríamos perdiendo aún más energía).

Si seguimos hablando de problemas, tendríamos la baja densidad energética que nos ofrece este gas, que hace que se tenga que emplear muchísima ingeniería en crear un depósito presurizado que nos haga asumir las menores pérdidas posibles, esto es debido a que el hidrógeno está formado por un molécula muy pequeña, a la que le gusta mucho escaparse de sus depósitos.

Ahora pongámonos a imaginar que llegamos a un punto en que todo el sistema energético mundial funciona a base de renovables y energía nuclear limpia (poco menos que una quimera, al menos, a corto y medio plazo) y que en ciertos momentos de cada día generamos un excedente que queremos aprovechar en este vector, que nos ayudará después a mover coches y camiones. ¿Cómo funcionaría ese sistema desde los puntos de recarga hasta que se mueven las ruedas? y ¿por qué es tan pobre a nivel de eficiencia energética?

Todo comenzaría con la producción el hidrógeno y aquí ya nos damos el primer batacazo. El 96% de la producción de hidrógeno en territorio comunitario se realiza por medio del gas natural (reformado con vapor de agua) esto es, aprovechar el contenido de hidrógeno del metano, extraerlo y emitir ingentes cantidades de CO2. Este es un proceso que para lo que se emplea el hidrógeno hoy en día, está bien sobre todo porque es barato. Sin embargo, ponernos a motorizar todo el parque móvil o, al menos, una parte significativa de éste con hidrógeno de estas fuentes, sería poco menos que hacer trampas al solitario.

Entonces la idea de la Unión Europea, es imponer un marco legislativo en el cual se proponen, para 2024, crear seis grandes factorías con capacidad para producir un millón de toneladas anuales de hidrógeno de manera limpia, este marco legislativo irá ampliando esa cifra de manera paulatina por fases.

Ahora bien ¿cómo se crea hidrógeno verde? por electrólisis, como hemos visto antes, claro que la electrólisis tiene dos principales problemas, y uno añadido, que explica por qué no se usa hoy en día.

El primero, como no podría ser de otra manera, es la cantidad de energía que se consume, para producir un kilogramo de hidrógeno, un electrolizador consumiría unos 39 kwh si fuera 100% eficiente, por supuesto, esto no existe, por tanto, para un aparato convencional el consumo es de unos 50kwh. Contando que un kilogramo de hidrógeno nos aportará algo menos de 40 kwh tenemos que perdemos fácilmente 10 kwh por cada kilogramo de hidrógeno que producimos o lo que es lo mismo, alrededor de un 20% de energía.

El segundo problema es que, contando con la eficiencia energética de la pila de combustible, con un kilogramo de hidrógeno podremos recorrer unos 100 km, esto supone 50 kwh de energía eléctrica. Si una familia recorre 20000 km anuales, tenemos un gasto de electricidad de 10000 kwh anuales. Eso sería el doble de lo que consumiría un coche eléctrico que consume 25 kwh/100 km lo que a ritmo de autopista es más o menos lo común. Si esa energía se produjese por medio de fuentes renovables, no habría mucho problema, sino, volveríamos al mismo problema de hacernos trampas al solitario.

Para que os hagáis una idea de cuantas emisiones suponen hoy en día esos 10000 kwh, con el mix energético español de unos 235 g de CO2 por cada kwh que producimos, se traducirían en 2350 kg de CO2 anuales, una barbaridad. 

En cambio, un coche con motor térmico convencional (sirven incluso los híbridos) que cumpla con los 95 gramos de CO2 por kilómetro recorrido que pide la Unión Europea, si recorriese los mismos 20000 km que el coche de hidrógeno, emitiría 1900 kg anuales, es decir, 450 kg de CO2 de ahorro ¡poca broma!

Claro que la idea de la Unión es equipar las factorías con métodos de energía renovable para conseguir así el hidrógeno 100% verde, pero eso todavía es futuro, hoy por hoy esos son los datos que manejamos.

El siguiente punto antes de hablar de las pilas de combustible es la red de distribución. Por supuesto, igual que pasa con los coches a baterías, esta red es muy pobre, sin embargo, abriendo los ojos, queda claro que la red de hidrogeneras, al menos a corto plazo, no pasa por contar con una extensa capilarización, sino que, lo que se plantea es que esté disponible para grandes flotas de camiones que circulen por las principales vías y ejes europeos. En ese caso, sí que compensaría comenzar a realizar una inversión, sin embargo, si nos atenemos al uso de los turismos privados, la implantación de puntos de repostaje de hidrógeno caería en el circulo vicioso de no se crean puntos de hidrógeno porque no hay coches de hidrógeno y no hay coches de hidrógeno porque no hay puntos de recarga.

Por tanto, en el aspecto de la red de distribución es donde vemos una de las posibles salidas de esta tecnología la cual es, las grandes flotas de transporte por carretera. Pero de eso hablaremos más adelante en las conclusiones.

Llegados a este punto tenemos que seguir con la quimera, supongamos que asumimos el gasto energético que supone la electrólisis y las emisiones que suponen ese gasto energético. Incluso, podemos imaginar que toda esa energía la generamos por medio de renovables. Ahora ¿Cómo usamos el hidrógeno en nuestros coches?

Bueno, antes de comenzar con este punto quería recordaros que, si partimos de un kilowatio hora de energía, tras el proceso de electrólisis solo tendremos entre 0.8 y 0.7 kwh de energía de hidrógeno que aprovechar en la pila de combustible.

La pila de combustible es una tecnología que funciona de la siguiente manera: 

Contamos con una membrana extremadamente microporosa, que solo permite el paso de partículas del tamaño de un protón, es decir, que ni un átomo de hidrógeno podría pasar. Además de eso contamos con un ánodo y un cátodo.

Entre el ánodo y la membrana se introduce el hidrógeno, un átomo que solo tiene un protón y un electrón. En el ánodo, este átomo se ioniza, es decir, el electrón, como no se siente cómodo en la parte negativa (ánodo), se va por fuera (por el circuito eléctrico) hasta el cátodo (positivo) mientras tanto, el protón que se ha quedado atrás en el ánodo decide atravesar la membrana porque se siente atraído por el oxígeno que hay al otro lado, es en el cátodo donde tanto el oxígeno (que ya estaba allí) como el protón (que atravesó la membrana) como el electrón (que se fue por el circuito generando corriente eléctrica) se juntan para formar agua, que es el único residuo de todo este proceso.

La tecnología por supuesto es mucho más compleja que todo eso, pero, a la hora de explicar su concepto sería ese. Como no podría ser de otra manera, esta tecnología plantea dos problemas, el primero, la membrana microporosa es de materiales extremadamente caros y escasos, como es el platino, de ahí que, si se masificase esta tecnología tendríamos problemas (quizá a menor escala, pero los tendríamos) como los que tenemos con el litio hoy en día.

Por otro lado tenemos el problema que venimos comentando desde el comienzo de la entrada, la eficiencia energética. ¿Os acordáis de esos 0.8 o 0.7 kwh de energía en forma de hidrógeno que nos llegaba al coche? pues con la pila de combustible solo aprovecharíamos un 80% más o menos, lo que se traduce en que a la batería del coche eléctrico llegarían solamente 0.5 kwh aproximadamente. 

Contando el transporte de la energía hasta el enchufe o el punto de recarga, un coche de baterías tiene una eficiencia de un 75 % más o menos, es decir, que de ese kwh del que partíamos, el coche eléctrico aprovecharía 0.25 kwh más. Una diferencia importante.

Por tanto y llegados a este punto, vamos a hacer unas conclusiones: Partimos de que el hidrógeno no es una fuente de energía sino, más bien un vector, una forma de almacenar energía para usarla más tarde. Podríamos aprovecharlo para almacenar la energía renovable que nos sobrase, el problema es que, hasta que nos sobre energía renovable, faltan muchos años.

También sabemos que la mayor parte del hidrógeno hoy en día, se produce por medio del reformado por vapor, un método extremadamente contaminante, pero, incluso si consiguiéramos producir todo ese hidrógeno por vías renovables (electrólisis) con el mix energético actual, estaríamos emitiendo, aún así, ingentes cantidades de CO2, más de las que emite un coche gasolina si ese hidrógeno lo fuésemos a utilizar para los mimos fines (propulsar un coche).

Otro problema viene de la red de repostaje, pero este lo quiero dejar para el final. Después, no hay que olvidarse de las pilas de combustible que, si bien son una maravilla de la ciencia, son caras, requieren materiales raros y por si fuera poco, tienen mala eficiencia, lo que hace que un coche a pilas de combustible tenga un rendimiento de un 50%, un 25% menos que los coches a pilas normales.

Por tanto, ¿tiene sentido un coche de hidrógeno y una masificación del hidrógeno para cubrir nuestras demandas energéticas? La respuesta clara es que, a mi modo de ver, hoy por hoy no. Para los turismos convencionales tenemos todos los problemas de la eficiencia sumados al problema de la red de recarga, sin embargo, para grandes camiones que circulen por lo principales ejes europeos la cosa cambia. 

En un futuro, en el que se mejoren tanto la generación de energía, como la producción de hidrógeno o la pila de combustible, esta tecnología podría solventar los problemas de la recarga de las baterías en los grandes camiones, que sería lenta y tediosa para los transportistas. Es por eso que una red recarga en las principales carreteras europeas, con una escasa capilarización serviría para alimentar estas flotas y, quizá en un futuro, sustituir a los motores de combustible. Pero eso es un futuro lejano, todavía queda mejorar la tecnología que hoy en día tenemos y, por si eso fuera poco, generar infraestructura de la que carecemos. Por tanto, todo es cuestión de tiempo, ¿avanzará la tecnología del hidrógeno lo suficiente, o la adelantarán las nuevas baterías capaces de recargar muy rápidamente y con una alta densidad energética?

Para eso último no tengo respuesta pero, espero que todo lo que os he contado os haya resultado interesante, sin ningún otro tema que tratar me despido. Un saludo y ¡cuidaros!