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Hidrógeno en la electromovilidad

El uso de hidrógeno en la electromovilidad es la alternativa tecnológica que se perfila como el complemento a las tecnologías de vehículos eléctricos a baterías, dado que otorga mayor autonomía y es una solución factible técnica y económicamente para transporte de carga y transporte interurbano. El uso de hidrógeno en el transporte es también una alternativa para descarbonizar la matriz energética en este sector, que combinado con energías renovables para su producción, resulta en un camino energético sustentable para combatir el cambio climático.

Debido a la fácil capacidad de almacenamiento de combustible (A. Emadi, 2004) (M. Ehsani, 2005), (P. Thounthong S. P., 2010) y (Dicks, 2003) y dado que es considerada energía limpia, la tecnología de celdas de combustible de hidrógeno (HFCS del inglés hydrogen fuel cell stack) se han utilizado ampliamente como fuente de energía en micro redes y también en aplicaciones móviles (A. Emadi, 2004), (M. Ehsani, 2005) y (P. Thounthong S. R., 2006). Aunque las HFCS y sus aplicaciones han sido objeto de estudio en las últimas décadas (J. T. Pukrushpan, 2004), (S. Pasricha, 2007) y (Shaw, 2006), dado que son sistemas complejos, mucho de lo que se investigue respecto a este tema puede considerarse como una innovación y dar origen a publicaciones de alto impacto. En electromovilidad, una aplicación con HFCS debe adaptarse a los cambios rápidos de carga y variación de parámetros de operación, tal como se indica en (R. Talj, 2010), (P. Thounthong S. R., 2006) y (P. Thounthong V. C., 2008). Para alcanzar un rendimiento satisfactorio, el comportamiento del sistema de HFCS y su interacción con los otros subsistemas, por ejemplo los equipos auxiliares o sistema de electrónica de potencia, debe ser modelado y controlado en forma adecuada (A. Sánchez-Squella, 2010), (P. R. Pathapati, 2005) y (M. Hinaje, 2009).

Se ha encontrado que las mejoras en el rendimiento de las HFCS dependen no solo de las características de los materiales, sino que también en la optimización de los parámetros de operación, resultados asociados a esta mejora se muestran en (P. Thounthong S. R., 2006), (K. Jin, 2007) y (P. Thounthong V. C., 2008). Si bien las HFCS cuentan con una serie de ventajas respecto a las aplicaciones con baterías, tanto en lo que respecta a velocidad de recarga y concentración de energía (autonomía), también cuentan con desventajas operacionales que complejizan la aplicación. Una de las principales desventajas es la respuesta dinámica ( (P. R. Pathapati, 2005), (M. Hinaje, 2009) y (K. Jin, 2007)), debido a esta característica es que su debe utilizar en conjunto con otras fuentes de energía o acumuladores de rápida operación (supercapacitores o baterías), tal como se estudia en (P. Thounthong S. R., 2006), (K. Jin, 2007)y (P. Thounthong V. C., 2008). Dado que la HFCS es incapaz de regenerar, los acumuladores deben ser también capaces de almacenar la energía proveniente del freno regenerativo en caso que el vehículo considere esta condición de operación.

Descripción del sistema de baterías y sistemas auxiliares

Tal como se mencionó, en la práctica, una celda de combustible de hidrógeno requiere de la presencia de otro elementos auxiliares, tales como circuitos para suministrar el gas, los compartimientos de ánodo y cátodo, un sistema de humidificación de gas, un sistema de refrigeración ya que la reacción es exotérmica, entre otros dispositivos (Dicks, 2003). Es evidente que la HFCS es un equipo complejo cuyo rendimiento no solo depende de la celda en sí, sino también de los parámetros operaciones, es decir, los caudales, presiones, humedad y temperaturas del gas, combustible y oxidante, entre otros (A. Sánchez-Squella, 2010) y (Dicks, 2003).

Dado que en una aplicación de vehículo eléctrico, la HFCS debe ser capaz de aceptar cargas eléctricas de variaciones rápidas y poco predecibles, y teniendo en consideración que la HFCS está limitada por la compleja dinámica relacionada con el balance de masa y los equilibrios térmicos dentro y fuera de la pila, todo sistema alimentado por una celda de combustible de hidrógeno debe tener una batería o supercondensador y una interfaz basado en electrónica de potencia capaz de gestionar la energía entre las distintas unidades y la carga (A. Sánchez-Squella, 2010) (G. Pede, 2004), y (P. Thounthong V. C., 2008). Por otra parte, y dado que las HFCS se utilizan principalmente para alimentar sistemas integrados, como vehículos de transporte, se debe prestar especial atención a la eficiencia del sistema de propulsión, es decir a la eficiencia del conjunto formado entre fuentes, unidades de almacenamiento, motor de propulsión y electrónica de potencia (A. Emadi, 2004) y (M. Ehsani, 2005). Esto último, es aún motivo de investigación y desarrollo, principalmente en lo que se refiere a esquemas de sistema de propulsión de alto rendimiento y economías de masa y/o volumen de los dispositivos.

Operación del vehículo eléctrico basado en FCS

Modo híbrido: En esta condición, la energía fluye entre la bomba de calor, las baterías y los supercondensadores según las condiciones de uso. Este flujo de energía será controlado a través de leyes de optimización energética. Las diferentes fuentes de energía se usarán no solo por separado sino también en forma simultánea en base a un criterio de utilización de cada una de ellas. El análisis de este tipo de operación se puede encontrar en (M. Ehsani, 2005) y (K. Jin, 2007).

Modo carga: Durante proceso de frenado, se recupera parte de la energía cinética de las ruedas. Esta energía se acumula en alguna unidad de almacenamiento, unidad que se conecta al motor mediante electrónica de potencia personalizada para esta tarea. Para cumplir con estas tareas, se deben desarrollar estrategias adecuadas de gestión de energía de la HFCS, por ejemplo, para cargar acumuladores de dinámica rápida cuando el automóvil está funcionando a velocidades constantes. Este modo de carga se puede ver en (Sanchez-Squella, 2007) y (P. Thounthong S. R., 2006).

Figura 1 Motor a hidrógeno exhibido en Conferencia Internacional de electromovilidad, EVS32, Lyon, Francia (Henríquez, 2019).

Existencia y mercado de vehículos a hidrógeno

A nivel global, la cantidad de vehículos eléctricos a hidrógeno existentes son considerablemente menores respecto de los eléctricos a batería o híbridos enchufables. Según el Global Electric Vehicle Outlook de la Agencia Internacional de Energía, hacia fines del 2017 habían del orden de 7.200 unidades para la categoría livianos de pasajeros, donde Estados Unidos y Japón concentran el 81%. Para el caso de buses a hidrógeno, hacia fines del 2017 habían 250 unidades.

La infraestructura de carga es una limitante para el despliegue masivo de los vehículos a hidrógeno. Al 2017 solo habían 330 estaciones de recarga de hidrógeno vehicular, concentrados principalmente en Japón y Estados Unidos.

La oferta de vehículos eléctricos por parte de los OEMs también es una limitante para el incremento de esta tecnología. Japón es el país referente en promover el uso de hidrógeno para generación eléctrica y también para movilidad cero emisión. Desde el 2017 que se fijó como estrategia se una nación basada en hidrógeno, viendo este tipo de tecnologías como un polo de desarrollo económico y también como una forma de cumplir con sus compromisos ambientales. Destaca el caso del OEM Toyota, que está reformando todas sus líneas productivas para proveer servicios de movilidad pero también de generación en base a hidrógeno. Toyota ofrece su modelo Mirai para vehículos livianos de pasajeros y lanzó en febrero del 2019 su modelo de bus urbano Sora, esperando completar una flota de 200 unidades para ser operados en Tokyo, antes de los juegos olímpicos y paraolímpicos de Tokio en el 2020.

Figura 2: Estación de carga de Hidrógeno y Toyota Mirai, Los Angeles-California (Osses, 2019)

Potenciales áreas de desarrollo

1. Sistema de aire y dinámica de la HFCS
En relación al sistema de aire, se puede considerar un enfoque dual. El uso de las ecuaciones de termodinámica y la mecánica de fluidos para la ecuación de los elementos del tipo ducto / volumen / válvula se puede asociar con descripciones del tipo de cartografía para el compresor o las válvulas, esto se puede ver en (J. T. Pukrushpan, 2004). De hecho, las pruebas experimentales han demostrado que el uso de cartografías para el compresor conduce a una buena descripción de su comportamiento, el uso de los modelos analíticos para este elemento resulta generalmente difícil de recalibrar. La utilización de cartografías se puede complementar con relaciones dinámicas que permiten tener en cuenta las características electromecánicas de los actuadores. Un primer modelado de la FCS puede ser bajo un enfoque teórico (enfoque termodinámico) que será confrontado experimentalmente con las características de la pila real para obtener un modelo de representación de la HFCS. De hecho, las consideraciones relacionadas con la termodinámica del sistema pueden ser complementadas con las leyes clásicas que rigen el comportamiento de las FCS, generalmente asociadas con sobretensiones de activación (cinética de reacción en función de la temperatura) y el fenómeno de concentración (presión de combustible).

2. Batería y Supercapacitores
Uno de los puntos clave en un sistema de vehículo alimentado con HFCS es la respuesta a la demanda de potencia. La asociación con baterías o supercondensadores debe permitir alimentar la carga con altos niveles de potencia en condiciones transitorias (Bonet, 2000). Para abordar esta problemática se debe partir por realizar un modelado dinámico de estos elementos para así controlarlos en forma desacoplada de la dinámica de la HFCS y de los acumuladores. Equivalentes eléctricos, calibrados a partir de mediciones experimentales realizadas en bancos de pruebas, pueden ser suficientes para asegurar la operación apropiada del sistema. Para garantizar la seguridad y longevidad de la batería, el control se puede realizar a partir de un modelo que considere el estado de salud de estas (SOH del inglés State of health).

3. Desarrollo del Sistema de Propulsión
El desarrollo y pruebas de un nuevo sistema de propulsión es sin duda un gran desafío por investigar en vehículos eléctricos ( (A. Sánchez-Squella, 2010), (A. Emadi, 2004), (K. Jin, 2007) y (P. Thounthong V. C., 2008)). Para avanzar en esta línea se deben integrar todos los dispositivos anteriormente explicados, estos son, FCS, baterías, supercapacitores, motor de propulsión y convertidores estáticos de potencia. La conexión y operación del conjunto de todos estos equipos, constituye el sistema de propulsión (Powertrain). Un correcto diseño del sistema de propulsión permite ahorros importantes de combustible, no sólo por una disminución del consumo por km, sino también por capacidad de frenado regenerativo o por disminución de la masa total o del volumen total.

Referencias

A. Emadi, M. E. (2004). Vehicular Electric Power System. Marcel Dekker, Inc.

M. Ehsani, Y. G. (2005). Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles. CRC Press.

P. Thounthong, S. P. (2010). “Modeling and control of fuel cell/supercapacitor hybrid source based on differential flatness control,” IEEE Trans. Vehicular Technology, vol. 59, pp. 2700–2710.

Dicks, J. L. (2003). Fuel Cell Systems Explained. John Wiley & Sons, Ltd.

P. Thounthong, S. R. (2006). “Control strategy of fuel cell/supercapacitors hybrid power sources for electric vehicle,” Journal of Power Sources, vol. 158, pp. 806–814.

J. T. Pukrushpan, A. G. (2004). "Control of fuel cell breathing,” IEEE Control Systems Magazine, vol. 24, pp. 30–46.

S. Pasricha, M. K. (2007). “Comparison and identification of static electrical terminal fuel cell models,” IEEE Trans. Energy Conversion, vol. 22, pp. 746–754.

Shaw, S. P. (2006). “A dynamic pem fuel cell model,” IEEE Trans Energy Conversion, vol. 21, pp. 484–490.

R. Talj, D. H. (2010). “Experimental validation of a pem fuel cell reduced order model and a moto-compressor higher order sliding mode control,” IEEE Trans. Industrial Electronics, vol. 57, no. 6, pp. 1906–1913.

P. Thounthong, S. R. (2006). “Control strategies of embedded fuel cell–supercapacitor hybrid source,” in Proceedings of the 2nd European Symposium on Supercapacitors & Applications (ESSCAP06), (Lausanne, Switzerland), pp. 1–6,.

P. Thounthong, V. C. (2008). “Comparative study of fuel-cell vehicle hybridization with battery or supercapacitor storage device,” IEEE Trans. Vehicular Technology, vol. 58, no. 8, pp. 3892– 3904.

A. Sánchez-Squella, R. O. (2010). “Dynamic energy router,” IEEE Control Systems Magazine, vol. 30, pp. 72–80.

P. R. Pathapati, X. X. (2005). “A new dynamic model for predicting transient phenomena in a pem fuel cell system,” International Journal, Renewable Energy, vol. 30, pp. 1–22.

M. Hinaje, I. S.-P. (2009). “Online humidification diagnosis of a pemfc using a static dcdc converter,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 34, pp. 2718–2723.

K. Jin, X. R. (2007). “Power management for hybrid fuel cell system,” in Proceedings of 39th IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC08), (Rhodes, Greece), pp. 504–509.

G. Pede, A. I. (2004). “Fc vehicle hybridisation: an affordable solution for an energy-efficient fc powered drive train,” Journal of Power Sources, vol. 125, no. 2, pp. 280 – 291.

Sanchez-Squella, A. (2007). Energy Management in Electric Systems Fed by Fuel Cell Stacks, Ph D Thesis, Université Paris-Sud XI.

Bonet, L. Z. (2000). “Characterization of double-layer capacitors for power electronics applications,” IEEE Trans. Industry Application, vol. 36, pp. 199–205.

Osses, M. (Marzo de 2019). Visita Estación de Recarga de Hidrógeno utilizando Toyota Mirai, Los Angeles-California.

Henríquez, P. (Mayo de 2019). Registro de motor a hidrógeno, Conferencia Internacional de Electromovilidad EVS32 de Avere, Lyon-Francia.

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