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Vehículo de hidrógeno

Entre los cohetes propulsados ​​por hidrógeno se encuentra el Delta IV Heavy . Un vehículo de hidrógeno es un vehículo que utiliza hidrógeno para moverse . Los vehículos de hidr...

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Entre los cohetes propulsados ​​por hidrógeno se encuentra el Delta IV Heavy .

Un vehículo de hidrógeno es un vehículo que utiliza hidrógeno para moverse . Los vehículos de hidrógeno incluyen algunos vehículos de carretera , vehículos ferroviarios , cohetes espaciales , carretillas elevadoras , barcos y aeronaves . La fuerza motriz se genera convirtiendo la energía química del hidrógeno en energía mecánica , ya sea mediante la reacción del hidrógeno con oxígeno en una pila de combustible para alimentar motores eléctricos o, con menos frecuencia, mediante la combustión interna de hidrógeno . [ 1 ]

El hidrógeno arde de forma más limpia que combustibles como la gasolina o el metano, pero es más difícil de almacenar y transportar debido al pequeño tamaño de la molécula. A partir de la década de 2020, los vehículos ligeros de hidrógeno, incluidos los turismos, se han vendido en pequeñas cantidades debido a la competencia con los vehículos eléctricos de batería . [ 2 ] [ 3 ] A partir de 2021En 2014 , había dos modelos de coches de hidrógeno disponibles públicamente en mercados selectos: el Toyota Mirai (2014–), el primer vehículo eléctrico de pila de combustible (FCEV) producido comercialmente, [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] y el Hyundai Nexo (2018–). El Honda CR-V e:FCEV estuvo disponible, solo para arrendamiento, en cantidades muy limitadas en 2024. [ 7 ]

En 2019, el 98 % del hidrógeno se producía mediante reformado de metano con vapor , proceso que emite dióxido de carbono . [ 8 ] También puede producirse mediante electrólisis del agua o por medios termoquímicos o pirolíticos utilizando materias primas renovables , pero actualmente estos procesos son costosos. [ 9 ] Se están desarrollando diversas tecnologías que buscan lograr costos lo suficientemente bajos y cantidades lo suficientemente grandes como para competir con la producción de hidrógeno a partir de gas natural. [ 10 ]

Los vehículos que funcionan con tecnología de hidrógeno se benefician de una gran autonomía con una sola recarga, pero están sujetos a varios inconvenientes, entre ellos las altas emisiones de carbono cuando el hidrógeno se produce a partir de gas natural, la carga de costos de capital, los altos insumos de energía en la producción y el transporte, el bajo contenido energético por unidad de volumen en condiciones ambientales, la producción y compresión del hidrógeno, y la inversión necesaria para construir infraestructura de recarga en todo el mundo para dispensar hidrógeno. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] Además, el hidrógeno fugado es un gas invisible y altamente inflamable, y tiene un potencial de calentamiento global 11,6 veces mayor que el del CO 2 . [ 14 ]

vehículos

Honda FCX y Toyota FCHV , los primeros vehículos comerciales de pila de combustible del mundo certificados por el gobierno. [ 15 ] [ 16 ]

Fundamentación y contexto

La justificación de los vehículos de hidrógeno radica en su potencial para reducir la dependencia de los combustibles fósiles, las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas y la contaminación atmosférica localizada derivada del transporte. [ 17 ] Esto requeriría que el hidrógeno se produjera de forma limpia, para su uso en sectores y aplicaciones donde las alternativas de mitigación más económicas y energéticamente eficientes son limitadas.

cohetes

Centaur (etapa de cohete) fue la primera en utilizar hidrógeno líquido.

Muchos cohetes de gran tamaño utilizan hidrógeno líquido como combustible, con oxígeno líquido como oxidante (LH2/LOX). Una ventaja del hidrógeno como combustible para cohetes es su elevada velocidad de escape efectiva en comparación con los motores de queroseno / LOX o UDMH / NTO . Según la ecuación de cohetes de Tsiolkovsky , un cohete con mayor velocidad de escape utiliza menos propelente para acelerar. Además, la densidad energética del hidrógeno es mayor que la de cualquier otro combustible. [ 18 ] El LH2/LOX también ofrece la mayor eficiencia en relación con la cantidad de propelente consumido, de entre todos los propelentes para cohetes conocidos. [ 19 ]

Una desventaja de los motores LH2/LOX es la baja densidad y la baja temperatura criogénica requerida para mantener el hidrógeno en estado líquido, lo que significa que se necesitan tanques de combustible más grandes, aislados y, por lo tanto, más pesados, en comparación con el metano, aunque este último es más contaminante. [ 20 ] Otra desventaja es la escasa capacidad de almacenamiento de los cohetes propulsados ​​por LH2/LOX: debido a la constante evaporación del hidrógeno, el cohete debe repostarse poco antes del lanzamiento, lo que hace que los motores criogénicos no sean adecuados para misiles balísticos intercontinentales (ICBM) y otras aplicaciones de cohetes que requieren preparativos de lanzamiento cortos. Para las primeras etapas, los cohetes de combustible denso en los estudios pueden mostrar una pequeña ventaja, debido al menor tamaño del vehículo y la menor resistencia aerodinámica. [ 21 ]

El LH2/LOX también se utilizó en el transbordador espacial para alimentar las pilas de combustible que alimentan los sistemas eléctricos. [ 22 ] El subproducto de la pila de combustible es agua, que se utiliza para beber y otras aplicaciones que requieren agua en el espacio.

automóviles

El Toyota Mirai

A partir de 2021, había dos coches de hidrógeno disponibles públicamente en mercados selectos: el Toyota Mirai y el Hyundai Nexo . [ 23 ] El Honda Clarity se produjo de 2016 a 2021. [ 24 ] Los coches de combustión de hidrógeno no están disponibles comercialmente. En el segmento de vehículos ligeros de carretera, a finales de 2022, se habían vendido 70.200 vehículos eléctricos de pila de combustible en todo el mundo, [ 25 ] en comparación con 26 millones de vehículos eléctricos enchufables. [ 26 ] En 2023, se vendieron 3.143 coches de hidrógeno en EE. UU. en comparación con 380.000 vehículos eléctricos de batería. [ 27 ] Con el rápido aumento de los vehículos eléctricos y la tecnología e infraestructura de baterías asociadas, el alcance global del papel del hidrógeno en los coches se está reduciendo en relación con las expectativas anteriores. [ 2 ] [ 28 ] John Max de Hydrogen Fuel News cree que el hidrógeno puede, sin embargo, utilizarse directamente, o como materia prima para el efuel, para mantener los coches clásicos en circulación. [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]

El primer vehículo de carretera propulsado por una pila de combustible de hidrógeno fue el Chevrolet Electrovan, presentado por General Motors en 1966. [ 32 ] El Toyota FCHV y el Honda FCX , que comenzaron a arrendarse el 2 de diciembre de 2002, se convirtieron en los primeros vehículos comerciales de pila de combustible de hidrógeno certificados por el gobierno del mundo, [ 16 ] [ 15 ] [ 33 ] y el Honda FCX Clarity , que comenzó a arrendarse en 2008, fue el primer vehículo de pila de combustible de hidrógeno del mundo diseñado para la producción en masa en lugar de adaptar un modelo existente. [ 34 ] Honda estableció la primera red de concesionarios de vehículos de pila de combustible del mundo en 2008, y en ese momento era la única empresa capaz de arrendar vehículos de pila de combustible de hidrógeno a clientes privados. [ 35 ] [ 36 ]

El Hyundai Tucson FCEV 2013 , un Tucson modificado, se introdujo en el mercado como un vehículo solo para arrendamiento, [ 37 ] [ 38 ] y Hyundai Motors afirmó que era el primer vehículo de pila de combustible de hidrógeno producido en masa del mundo. [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] Sin embargo, debido a los altos precios y la falta de infraestructura de carga, las ventas quedaron muy por debajo de los planes iniciales, con solo 273 unidades vendidas a finales de mayo de 2015. [ 39 ] El Hyundai Nexo , que sucedió al Tucson en 2018, fue seleccionado como el "SUV más seguro" por Euro NCAP en 2018, [ 42 ] pero en octubre de 2024, Hyundai retiró del mercado los 1600 vehículos Nexo vendidos en EE. UU. hasta ese momento debido al riesgo de fugas de combustible e incendio por un "dispositivo de alivio de presión" defectuoso. [ 43 ]

El Hyundai Nexo

Toyota lanzó el primer vehículo de pila de combustible (FCV) de producción masiva del mundo, el Mirai , en Japón a finales de 2014 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] y comenzó las ventas en California, principalmente en el área de Los Ángeles y también en mercados seleccionados de Europa, Reino Unido, Alemania y Dinamarca [ 44 ] más tarde en 2015. [ 45 ] El coche tiene una autonomía de 312 millas (502 km) y tarda unos cinco minutos en recargar su depósito de hidrógeno. El precio de venta inicial en Japón fue de unos 7 millones de yenes (69 000 dólares). [ 46 ] El expresidente del Parlamento Europeo, Pat Cox, estimó que Toyota perdería inicialmente unos 100 000 dólares por cada Mirai vendido. [ 47 ] A finales de 2019, Toyota había vendido más de 10 000 Mirais, [ 48 ] [ 8 ] pero en 2024 (hasta noviembre), las ventas mundiales de Toyota cayeron a 1702 vehículos de pila de combustible de hidrógeno. [ 49 ] Muchas compañías automovilísticas introdujeron modelos de demostración en cantidades limitadas (véase Lista de vehículos de pila de combustible y Lista de vehículos con motor de combustión interna de hidrógeno ). [ 50 ] [ 51 ]  

En 2013, BMW arrendó tecnología de hidrógeno a Toyota , y un grupo formado por Ford Motor Company , Daimler AG y Nissan anunció una colaboración en el desarrollo de tecnología de hidrógeno. [ 52 ] En 2015, Toyota anunció que ofrecería gratuitamente a sus competidores las 5680 patentes relacionadas con vehículos de pila de combustible de hidrógeno y tecnología de estaciones de carga de pila de combustible de hidrógeno, que había estado investigando durante más de 20 años, para estimular el mercado de vehículos impulsados ​​por hidrógeno. [ 53 ] Sin embargo, para 2017, Daimler había abandonado el desarrollo de vehículos de hidrógeno, [ 54 ] y la mayoría de las compañías automovilísticas que desarrollaban coches de hidrógeno habían cambiado su enfoque a los vehículos eléctricos de batería. [ 55 ] Para 2020, todas las compañías automovilísticas excepto tres habían abandonado los planes para fabricar coches de hidrógeno. [ 56 ] El Honda CR-V e:FCEV estuvo disponible, solo para arrendamiento, en cantidades muy limitadas en 2024. [ 7 ]

Un número significativo de estaciones públicas de hidrógeno en California no pueden suministrar hidrógeno. [ 57 ] En 2024, los propietarios de Mirai presentaron una demanda colectiva en California por la falta de disponibilidad de hidrógeno para vehículos eléctricos de pila de combustible, alegando, entre otras cosas, ocultación fraudulenta y tergiversación, así como violaciones de la ley de publicidad engañosa de California e incumplimientos de la garantía implícita. [ 58 ]

camiones pesados

El escenario de cero emisiones netas de la Agencia Internacional de Energía para 2022 prevé que el hidrógeno satisfaga aproximadamente el 30 % de la demanda energética de camiones pesados ​​en 2050, principalmente para el transporte pesado de larga distancia (mientras que la energía eléctrica de las baterías representará alrededor del 60 %). [ 59 ]

United Parcel Service comenzó a probar un vehículo de reparto impulsado por hidrógeno en 2017. [ 60 ] En 2020, Hyundai comenzó la producción comercial de sus camiones de pila de combustible Xcient y envió diez de ellos a Suiza . [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]

En 2022, en Australia, se pusieron en uso cinco camiones de clase 8 con pila de combustible de hidrógeno para transportar zinc desde la mina de Sun Metals en Townsville hasta el puerto de Townsville , Queensland, para su envío a todo el mundo. [ 64 ]

aviones

El demostrador de pila de combustible de Boeing , alimentado por una pila de combustible de hidrógeno.
Escalera del hidrógeno: Clasificación de las aplicaciones y usos del hidrógeno a medio plazo. [ 65 ] [ 66 ]

Algunas publicaciones proyectan que el hidrógeno podría usarse en el transporte marítimo [ 65 ] y en aviones a reacción, [ 66 ] mientras que otras predicen que los biocombustibles y las baterías tendrán mayor éxito comercial. [ 67 ] Empresas como Boeing , Lange Aviation y el Centro Aeroespacial Alemán están investigando el hidrógeno como combustible para aviones tripulados y no tripulados. En febrero de 2008, Boeing probó un vuelo tripulado de una aeronave pequeña propulsada por una pila de combustible de hidrógeno. También se han probado aviones de hidrógeno no tripulados. [ 68 ] Para los grandes aviones de pasajeros, The Times informó que "Boeing dijo que era improbable que las pilas de combustible de hidrógeno impulsaran los motores de los grandes aviones de pasajeros, pero que podrían usarse como unidades de energía auxiliares o de respaldo a bordo". [ 69 ]

En julio de 2010, Boeing presentó su UAV Phantom Eye propulsado por hidrógeno , impulsado por dos motores de combustión interna Ford que han sido convertidos para funcionar con hidrógeno. [ 70 ]

barcos

A partir de 2019Las pilas de combustible de hidrógeno no son adecuadas para la propulsión en grandes buques de larga distancia, pero se están considerando como extensor de autonomía para embarcaciones eléctricas más pequeñas, de corta distancia y baja velocidad, como los transbordadores. [ 71 ] El hidrógeno en amoníaco se está considerando como combustible de larga distancia. [ 72 ]

autobuses

Un autobús Solaris Urbino 12 cerca de su fábrica en Bolechowo, Polonia.

En 2017 se realizaron pruebas con autobuses de pila de combustible en Ursus Lublin. [ 73 ] Solaris Bus & Coach presentó sus autobuses eléctricos de hidrógeno Urbino 12 en 2019. Se encargaron varias docenas. [ 74 ] La primera ciudad de EE. UU. en tener una flota de autobuses propulsados ​​por hidrógeno fue Champaign , Illinois, cuando en 2021 el Distrito de Transporte Masivo de Champaign-Urbana encargó dos autobuses articulados de pila de combustible de hidrógeno New Flyer XHE60, y en 2024 se añadieron 10 autobuses más New Flyer XHE40. [ 75 ]

En 2022, la ciudad de Montpellier , Francia, canceló un contrato para adquirir 51 autobuses propulsados ​​por pilas de combustible de hidrógeno, al constatar que «el coste de operación de los autobuses de hidrógeno es seis veces superior al de la electricidad». [ 76 ] Para 2025, la mayoría de los programas de autobuses de hidrógeno en Europa se habían cancelado o se habían interrumpido las compras de autobuses con pilas de combustible. [ 77 ]

Carretillas elevadoras

Una carretilla elevadora con motor de combustión interna de hidrógeno (o "HICE") es una carretilla elevadora industrial propulsada por un motor de combustión interna alimentado con hidrógeno, utilizada para elevar y transportar materiales. La primera carretilla elevadora HICE de producción, basada en la Linde X39 Diesel, se presentó en una exposición en Hannover el 27 de mayo de 2008. Utilizaba un motor diésel de combustión interna de 2,0 litros y 43 kW (58 hp) convertido para usar hidrógeno como combustible mediante un compresor e inyección directa . [ 78 ] [ 79 ]  

En 2013, había más de 4000 carretillas elevadoras de pila de combustible en uso para la manipulación de materiales en EE. UU. [ 80 ] A partir de 2024, aproximadamente 50 000 carretillas elevadoras de hidrógeno están en funcionamiento en todo el mundo (la mayoría de las cuales están en EE. UU.), en comparación con 1,2 millones de carretillas elevadoras eléctricas de batería que se compraron en 2021. [ 81 ]

La mayoría de las empresas en Europa y EE. UU. no utilizan carretillas elevadoras de gasolina, ya que estos vehículos trabajan en interiores donde las emisiones deben controlarse, y en su lugar utilizan carretillas elevadoras eléctricas. [ 82 ] [ 83 ] Las carretillas elevadoras de pila de combustible se pueden repostar en 3 minutos. Se pueden utilizar en almacenes refrigerados, ya que su rendimiento no se ve afectado por las bajas temperaturas. Las unidades de pila de combustible suelen diseñarse como reemplazos directos. [ 84 ] [ 85 ]

Tranvías y trenes

El primer tren de hidrógeno de la India, que muestra el módulo de almacenamiento de hidrógeno, las baterías y la pila de combustible.

En el escenario de cero emisiones netas de la Agencia Internacional de Energía para 2022, se prevé que el hidrógeno represente el 2 % de la demanda energética del ferrocarril en 2050, mientras que se espera que el 90 % del transporte ferroviario esté electrificado para entonces (frente al 45 % actual). El papel del hidrógeno en el ferrocarril probablemente se centraría en las líneas que resulten difíciles o costosas de electrificar. [ 86 ]

En marzo de 2015, China South Rail Corporation (CSR) presentó un tranvía propulsado por pila de combustible de hidrógeno en una planta de ensamblaje en Qingdao. [ 87 ] Se construyeron vías para el nuevo vehículo en siete ciudades chinas. [ 88 ] En el norte de Alemania, en 2018, se pusieron en servicio por primera vez los trenes Coradia iLint propulsados ​​por pila de combustible ; el exceso de energía se almacena en baterías de iones de litio . [ 89 ]

Para 2025, los trenes propulsados ​​por hidrógeno también se habían introducido en Francia y Suecia; en India, un tren de hidrógeno con 1200 hp, capaz de transportar 2600 pasajeros, está programado para operar entre Sonipat y Jind en Haryana. [ 90 ] Sin embargo, ese mismo año hubo malas noticias para algunas de las compañías europeas de trenes de hidrógeno: la francesa Alstom anunció que detendría el desarrollo de trenes de hidrógeno y reubicaría a parte de su personal de investigación tras la retirada de la financiación gubernamental, y en Alemania, la Autoridad de Transporte Rin-Meno retiró sus 18 trenes propulsados ​​por hidrógeno después de "reiterados problemas técnicos con las celdas de combustible de hidrógeno"; Siemens Mobility también ha tenido problemas con sus trenes de hidrógeno. [ 91 ]

Bicicletas y patinetes eléctricos

Bicicleta de hidrógeno PHB

En 2007, Pearl Hydrogen Power Source Technology Co. de Shanghái , China, presentó una bicicleta de hidrógeno PHB . [ 92 ] [ 93 ] En 2014, científicos australianos de la Universidad de Nueva Gales del Sur presentaron su modelo Hy-Cycle. [ 94 ] Ese mismo año, Canyon Bicycles comenzó a trabajar en la bicicleta conceptual Eco Speed. [ 95 ]

En 2017, Pragma Industries de Francia desarrolló una bicicleta capaz de recorrer 100  km con un solo cilindro de hidrógeno. [ 96 ] En 2019, Pragma anunció que el producto, "Alpha Bike", se había mejorado para ofrecer una autonomía de pedaleo asistido eléctricamente de 150  km, y que las primeras 200 bicicletas se entregarían a periodistas que cubrieran la 45.ª cumbre del G7 en Biarritz , Francia. [ 97 ]

En 2020, Alles over Waterstof [ 98 ] desarrolló un patinete eléctrico de dos ruedas propulsado por hidrógeno. Este patinete tiene una autonomía de más de 20  km con 15 gramos de hidrógeno. Utiliza una bombona de hidrógeno intercambiable de 1 litro y 200 bares. En 2021, la empresa desarrolló una bicicleta de carga propulsada por hidrógeno, que utiliza una bombona de hidrógeno recargable estática de 3 litros y 300 bares. La bicicleta HydroCargo tiene una autonomía de hasta 100  km con 80 gramos de hidrógeno. [ 99 ]

Lloyd Alter de TreeHugger respondió al anuncio preguntando: "¿Por qué... tomarse la molestia de usar electricidad para producir hidrógeno, solo para volver a convertirlo en electricidad para cargar una batería que haga funcionar la bicicleta eléctrica [o] elegir un combustible que necesita una costosa estación de servicio que solo puede atender 35 bicicletas al día, cuando se puede cargar una bicicleta eléctrica en cualquier lugar? [Si] fueras un operador de flota cautiva, ¿por qué [no] simplemente cambiar las baterías para obtener la autonomía y la rápida rotación?" [ 100 ]

Vehículos militares

La división militar de General Motors , GM Defense , se centra en vehículos de pila de combustible de hidrógeno. [ 101 ] Su SURUS (Silent Utility Rover Universal Superstructure) es una plataforma eléctrica de pila de combustible flexible con capacidades autónomas. Desde abril de 2017, el Ejército de los EE. UU. ha estado probando el Chevrolet Colorado ZH2 comercial en sus bases estadounidenses para determinar la viabilidad de los vehículos propulsados ​​por hidrógeno en entornos tácticos de misiones militares. [ 102 ]

Motocicletas y scooters

ENV desarrolla motocicletas eléctricas alimentadas por una pila de combustible de hidrógeno, incluyendo la Crosscage y la Biplane . Otros fabricantes como Vectrix están trabajando en scooters de hidrógeno. [ 103 ] Finalmente, se están fabricando scooters híbridos eléctricos con pila de combustible de hidrógeno, como el scooter Suzuki Burgman [ 104 ] y el FHybrid . [ 105 ] El Burgman recibió la aprobación de "tipo de vehículo completo" en la UE. [ 106 ] La empresa taiwanesa APFCT realizó una prueba en vivo en la calle con 80 scooters de pila de combustible para la Oficina de Energía de Taiwán. [ 107 ]

Autorickshaws

Mahindra HyAlfa y Bajaj Auto han construido vehículos conceptuales de autorickshaws de hidrógeno . [ 108 ] [ 109 ]

Quads y tractores

H-Due, fabricado por Autostudi Srl , es un quad propulsado por hidrógeno capaz de transportar de 1 a 3 pasajeros. [ 110 ] Se ha propuesto un concepto para un tractor propulsado por hidrógeno. [ 111 ] [ 112 ]

carreras de autos

Un prototipo del Ford Fusion Hydrogen 999 Fuel Cell Race Car estableció un récord de 207,297 millas por hora (333,612 km/h) en las salinas de Bonneville en agosto de 2007, utilizando un gran tanque de oxígeno comprimido para aumentar la potencia. [ 113 ] El récord de velocidad en tierra para un vehículo propulsado por hidrógeno de 286,476 millas por hora (461,038 km/h) fue establecido por el Buckeye Bullet 2 de la Universidad Estatal de Ohio , que alcanzó una velocidad de "milla lanzada" de 280,007 millas por hora (450,628 km/h) en las salinas de Bonneville en agosto de 2008.   

En 2007, se formó la Hydrogen Electric Racing Federation como una organización de carreras para vehículos propulsados ​​por celdas de combustible de hidrógeno. La organización patrocinó la Hydrogen 500, una carrera de 500 millas. [ 114 ]

vehículo de combustión interna

Los automóviles con motor de combustión interna de hidrógeno son diferentes de los automóviles con pila de combustible de hidrógeno. El automóvil con motor de combustión interna de hidrógeno es una versión ligeramente modificada del automóvil tradicional con motor de combustión interna de gasolina . Estos motores de hidrógeno queman combustible de la misma manera que los motores de gasolina; la principal diferencia radica en el producto de escape. La combustión de gasolina produce emisiones principalmente de dióxido de carbono y agua, además de cantidades traza de monóxido de carbono , NO x , partículas e hidrocarburos no quemados, [ 115 ] mientras que el principal producto de escape de la combustión de hidrógeno es vapor de agua.

En 1807, François Isaac de Rivaz diseñó el primer motor de combustión interna alimentado con hidrógeno . [ 116 ] En 1965, Roger E. Billings, entonces estudiante de secundaria, convirtió un Modelo A para que funcionara con hidrógeno. [ 117 ] En 1970, Paul Dieges patentó una modificación de los motores de combustión interna que permitía que un motor de gasolina funcionara con hidrógeno. [ 118 ]

Mazda ha desarrollado motores Wankel que funcionan con hidrógeno, los cuales se utilizan en el Mazda RX-8 Hydrogen RE . La ventaja de usar un motor de combustión interna, como los motores Wankel y de pistón, es el menor costo de adaptación para la producción. [ 119 ]

pila de combustible

Costo de la pila de combustible

Las pilas de combustible de hidrógeno son relativamente caras de producir, ya que sus diseños requieren sustancias raras, como el platino , como catalizador . [ 120 ] En 2014, el expresidente del Parlamento Europeo, Pat Cox, estimó que Toyota inicialmente perdería alrededor de $100,000 por cada Mirai vendido. [ 47 ] En 2020, investigadores del Departamento de Química de la Universidad de Copenhague están desarrollando un nuevo tipo de catalizador que esperan que disminuya el costo de las pilas de combustible. [ 121 ] Este nuevo catalizador utiliza mucho menos platino porque las nanopartículas de platino no están recubiertas sobre carbono, lo que, en las pilas de combustible de hidrógeno convencionales, mantiene las nanopartículas en su lugar, pero también hace que el catalizador se vuelva inestable y se desnaturalice lentamente, lo que requiere aún más platino. La nueva tecnología utiliza nanocables duraderos en lugar de las nanopartículas. "El siguiente paso para los investigadores es ampliar sus resultados para que la tecnología pueda implementarse en vehículos de hidrógeno". [ 122 ]

Condiciones de congelación

Los problemas en los primeros diseños de celdas de combustible a bajas temperaturas con respecto a la autonomía y la capacidad de arranque en frío se han abordado de manera que "ya no se pueden ver como obstáculos insalvables". [ 123 ] Los usuarios en 2014 dijeron que sus vehículos de celda de combustible continúan operando a temperaturas bajo cero sin reducir significativamente la autonomía. [ 124 ] Los estudios que utilizan radiografía de neutrones en el arranque en frío sin asistencia indican la formación de hielo en el cátodo, [ 125 ] tres etapas en el arranque en frío [ 126 ] y la conductividad iónica de Nafion. [ 127 ] También se definió un parámetro, definido como culombio de carga, para medir la capacidad de arranque en frío. [ 128 ]

vida de servicio

La vida útil de las celdas de combustible es comparable a la de otros vehículos. [ 129 ] La vida útil de una celda de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEM) es de 7300 horas en condiciones de ciclado. [ 130 ]

Hidrógeno

El hidrógeno no existe en yacimientos o depósitos convenientes como los combustibles fósiles o el helio . [ 131 ] Se produce a partir de materias primas como el gas natural y la biomasa o mediante electrólisis del agua. [ 132 ] Un beneficio sugerido del despliegue a gran escala de vehículos de hidrógeno es que podría conducir a una disminución de las emisiones de gases de efecto invernadero y precursores del ozono. [ 133 ] Sin embargo, a partir de 2014, el 95% del hidrógeno se produce a partir de metano . Puede producirse por medios termoquímicos o pirolíticos utilizando materias primas renovables, pero ese es un proceso costoso. [ 9 ]

Sin embargo, la electricidad renovable puede utilizarse para impulsar la conversión de agua en hidrógeno: las plantas integradas de conversión de energía eólica a hidrógeno ( energía a gas ), que utilizan la electrólisis del agua , están explorando tecnologías para ofrecer costos lo suficientemente bajos y cantidades lo suficientemente grandes como para competir con las fuentes de energía tradicionales. [ 134 ] Los desafíos que enfrenta el uso de hidrógeno en vehículos incluyen su almacenamiento a bordo del vehículo. En septiembre de 2023, el hidrógeno costaba $36 por kilogramo en las estaciones de servicio públicas de California, 14 veces más por milla para un Mirai en comparación con un Tesla Model 3. [ 135 ]

Producción

El hidrógeno molecular necesario como combustible a bordo para vehículos de hidrógeno se puede obtener mediante muchos métodos termoquímicos que utilizan gas natural , carbón (mediante un proceso conocido como gasificación del carbón), gas licuado de petróleo , biomasa ( gasificación de biomasa ), mediante un proceso llamado termólisis , o como un producto de desecho microbiano llamado biohidrógeno o producción biológica de hidrógeno . El 95% del hidrógeno se produce utilizando gas natural. [ 136 ] El hidrógeno se puede producir a partir de agua mediante electrólisis con eficiencias de trabajo del 65-70%. [ 137 ] El hidrógeno se puede producir mediante reducción química utilizando hidruros químicos o aluminio. [ 138 ] Las tecnologías actuales para la fabricación de hidrógeno utilizan energía en diversas formas, que suman entre el 25 y el 50 por ciento del poder calorífico superior del combustible de hidrógeno, utilizada para producir, comprimir o licuar y transportar el hidrógeno por gasoducto o camión. [ 139 ]

Las consecuencias ambientales de la producción de hidrógeno a partir de recursos energéticos fósiles incluyen la emisión de gases de efecto invernadero , una consecuencia que también resultaría del reformado a bordo de metanol en hidrógeno. [ 140 ] La producción de hidrógeno utilizando recursos energéticos renovables no generaría tales emisiones, pero sería necesario ampliar la escala de producción de energía renovable para utilizarla en la producción de hidrógeno para una parte significativa de las necesidades de transporte. [ 141 ] En algunos países, las fuentes renovables se están utilizando más ampliamente para producir energía e hidrógeno. Por ejemplo, Islandia está utilizando energía geotérmica para producir hidrógeno, [ 142 ] y Dinamarca está utilizando energía eólica . [ 143 ]

Almacenamiento

Marca de almacenamiento de hidrógeno comprimido

El hidrógeno comprimido en tanques de hidrógeno a 350 bar (5000 psi) y 700 bar (10 000 psi) se utiliza para sistemas de tanques de hidrógeno en vehículos, basados ​​en tecnología de compuesto de carbono tipo IV. [ 144 ]

El hidrógeno tiene una densidad energética volumétrica muy baja en condiciones ambientales, en comparación con la gasolina y otros combustibles para vehículos. [ 145 ] Debe almacenarse en un vehículo como líquido superenfriado o como gas altamente comprimido, lo que requiere energía adicional. [ 146 ] En 2018, investigadores de CSIRO en Australia alimentaron un Toyota Mirai y un Hyundai Nexo con hidrógeno separado del amoníaco mediante una tecnología de membrana. El amoníaco es más fácil de transportar de forma segura en camiones cisterna que el hidrógeno puro. [ 147 ]

Infraestructura

Repostaje de un vehículo propulsado por hidrógeno. El vehículo es un Hyundai Nexo . La condensación alrededor de la manija, debido a la expansión del gas hidrógeno, provocó que la manija se congelara.

Para permitir el suministro de hidrógeno como combustible a los usuarios finales del transporte, se requiere una amplia gama de inversiones, incluyendo, según la Agencia Internacional de Energía (AIE), la "construcción y operación de nueva infraestructura portuaria, almacenamiento intermedio, oleoductos, buques, estaciones de repostaje y plantas para convertir el hidrógeno en una mercancía más fácilmente transportable (y potencialmente de nuevo en hidrógeno)". [ 148 ] En particular, la AIE señala que se necesitarán estaciones de repostaje en lugares adecuados para el transporte por carretera de larga distancia, como los centros industriales, e identifica la necesidad de invertir en infraestructura aeroportuaria para el almacenamiento y suministro de hidrógeno. La AIE considera que los requisitos de infraestructura para el hidrógeno en el transporte marítimo son más complejos, y destaca la "necesidad de grandes inversiones y esfuerzos coordinados entre proveedores de combustible, puertos, astilleros y transportistas". [ 149 ]

A partir de 2024En Estados Unidos había 53 estaciones de repostaje de hidrógeno de acceso público, 52 de las cuales se ubicaban en California (en comparación con 65 000 estaciones de carga eléctrica). [ 150 ] [ 151 ] Para 2017, había 91 estaciones de repostaje de hidrógeno en Japón. [ 152 ] En 2024, los propietarios de Mirai presentaron una demanda colectiva en California por la falta de disponibilidad de hidrógeno para vehículos eléctricos de pila de combustible, alegando, entre otras cosas, ocultación fraudulenta y tergiversación, así como violaciones de la ley de publicidad engañosa de California e incumplimientos de la garantía implícita. [ 58 ]

Códigos y normas

Los códigos y estándares del hidrógeno, así como los códigos y estándares técnicos para la seguridad y el almacenamiento del hidrógeno , han sido una barrera institucional para la implementación de tecnologías de hidrógeno . Para permitir la comercialización del hidrógeno en productos de consumo, los gobiernos federales, estatales y locales deben desarrollar y adoptar nuevos códigos y estándares. [ 153 ]

Apoyo oficial

Iniciativas de EE. UU.

Se admiten autobuses de pila de combustible. [ 154 ]

La Autoridad de Investigación y Desarrollo Energético del Estado de Nueva York (NYSERDA) ha creado incentivos para camiones y autobuses eléctricos con pila de combustible de hidrógeno. [ 155 ]

Críticas a los coches de hidrógeno

Los críticos argumentan que es improbable que se implemente el uso generalizado de hidrógeno en los automóviles durante al menos las próximas décadas [ 156 ] [ 157 ] y que el automóvil de hidrógeno es una peligrosa distracción de soluciones más accesibles para reducir el uso de combustibles fósiles en los vehículos. [ 158 ] [ 159 ]

El exfuncionario del Departamento de Energía de EE. UU., Joseph Romm, ha dicho: "Un coche de hidrógeno es una de las formas menos eficientes y más caras de reducir los gases de efecto invernadero". [ 160 ] Ha argumentado que el coste de construir una red nacional de estaciones de repostaje de hidrógeno sería prohibitivo. [ 161 ] [ 162 ] Robert Zubrin , autor de Energy Victory , afirmó: "El hidrógeno es 'casi el peor combustible posible para vehículos'". [ 163 ] A partir de 2024, más del 95 % del hidrógeno todavía se producía utilizando la reformación de metano con vapor (alrededor del 95 % es hidrógeno gris , la mayor parte del resto es hidrógeno azul y solo alrededor del 1 % es hidrógeno verde ), [ 164 ] lo que crea al menos la misma cantidad de emisiones de carbono por milla que los coches de gasolina actuales, pero incluso si se pudiera producir más hidrógeno utilizando energía renovable, "seguramente sería más fácil simplemente usar esta energía para cargar las baterías de vehículos totalmente eléctricos o híbridos enchufables". [ 163 ] A lo largo de su vida útil, los vehículos de hidrógeno emitirán más carbono que los vehículos de gasolina. [ 165 ] [ 13 ] El Washington Post preguntó en 2009: "¿Por qué querrías almacenar energía en forma de hidrógeno y luego usar ese hidrógeno para producir electricidad para un motor, cuando la energía eléctrica ya está esperando ser extraída de los enchufes en todo Estados Unidos y almacenada en baterías de automóviles?". [ 136 ] [ 166 ]

Rudolf Krebs, de Volkswagen, dijo en 2013: "La movilidad de hidrógeno solo tiene sentido si se usa energía verde", pero... primero hay que convertirla en hidrógeno "con bajas eficiencias", donde "se pierde alrededor del 40 por ciento de la energía inicial". Luego hay que comprimir el hidrógeno y almacenarlo a alta presión en tanques, lo que consume más energía. "Y luego hay que convertir el hidrógeno de nuevo en electricidad en una pila de combustible con otra pérdida de eficiencia". Krebs continuó: "al final, de tu 100 por ciento de energía eléctrica original, terminas con un 30 a 40 por ciento". [ 167 ] Un estudio de 2016 publicado en Energy por científicos de la Universidad de Stanford y la Universidad Técnica de Múnich concluyó que, incluso asumiendo la producción local de hidrógeno, "invertir en vehículos eléctricos de batería es una opción más económica para reducir las emisiones de dióxido de carbono". [ 168 ]

Un análisis de 2017 publicado en Green Car Reports concluyó que los mejores vehículos de pila de combustible de hidrógeno consumen "más de tres veces más electricidad por milla que un vehículo eléctrico... generan más emisiones de gases de efecto invernadero que otras tecnologías de tren motriz... [y tienen] costos de combustible muy altos. ... Considerando todos los obstáculos y requisitos para la nueva infraestructura (que se estima que costará hasta $400 mil millones), los vehículos de pila de combustible parecen ser, en el mejor de los casos, una tecnología de nicho, con poco impacto en el consumo de petróleo de EE. UU. [ 152 ] El Departamento de Energía de EE. UU. está de acuerdo, para el combustible producido por electricidad de la red a través de electrólisis, pero no para la mayoría de las otras vías de generación. [ 169 ] Un video de 2019 de Real Engineering concluyó que el hidrógeno necesario para mover un FCV un kilómetro cuesta aproximadamente 8 veces más que la electricidad necesaria para mover un BEV la misma distancia. [ 170 ]

Las evaluaciones realizadas desde 2020 han concluido que los vehículos de hidrógeno todavía tienen una eficiencia de solo el 38%, mientras que los vehículos eléctricos de batería tienen una eficiencia del 80% al 95%. [ 171 ] [ 172 ] Una evaluación de 2021 realizada por CleanTechnica encontró que la gran mayoría del hidrógeno que se estaba produciendo seguía siendo hidrógeno gris contaminante , y que el suministro de hidrógeno requeriría la construcción de una infraestructura nueva, vasta y costosa, mientras que las dos "ventajas restantes de los vehículos de pila de combustible (mayor autonomía y tiempos de repostaje rápidos) se están erosionando rápidamente debido a la mejora de la tecnología de baterías y carga". [ 56 ] Un estudio de 2022 en Nature Electronics coincidió. [ 173 ] Otro artículo de 2022, en Recharge News , afirmó que es más probable que los barcos se propulsen con amoníaco o metanol que con hidrógeno. [ 174 ] También en 2022, el Instituto Fraunhofer de Alemania concluyó que es poco probable que el hidrógeno desempeñe un papel importante en el transporte por carretera. [ 28 ]

Un estudio de 2023 del Centro para la Investigación Climática y Ambiental Internacional (CICERO) estimó que el hidrógeno filtrado tiene un efecto de calentamiento global 11,6 veces más fuerte que el CO 2 . [ 14 ]

Seguridad y suministro

El combustible de hidrógeno es peligroso debido a su baja energía de ignición (véase también temperatura de autoignición ) y alta energía de combustión, y porque tiende a fugarse fácilmente de los tanques debido a su pequeño tamaño molecular . [ 175 ] En 2024, Hyundai retiró del mercado los 1600 vehículos Nexo vendidos en EE. UU. hasta ese momento debido al riesgo de fugas de combustible e incendio por un "dispositivo de alivio de presión" defectuoso. [ 43 ] La fragilización por hidrógeno también es una preocupación para el material del tanque de almacenamiento, así como para las piezas del automóvil que rodean el tanque si hay fugas crónicas. El hidrógeno es inodoro, por lo que las fugas no se detectan fácilmente sin detectores especializados. [ 176 ]

Se han reportado explosiones en estaciones de servicio de hidrógeno. [ 177 ] Las estaciones de servicio de hidrógeno generalmente reciben entregas de hidrógeno por camión de los proveedores de hidrógeno. Una interrupción en una instalación de suministro de hidrógeno puede cerrar varias estaciones de servicio de hidrógeno. [ 178 ]

Comparación con otros tipos de vehículos de combustible alternativo

Los vehículos de hidrógeno compiten con varias alternativas propuestas a la infraestructura de vehículos modernos con motor de combustión interna (MCI) de combustible fósil . [ 120 ]

Gas natural

Los vehículos de gas natural comprimido (GNC), GNC , GLP o GNL basados ​​en ICE , denominados colectivamente vehículos de gas natural (VGN), utilizan metano extraído del gas natural o biogás como fuente de combustible. El metano tiene una mayor densidad energética que el hidrógeno, y los VGN que utilizan biogás son prácticamente neutros en carbono . [ 179 ] A diferencia de los vehículos de hidrógeno, la tecnología de vehículos de GNC ha estado disponible durante muchas décadas, y existe suficiente infraestructura en las estaciones de servicio existentes para proporcionar repostaje tanto comercial como doméstico. A finales de 2011, había 14,8 millones de vehículos de gas natural en todo el mundo, principalmente vehículos bifuel . [ 180 ] Otro uso del gas natural es el reformado con vapor, que es la forma común de producir hidrógeno para su uso en coches eléctricos con pilas de combustible. [ 8 ]

El metano también es un combustible alternativo para cohetes . [ 181 ]

Eléctrico enchufable

Híbrido enchufable

Los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) son vehículos eléctricos híbridos que se pueden conectar a la red eléctrica para recargar la batería , en lugar de depender exclusivamente del motor de combustión interna para accionar un generador que a su vez alimenta el motor eléctrico y la batería, como en los vehículos híbridos convencionales. El concepto PHEV aumenta la eficiencia del combustible del vehículo al permitir una mayor conducción en modo eléctrico , a la vez que reduce la ansiedad por la autonomía gracias al motor de combustión interna (normalmente un motor de gasolina turboalimentado ) que actúa como motor auxiliar o extensor de autonomía .

Batería eléctrica

En el segmento de vehículos ligeros de carretera, para 2023  se habían vendido 26 millones de vehículos eléctricos de batería en todo el mundo, [ 26 ] y había 65 730 estaciones de carga públicas en Norteamérica, además de la disponibilidad de carga en el hogar y el lugar de trabajo a través de enchufes y tomas de corriente alterna . [ 182 ] Los camiones eléctricos de larga distancia requieren una infraestructura de carga de megavatios mayor . [ 183 ]

Biocombustible para la aviación

Hannah Ritchie ha argumentado que puede que no haya suficiente tierra para producir suficiente biocombustible para la aviación . [ 184 ]

Véase también

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  • Página principal de California Fuel Cell Partnership
  • Fuel Cell Today - Información de mercado sobre la industria de las pilas de combustible
  • Páginas sobre hidrógeno del Departamento de Energía de EE. UU.
  • Descripción del motor de combustión interna de hidrógeno de Sandia Corporation
  • Por dentro del primer coche de producción del mundo propulsado por hidrógeno. BBC News, 14 de septiembre de 2010.
  • Demostración de hidrógeno en Toyota Ecopark ARENAWIRE, 22 de marzo de 2019