Un vehículo de pila de combustible ( FCV ) o vehículo eléctrico de pila de combustible ( FCEV ) es un vehículo eléctrico que utiliza una pila de combustible , a veces en combinación con una pequeña batería o supercondensador , para alimentar su motor eléctrico de a bordo . Las pilas de combustible en los vehículos generan electricidad generalmente utilizando oxígeno del aire e hidrógeno comprimido . La mayoría de los vehículos de pila de combustible se clasifican como vehículos de cero emisiones . En comparación con los vehículos de combustión interna, los vehículos de hidrógeno centralizan los contaminantes en el sitio de producción de hidrógeno , donde el hidrógeno generalmente se deriva del gas natural reformado . [1] El transporte y almacenamiento de hidrógeno también puede crear contaminantes. [2] Las pilas de combustible se han utilizado en varios tipos de vehículos, incluidas las carretillas elevadoras , especialmente en aplicaciones interiores donde sus emisiones limpias son importantes para la calidad del aire, y en aplicaciones espaciales. Las pilas de combustible se están desarrollando y probando en camiones, autobuses, barcos, motocicletas y bicicletas, entre otros tipos de vehículos.
El primer vehículo de carretera propulsado por una pila de combustible fue el Chevrolet Electrovan, introducido por General Motors en 1966. [3] 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 certificados por el gobierno del mundo, [4] [5] [6] y el Honda FCX Clarity , que comenzó a arrendarse en 2008, fue el primer vehículo de pila de combustible del mundo diseñado para la producción en masa en lugar de adaptar un modelo existente. [7] En 2013, Hyundai Motors comenzó la producción del Hyundai ix35 FCEV , considerado el primer vehículo eléctrico de pila de combustible producido en masa del mundo, [8] [9] [10] que posteriormente se introdujo en el mercado como un vehículo solo de arrendamiento. [11] [12] En 2014, Toyota comenzó a vender el Toyota Mirai , el primer vehículo de pila de combustible dedicado del mundo. [13] [14] [15]
En diciembre de 2020 [actualizar], se habían vendido en todo el mundo 31.225 vehículos eléctricos de pila de combustible de hidrógeno para pasajeros. [16] En 2021 [actualizar], solo había dos modelos de vehículos de pila de combustible disponibles al público en mercados selectos: el Toyota Mirai (2014-presente) y el Hyundai Nexo (2018-presente). El Honda Clarity se fabricó de 2016 a 2021, cuando se suspendió. [17] El Honda CR-V e:FCEV estuvo disponible, solo para alquiler, en cantidades muy limitadas en 2024. [18] A partir de 2020, había una infraestructura de hidrógeno limitada , con menos de cincuenta estaciones de servicio de hidrógeno para automóviles disponibles públicamente en los EE. UU. [19] Los críticos dudan de si el hidrógeno será eficiente o rentable para los automóviles, en comparación con otras tecnologías de cero emisiones, y en 2019, The Motley Fool opinó: "Lo que es difícil de discutir es que el sueño de la pila de combustible de hidrógeno está prácticamente muerto para el mercado de vehículos de pasajeros". [20]
Un número significativo de estaciones de servicio públicas de hidrógeno en California no pueden suministrar hidrógeno. [21] En 2024, los propietarios de Mirai presentaron una demanda colectiva en California por la falta de disponibilidad de hidrógeno 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. [22]
Todas las pilas de combustible se componen de tres partes: un electrolito, un ánodo y un cátodo. [23] En principio, una pila de combustible de hidrógeno funciona como una batería, produciendo electricidad, que puede hacer funcionar un motor eléctrico. Sin embargo, en lugar de requerir recarga, la pila de combustible se puede rellenar con hidrógeno. [24] Los diferentes tipos de pilas de combustible incluyen pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEM), pilas de combustible de metanol directo , pilas de combustible de ácido fosfórico , pilas de combustible de carbonato fundido , pilas de combustible de óxido sólido , pilas de combustible de metanol reformado y pilas de combustible regenerativas. [25]
El concepto de pila de combustible fue demostrado por primera vez por Humphry Davy en 1801, pero la invención de la primera pila de combustible funcional se atribuye a William Grove , químico, abogado y físico. Los experimentos de Grove con lo que él llamó una "batería voltaica de gas" demostraron en 1842 que se podía producir una corriente eléctrica mediante una reacción electroquímica entre hidrógeno y oxígeno sobre un catalizador de platino. [27] El ingeniero inglés Francis Thomas Bacon amplió el trabajo de Grove, creando y demostrando varias pilas de combustible alcalinas desde 1939 hasta 1959. [28]
El primer vehículo moderno de pila de combustible fue un tractor agrícola Allis-Chalmers modificado , equipado con una pila de combustible de 15 kilovatios, alrededor de 1959. [29] La carrera espacial de la Guerra Fría impulsó un mayor desarrollo de la tecnología de las pilas de combustible. El Proyecto Gemini probó las pilas de combustible para proporcionar energía eléctrica durante las misiones espaciales tripuladas. [30] [31] El desarrollo de las pilas de combustible continuó con el Programa Apolo . Los sistemas de energía eléctrica en las cápsulas Apolo y los módulos lunares utilizaban pilas de combustible alcalinas. [30] En 1966, General Motors desarrolló el primer vehículo de carretera con pila de combustible, el Chevrolet Electrovan. [32] Tenía una pila de combustible PEM , una autonomía de 120 millas y una velocidad máxima de 70 mph. Solo había dos asientos, ya que la pila de pilas de combustible y los grandes tanques de hidrógeno y oxígeno ocupaban la parte trasera de la camioneta. Solo se construyó uno, ya que el proyecto se consideró prohibitivo en términos de costos. [33]
General Electric y otros siguieron trabajando en pilas de combustible PEM en la década de 1970. [30] Las pilas de combustible todavía estaban limitadas principalmente a aplicaciones espaciales en la década de 1980, incluido el transbordador espacial . [30] Sin embargo, el cierre del Programa Apolo envió a muchos expertos de la industria a empresas privadas. En la década de 1990, los fabricantes de automóviles estaban interesados en aplicaciones de pilas de combustible y se prepararon vehículos de demostración. En 2001, se demostraron los primeros tanques de hidrógeno de 700 bar (10000 PSI), lo que redujo el tamaño de los tanques de combustible que se podían usar en los vehículos y extendió la autonomía. [34]
Existen vehículos de pila de combustible para todos los modos de transporte. Los más comunes son los automóviles, los autobuses, las carretillas elevadoras y los vehículos de manipulación de materiales. [35]
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. [36] [37] El Honda FCX Clarity se presentó en 2008 para arrendamiento por parte de clientes en Japón y el sur de California y se suspendió en 2015. De 2008 a 2014, Honda arrendó un total de 45 unidades FCX en los EE. UU. [38] Más de otros 20 prototipos y autos de demostración de FCEV se lanzaron en ese período de tiempo, [39] incluido el GM HydroGen4 , [32] y el Mercedes-Benz F-Cell .
El vehículo Hyundai ix35 FCEV Fuel Cell estuvo disponible para alquiler desde 2014 hasta 2018, [40] cuando se alquilaron 54 unidades. [41] En 2018, Hyundai presentó el Nexo . [42] En 2024, Hyundai retiró del mercado los 1600 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]
Las ventas del Toyota Mirai a clientes comenzaron en Japón en diciembre de 2014. [44] El precio inicial fue de ¥ 6.700.000 (~ US$ 57.400 ) antes de impuestos y un incentivo gubernamental de ¥ 2.000.000 (~ US$ 19.600 ). [45] El expresidente del Parlamento Europeo Pat Cox estimó que Toyota inicialmente perdería alrededor de $ 100.000 por cada Mirai vendido. [46] A diciembre de 2017 [actualizar], las ventas globales totalizaron 5.300 Mirais. Los principales mercados de ventas fueron EE. UU. con 2.900 unidades, Japón con 2.100 y Europa con 200. [47]
En 2015, Toyota anunció que ofrecería a sus competidores de forma gratuita 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, con el fin de estimular el mercado de vehículos propulsados por hidrógeno. [48]
El Honda Clarity Fuel Cell se fabricó entre 2016 y 2021. [49] [50] El Clarity 2017 tuvo las calificaciones más altas de economía de combustible combinada y en ciudad entre todos los autos con celdas de combustible de hidrógeno calificados por la EPA ese año, con una calificación combinada ciudad/carretera de 67 millas por galón equivalente de gasolina (MPGe), y 68 MPGe en conducción urbana. [51] En 2019, Katsushi Inoue, presidente de Honda Europa, declaró: "Ahora nos centramos en los vehículos híbridos y eléctricos. Tal vez lleguen los autos con celdas de combustible de hidrógeno, pero esa es una tecnología para la próxima era". [52]
En 2017, Daimler abandonó gradualmente el desarrollo de vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV), citando la disminución de los costos de las baterías y el aumento de la autonomía de los vehículos eléctricos, [53] y la mayoría de las empresas automovilísticas que desarrollaban coches de hidrógeno habían cambiado su enfoque hacia los vehículos eléctricos de batería. [54] En 2020, solo tres fabricantes de automóviles seguían fabricando, o tenían programas de fabricación activos, coches de hidrógeno. [55] En 2023, se vendieron 3.143 coches de hidrógeno en los EE. UU. en comparación con 380.000 vehículos eléctricos de batería. [56] El Clarity se suspendió posteriormente, pero el Honda CR-V e:FCEV estuvo disponible, solo para alquiler, en cantidades muy limitadas en 2024. [18]
Un número significativo de estaciones de servicio públicas de hidrógeno en California no pueden suministrar hidrógeno. [21] En 2024, los propietarios de Mirai presentaron una demanda colectiva en California por la falta de disponibilidad de hidrógeno 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. [22]
La siguiente tabla compara el ahorro de combustible de la EPA expresado en millas por galón de gasolina equivalente (MPGe) para los dos modelos de vehículos de celdas de combustible de hidrógeno calificados por la EPA a septiembre de 2021 [actualizar]y disponibles en California. [51]
En junio de 2016, Nissan anunció sus planes de desarrollar vehículos de pila de combustible alimentados por etanol en lugar de hidrógeno . Nissan afirma que este enfoque técnico sería más económico y que sería más fácil implementar la infraestructura de abastecimiento de combustible que una infraestructura de hidrógeno. [58] El vehículo incluiría un tanque que contiene una mezcla de agua y etanol, que se alimenta a un reformador a bordo que lo divide en hidrógeno y dióxido de carbono. Luego, el hidrógeno se alimenta a una pila de combustible de óxido sólido . Según Nissan, el combustible líquido podría ser una mezcla de etanol y agua en una proporción de 55:45. [58]
En 2020 [actualizar], había 5.648 autobuses con pila de combustible de hidrógeno en uso en todo el mundo, el 93,7 % de ellos en China . [59]
A partir de finales de los años 1980, la preocupación por las emisiones de diésel de los autobuses llevó a experimentar con pilas de combustible para alimentarlos. Después de los experimentos iniciales con pilas de combustible de ácido fosfórico , a finales de los años 1990 se probaron autobuses de pila de combustible propulsados por hidrógeno en ciudades. [60] En la década de 2000, los autobuses entraron en servicio de prueba en ciudades de todo el mundo; la Unión Europea apoyó el proyecto de investigación Clean Urban Transport for Europe . [61]
En la década de 2010, la introducción comercial de autobuses con celdas de combustible de hidrógeno estaba en marcha en todo el mundo. [62] [63] Sin embargo, muchos operadores de tránsito estaban comprando autobuses eléctricos de batería en su lugar, ya que eran más baratos de operar y comprar. [64] Sin embargo, los autobuses eléctricos de batería carecían de autonomía en comparación con los autobuses diésel, tardaban en cargarse (a menudo durante la noche, en comparación con los autobuses de celdas de combustible de hidrógeno, que se pueden recargar rápidamente) y tenían un almacenamiento de energía reducido en climas fríos. Algunas empresas han propuesto usar la celda de combustible como un extensor de autonomía , combinándola con una batería más grande o un supercondensador . [65]
Históricamente, los autobuses con pilas de combustible de hidrógeno han sido significativamente más caros de comprar y operar que los autobuses diésel, híbridos o eléctricos. [60] [64] En los últimos años, los costos se han reducido a niveles comparables con los de los autobuses diésel. [66]
Actualmente, varios fabricantes de autobuses están produciendo autobuses con pilas de combustible de hidrógeno. [67] [68] [69] Los fabricantes de autobuses suelen trabajar con un proveedor de pilas de combustible de hidrógeno para alimentar el autobús, como Ballard Power Systems o Toyota . [67] [68]
Una carretilla elevadora de pila de combustible (también llamada carretilla elevadora de pila de combustible o carretilla elevadora de pila de combustible) es una carretilla elevadora industrial impulsada por pila de combustible que se utiliza para levantar y transportar materiales. La mayoría de las pilas de combustible que se utilizan en las carretillas elevadoras funcionan con pilas de combustible PEM . [70]
En 2013, se utilizaron más de 4000 carretillas elevadoras de pila de combustible en la manipulación de materiales en los EE. UU. [71] de las cuales 500 recibieron financiación del DOE (2012). [72] [73] 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. [74]
Las carretillas elevadoras alimentadas con pilas de combustible de hidrógeno (PEM) ofrecen importantes ventajas en comparación con las carretillas elevadoras alimentadas con petróleo, ya que no producen emisiones locales. Las carretillas elevadoras alimentadas con pilas de combustible pueden funcionar durante un turno completo de ocho horas con un solo depósito de hidrógeno, se pueden reabastecer en tres minutos y tienen una vida útil de ocho a diez años. Las carretillas elevadoras alimentadas con pilas de combustible se utilizan a menudo en almacenes refrigerados, ya que su rendimiento no se ve reducido por las bajas temperaturas. [75] En el diseño, las unidades de pilas de combustible suelen fabricarse como reemplazos directos. [76] [77]
En 2005, la empresa británica Intelligent Energy produjo la primera motocicleta que funcionaba con hidrógeno, llamada ENV (Emission Neutral Vehicle). Tiene suficiente combustible para funcionar durante cuatro horas y recorrer 160 km (100 mi) en un área urbana, a una velocidad máxima de 80 km/h (50 mph). [78] Hay otros ejemplos de motos [79] y bicicletas [80] con un motor de pila de combustible de hidrógeno. La Suzuki Burgman recibió la aprobación de "tipo de vehículo completo" en la UE. [81] La PHB era una bicicleta de hidrógeno con un motor eléctrico. Debutó en Shanghái en 2008, [82] pero se suspendió debido a la falta de servicios de combustible de hidrógeno. Su predecesora fue una bicicleta de hidrógeno llamada Palcan, con sede en Vancouver , Canadá. [83]
En febrero de 2008, investigadores de Boeing y socios de la industria en toda Europa realizaron pruebas de vuelo experimentales de un avión tripulado propulsado únicamente por una pila de combustible y baterías ligeras . El avión de demostración de pila de combustible, como se lo llamó, utilizó un sistema híbrido de pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) y batería de iones de litio para alimentar un motor eléctrico, que estaba acoplado a una hélice convencional. [84] En 2003, se realizó el primer vuelo del mundo con hélice propulsado completamente por una pila de combustible. La pila de combustible era un diseño único de pila FlatStack que permitía que la pila de combustible se integrara con las superficies aerodinámicas del avión. [85]
Ha habido varios vehículos aéreos no tripulados (UAV) propulsados por células de combustible. Un UAV de célula de combustible Horizon estableció el récord de distancia volada por un UAV pequeño en 2007. [86] El ejército está especialmente interesado en esta aplicación debido al bajo nivel de ruido, baja firma térmica y capacidad para alcanzar grandes altitudes. En 2009, el Ion Tiger del Laboratorio de Investigación Naval (NRL) utilizó una célula de combustible propulsada por hidrógeno y voló durante 23 horas y 17 minutos. [87] Boeing está completando pruebas en el Phantom Eye, un avión de gran altitud y larga duración (HALE) que se utilizará para realizar vuelos de investigación y vigilancia a 20.000 m (65.000 pies) durante hasta cuatro días seguidos. [88] Las células de combustible también se están utilizando para proporcionar energía auxiliar a las aeronaves, reemplazando los generadores de combustible fósil que se utilizaban anteriormente para arrancar los motores y alimentar las necesidades eléctricas de a bordo. [88] Las células de combustible pueden ayudar a los aviones a reducir las emisiones de CO2 y otros contaminantes y el ruido.
El primer barco propulsado por pila de combustible del mundo , HYDRA, utilizó un sistema AFC con una potencia neta de 6,5 kW. Por cada litro de combustible consumido, el motor fueraborda promedio produce 140 veces menos [ cita requerida ] que los hidrocarburos producidos por el automóvil moderno promedio. Los motores de pila de combustible tienen una mayor eficiencia energética que los motores de combustión y, por lo tanto, ofrecen una mejor autonomía y emisiones significativamente reducidas. [89] Ámsterdam presentó su primer barco propulsado por pila de combustible en 2011 que transporta personas por los canales de la ciudad. [90]
La primera aplicación sumergible de las pilas de combustible es el submarino alemán Tipo 212. [ 91] Cada Tipo 212 contiene nueve pilas de combustible PEM, repartidas por todo el barco, que proporcionan entre 30 kW y 50 kW cada una de potencia eléctrica. [92] Esto permite que el Tipo 212 permanezca sumergido durante más tiempo y hace que sea más difícil detectarlo. Los submarinos propulsados por pilas de combustible también son más fáciles de diseñar, fabricar y mantener que los submarinos de propulsión nuclear. [93]
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En marzo de 2015, China South Rail Corporation (CSR) presentó el primer tranvía del mundo propulsado por pilas de combustible de hidrógeno en unas instalaciones de montaje en Qingdao. [94] Se construyeron 83 millas de vías para el nuevo vehículo en siete ciudades chinas. China tenía planes de gastar 200 mil millones de yuanes (32 mil millones de dólares) durante los próximos cinco años para aumentar las vías del tranvía a más de 1.200 millas. [95]
En 2016, Alstom estrenó el Coradia iLint , un tren regional propulsado por pilas de combustible de hidrógeno. Fue diseñado para alcanzar los 140 kilómetros por hora (87 mph) y viajar entre 600 y 800 kilómetros (370 y 500 mi) con un tanque lleno de hidrógeno. [96] El tren entró en servicio en Alemania en 2018 y se espera que se pruebe en los Países Bajos a principios de 2019. [97]
El fabricante suizo Stadler Rail firmó un contrato en California para entregar un tren de pila de combustible de hidrógeno en EE. UU., el tren FLIRT H2, en 2024 como parte del servicio ferroviario de cercanías Arrow . [98]
Para aplicaciones de transporte como camiones de larga distancia, las pilas de combustible son una solución potencial para el transporte de cero emisiones. Un estudio de 2022 en la revista Energies cita tiempos de reabastecimiento relativamente rápidos en comparación con los tiempos de carga de camiones eléctricos y las limitaciones actuales de la densidad energética de las baterías, pero señalan que las "restricciones operativas" incluyen la "alta cantidad de emisiones de CO2 [causadas por] la producción de hidrógeno", la falta de infraestructura de almacenamiento y reabastecimiento, fugas de H2 y desafíos de seguridad, "pérdidas de eficiencia en la compresión, almacenamiento y dispensación", . [99]
En 2020, Hyundai comenzó a fabricar camiones de carga de 34 toneladas propulsados por hidrógeno bajo el nombre de modelo XCIENT, y realizó un envío inicial de 10 de los vehículos a Suiza. Pueden recorrer 400 kilómetros (250 millas) con el tanque lleno y tardan entre 8 y 20 minutos en llenarse. [100] En 2022, Total Transportation Services (TTSI), Toyota Logistics Services (TLS), UPS y Southern Counties Express (SCE) operaron un proyecto "Shore-to-Store (S2S)" de 12 meses en el que se utilizaron camiones de pila de combustible de hidrógeno en viajes desde los puertos del área de Los Ángeles. [101] [102] El prototipo de hidrógeno Kenworth T680 utilizado en Los Ángeles y Long Beach se presentó en 2018 y también se probó en el área de Seattle. [103]
Eberle y Rittmar von Helmolt afirmaron en 2010 que aún quedan desafíos antes de que los automóviles con celdas de combustible puedan volverse competitivos con otras tecnologías y citan la falta de una infraestructura extensa de hidrógeno en los EE. UU.: [104] En julio de 2020 [actualizar], había 43 estaciones de servicio de hidrógeno de acceso público en los EE. UU., 41 de las cuales estaban ubicadas en California. [19] En 2013, el gobernador Jerry Brown firmó la AB 8, un proyecto de ley para financiar $ 20 millones al año durante 10 años para construir hasta 100 estaciones. [105] En 2014, la Comisión de Energía de California financió $ 46,6 millones para construir 28 estaciones. [106]
Japón obtuvo su primera estación de abastecimiento de hidrógeno comercial en 2014. [107] Para marzo de 2016, Japón tenía 80 estaciones de abastecimiento de hidrógeno, y el gobierno japonés pretende duplicar este número a 160 para 2020. [108] En mayo de 2017, había 91 estaciones de abastecimiento de hidrógeno en Japón. [109] Alemania tenía 18 estaciones de abastecimiento de hidrógeno públicas en julio de 2015. El gobierno alemán esperaba aumentar este número a 50 para fines de 2016, [110] pero solo 30 estaban abiertas en junio de 2017. [111]
En el marco de las normas técnicas globales de las Naciones Unidas para vehículos con ruedas, en particular en lo que respecta al uso del hidrógeno, existen normas internacionales que definen aspectos de ingeniería e integridad general, rendimiento, seguridad, ciclo de vida de las piezas y otras categorías. Un área notable de estas normas es la relativa a los sistemas de almacenamiento de hidrógeno comprimido, que normalmente llegan al final de su vida útil calificada a los 15 años o menos de uso. [112]
En 2003, el presidente estadounidense George Bush propuso la Iniciativa de Combustible de Hidrógeno (HFI). La HFI tenía como objetivo desarrollar aún más las células de combustible de hidrógeno y las tecnologías de infraestructura para acelerar la introducción comercial de los vehículos de células de combustible. Para 2008, Estados Unidos había contribuido con 1000 millones de dólares a este proyecto. [113] En 2009, Steven Chu , entonces Secretario de Energía de Estados Unidos , afirmó que los vehículos de hidrógeno "no serán prácticos en los próximos 10 a 20 años". [114] [115] En 2012, sin embargo, Chu afirmó que veía los automóviles de células de combustible como económicamente más viables ya que los precios del gas natural habían caído y las tecnologías de reformado de hidrógeno habían mejorado. [116] [117] En junio de 2013, la Comisión de Energía de California otorgó $18,7 millones para estaciones de abastecimiento de hidrógeno. [118] En 2013, el gobernador Brown firmó AB 8, un proyecto de ley para financiar $20 millones al año durante 10 años para hasta 100 estaciones. [105] En 2013, el Departamento de Energía de Estados Unidos anunció que se destinarían hasta 4 millones de dólares al "desarrollo continuo de sistemas avanzados de almacenamiento de hidrógeno". [119] El 13 de mayo de 2013, el Departamento de Energía lanzó H2USA, que se centra en el avance de la infraestructura del hidrógeno en Estados Unidos. [120]
En 2010, los avances en la tecnología de las pilas de combustible habían reducido el tamaño, el peso y el coste de los vehículos eléctricos de pila de combustible. [121] En 2010, el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) estimó que el coste de las pilas de combustible para automóviles había caído un 80% desde 2002 y que dichas pilas de combustible podrían fabricarse potencialmente a 51 dólares/kW, suponiendo un ahorro de costes de fabricación en gran volumen. [122] Se han producido vehículos eléctricos de pila de combustible con "una autonomía de conducción de más de 250 millas entre recargas de combustible". [122] Se pueden reabastecer en menos de 5 minutos. [123] Los autobuses de pila de combustible desplegados tienen un ahorro de combustible un 40% mayor que los autobuses diésel. [121] El Programa de Tecnologías de Pilas de Combustible de EERE afirma que, a partir de 2011, las pilas de combustible alcanzaron una eficiencia de vehículo eléctrico de pila de combustible de entre el 42 y el 53% a plena potencia, [121] y una durabilidad de más de 75.000 millas con menos del 10% de degradación de voltaje, el doble de lo logrado en 2006. [122] En 2012, Lux Research, Inc. publicó un informe que concluía que "el coste de capital... limitará la adopción a unos meros 5,9 GW" para 2030, lo que supone "una barrera casi insuperable para la adopción, excepto en aplicaciones de nicho". El análisis de Lux concluyó que para 2030, las aplicaciones de pilas de combustible estacionarias PEM alcanzarán los 1.000 millones de dólares, mientras que el mercado de vehículos, incluidas las carretillas elevadoras de pilas de combustible , alcanzará un total de 2.000 millones de dólares. [124]
En septiembre de 2023, el hidrógeno costaba 36 dólares por kilogramo en las estaciones de carga públicas de California, 14 veces más por milla para un Mirai que para un Tesla Model 3. [125] El precio medio en Alemania en 2023 es de 12,5 euros por kilogramo. [126]
El impacto ambiental de los vehículos de pila de combustible depende de la energía primaria con la que se produjo el hidrógeno. Los vehículos de pila de combustible solo son ambientalmente benignos cuando el hidrógeno se produjo con energía renovable . [127] Si este es el caso, los automóviles de pila de combustible pueden ser más limpios y eficientes que los automóviles de combustible fósil. Sin embargo, no son tan eficientes como los vehículos eléctricos de batería que consumen mucha menos energía. [128] Por lo general, un automóvil de pila de combustible consume 2,4 veces más energía que un automóvil eléctrico de batería, porque la electrólisis y el almacenamiento de hidrógeno es mucho menos eficiente que usar electricidad para cargar directamente una batería. [127] Además, un estudio de 2023 del Centro de Investigación Internacional sobre el Clima y el Medio Ambiente (CICERO) estimó que el hidrógeno filtrado tiene un efecto de calentamiento global 11,6 veces más fuerte que el CO₂. [129]
A partir de 2009, los vehículos de motor utilizaban la mayor parte del petróleo consumido en los EE. UU. y producían más del 60% de las emisiones de monóxido de carbono y aproximadamente el 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero en los Estados Unidos, sin embargo, la producción de hidrógeno para hidrocraqueo utilizado en la producción de gasolina, el principal de sus usos industriales, fue responsable de aproximadamente el 10% de las emisiones de gases de efecto invernadero de toda la flota. [130] Un vehículo alimentado con hidrógeno puro emite pocos contaminantes en el tubo de escape, produciendo principalmente agua y calor, junto con trazas de NOx, SOx, NO2, SO2, CO, hidrocarburos y partículas; [131] la producción de hidrógeno generalmente crea contaminantes, a excepción de la pequeña cantidad que se produce utilizando solo energía renovable. [132]
En 2006, Ulf Bossel afirmó que la gran cantidad de energía necesaria para aislar el hidrógeno de los compuestos naturales (agua, gas natural, biomasa), empaquetar el gas ligero por compresión o licuefacción, transferir el portador de energía al usuario, más la energía perdida cuando se convierte en electricidad útil con celdas de combustible, deja alrededor del 25% para uso práctico". [133] Richard Gilbert, coautor de Transport Revolutions: Moving People and Freight without Oil (2010), comenta de manera similar que producir gas hidrógeno termina utilizando parte de la energía que crea. Luego, la energía se absorbe convirtiendo el hidrógeno nuevamente en electricidad dentro de las celdas de combustible. " 'Esto significa que solo una cuarta parte de la energía inicialmente disponible llega al motor eléctrico' ... Tales pérdidas en la conversión no se comparan bien con, por ejemplo, la recarga de un vehículo eléctrico (VE) como el Nissan Leaf o el Chevy Volt desde un enchufe de pared". [134] [135] Un informe de análisis de pozo a rueda de vehículos de celdas de combustible de hidrógeno de 2010 del Laboratorio Nacional Argonne afirma que el H2 renovable Las vías de combustión ofrecen beneficios mucho mayores en términos de gases de efecto invernadero. [136] Este resultado ha sido confirmado recientemente. [127] En 2010, una publicación del Departamento de Energía de los EE. UU. sobre el proceso de descarbonización del pozo a las ruedas supuso que la eficiencia del único paso de compresión del hidrógeno a 6250 psi (43,1 MPa) en la estación de servicio es del 94 %. [137] Un estudio de 2016 publicado en la edición de noviembre de la revista Energy 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, principalmente debido a su menor coste y a una eficiencia energética significativamente mayor ". [138]
En 2008, el profesor Jeremy P. Meyers, en la revista Interface de la Electrochemical Society escribió que las pilas de combustible "no son tan eficientes como las baterías, debido principalmente a la ineficiencia de la reacción de reducción de oxígeno... [L]as tienen más sentido para el funcionamiento desconectado de la red, o cuando el combustible se puede proporcionar de forma continua. Para aplicaciones que requieren arranques frecuentes y relativamente rápidos... donde las emisiones cero son un requisito, como en espacios cerrados como los almacenes". [139] También en 2008, Wired News informó de que "los expertos dicen que pasarán 40 años o más antes de que el hidrógeno tenga un impacto significativo en el consumo de gasolina o el calentamiento global, y no podemos permitirnos esperar tanto tiempo. Mientras tanto, las pilas de combustible están desviando recursos de soluciones más inmediatas". [140] En 2008, Robert Zubrin , autor de Energy Victory , dijo: "El hidrógeno es 'casi el peor combustible posible para vehículos ' ". [141] Si se pudiera producir hidrógeno utilizando energía renovable, "seguramente sería más fácil simplemente usar esta energía para cargar las baterías de vehículos totalmente eléctricos o híbridos enchufables ". [141] El diario Los Angeles Times escribió en 2009: "Sea como sea que se lo mire, el hidrógeno es una pésima manera de mover automóviles". [142] El diario Washington Post preguntó en noviembre de 2009: "¿Por qué querríamos 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...?" . [143]
En 2013, The Motley Fool afirmó que "todavía existen obstáculos prohibitivos en términos de costos [para los autos de hidrógeno] relacionados con el transporte, el almacenamiento y, lo más importante, la producción". [144] Rudolf Krebs, de Volkswagen, dijo en 2013 que "no importa cuán excelentes sean los autos, las leyes de la física obstaculizan su eficiencia general. La forma más eficiente de convertir energía en movilidad es la electricidad". Profundizó: "La movilidad con hidrógeno solo tiene sentido si se usa 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 nuevamente en electricidad en una celda de combustible con otra pérdida de eficiencia". Krebs continuó: "al final, del 100 por ciento original de energía eléctrica, se termina con un 30 a 40 por ciento". [145]
En 2014, el futurista de la energía y los automóviles eléctricos Julian Cox escribió que producir hidrógeno a partir de metano "es significativamente más intensivo en carbono por unidad de energía que el carbón. Confundir el hidrógeno fósil de la fracturación hidráulica de esquistos con una vía energética ambientalmente sostenible amenaza con alentar políticas energéticas que diluirán y potencialmente descarrilarán los esfuerzos globales para evitar el cambio climático debido al riesgo de desviar la inversión y el enfoque de las tecnologías de vehículos que son económicamente compatibles con la energía renovable". [146] En 2014, el ex funcionario del Departamento de Energía Joseph Romm concluyó que la energía renovable no se puede utilizar económicamente para producir hidrógeno para una flota de FCV "ni ahora ni en el futuro". [147] El analista de GreenTech Media llegó a conclusiones similares en 2014. [148] En 2015, Clean Technica enumeró algunas de las desventajas de los vehículos de pila de combustible de hidrógeno. [149] [150]
Un análisis de 2017 publicado en Green Car Reports encontró 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 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), 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. [109] En 2017, Michael Barnard, escribiendo en Forbes , enumeró las desventajas continuas de los automóviles de pila de combustible de hidrógeno y concluyó que "alrededor de 2008, estaba muy claro que el hidrógeno era y sería inferior a la tecnología de baterías como almacenamiento de energía para vehículos. [P]ara 2025, los últimos que se resisten probablemente deberían estar retirando sus sueños de pila de combustible". [151] Un video de 2019 de Real Engineering señaló que el uso de hidrógeno como combustible para automóviles no ayuda a reducir las emisiones de carbono del transporte. El 95% del hidrógeno que todavía se produce a partir de combustibles fósiles libera dióxido de carbono, y producir hidrógeno a partir del agua es un proceso que consume mucha energía. Almacenar hidrógeno requiere más energía, ya sea para enfriarlo hasta el estado líquido o para colocarlo en tanques a alta presión, y entregar el hidrógeno a las estaciones de servicio requiere más energía y puede liberar más carbono. El hidrógeno necesario para mover un FCV un kilómetro cuesta aproximadamente ocho veces más que la electricidad necesaria para mover un BEV la misma distancia. [152] También en 2019, Katsushi Inoue, presidente de Honda Europa, declaró: "Ahora nos centramos en los vehículos híbridos y eléctricos. Tal vez lleguen los coches de pila de combustible de hidrógeno, pero esa es una tecnología para la próxima era". [52]
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%. [153] [154] Una evaluación de 2021 de CleanTechnica concluyó que, si bien los automóviles de hidrógeno son mucho menos eficientes que los automóviles eléctricos, la gran mayoría del hidrógeno que se produce es hidrógeno gris contaminante y la entrega de hidrógeno requeriría la construcción de una nueva infraestructura vasta y costosa; las dos "ventajas restantes de los vehículos de pila de combustible (mayor autonomía y tiempos de reabastecimiento 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. [155]
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Las solicitudes de patentes en el área de las pilas de combustible de hidrógeno aumentaron en la década de 1960, en parte debido al programa espacial de la NASA ; otro aumento en la década de 1980 fue impulsado por la investigación para automóviles. A esto le siguió un aumento en las solicitudes de patentes de 2000 a 2005 por parte de inventores de Japón, Estados Unidos y Corea del Sur. Desde entonces, China ha dominado las solicitudes de patentes en el campo, con un número menor en Japón, Alemania, Corea del Sur y Estados Unidos. [156] Entre 2016 y 2020, las solicitudes anuales, en particular para aplicaciones de transporte, aumentaron un 23% adicional. [157] [158]
Casi el 80% de las patentes en el área de las pilas de combustible para el transporte fueron presentadas por empresas automovilísticas. [159] La academia está colaborando activamente con la industria. [160] Aunque las solicitudes relacionadas con vehículos de carretera como coches y camiones dominan, las invenciones en otras áreas como el transporte marítimo, la aviación, el ferrocarril y otros vehículos especiales están aumentando. [161] Airbus , un importante fabricante de aviones, ha aumentado su actividad de patentamiento en el área desde 2019. [162] El número de patentes de pilas de combustible para aplicaciones de transporte marítimo es comparable en tamaño al de la aviación y de crecimiento igualmente lento. [160]
Un informe de la Organización Mundial de la Propiedad Intelectual de 2022 sostiene que, debido a que los vehículos pesados, como los vehículos de construcción , las carretillas elevadoras y los remolcadores de aeropuertos requieren una mayor carga útil, la alta densidad energética del hidrógeno puede hacer que las pilas de combustible sean una solución más ventajosa que las aplicaciones de baterías. [162]
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