Vehículos
eléctricos ¿con baterías de litio o celda de hidrógeno?
Si hay un
tema que despierta profundas pasiones y enconadas discusiones en cualquier foro
de aficionados a la movilidad eléctrica es sin duda la competición entre los
diferentes combustibles, y muy especialmente entre baterías de litio y pilas de
hidrógeno. Para muchos la pila de combustible de hidrógeno es el “santo grial”
de la propulsión sostenible. En esta oportunidad vamos a enfocar este tema teniendo en cuenta
exclusivamente la eficiencia energética. Ya que toda discusión es estéril si no
se fundamenta en los cálculos pertinentes.
No cabe
dudas que hoy en día el sistema más eficiente en términos de consumo de energía
es el coche eléctrico. Veamos qué cantidad de energía aprovecha un coche eléctrico en
comparación con el motor de combustión
(MCI) y la pila de hidrógeno. Los costos y ventajas de cada sistema ya son tema para otro estudio
por lo que no vamos a entrar en detalle.
En general
se acepta que la eficiencia de un motor térmico suele establecerse alrededor
del 25% (la eficiencia máxima en un motor naftero que se podría alcanzar está
entre 25-30% y un motor diésel entre 35-45%). Vamos a
considerar una de las cifras más
aceptadas y asumir ese 30% de eficiencia para todo motor de combustión.
En motores
eléctricos hay un gran rango de eficiencias pero en general los usados en
automoción ronda entre el 85% y el 95% de eficiencia por lo que asumir un 95%
es un compromiso aceptable, ya que además disponen de frenado regenerativo lo
que aumenta la eficiencia. El cargador de baterías suele tener una eficiencia
del 95% y la batería de litio otro 90%. El controlador alcanza el 97% de eficiencia. (Datos de la
tecnología del Chevrolet Bolt (GM) y baterías LG)
La cadena
completa resultante cargador-baterías-controlador-
Para el
coche de hidrógeno consideramos también las eficiencias del controlador y motor
mencionadas ya que un coche a pila de hidrógeno
utiliza una motorización similar.
Dado que el
hidrógeno no existe libre en la naturaleza hay que generarlo. En el caso de la
generación de hidrógeno hay dos posibilidades básicas. Se puede crear a partir
del reformado de gas natural (Metano CH4), petróleo o mediante gasificación de
carbón y otros residuos, siendo el 96% de la producción de H2 mundial a partir
de estos procesos, o si no a partir de la electrólisis del agua. En la
actualidad los grandes volúmenes de hidrógeno que se utilizan son generados a
partir de el metano, recurso no renovable.
Escogemos la
electrólisis por ser el único proceso que no genera CO2 ni residuos y es el
único sostenible a muy largo plazo al no depender de combustibles fósiles.
(Hay que
señalar el hecho de que el hidrógeno producido hoy por electrolisis es del
orden de 4.9 - 5.6 kW-h por cada m3 de hidrógeno producido, lo que resulta al
menos dos veces más caro que el hidrógeno obtenido del gas natural CH4)
No tenemos
en cuenta las pérdidas en la conversión
corriente alterna/continua para la electrólisis que suelen ser del 10%
como en el cargador del coche eléctrico. Además en la electrólisis actualmente
se suele llegar a eficiencias del 55 o 60%
tomamos ese 60% como válido. Luego hay que comprimir el hidrógeno a 350
bares para que se pueda usar en los tanques del coche mediante un compresor lo
que conlleva un gasto de alrededor del 25% de la energía contenida en el gas.
Consideramos 75% de eficiencia en el proceso de compresión.
En el caso
de una pila de hidrógeno los principales fabricantes como Honda (primera marca
en introducir un modelo de hidrógeno en el mercado fue Honda con el FCX Clarity
en 2008) no dan cifras precisas sobre el
rendimiento de sus pilas pero vamos a estimarlo en un 60% de eficiencia de
acuerdo a literatura especializada.
Esperamos
que la generación eléctrica sea en un futuro libre de combustibles fósiles con
un 100% de energías renovables, tanto para el coche eléctrico a baterías como
para la generación de hidrógeno. Asumiremos las pérdidas técnicas en transporte
y distribución del 10% en la red eléctrica e
incluso a ignoramos el 5% (estimado) de pérdidas en la distribución de combustible,
tanto para derivados del petróleo como para el hidrógeno que son valores
bastante aceptados por la diversa literatura al respecto.
Tomando en
cuenta todas estas consideraciones podemos establecer la eficiencia general y
simplificada de los tres sistemas:
Eficiencia
Coche de Motor Térmico
100% x 0,30
= 30%
Eficiencia
Coche Eléctrico a Baterías
100% * cargador * batería * controlador motor *
motor
100% * 0.95
*0.95 *0.97 *0.95 = 78,78%
Eficiencia
Coche de Hidrógeno
100% *
electrolisis * compresión * celda *batería * controlador motor * motor
100% * 0.60
*0.75 *0.60 *0.97*0.97 *0.95 = 24,13%
Es decir,
con la energía primaria necesaria para mover un coche de hidrógeno se podría
suministrar energía al menos a 3 coches
eléctricos a baterías. Si bien los valores pueden diferir en función de las eficiencias de los elementos
constitutivos de la cadena de energía que se consideren, igualmente la
diferencia es muy acentuada como para que se igualen.
Cabría preguntarse las razones de la insistencia, por parte de algunas prestigiosas automotrices y
algunas voces aisladas, en la utilización
del hidrógeno como combustible ya que desde el punto de vista de la eficiencia
energética queda demostrado su relativa eficiencia.
Arriesgo varias opciones, pueden ser algunas, todas o ninguna: interés en
el negocio de generación del hidrógeno masivo (petroleras), falta de conocimiento específico, importantes estudios
secundarios que se desprenden de su aplicación y la que más se hace hincapié “velocidad
de recarga igual a la de los combustibles líquidos”. Por favor, saquen Uds. sus
conclusiones.
Colaboró: Ing. Juan Fernandez U.T.N. Regional Santa Fé
Ing. Ricardo Berizzo
Cátedra: Movilidad Eléctrica - U.T.N. Regional Rosario
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