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 se 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 otros 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 HFCS
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 (FCEV) existentes son considerablemente menores respecto de los eléctricos a baterías (BEV) o híbridos enchufables (PHEV). Según el Global Electric Vehicle Outlook de la Agencia Internacional de Energía (IEA, por su sigla en inglés), hacia fines del 2017 habían del orden de 7.200 unidades. Luego, en el 2018 el parque de FCEV aumentó en un 56% alcanzando la cifra de 11.200 unidades, mientras que a fines del 2019 ya habían 25.210 unidades (GEVO, 2020). Entre los principales actores mundiales que se encuentran impulsando esta tecnología, se destaca China, Estados Unidos (especialmente en California), Canadá, Japón, Corea, Alemania, y otros países en su mayoría de Europa. Estos se han enfocado primeramente en vehículos livianos, y ya se encuentran implementando flotas para buses de transporte público y camiones interurbanos, debido a la gran autonomía que otorga el hidrógeno al transporte y a sus múltiples beneficios para combatir el cambio climático. Estos países están invirtiendo fuertemente en el uso de FCEV para buses y camiones, donde hacia el 2017 habían 250 unidades según la IEA. Sin embargo, ya existen proyecciones y declaraciones de algunos de estos países que por sí sola superan esta cifra, como el caso de USA que al 2025 señala tener 350 buses a hidrógeno, mientras que Japón debiera tener 100 buses operando el año 2020. La Unión Europea espera tener en operación 9.000 unidades hacia el año 2025, mientras que Corea ha declarado unos 2.000 buses a hidrógeno en el 2022. China viene haciendo un acelerado despliegue de FCEV, donde ya a fines del 2019 tenía 4.300 buses a hidrógeno y 1.300 camiones.
Respecto a proyecciones de largo plazo sobre el uso de FCEV, el Hydrogen Council señala en su documento Hydrogen Roadmap (2017) que al 2050 esperan que existan unos 400 millones de vehículos livianos circulando, mientras que para buses y camiones, se esperan para dicho año unos 15 millones y 5 millones, respectivamente.
La infraestructura de carga es una limitante para el despliegue masivo de los FCEV. Al 2017 habían en el mundo 330 estaciones de recarga de hidrógeno vehicular, concentrados principalmente en Japón y Estados Unidos. Hacia el 2018 ya habían 380 estaciones, mientras que hacia fines del 2019 ya habían 470 estaciones (GEVO, 2020). Se espera que al 2030 el despliegue llegue a la cifra de 3.700 (Deloitte, 2020).
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 emisiones. Desde el 2017 que se fijó como estrategia ser 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 y uso de celdas de combustibles de hidrógeno para ofrecer al mercado vehículos de todas las categorías (vehículos livianos, buses, camiones). Otro actores relevantes que están invirtiendo por FCEV son Honda, Hyundai, Daimler, Mercedes Benz, Audi, BMW, Volvo, Renault, Ballard Power System, Wrightbus, Van Hool, New Flyer, Solaris, Nikola, entre otros. Existen además grupos consolidados de asociaciones público - privadas cuya finalidad es impulsar el hidrógeno en el transporte, entre ellas H2Mobility en Alemania, H2Korea en Corea del Sur, Japan H2 Mobility (JHyM) de Japón, entre otras. En el caso de Alemania, un grupo de seis empresas (Air Liquide, Daimler, Linde, OMV, Shell and TOTAL) conformaron el joint venture H2Mobility, con la finalidad de desarrollar una red de estaciones de carga. Para fortalecer esta iniciativa, los mismos socios de H2Mobility firmaron un acuerdo de colaboración en conjunto con el gobierno alemán.
En dicho contexto, ambas partes, empresas y gobierno, se comprometieron a invertir 400 millones de euros para financiar infraestructura de distribución. En el caso de Corea del Sur, a través de la iniciativa H2Korea, se ha construido una relación entre diferentes instituciones públicas y privadas, tanto a nivel nacional como internacional (Rusia y países de Europa). En este caso el gobierno de Corea del Sur ha desarrollado un Road Map de Hidrógeno en el cual se han declarado metas hasta el año 2040, definiendo una posición estratégica como líder a nivel mundial en esta materia. En el caso de Japón, las empresas Toyota, Honda y Nissan conformaron la iniciativa Japan H2 Mobility, asociándose con otras empresas como JXTG Nippon Oil & Energy Corporation, Idemitsu Kosan Co Ltd., Iwatani Corporation, Tokyo Gas Co Ltd., Toho Gas Co Ltd., Air Liquide Japan Ltd y Development Bank of Japan Inc.
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 HFCS 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 HFCS, 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, HFCS, 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.
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