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 aviones . La fuerza motriz se genera convirtiendo la energía química del hidrógeno en energía mecánica , ya sea mediante la reacción del hidrógeno con el oxígeno en una celda de combustible para alimentar motores eléctricos o, con menos frecuencia, mediante la combustión interna de hidrógeno . [1]
El hidrógeno se quema 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 su 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] En 2021 [actualizar], había dos modelos de coches de hidrógeno disponibles al público en mercados selectos: el Toyota Mirai (2014–), el primer vehículo eléctrico de pila de combustible (FCEV) dedicado producido comercialmente , [4] [5] [6] y el Hyundai Nexo (2018–). El Honda CR-V e:FCEV estuvo disponible, solo para alquiler, en cantidades muy limitadas en 2024. [7]
A partir de 2019, el 98% del hidrógeno se produce mediante reformado de metano con vapor , que emite dióxido de carbono . [8] Se puede producir por electrólisis del agua , o por medios termoquímicos o pirolíticos utilizando materias primas renovables , pero los procesos son actualmente caros. [9] Se están desarrollando varias tecnologías que apuntan a ofrecer costos lo suficientemente bajos y cantidades lo suficientemente grandes como para competir con la producción de hidrógeno utilizando 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 de energía por unidad de volumen en condiciones ambientales, la producción y compresión de hidrógeno, la inversión necesaria para construir infraestructura de reabastecimiento en todo el mundo para dispensar hidrógeno. [11] [12] [13] Además, el hidrógeno filtrado es un gas invisible, altamente inflamable y tiene un efecto de calentamiento global 11,6 veces más fuerte que el CO₂. [14]
La razón de ser de los vehículos de hidrógeno radica en su potencial para reducir la dependencia de los combustibles fósiles, las emisiones asociadas de gases de efecto invernadero 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 baratas y energéticamente eficientes son limitadas.
Muchos cohetes grandes utilizan hidrógeno líquido como combustible, con oxígeno líquido como oxidante (LH2/LOX). Una ventaja del combustible de hidrógeno para cohetes es la alta 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 propulsor para acelerar. Además, la densidad energética del hidrógeno es mayor que la de cualquier otro combustible. [18] El LH2/LOX también produce la mayor eficiencia en relación con la cantidad de propulsor consumido, de todos los propulsores de cohetes conocidos. [19]
Una desventaja de los motores LH2/LOX es la baja densidad y temperatura del hidrógeno líquido, lo que significa que se necesitan tanques de combustible más grandes y aislados y, por lo tanto, más pesados en comparación con el metano, aunque el metano es más contaminante. [20] Esto aumenta la masa estructural del cohete, lo que reduce su delta-v en consecuencia. Otra desventaja es la mala capacidad de almacenamiento de los cohetes propulsados por LH2/LOX: debido a la constante evaporación del hidrógeno, el cohete debe ser reabastecido poco antes del lanzamiento, lo que hace que los motores criogénicos no sean adecuados para misiles balísticos intercontinentales y otras aplicaciones de cohetes que requieren preparaciones de lanzamiento breves.
En general, el delta-v de una etapa de hidrógeno no suele ser muy diferente al de una etapa de combustible denso, pero el peso de una etapa de hidrógeno es mucho menor, lo que la hace particularmente eficaz para las etapas superiores, ya que son transportadas por las etapas inferiores. Para las primeras etapas, los cohetes de combustible denso en los estudios pueden mostrar una pequeña ventaja, debido al menor tamaño del vehículo y a la menor resistencia del aire. [21]
El LH2/LOX también se utilizó en el transbordador espacial para hacer funcionar 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 para otras aplicaciones que requieren agua en el espacio.
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En 2021 [actualizar], había dos coches de hidrógeno disponibles públicamente en mercados selectos: el Toyota Mirai y el Hyundai Nexo . [23] El Honda Clarity se fabricó entre 2016 y 2021. [24] Los coches de combustión de hidrógeno no están disponibles comercialmente. [ cita requerida ] 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 los EE. UU. en comparación con 380.000 BEV. [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 automóviles se está reduciendo en relación con las expectativas anteriores. [2] [28] John Max de Hydrogen Fuel News cree que, sin embargo, el hidrógeno puede usarse directamente, o como materia prima para el efuel, para autos antiguos y musculosos. [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 de 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 estuvieron muy por debajo de los planes iniciales, con solo 273 unidades vendidas a fines de mayo de 2015. [39] 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 1.600 vehículos Nexo vendidos en los EE. UU. hasta ese momento debido al riesgo de fugas de combustible e incendio por un "dispositivo de alivio de presión" defectuoso. [43]
Toyota lanzó el primer vehículo de pila de combustible (FCV) producido en masa del mundo, el Mirai , en Japón a finales de 2014 [4] [5] [6] y comenzó a venderlo en California, principalmente en el área de Los Ángeles y también en mercados seleccionados de Europa, el Reino Unido, Alemania y Dinamarca [44] más tarde en 2015. [45] El automóvil tiene una autonomía de 312 mi (502 km) y tarda unos cinco minutos en rellenar su tanque 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] Muchas empresas 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 ). [49] [50]
En 2013, BMW alquiló 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. [51] En 2015, Toyota anunció que ofrecería las 5.680 patentes relacionadas con los vehículos de pila de combustible de hidrógeno y la tecnología de estaciones de carga de pila de combustible de hidrógeno, que ha estado investigando durante más de 20 años, a sus competidores de forma gratuita para estimular el mercado de vehículos propulsados por hidrógeno. [52] Sin embargo, en 2017, Daimler había abandonado el desarrollo de vehículos de hidrógeno, [53] y la mayoría de las empresas automotrices que desarrollaban automóviles de hidrógeno habían cambiado su enfoque a los vehículos eléctricos de batería. [54] En 2020, todas las empresas automotrices menos tres habían abandonado los planes de fabricar automóviles de hidrógeno. [55] El Honda CR-V e:FCEV estuvo disponible, solo para arrendamiento, en cantidades muy limitadas en 2024. [7]
Un número significativo de estaciones de servicio públicas de hidrógeno en California no pueden dispensar hidrógeno. [56] En 2024, los propietarios de Mirai presentaron una demanda colectiva en California por la falta de disponibilidad de hidrógeno disponible para los automóviles eléctricos de celdas de combustible, alegando, entre otras cosas, ocultación fraudulenta y tergiversación, así como violaciones de la ley de publicidad falsa de California e incumplimientos de la garantía implícita. [57]
El escenario de emisiones netas cero para 2022 de la Agencia Internacional de Energía prevé que el hidrógeno satisfaga aproximadamente el 30% de la demanda energética de los camiones pesados en 2050, principalmente para el transporte de carga pesada de larga distancia (y la energía eléctrica de las baterías representa alrededor del 60%). [58]
United Parcel Service comenzó a probar un vehículo de reparto propulsado por hidrógeno en 2017. [59] En 2020, Hyundai comenzó la producción comercial de sus camiones de pila de combustible Xcient y envió diez de ellos a Suiza . [60] [61] [62]
En 2022, en Australia, se pusieron en uso cinco camiones de pila de combustible de hidrógeno de clase 8 para transportar zinc desde la mina Townsville de Sun Metals hasta el puerto de Townsville , Queensland, para enviarlo a todo el mundo. [63]
Algunas publicaciones proyectan que el hidrógeno podría usarse en el transporte marítimo [64] y en aviones a reacción, [65] mientras que otras predicen que los biocombustibles y las baterías tendrán más éxito comercial. [66] Empresas como Boeing , Lange Aviation y el Centro Aeroespacial Alemán están buscando el hidrógeno como combustible para aviones tripulados y no tripulados. En febrero de 2008, Boeing probó un vuelo tripulado de un pequeño avión propulsado por una pila de combustible de hidrógeno. También se han probado aviones de hidrógeno no tripulados. [67] Para los grandes aviones de pasajeros, The Times informó que "Boeing dijo que era poco probable que las pilas de combustible de hidrógeno impulsaran los motores de los grandes aviones a reacción de pasajeros, pero podrían usarse como unidades de energía de respaldo o auxiliares a bordo". [68]
En julio de 2010, Boeing presentó su UAV Phantom Eye , propulsado por hidrógeno , equipado con dos motores de combustión interna Ford que han sido convertidos para funcionar con hidrógeno. [69]
A partir de 2019, [actualizar]las pilas de combustible de hidrógeno no son adecuadas para la propulsión en grandes barcos de larga distancia, pero se están considerando como un extensor de autonomía para embarcaciones eléctricas más pequeñas, de corta distancia y baja velocidad, como los transbordadores. [70] El hidrógeno en amoníaco se está considerando como un combustible de larga distancia. [71]
En 2017 se realizaron pruebas de autobuses de pila de combustible en Ursus Lublin. [72] Solaris Bus & Coach presentó sus autobuses eléctricos de hidrógeno Urbino 12 en 2019. Se encargaron varias docenas. [73] La primera ciudad de EE. UU. en tener una flota de autobuses propulsados por hidrógeno fue Champaign , Illinois, cuando en 2021 el Champaign–Urbana Mass Transit District encargó dos autobuses articulados de pila de combustible de hidrógeno New Flyer XHE60, y en 2024 se añadirán 10 autobuses New Flyer XHE40 más. [74] En 2022, la ciudad de Montpellier , Francia, canceló un contrato para adquirir 51 autobuses propulsados por pilas de combustible de hidrógeno, cuando descubrió que "el coste de funcionamiento de los [autobuses] de hidrógeno es 6 veces el coste de la electricidad". [75]
Una carretilla elevadora con motor de combustión interna de hidrógeno (o "HICE") o carretilla elevadora HICE es una carretilla elevadora industrial propulsada por un motor de combustión interna que funciona con hidrógeno y se utiliza para levantar 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 de combustión interna diésel de 2,0 litros y 43 kW (58 CV) convertido para utilizar hidrógeno como combustible con el uso de un compresor e inyección directa . [76] [77]
En 2013, se utilizaron más de 4000 carretillas elevadoras de pila de combustible para la manipulación de materiales en los EE. UU. [78] En 2024, aproximadamente 50 000 carretillas elevadoras de hidrógeno están en funcionamiento en todo el mundo (la mayor parte de las cuales se encuentran en los EE. UU.), en comparación con los 1,2 millones de carretillas elevadoras eléctricas a batería que se compraron en 2021. [79]
La mayoría de las empresas de Europa y Estados Unidos no utilizan carretillas elevadoras impulsadas por petróleo, ya que estos vehículos funcionan en interiores donde las emisiones deben controlarse y, en su lugar, utilizan carretillas elevadoras eléctricas. [80] [81] Las carretillas elevadoras impulsadas por celdas de combustible se pueden reabastecer en 3 minutos. Se pueden utilizar en almacenes refrigerados, ya que su rendimiento no se degrada con temperaturas más bajas. Las unidades de celdas de combustible a menudo se diseñan como reemplazos directos. [82] [83]
En el escenario de emisiones netas cero de 2022 de la Agencia Internacional de la Energía , se prevé que el hidrógeno represente el 2% de la demanda energética ferroviaria en 2050, mientras que se espera que para entonces el 90% de los viajes en tren estén electrificados (frente al 45% actual). El papel del hidrógeno en el ferrocarril probablemente se centraría en las líneas que resulten difíciles o costosas de electrificar. [84]
En marzo de 2015, China South Rail Corporation (CSR) presentó el primer tranvía propulsado por celdas de combustible de hidrógeno en una planta de ensamblaje en Qingdao. [85] Las vías para el nuevo vehículo se han construido en siete ciudades chinas. [86]
En el norte de Alemania, en 2018 , se pusieron en servicio los primeros trenes Coradia iLint propulsados por pilas de combustible ; el exceso de energía se almacena en baterías de iones de litio . [87]
En 2007, Pearl Hydrogen Power Source Technology Co de Shanghái , China, presentó una bicicleta de hidrógeno PHB . [88] [89] En 2014, científicos australianos de la Universidad de Nueva Gales del Sur presentaron su modelo Hy-Cycle. [90] El mismo año, Canyon Bicycles comenzó a trabajar en el concepto de bicicleta Eco Speed. [91]
En 2017, Pragma Industries de Francia desarrolló una bicicleta que podía recorrer 100 km con un solo cilindro de hidrógeno. [92] En 2019, Pragma anunció que el producto, "Alpha Bike", se había mejorado para ofrecer un rango de pedaleo asistido eléctricamente de 150 km, y las primeras 200 bicicletas se entregarán a los periodistas que cubran la 45.ª cumbre del G7 en Biarritz , Francia. [93]
En 2020, Alles over Waterstof [94] desarrolló un patinete eléctrico de dos ruedas propulsado por hidrógeno. El patinete eléctrico 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 estática de 3 litros y 300 bares rellenable. La bicicleta HydroCargo tiene una autonomía de hasta 100 km con 80 gramos de hidrógeno. [95]
Lloyd Alter de TreeHugger respondió al anuncio preguntando "¿por qué... pasar por la molestia de usar electricidad para producir hidrógeno, solo para volver a convertirlo en electricidad para cargar una batería para hacer funcionar la bicicleta eléctrica [o] elegir un combustible que necesita una costosa estación de servicio que solo puede manejar 35 bicicletas al día, cuando puede cargar una bicicleta a batería en cualquier lugar? [Si] fuera un operador de flota cautivo, ¿por qué [no] simplemente cambiar las baterías para obtener la autonomía y la rotación rápida?" [96]
La división militar de General Motors , GM Defense , se centra en los vehículos de pila de combustible de hidrógeno. [97] 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. [98]
ENV desarrolla motocicletas eléctricas impulsadas por una pila de combustible de hidrógeno, entre ellas la Crosscage y la Biplane. Otros fabricantes, como Vectrix, están trabajando en scooters de hidrógeno. [99] Por último, se están fabricando scooters híbridos eléctricos con pila de combustible de hidrógeno, como el scooter de pila de combustible Suzuki Burgman [100] y el FHybrid. [101] El Burgman recibió la aprobación de "tipo de vehículo completo" en la UE. [102] La empresa taiwanesa APFCT realizó una prueba en la calle en vivo con 80 scooters de pila de combustible para la Oficina de Energía de Taiwán. [103]
Mahindra HyAlfa y Bajaj Auto han construido vehículos conceptuales de rickshaw automáticos de hidrógeno . [104] [105]
El H-Due [106] de Autostudi Srl es un quad propulsado por hidrógeno, capaz de transportar entre 1 y 3 pasajeros. Se ha propuesto un concepto de tractor propulsado por hidrógeno. [107] [108]
Un récord de 207,297 millas por hora (333,612 km/h) fue establecido por un prototipo de Ford Fusion Hydrogen 999 Fuel Cell Race Car en Bonneville Salt Flats, en agosto de 2007, usando un gran tanque de oxígeno comprimido para aumentar la potencia. [109] 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 de vuelo" de 280,007 millas por hora (450,628 km/h) en Bonneville Salt Flats en agosto de 2008.
En 2007 se formó la Hydrogen Electric Racing Federation, una organización de carreras para vehículos propulsados por pilas de combustible de hidrógeno. La organización patrocinó la Hydrogen 500, una carrera de 800 kilómetros. [110]
Los automóviles con motor de combustión interna de hidrógeno son diferentes de los automóviles con celdas de combustible de hidrógeno. El automóvil 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 lo hacen los motores de gasolina; la principal diferencia es el producto de escape. La combustión de gasolina produce emisiones principalmente de dióxido de carbono y agua, además de trazas de monóxido de carbono , NO x , partículas e hidrocarburos no quemados, [111] 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 . [112] En 1965, Roger E. Billings, entonces estudiante de secundaria, convirtió un Modelo A para que funcionara con hidrógeno. [113] En 1970, Paul Dieges patentó una modificación de los motores de combustión interna que permitía que un motor de gasolina funcionara con hidrógeno. [114]
Mazda ha desarrollado motores Wankel que queman hidrógeno, que se utilizan en el Mazda RX-8 Hydrogen RE . La ventaja de utilizar un motor de combustión interna, como los motores Wankel y de pistón, es el menor coste de reequipamiento para la producción. [115]
Las pilas de combustible de hidrógeno son relativamente caras de producir, ya que sus diseños requieren sustancias raras, como el platino , como catalizador . [116] En 2014, el expresidente del Parlamento Europeo Pat Cox estimó que Toyota perdería inicialmente unos 100.000 dólares por cada Mirai vendido. [47] En 2020, los investigadores del Departamento de Química de la Universidad de Copenhague están desarrollando un nuevo tipo de catalizador que esperan que reduzca el coste de las pilas de combustible. [117] Este nuevo catalizador utiliza mucho menos platino porque las nanopartículas de platino no están recubiertas de carbono 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 lo desnaturalice lentamente, requiriendo incluso más platino. La nueva tecnología utiliza nanocables duraderos en lugar de nanopartículas. "El siguiente paso para los investigadores es ampliar sus resultados para que la tecnología pueda implementarse en vehículos de hidrógeno". [118]
Los problemas de los primeros diseños de pilas de combustible a bajas temperaturas en lo que respecta a la autonomía y la capacidad de arranque en frío se han abordado de modo que "ya no puedan considerarse como obstáculos". [119] Los usuarios en 2014 dijeron que sus vehículos de pila de combustible siguen funcionando a temperaturas bajo cero sin reducir significativamente la autonomía. [120] Los estudios que utilizan radiografía de neutrones en el arranque en frío sin asistencia indican formación de hielo en el cátodo, [121] tres etapas en el arranque en frío [122] y conductividad iónica de Nafion. [123] También se definió un parámetro, definido como culombio de carga, para medir la capacidad de arranque en frío. [124]
La vida útil de las pilas de combustible es comparable a la de otros vehículos. [125] [ aclaración necesaria ] La vida útil de las pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEM) es de 7.300 horas en condiciones cíclicas. [126]
El hidrógeno no existe en depósitos o reservorios convenientes como los combustibles fósiles o el helio . [127] Se produce a partir de materias primas como el gas natural y la biomasa o se electroliza a partir del agua. [128] 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. [129] Sin embargo, a partir de 2014, el 95% del hidrógeno se fabrica a partir de metano . Se puede producir por medios termoquímicos o pirolíticos utilizando materias primas renovables, pero ese es un proceso costoso. [9]
Sin embargo, la electricidad renovable se puede utilizar para impulsar la conversión de agua en hidrógeno: las plantas integradas de viento a hidrógeno ( electricidad 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. [130] Los desafíos que enfrenta el uso de hidrógeno en vehículos incluyen su almacenamiento a bordo del vehículo. A partir de septiembre de 2023, el hidrógeno costaba $ 36 por kilogramo en las estaciones de servicio públicas en California, 14 veces más por milla para un Mirai en comparación con un Tesla Model 3. [131]
El hidrógeno molecular necesario como combustible de a bordo para los vehículos de hidrógeno se puede obtener a través de muchos métodos termoquímicos que utilizan gas natural , carbón (mediante un proceso conocido como gasificación de 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. [132] El hidrógeno se puede producir a partir del agua por electrólisis con eficiencias de trabajo del 65-70%. [133] El hidrógeno se puede fabricar por reducción química utilizando hidruros químicos o aluminio. [134] Las tecnologías actuales para la fabricación de hidrógeno utilizan energía en diversas formas, que suman entre el 25 y el 50 por ciento del valor calorífico superior del combustible de hidrógeno, utilizado para producir, comprimir o licuar y transmitir el hidrógeno por tubería o camión. [135]
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 de la reformación a bordo del metanol en hidrógeno. [136] La producción de hidrógeno utilizando recursos energéticos renovables no crearía tales emisiones, pero la escala de producción de energía renovable necesitaría expandirse para ser utilizada en la producción de hidrógeno para una parte significativa de las necesidades de transporte. [137] 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, [138] y Dinamarca está utilizando energía eólica . [139]
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 compuestos de carbono tipo IV. [140]
El hidrógeno tiene una densidad energética volumétrica muy baja en condiciones ambientales, en comparación con la gasolina y otros combustibles para vehículos. [141] Debe almacenarse en un vehículo ya sea como un líquido superenfriado o como un gas altamente comprimido, lo que requiere energía adicional para lograrlo. [142] En 2018, investigadores de CSIRO en Australia impulsaron un Toyota Mirai y un Hyundai Nexo con hidrógeno separado del amoníaco utilizando una tecnología de membrana. El amoníaco es más fácil de transportar de forma segura en camiones cisterna que el hidrógeno puro. [143]
Para que el hidrógeno pueda llegar a los usuarios finales del transporte, se necesita una amplia gama de inversiones, que incluyen, según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), la "construcción y operación de nuevas infraestructuras portuarias, almacenamiento intermedio, tuberías, barcos, estaciones de servicio y plantas para convertir el hidrógeno en un producto más fácilmente transportable (y potencialmente volver a convertirse en hidrógeno)". [144] En particular, la AIE señala que se necesitarán estaciones de servicio en lugares que sean adecuados para el transporte por carretera de larga distancia, como centros industriales, e identifica la necesidad de invertir en infraestructura aeroportuaria para el almacenamiento y la entrega de hidrógeno. La AIE considera que los requisitos de infraestructura para el hidrógeno en el transporte marítimo son más desafiantes, y llama la atención sobre la "necesidad de grandes inversiones y esfuerzos coordinados entre los proveedores de combustible, los puertos, los astilleros y los transportistas". [145]
En 2024 [actualizar], había 53 estaciones de servicio de hidrógeno de acceso público en los EE. UU., 52 de las cuales estaban ubicadas en California (en comparación con 65 000 estaciones de carga eléctrica). [146] [147] En 2017, había 91 estaciones de servicio de hidrógeno en Japón. [148] En 2024, los propietarios de Mirai presentaron una demanda colectiva en California por la falta de disponibilidad de hidrógeno disponible para automóviles eléctricos de celdas de combustible, alegando, entre otras cosas, ocultación fraudulenta y tergiversación, así como violaciones de la ley de publicidad falsa de California e infracciones de la garantía implícita. [57]
Los códigos y estándares del hidrógeno, así como los códigos y estándares técnicos para la seguridad del hidrógeno y el almacenamiento del hidrógeno , han sido una barrera institucional para la implementación de tecnologías del 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. [149]
Se admiten autobuses de pila de combustible. [150]
La Autoridad de Investigación y Desarrollo Energético del Estado de Nueva York (NYSERDA) ha creado incentivos para camiones y autobuses eléctricos con pilas de combustible de hidrógeno. [151]
Los críticos sostienen que es poco probable que se implemente un uso a gran escala del hidrógeno en los automóviles durante al menos las próximas décadas [152] [153] y que el automóvil de hidrógeno es una distracción peligrosa de soluciones más fácilmente disponibles para reducir el uso de combustibles fósiles en los vehículos. [154] [155]
El ex funcionario del Departamento de Energía de los EE. UU. Joseph Romm ha dicho: "Un automóvil de hidrógeno es una de las formas menos eficientes y más caras de reducir los gases de efecto invernadero". [156] Argumentó que el costo de construir una red nacional de estaciones de servicio de hidrógeno sería prohibitivo. [157] [158] Robert Zubrin , el autor de Energy Victory , afirmó: "El hidrógeno es 'casi el peor combustible posible para vehículos'". [159] The Economist señaló que la mayor parte del hidrógeno se produce a través de la reformación de metano con vapor , que crea al menos tanta emisión de carbono por milla como algunos de los automóviles de gasolina actuales, y que si el hidrógeno pudiera producirse utilizando energía renovable, "seguramente sería más fácil simplemente usar esta energía para cargar las baterías de vehículos totalmente eléctricos o híbridos enchufables". [159] A lo largo de su vida útil, los vehículos de hidrógeno emitirán más carbono que los vehículos de gasolina. [160] [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 absorbida de los enchufes de todo Estados Unidos y almacenada en baterías de automóviles"? [132] [161]
En 2013, Rudolf Krebs, de Volkswagen, dijo: "La movilidad con hidrógeno solo tiene sentido si se utiliza energía verde", pero... primero hay que convertirlo en hidrógeno "con baja eficiencia", 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, del 100 por ciento original de energía eléctrica, se acaba con un 30 o 40 por ciento". [162] Un estudio de 2016 en Energy realizado por científicos de la Universidad de Stanford y la Universidad Técnica de Múnich concluyó que, incluso suponiendo la producción local de hidrógeno, "invertir en vehículos con baterías totalmente eléctricas es una opción más económica para reducir las emisiones de dióxido de carbono". [163]
Un análisis de 2017 publicado en Green Car Reports concluyó que los mejores vehículos con pilas 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 propulsión... [y tienen] costos de combustible muy altos... Considerando todos los obstáculos y requisitos para la nueva infraestructura (cuyo costo se estima en hasta 400 mil millones de dólares), los vehículos con pilas 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. [148] El Departamento de Energía de EE. UU. está de acuerdo, para el combustible producido por la electricidad de la red a través de electrólisis, pero no para la mayoría de las otras vías de generación. [164] 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. [165]
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%. [166] [167] Una evaluación de 2021 de CleanTechnica concluyó que la gran mayoría del hidrógeno que se producía seguía siendo hidrógeno gris contaminante , y que su entrega requeriría la construcción de una nueva infraestructura enorme y costosa, mientras que las dos "ventajas restantes de los vehículos de pila de combustible (mayor autonomía y tiempos de carga más rápidos) se están erosionando rápidamente al mejorar la tecnología de las baterías y la carga". [55] Un estudio de 2022 en Nature Electronics estuvo de acuerdo. [168] Otro artículo de 2022, en Recharge News , afirmó que es más probable que los barcos funcionen con amoníaco o metanol que con hidrógeno. [169] 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 de Investigación Internacional sobre Clima y Medio Ambiente (CICERO) estimó que el hidrógeno filtrado tiene un efecto de calentamiento global 11,6 veces más fuerte que el CO₂. [14]
El combustible de hidrógeno es peligroso debido a la baja energía de ignición (ver también temperatura de autoignición ) y la alta energía de combustión del hidrógeno, y porque tiende a filtrarse fácilmente de los tanques debido a su pequeño tamaño molecular . [170] En 2024, Hyundai retiró del mercado los 1.600 vehículos Nexo vendidos en los EE. UU. hasta ese momento debido al riesgo de fugas de combustible e incendio debido a 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 partes del automóvil que rodean el tanque si hay una fuga crónica. El hidrógeno es inodoro, por lo que las fugas no se detectan fácilmente sin detectores especializados. [171]
Se han registrado explosiones en estaciones de servicio de hidrógeno. [172] Las estaciones de servicio de hidrógeno suelen recibir entregas de hidrógeno en camiones de los proveedores de hidrógeno. Una interrupción en una instalación de suministro de hidrógeno puede cerrar varias estaciones de servicio de hidrógeno. [173]
Los vehículos de hidrógeno compiten con varias alternativas propuestas a la infraestructura de vehículos con motor de combustión interna (ICE) de combustible fósil moderno. [116]
Los vehículos a gas natural comprimido (GNC), HCNG , GLP o GNL basados en ICE , denominados colectivamente vehículos a gas natural (NGV), utilizan metano extraído del gas natural o biogás como fuente de combustible. El metano tiene una densidad energética mayor que el hidrógeno, y los NGV de biogás son casi neutros en carbono . [174] A diferencia de los vehículos de hidrógeno, la tecnología de vehículos a GNC ha estado disponible durante muchas décadas, y existe suficiente infraestructura en las estaciones de servicio existentes para proporcionar reabastecimiento de combustible tanto comercial como doméstico. En todo el mundo, había 14,8 millones de vehículos a gas natural a finales de 2011, principalmente en forma de vehículos bicombustibles . [175] El otro uso del gas natural es en el reformado con vapor , que es la forma habitual de producir gas hidrógeno para su uso en coches eléctricos con pilas de combustible. [8]
El metano también es un combustible alternativo para cohetes . [176]
Los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) son vehículos eléctricos híbridos que se pueden conectar a la red eléctrica para recargar la batería de a bordo , en lugar de depender exclusivamente del motor de combustión interna para impulsar un generador que alimente el motor eléctrico y la batería como en los vehículos híbridos convencionales. El concepto PHEV aumenta la eficiencia de combustible del vehículo al permitir una mayor conducción en modo EV , al mismo tiempo que alivia la ansiedad por la autonomía al tener el motor de combustión interna (normalmente un motor de gasolina turbo ) como motor auxiliar o extensor de autonomía .
En el segmento de vehículos ligeros de carretera, en 2023 se habían vendido 26 millones de vehículos eléctricos a batería en todo el mundo, [26] y había 65.730 estaciones de carga públicas en América del Norte, además de la disponibilidad de carga en el hogar y el lugar de trabajo a través de enchufes y tomas de corriente CA. [ 177] Los camiones eléctricos de larga distancia requieren una infraestructura de carga de más megavatios . [178]
Hannah Ritchie ha argumentado que puede que no haya suficiente tierra para producir suficiente biocombustible para la aviación . [179]
la densidad energética del hidrógeno es pobre (ya que tiene una densidad tan baja) aunque su relación energía-peso es la mejor de todos los combustibles (porque es muy ligero).
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