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       Trabajo Fin de Máster Energías Renovables y Eficiencia Energética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS DE PILA DE COMBUSTIBLE Autora Ana Luisa Olona Solano Directora Inmaculada Arauzo Pelet Escuela de Ingeniería y Arquitectura de Zaragoza 2013 A mis hijas, Marsia y Natalia. A mis padres. Y a mi amado esposo, Ernesto, por todo el apoyo incondicional y ánimo constante que me ha dado. AGRADECIMIENTOS La realización del presente trabajo fin de Máster ha requerido de sacrificios en cuanto a dedicación, perseverancia, y esfuerzo a lo largo de todo este tiempo y constituye un paso más para ampliar mi formación profesional y conocimientos en el campo del automóvil, campo éste que me ha apasionado desde el momento que inicie mis estudios de ingeniería, y ampliar mis conocimientos en el campo de las energías renovables. En primer lugar, quiero tener un agradecimiento especial con la Directora del Trabajo Fin de Máster: Inmaculada Arauzo Pelet, por la ayuda que me ha dado, por sus adecuadas sugerencias y por su paciencia. Su apoyo y su total implicación han sido esenciales para poder concluir este trabajo. También tengo que agradecer a la Fundación para el Desarrollo de Nuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón por solucionarme algunas dudas que me han ido surgiendo durante la elaboración de este trabajo. En el contexto privado, agradecer enormemente todo el apoyo incondicional recibido por Ernesto desde el momento que decidí realizar este Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética. ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS DE PILA DE COMBUSTIBLE RESUMEN El objetivo general del presente proyecto es analizar si un vehículo que utiliza como combustible H2 es energéticamente rentable y eficiente con el estado actual de la tecnología. Para alcanzar dicho objetivo, en primer lugar se ha llevado a cabo un estudio sobre el estado actual de la tecnología del vehículo de pila de combustible analizando un total de total de 262 vehículos agrupados por fabricantes y elaborando una tabla. Con el análisis de dicha tabla se ha estudiado la evolución de los vehículos de pila de combustible en los últimos 20 años y se ha analizado el estado actual del vehículo de pila de combustible para cada fabricante. El siguiente paso ha consistido en llevar a cabo una revisión sobre el estado del arte de este tipo de vehículos teniendo en cuenta aspectos medioambientales y económicos. Tras está revisión se han identificado los aspectos técnicos más importantes relativos al desarrollo de la pila de combustible. La mayoría de los estudios sobre el impacto medioambiental comparan las emisiones de la cadena de producción de hidrógeno con las emisiones de la cadena de producción de un combustible fósil, concluyendo que la reducción de emisiones es una gran ventaja de los vehículos de pila de combustible sobre las tecnologías basadas en combustible fósil. Una vez analizado el estado del arte se han definido aquellos parámetros relevantes a tener en cuenta para comparar la eficiencia y sostenibilidad de los vehículos que utilizan H2 como combustible frente a vehículos alimentados por otro tipo de combustible. Dado a que se plantea el uso del H2 como combustible, se ha revisado y analizado la posibilidad de suministro de este tipo de combustible analizando las características del hidrógeno suministrado, concluyendo que la infraestructura de hidrógeno que existe en la actualidad no es suficiente y que la viabilidad económica de este tipo de vehículos está ligada a la reducción de los costes de producción de las pilas de combustible, a la mejora del sistema de almacenamiento del H2 en los vehículos y sobre todo, al desarrollo de una infraestructura de estaciones de repostaje. Para completar el análisis de la viabilidad de estos vehículos se ha considerado necesario llevar a cabo una comparación del vehículo de pila de combustible con un vehículo eléctrico en el escenario energético global y con el vehículo de gasolina convencional. Por último se ha llevado a cabo un análisis de la viabilidad de producir H2 mediante fuentes de energías renovables para suministrar este combustible a los vehículos, concluyendo que la energía renovable que podría cubrir la demanda de energía para alimentar a la flota nacional de turismos, si éstos fuesen vehículos de pila de combustible sería la energía eólica. Por otro lado, en cuanto a la biomasa, la utilización de un cultivo energético, como podría ser el chopo, permitiría generar el hidrógeno necesario para abastecer a dicha flota de vehículos. INDICE  INTRODUCCIÓN................................................................................................................1 1.ANÁLISIS DE LA EVOLUCIÓN DE LOS VEHÍCULOS DE PILA DE COMBUSTILE (1992-2012)........................................................................................2 2.ANÁLISIS DEL ESTADO DEL ARTE DE LOS VEHÍCULOS DE PILA DE COMBUSTIBLE...........................................................................................................8 2.1.Aspectos técnicos relativos al desarrollo de la Pila de Combustible........8 2.2.Impacto ambiental de los FCVs......................................................................11 2.3.Análisis económico de los FCVs...................................................................12 2.4.Estado actual de los FCVs..............................................................................14 3.FÁCTORES TÉCNICOS A TENER EN CUENTA EN UN VEHÍCULO DE PILA DE COMBUSTIBLE.........................................................................................................15 4.ANÁLISIS DE LA DISPONIBILIDAD DE SUMINISTRO DE ESTE TIPO DE COMBUSTIBLE (H2).................................................................................................21 4.1.Producción de H2..............................................................................................21 4.2.Almacenamiento de H2.....................................................................................22 4.3.Infraestructura de transporte y distribución del H2.....................................24 5.COMPARATIVA DEL VEHÍCULO DE PILA DE COMBUSTIBLE CON EL VEHÍCULO ELÉCTRICO Y CON EL VEHÍCULO CONVENCIONAL....................25 5.1.Comparativa económica de los distintos tipos vehículos.........................27 6.ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD DE PRODUCIR H2 MEDIANTE FUENTES RENOVABLES PARA SUMINISTRAR ESTE COMBUSTIBLE A LOS VEHÍCULOS..............................................................................................................32 6.1.Análisis del H2 necesario para alimentar a la flota actual de vehículos en España y análisis de la forma de producirlo................................................34 7.CONCLUSIONES......................................................................................................36 8.BIBLIOGRAFÍA.........................................................................................................39 ANEXOS ANEXO I. ANÁLISIS DE LA EVOLUCIÓN DE LOS VEHÍCULOS DE PILA DE COMBUSTIBLE (1992-2012). ANEXO II. ANÁLISIS DEL ESTADO DEL ARTE DE LOS VEHÍCULOS DE PILA DE COMBUSTIBLE. ANEXO III. FACTORES TÉCNICOS A TENER EN CUENTA EN UN VEHÍCULO DE PILA DE COMBUSTIBLE. ANEXO IV. ANÁLISIS DE LA DISPONIBILIDAD DE SUMINISTRO DE ESTE TIPO DE COMBUSTIBLE (H2). ANEXO V. COMPARATIVA DEL VEHÍCULO DE PILA DE COMBUSTIBLE CON EL VEHÍCULO ELÉCTRICO Y CON EL VEHÍCULO CONVENCIONAL. ANEXO VI. ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD DE PRODUCIR H2 MEDIANTE FUENTES RENOVABLES PARA SUMINISTRAR ESTE COMBUSTIBLE A LOS VEHÍCULOS.   1  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética INTRODUCCIÓN El parque móvil en 10 años pasará de 775 millones de vehículos a 1.100 millones circulando por nuestro planeta (lo que supone un incremento del 2,4 % de demanda de energía primaria hasta el 2020). El sector del transporte por carretera es uno de los que más contamina en términos de emisiones de gases de efecto invernadero en la Unión Europea (UE), con el objeto de reducir las emisiones de este sector el Reglamento (CE) 443/2009 fija unos límites relativos a los turismos nuevos. (130 g de CO2/km a partir del año 2012, a partir del año 2020 dicho nivel se reducirá a 95 g de CO2/km (European Commission, 2013 (1)). Para el 2020, si se consideran porcentajes, la UE se ha comprometido a reducir sus emisiones un 20% por debajo de los niveles de 1990, y para el año 2050, la UE tiene el objetivo de reducir dichas emisiones en un 80-95% en comparación con los niveles de 1990 (European Commission, 2013 (2)). Pero esta descarbonización podría requerir el 95% de la descarbonización del sector del transporte por carretera (ROADMAP 2050 practical guide to a prosperous, low-carbon Europe, 2010). Se ha planteado el cambio del combustible convencional por la electrificación, la biomasa y/o el hidrógeno para que este objetivo sea viable para el año 2050 en todos los sectores de demanda energética: transporte, industria y edificación. La Comisión Europea en su Libro Blanco del Transporte (White Paper, 2011) establece el objetivo de desarrollar un sistema de transporte competitivo y eficiente eliminando las emisiones de carbono y reduzciendo la dependencia de los combustibles importados. El cambio hacia vehículos energéticamente eficientes y que utilicen sistemas de propulsión alternativos permitirá conseguir varios de los objetivos de la UE: reducir emisiones y mejorar la calidad del aire, eliminar la emisión de CO2 y prevenir el cambio climático, mantener seguridad energética e incrementar el uso de energías renovables. Otro objetivo de la UE es que el consumo de energía renovables (tales como eólica, solar y biomasa) alcance un 20% en el año 2020 (European Commission, 2013 (2)). Los vehículos eléctricos (de batería (BEVs), de pila de combustible (FCEVs) y los híbridos enchufables (PHEVs)) son necesarios para alcanzar la reducción global de CO2 establecida por la UE. Por otro lado, el plan de acción de la Unión Europea para el fomento de los combustibles alternativos y los biocarburantes en el transporte por carretera concentra sus medidas y acciones en la promoción de las tres opciones: biocarburantes, gas natural, e hidrógeno y pilas de combustible. Esta combinación, según la Comisión Europea permitirá sustituir el 20% de todos los combustibles tradicionales utilizados en el sector del transporte por carretera en Europa (Ciemat, 2013). Los vehículos de pila de combustible (FCVs) tienen la propiedad de reducir la dependencia de los combustibles fósiles y reducir las emisiones de gases que contribuyen al cambio climático. Por este motivo este trabajo fin de máster tiene como objeto analizar si un vehículo que utiliza como combustible H2 es energéticamente rentable y eficiente con el estado actual de la tecnología.   2  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética 1. ANÁLISIS DE LA EVOLUCIÓN DE LOS VEHÍCULOS DE PILA DE COMBUSTILE (1992-2012). Con objeto de llevar a cabo un análisis de la evolución de los vehículos de pila de combustible durante los últimos 20 años, se ha elaborado una tabla que contiene un total de 262 vehículos (ver DVD adjunto: “Tabla de vehículos de pila de combustible(1992-2012)”). Una vez analizados los distintos fabricantes se observa que Daimler, General Motors, Honda, Hyundai y Toyota son los fabricantes que han desarrollado más prototipos y por lo tanto se va a poder estudiar mejor la evolución de sus vehículos. La compañía Daimler AG (a partir de 1925 MercedesBenz) ha desarrollado 25 vehículos de pila de combustible en el período analizado. De estos 25 vehículos se han analizado 23 agrupándolos en turismos y en furgonetas. Y dentro de los turismos se han comparado aquellos que son de la misma categoría. Se ha analizado la evolución del vehículo de pila de combustible de este fabricante (Fig.1). Fig.1.Evolución del vehículo de pila de combustible de Mercedes-Benz. Fuente: Daimler AG, 2013. A continuación se analiza la evolución de la serie F-Cell, en la que se pueden encontrar dos versiones: la clase A Fuel Cell que es la primera que aparece en el año 2002 y la clase B Fuel Cell cuyo último desarrollo es en el año 2009. Analizando las dos versiones se observa lo siguiente (Ver Fig.4 de ANEXO I): - La pila de combustible aumenta su potencia un 18% en 7 años (pasa de 85 kW en la clase A a 100 kW en la clase B). - La autonomía se incrementa de 150 km a 400 km. Esta mejoría de autonomía se debe a que la clase B dispone de más espacio para los depósitos de H2 comprimido, así como a los avances de la tecnología de la pila de combustible y de las baterías.   3  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética - La velocidad máxima que puede alcanzar ha pasado de 145 km/h a 170 km/h (se ha incrementado un 17%). - En cuanto al almacenaje del hidrógeno, en la clase A se almacenaba como hidrógeno comprimido a 350 bar y en la clase B aumenta la presión, ya que se almacena a 700 bar. - La eficiencia del vehículo ha aumentado de 56 mpgequiv* (90,1 km/kg de hidrógeno, es decir, 1,11 kg H2/100 km ) a 0,97 kg H2/100 km. (mpg milla por galón, hay que tener en cuenta que 1 kilogramo de hidrógeno energéticamente equivale a 1 galón de gasolina (Fuente: US Department of Energy, 2013), por lo tanto 56 mpg es lo mismo que 56 millas por kilogramo de hidrógeno, y convirtiendo las millas a kilómetros, 56 mpg es equivalente a 90,1 kilómetros/ kilogramo de hidrógeno). *mpgequiv: mpg gas equivalente está basado en la equivalencia energética: 1 kg. Hidrógeno= 1 galón de gasolina. En el ANEXO I se analiza también la evolución de distintos tipos de vehículos de pila de combustible de Mercedes Benz. Por ejemplo se analiza la evolución de las furgonetas de pila de combustible de este fabricante (ANEXO I: pág. 2 y pág. 3), la evolución de los vehículos llamados “prototipos experimentales” (ANEXO I: pág. 5) y la comparativa de todos los NECAR (New Electric Car) que ha fabricado Mercedes (ANEXO I: pág. 6). Del fabricante GM se han recogido un total de 21 vehículos de pila de combustible, se puede observar que muchos de ellos se desarrollan a partir de la mono-volumen Opel Zafira. En la Fig.8 del ANEXO I se analiza la evolución de distintos vehículos de GM, en la que se puede observar que aumenta un 88% la potencia (kW) de la pila de combustible y que la velocidad máxima se ha incrementado (alcanzando los 160 km/h). Dentro del fabricante GM también se encuentran el Chevrolet Equinox (2006) el cual tiene una autonomía de 320 km alcanzando una velocidad máxima de 161 km/h, y el Hydrogen4 que es la versión europea del anterior. Honda ha desarrollado 14 vehículos de pila de combustible en el período analizado. Es el fabricante que obtiene la primera certificación para un vehículo de pila de combustible de la Environmental Protection Agency (EPA) y de la California Air Resources Board (CARB) en EE.UU; que obtiene el primer leasing de un vehículo de pila de combustible (2002); y el primero en entregar un vehículo de pila de combustible a un cliente particular (2008) (Fuente:Honda, 2013(1)). En el ANEXO I se ha analizado la evolución de los vehículos Honda FCX (Fuel Cell eXperimental), dicha familia comienza con el lanzamiento del primer prototipo en 1999. La pila de combustible de Honda ha ido mejorando la eficiencia de generación de electricidad y se ha reducido su tamaño, de manera que la nueva pila tiene el doble de densidad (kW/kg) y la mitad de tamaño que su predecesora. Además esta pila de combustible permite operar a temperaturas comprendidas entre -20ºC y 95ºC, y mejora la durabilidad (Fig.11 y Fig.12 de ANEXO I).   10  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética como portador de oxígeno para mejorar el arranque en frío de pilas de combustible PEMFCs. Obtuvieron como resultado que el comportamiento en arranque en frío y la durabilidad mejoraron significativamente al aumentar el contenido de ionómero en la capa del catalizador debido a la mayor permeabilidad del oxígeno que se consigue mediante el hielo formado en la capa del catalizador. Ese mismo año, Jiao Kui et al. (2010) también llegaron a la conclusión de que el espesor de la membrana y la fracción volumétrica de ionómero en la capa del catalizador desempeñan un papel fundamental en la reducción de la cantidad de hielo formado. Una membrana más gruesa conlleva a una mayor capacidad de absorción de agua pero con un proceso de absorción más lento, y el aumento de la fracción volumétrica del ionómero aumenta la capacidad de absorción de agua del ionómero y mejora la absorción de agua que tiene la membrana. Arrancar la pila a voltaje constante (“potentiostatic condition”) es mejor que arrancarla a corriente constante (“galvanostatic condition”). Estudios anteriores al llevado a cabo por Wu Jinfeng et al. (2010) han mostrado que tanto el sustrato como la capa microporosa de la capa de difusión del gas (GDL, Gas Diffusion Layer) afectan sobre el balance del agua y el rendimiento de una PEMFC. Wu Jinfeng et al. (2010) analizaron la degradación de una GDL bajo unas condiciones de elevada temperatura y elevado caudal de flujo. Los resultados que obtuvieron fueron que la pérdida del material juega un papel muy importante en los mecanismos de degradación de la GDL, mientras que una tensión excesiva antes de la degradación debilita la estructura de la GDL y cambia su propiedad física, lo que acelera la pérdida de material del GDL durante el envejecimiento. En el estudio llevado a cabo por Zhili Miao et al. (2010) se presentó una nueva estrategia para mejorar el rendimiento del arranque en frío de las PEMFCs a temperaturas bajo cero. Para aumentar la capacidad de almacenamiento de agua se añade un nano-óxido hidrófilo, como puede ser el SiO2, a la capa del catalizador del cátodo. Aunque en condiciones normales de operación, el rendimiento de la pila con SiO2 no es tan bueno como en el caso que no lleva esta capa, las pruebas de arranque en frío muestran que añadiendo SiO2 la pila es capaz de arrancar y funcionar incluso a 100 mA/cm2 y -8ºC durante 25 minutos, mientras que en el caso de la pila sin SiO2 el voltaje cae al momento de arrancar en frío. Por lo que se concluye que el proceso de arranque en frío depende de la capacidad de almacenamiento de agua que tiene el cátodo. Veziroglu Ayfer et al. (2011) afirmaron que para las aplicaciones de vehículos las pilas de combustible más apropiadas son las de membrana de intercambio de protones (PEM o PEMFC). Aunque se sigue investigando para obtener los puntos óptimos de operación y el control automático para que las pilas de combustible arranquen en frío en condiciones de baja temperatura y para mejorar otras características de operación. La degradación y la durabilidad parece que van a ser unos aspectos críticos para el uso práctico de las pilas de combustible. El análisis del proceso específico por el cuál una pila de combustible se degrada en un vehículo con el paso del tiempo abre un nuevo campo de investigación.   11  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética 2.2. Impacto ambiental de los FCVs. La investigación sobre el impacto ambiental de los FCVs es un tema de interés. La mayoría de los estudios comparan las emisiones de la cadena de producción de hidrógeno con las emisiones de la cadena de producción de un combustible fósil. La reducción de emisiones es una ventaja de los FCVs sobre las tecnologías basadas en combustible fósil. Colella et al. (2005) en su estudio analiza las emisiones al sustituir la flota de vehículos de combustible fósil por vehículos eléctricos híbridos y por FCVs. Los resultados que obtienen son: - Esta sustitución reduce considerablemente la emisión de contaminantes debido a la eliminación de los productos de la combustión, se reducen incluso las cantidades netas de óxidos de nitrógeno (NOx), de volátiles orgánicos compuestos (COV), de partículas, de amoniaco (NH3) y de monóxido de carbono (CO). - Se reduce el impacto del calentamiento global por los gases de efecto invernadero y partículas. - En el caso de que los FCVs se alimenten con combustibles fósiles como el gas natural, todavía reduce el 14% de las emisiones de CO2, respecto a los vehículos de combustibles fósiles. El informe llevado a cabo por McKinsey & Company (2011) concluye que la instalación de una infraestructura de hidrógeno está justificada y es factible, con una inversión inicial en infraestructura relativamente bajo. También concluye que los vehículos eléctricos de pilas de combustible y de baterías tendrán un coste competitivo con los vehículos de motor de combustión interna en el año 2025 y a partir de 2020 si se aplican incentivos fiscales. Concluye lo siguiente sobre los FCVs actuales: - Han reducido las pérdidas de calor y el calor remanente se utiliza para el control climático del vehículo. - Los prototipos han demostrado que se puede mantener un nivel de humedad adecuado en las membranas sin necesidad de un humidificador externo. - Los ensayos de actuaciones en bajas temperaturas han demostrado que el arranque en frío y las actuaciones de conducción son equivalentes a las de los MCI. - La eficiencia neta de los “stacks” ha alcanzado el 59%, con mejoras adicionales que llevan a un menor tamaño y un coste más bajo. - Los ensayos de durabilidad han demostrado que se puede mantener una eficiencia aceptable del “stack” durante el tiempo de vida del vehículo. - La innovación en materiales permite almacenar H2 a 700 bar lo que incrementa la autonomía aproximándose a la de los MCI.   12  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética - El rango de voltaje del “stack” ha mejorado. Con las baterías suministrando potencia pico adicional se ha incrementado la durabilidad y eficiencia del stack. - Los sistemas actuales de pilas de combustible se integran en el vehículo sin comprometer el volumen de carga ni el peso del vehículo. - En cuanto al coste de los materiales, hacia el año 2020 se alcanzarán costes aceptables mediante simplificaciones del diseño, reducción del uso de materiales, tecnologías de producción y economías de escala. 2.3. Análisis económico de los FCVs. Por otro lado el análisis ambiental puede venir acompañado de un análisis económico para analizar la viabilidad de mercado de los FCVs. Actualmente expertos están analizando la mejor estrategia de comercialización y crecimiento de la economía de los FCVs. Eaves S. and Eaves J. (2004) en su estudio concluyeron que los vehículos eléctricos de batería (BEVs) son más eficientes, limpios y menos caros en términos de coste de fabricación y de coste de repostaje que los FCVs. Los resultados mostraron que utilizando energías renovables, los FCVs necesitan una producción de energía de 2,4 a 2,6 veces mayor que la energía necesaria para un BEV. El sistema de propulsión del FCVs pesa un 43% más que el sistema utilizado en un BEVs, ocupa casi tres veces más de espacio en el vehículo para generar la misma potencia y cuesta aproximadamente un 46% más. Por otro lado, el estudio llevado a cabo por Odgen et al. (2004) comparó el coste social (incluye el coste residual del vehículo, el coste de la energía utilizada, costes de operación y mantenimiento, costes externos del uso del combustible, costes de daños por ruido y emisiones desde contaminantes atmosféricos hasta gases de efecto invernadero, y otros factores) de distintos tipos de vehículos. Y obtuvo como resultado que los FCVs utilizando H2 derivado de combustibles fósiles con captura de CO2 tendrán el menor coste social de todos tipos de vehículos. Granovskii et al. (2006) afirmaron que la eficiencia económica y el impacto ambiental del uso de vehículos eléctricos dependen de la fuente que se obtiene la electricidad. Obtuvieron como resultado que la generación de electricidad a bordo desde un sistema de pila de combustible mejorará los resultados económicos y el comportamiento medioambiental de los vehículos eléctricos. Ajanovic A. (2008) concluyó que los FCVs no serán una buena solución hasta el año 2030 debido a que el coste del hidrógeno y de los vehículos de pila de combustible todavía es muy elevado. Este estudio también obtiene como resultado que la mayor parte del coste del hidrógeno se debe a su producción (más del 95%). En Austria, en el año en el que se llevó a cabo el estudio, la forma menos económica de producir hidrógeno a partir de fuentes renovables es la electrólisis con electricidad fotovoltaica. Mientras que la forma más barata de producir hidrógeno renovable es utilizando biomasa (costando 0,11 €/kWh).   13  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética Para una capacidad de producción baja de hidrógeno, por electrólisis, la producción in situ es económicamente la mejor solución, porque de esta manera se ahorra el coste del transporte de hidrógeno. Este estudio ha mostrado que el transporte de hidrógeno gaseoso con camiones es efectivo para distancias cortas y pequeñas cantidades de hidrógeno, pero no es competitivo con el transporte de hidrógeno líquido. El transporte por conductos es una solución para el caso del hidrógeno gaseoso pero supone una gran inversión en infraestructura. En este estudio se obtiene que el coste del hidrógeno está entre 0,09 €/kWh y 1,18 €/kWh. Lee JY. et al. (2009) llevaron a cabo un análisis del coste del ciclo de la vida del hidrógeno que examina los costes del pozo al tanque (“well-to-tank”), los costes del tanque a la rueda (“tank-to-wheel”) y los costes externos de la emisión de gases y del efecto invernadero, e indican que los costes del ciclo de vida del hidrógeno dependen del precio del FCV, de la capacidad de producción, de la eficiencia del combustible, de los costes sociales y de la interacción del hidrógeno. En este estudio concluyen que en el año 2015, se espera que todas las formas de H2 producido tengan unos costes de ciclo de vida inferiores a los combustibles convencionales. Afirman que el precio del FCV es el factor más importante para impulsar la economía del hidrógeno y de los FCVs. Dicho estudio obtiene como resultado que el hidrógeno obtenido a través del reformado de vapor de agua sería el más viable económicamente ya que se espera que el gas natural sea más barato que el petróleo y también porque emite menos contaminantes. Pero si se tiene en cuenta el coste social, el H2 obtenido con energía eólica sería el mejor ya que emite menos gases de efecto invernadero y menos contaminantes del aire que otras vías de producción. Offer GJ. et al. (2010) en un estudio más reciente llegaron a la conclusión de que en el año 2030, tanto los BEVs como los vehículos híbridos de pila de combustible “enchufables” tendrán costes de ciclo de vida inferiores que los FCVs. Por otro lado, Yongiling Sun et al. (2010) afirman en su estudio que los gastos necesarios para producir FCVs competitivos con respecto a los vehículos de gasolina son bastante sensibles a las externalidades (efecto negativo o positivo de la producción o consumo de algunos agentes sobre la producción o consumo de otros, por los cuales no se realiza ningún pago o cobro) y al precio futuro de la gasolina. Según el estudio llevado a cabo por el DOE (Department of Energy. United States of America, 2011) concluye que los costes de las pilas de combustible han disminuido considerablemente para el caso de los vehículos ligeros, con una reducción de más del 80% desde el año 2002 y del 30% desde el año 2008. Por otro lado, el contenido de platino se ha reducido en un factor de cinco y en la actualidad contiene menos de 0,2 g/kW (objetivo de DOE: 0,125 g/kW). Y la durabilidad de las pilas de combustible se ha duplicado. El coste por kW de un sistema de pilas de combustible en el sector del transporte se redujo a menos de 50 $/kW por pirmera vez en el año 2011. El coste para producir y distribuir hidrógeno también continúa disminuyendo. Para la producción distribuida, el coste de hidrógeno (distribuido y libre de impuestos) obtenido a partir de reformado de gas natural ya está por debajo de 4 $ por galón de gasolina equivalente, dentro del objetivo establecido por el DOE: 2-4 $ por galón de gasolina   14  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética equivalente. El coste del hidrógeno (distribuido y libre de impuestos) obtenido a partir de electrólisis está en torno a 6 $ por galón de gasolina equivalente (Department of Energy. United States of America, 2012). Por otro lado, el DOE está tratando de reducir los costes de ciclo de vida de los FCVs a menos de la mitad en 2020 (ver Fig.8 del ANEXOII). Se espera esta reducción de costes aumentando el volumen de fabricación y las mejoras tecnológicas tanto en las pilas de combustible como en la producción y almacenamiento de hidrógeno. 2.4. Estado actual de los FCVs. La tecnología de las pilas de combustible ha progresado en cuanto a reducción de costes, vida y durabilidad del sistema. Sin embrago, el progreso en lo que se refiere a reducción de costes, tanto de las pilas de combustible como del hidrógeno, debe continuar, y la disponibilidad de estaciones de abastecimiento de hidrógeno debe aumentar, en especial estaciones que proporcionen hidrógeno producido a partir de fuentes renovables. El rendimiento y durabilidad de las pilas en las aplicaciones del transporte también deben mejorarse. Por otro lado, la concienciación de la sociedad con respecto al hidrógeno y las pilas de combustible es baja, por lo que hace falta una mayor divulgación y educación en este campo. Y por último las normas de seguridad y de producción tienen que ser revisadas para reflejar la situación actual. En la actualidad, todavía no existe a nivel mundial un mercado consolidado del hidrógeno y el desarrollo de FCVs está limitado a prototipos. Japón y EE.UU. son los que están trabajando en el desarrollo de la tecnología de pilas de combustible, seguido de Europa. En concreto, España participa en distintos proyectos europeos de demostración relacionados con el hidrógeno y en los últimos años se ha producido un importante impulso promovido por la AeH2 y la Plataforma Tecnológica Española del Hidrógeno y las Pilas de Combustible (PTEHPC). Las perspectivas de futuro de los vehículos impulsados por hidrógeno se detallan a continuación: - Se espera que hasta el año 2030, los combustibles fósiles (combinados con técnicas de captura y almacenamiento de carbono) sigan siendo la fuente de energía dominante para la producción del hidrógeno en Europa. Hasta entonces, el H2 obtenido a partir de fuentes renovables irá penetrando poco a poco en el mercado. - El suministro de H2 probablemente incluya tanto su aprovisionamiento en grandes centrales de suministro como la obtención local en los puntos de consumo. - La introducción de los FCVs depende en gran medida de la reducción del coste del sistema de propulsión y en menor medida del precio de producción, de la distribución y del coste de almacenamiento del H2. - Los incentivos sociopolíticos de cada país también ayudarán a introducir el hidrógeno.   15  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética 3. FÁCTORES TÉCNICOS A TENER EN CUENTA EN UN VEHÍCULO DE PILA DE COMBUSTIBLE.  En este capítulo se definen aquellos parámetros relevantes a tener en cuenta para comparar la eficiencia y sostenibilidad de los vehículos que utilizan H2 como combustible frente a vehículos alimentados por otro tipo de combustible. En los FCVs la principal diferencia con los vehículos convencionales es la pila de células de combustible que convierte el hidrógeno almacenado a bordo con oxígeno del aire en electricidad para hacer funcionar el motor eléctrico que propulsa al vehículo. El Hidrógeno es el elemento más abundante del universo pero es un vector energético, hay que producirlo con el aporte energía. Puede producirse a partir de varios recursos (agua, recursos fósiles, biomasa,..) siguiendo para ello diversos procesos de transformación (electrólisis, gasificación, reformado.). Todos estos procesos de transformación suponen un gasto energético cuyos costes son asumibles (al igual que ocurre con la electricidad) pero a diferencia de la electricidad el hidrógeno es almacenable. En Tabla 2 se presentan las principales propiedades del Hidrógeno: Tabla.2. Propiedades del Hidrógeno. Fuente: Asociación española del Hidrógeno, 2013 (1). Densidad 0,0899 kg/Nm 3 (gas) 0,0708 kg/l (líquido) Poder calorífico Inferior PCI 120 MJ/kg Poder calorífico superior PCS 141,86 MJ/kg Límites de explosión 4-75% (concentración de H2 en aire) Límites de detonación 18,3 - 59,0 % (concentración de H2 en aire) Capacidad calorífica específica Cp = 14,199 KJ/(kg K) Cv = 10,074 KJ/(kg K) Coeficiente de difusión 0,61 cm 2 /s Tabla 3. Comparativa del Hidrógeno con otros combustibles. Fuente: Asociación española del Hidrógeno, 2013 (1). H2 Gasolina Gasóleo Metano Gas Natural Propano Butano Metano l 1 kg 2,78 kg 2,80 kg 2,40 kg 2,54-3,14 kg1 2,59 kg 2,62 kg 6,09 kg 1 litro H2 líquido 0,268 l 0,236 l 0,431 l 1 litro H2 (350 bar) 0,0965 l 0,0850 l 0,240 l (350 bar) 0,3-0,35 l (350 bar) 0,117 l (350 bar) 0,127 l (350 bar) 0,191 l 1 Dependiendo de la composición del Gas Natural.   16  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética Puede extrañar que un kilogramo de hidrógeno genere la misma energía que 2,78 kg de gasolina (Tabla 3), sin embargo, ese kilogramo de hidrógeno ocupa mucho volumen por lo que la cantidad de energía que aporta por unidad de volumen (su densidad energética) es muy baja. En la Tabla 3 se muestra una comparativa del hidrógeno con otros combustibles, calculando el valor energético basado en el PCI. El hidrógeno por tener una densidad de energía baja, debe ser o bien comprimido a muy altas presiones o licuado a muy bajas temperaturas para ser almacenado en un volumen razonable. Técnicamente lo más fácil es comprimirlo a 200-350 bares pero sigue ocupando muchísimo (a una presión de 200 bares, almacenar 4 kg requeriría un depósito de 250 litros), el uso de nuevos materiales (composites de fibras de carbono con polímeros o aluminio) permite almacenarlo a presiones de hasta 700 bares. Si el Hidrógeno está en estado líquido, ocupa 700 veces menos que a temperatura ambiente y a presión atmosférica, pero se necesita mucho frío para alcanzar los 253 ºC bajo cero que necesita el hidrógeno para pasar a estado líquido. Por lo que se investigan distintos métodos para almacenar hidrógeno en menos volumen, las dos alternativas existentes hasta la fecha son el almacenamiento de hidrógeno en hidruros metálicos y en nanotubos de carbono. De momento algunas marcas han optado por incorporar un reformador que convierte otro combustible que ocupa menos volumen (metanol) en hidrógeno. Tabla.4. Propiedades físicas y químicas del hidrógeno, metano, propano y gasolina. Fuente: Gutiérrez Jodra, Luis , 2005. Propiedad Hidrógeno (H2) Metano (CH4) Propano (C3H6) Gasolina -CH2Poder calorífico (MJ/kg) 120 50 46,3 44,5 Temperatura de autoignición (ºC) 585 540 487 228-501 Temperatura adiabática de la llama en aire (ºC) 2.045 1.875 1.925 2.197 Límites de ingnición en aire (% en vol.) 4-75 5,3-15 2,1-10 1,0-7,6 Propagación de la llama en aire (m/s) 2,65 0,4 - 0,4 Coeficiente de difusión en aire (cm2/s) 0,61 0,18 - 0,05 Toxicidad no no - Alta a conc> 500 ppm ∆V en la reacción con oxígeno negativo positivo positivo En la Tabla 4 se presenta una comparación entre las propiedades físicas y químicas del hidrógeno y de otros combustibles como son el metano, el propano y la gasolina. El hidrógeno es un buen combustible capaz de proporcionar más energía por unidad   17  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética de masa que otro combustible: 33,3 kWh/kg, frente a los 13,9 kWh/kg del gas natural o los 12,4 kWh/kg del petróleo (Asensio Paloma, “Hidrógeno y Pila de combustible). En la Tabla 5 se muestra un análisis DAFO sobre el uso del Hidrógeno como combustible. Tabla.5 Análisis DAFO sobre el uso del hidrógeno como combustible. Fuente: IDAE, FITSA (2008). DEBILIDADES AMENAZAS - No se trata de una fuente de energía sino de un vector energético, y como tal hay que consumir cierta energía para fabricarlo. - Su transporte es costoso por tener una baja densidad energética por unidad de volumen y por ser un gas muy volátil. - No existe en la actualidad una infraestructura de suministro de hidrógeno para su uso como vector energético comercial. - El almacenamiento en el vehículo de la cantidad de hidrógeno suficiente para asegurar una autonomía media no esta resuelto. - Las pilas de combustible están en fase de desarrollo. - En la actualidad se produce en el mundo una veinteava parte de todo el hidrógeno que sería necesario para sustituir a los combustibles alternativos. - Que el precio del hidrógeno no llegue a ser competitivo con los combustibles alternativos. - El precio del hidrógeno puede ser muy dependiente del precio del gas natural o de la electricidad renovable. - La producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles (especialmente el carbón) necesita del desarrollo de nuevas técnicas de captura y almacenamiento de CO2 para reducir las emisiones de este gas de efecto invernadero. - Un aumento del precio del platino usado como catalizador de la combinación química del hidrógeno con el oxígeno encarecería considerablemente las pilas de combustible. - Inexistencia de una normativa sobre su uso. FORTALEZAS OPORTUNIDADES - Se puede producir hidrógeno a partir de múltiples fuentes, incluidas fuentes energéticas sostenibles y locales. - El hidrógeno se puede almacenar, pudiendo servir como método de almacenamiento de la energía de fuentes alternativas, las cuales son muy estacionales o cíclicas con el tiempo. - El uso de hidrógeno en pilas de combustible puede aumentar el rendimiento global del sistema, al no estar limitado a ciclos termodinámicos. - El uso del H2 no produce CO2, ni contaminantes del aire. - Reducción de la dependencia energética. - Reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. - Desarrollo de un sistema optimizado de producción y distribución de H2. El Hidrógeno en vehículos puede utilizarse en motores de combustión interna (MCI) formando parte de una cadena de tracción convencional, o con pilas de combustible para configuraciones de tracción eléctrica. Un motor de combustión estacionario puede alcanzar eficiencias del 42%, un buen motor de coche puede rondar el 25%, ya que en un ciclo de conducción normal la mayor parte del tiempo el motor trabaja a cargas parciales, estando muy lejos de alcanzar su máxima eficiencia. Mientras que una pila de combustible utilizando   18  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética hidrógeno, alcanza ya eficiencias del 60% (Asociación española del Hidrógeno, 2013 (2))(Ver Fig. 8. del ANEXO III). Para poder evaluar las distintas opciones de sistemas de propulsión y de futuros combustibles es necesario llevar a cabo un análisis completo del ciclo de vida del combustible, comúnmente llamado análisis del “pozo a las ruedas” (WTW: Well-toWheels ). En este análisis se utilizan el consumo de energía y las emisiones asociadas con la producción del combustible (o análisis del “pozo al tanque” (WTT: Well-to-Tank), es decir, el consumo de energía y las emisiones asociadas para tener el combustible en el depósito del vehículo, y el consumo de energía y emisiones asociados al funcionamiento del vehículo (o análisis del “tanque a la rueda” ( TTW: Tank-to-Wheel) . EUCAR (European Council for Automotive R&D), CONCAWE (Oil companies’ European association for environment, health and safety in refining and distribution) y JRC (Joint Research Centre of the European Commission) han actualizado su evaluación conjunta WTW del uso de la energía y de la emisión de gases de efecto invernadero para una amplia gama de combustibles futuros y para distintas opciones de sistemas de propulsión (Edwars R. et al., 2011). La producción a gran escala de combustibles sintéticos o de hidrógeno a partir de carbón o gas reducen de manera considerable las emisiones de gases de efecto invernadero mediante la captura y almacenamiento del CO2. Los principales obstáculos que obtienen estas técnicas para aplicarlas a gran escala son los elevados costes y las complejidades asociadas a la recogida del material, el tamaño de la planta y la eficiencia. En lo que se refiere a los combustibles y vehículos convencionales, los avances en distintas tecnologías permiten mejorar la eficiencia energética y la reducción de los gases de efecto invernadero. Edwars R. et al., 2011 afirmaron que existen muchas vías de producir hidrógeno y los resultados dependen de la vía elegida. Si el hidrógeno es producido a partir de gas natural, la reducción de emisiones “WTW” de gases de efecto invernadero se consiguen si el hidrógeno se utiliza en FCVs. El consumo de energía y las emisiones “WTW” de gases de efecto invernadero son más elevadas para el caso de los vehículos de motor de combustión interna que utilizan hidrógeno como combustible que para el caso de los vehículos convencionales y de gas natural. A corto plazo, el gas natural es la única fuente viable de obtener hidrógeno a gran escala. La reducción de emisiones “WTW” de gases de efecto invernadero solamente se conseguirá si se utiliza hidrógeno en FCVs aunque con costes muy elevados. Los vehículos de motor de combustión interna de hidrógeno estarán disponibles en un plazo corto a menor coste que los vehículos de pila de combustible. Su uso aumentará las emisiones de gases de efecto invernadero, siempre y cuando el hidrógeno se produzca a partir de gas natural. La electrólisis tiene mayor emisión de gases de efecto invernadero que la producción de hidrógeno a partir de gas natural. Mientras que la producción de hidrógeno a partir de fuentes renovables (biomasa, eólica y nuclear) genera emisiones bajas.   19  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética Por otro lado los reformadores a bordo ofrecen la oportunidad de establecer la tecnología de los FCVs con la infraestructura de distribución de combustible que existe actualmente. Considerando el hidrógeno como combustible, prácticamente todas las emisiones de gases de efecto invernadero se producen en la parte “WTT”, por lo que es interesante la captura y almacenamiento de CO2. Las pilas de combustible consumen menos energía que los motores de combustión interna, que actualmente son menos eficientes (Ver fig. 11 de ANEXO III). En este estudio se llevó a cabo el análisis WTW para el caso de una combinación de reformado de un hidrocarburo y de una pila de combustible y se observó que es menos favorable que el uso de hidrógeno obtenido a partir de gas natural combinado con una pila de combustible, la principal razón es la baja eficiencia de los reformadores a bordo debido a su reducido tamaño. Si se compara con el caso de tener gasolina como combustible, la opción del reformador a bordo sería ligeramente mejor que el motor de combustión interna. Por lo que el estudio concluye que la producción de hidrógeno a bordo consume más energía y produce mayor emisión de gases de efecto invernadero que la producción de hidrógeno estacionaria. Los vehículos de pila de combustible (FCVs) que utilizan hidrógeno obtenido a partir de gas natural son de 2 a 3 veces más eficientes que los vehículos convencionales de gasolina, diesel o gas natural. Además los FCVs emiten 60% menos gases de efecto invernadero que los vehículos convencionales, y el 35% menos de gases de efecto invernadero que los vehículos de gas natural (California Fuel Cell Partnership, 2009). Los FCVs que utilizan hidrógeno obtenido a partir de la biomasa emitirán un 83% menos de gases de efecto invernadero que los vehículos actuales de gasolina (2012 Gasoline) y consumirán un 98% menos de petróleo (DOE, U.S. Department of Energy, 2013). Por otro lado la seguridad del H2 es un aspecto a tener en cuenta para un futuro uso masivo del hidrógeno, para ello es clave tener en cuenta su masa molecular que es la más baja de los elementos gaseosos, lo que da idea de su difusividad y de su baja densidad. Otras propiedades importantes son la temperatura de ignición y la toxicidad. En cuanto al coste del H2, producir hidrógeno en una planta centralizada no es caro, pero debido a sus características, baja densidad energética por unidad de volumen, los costes de almacenamiento y transporte sí que son elevados. En los comienzos de la introducción del Hidrógeno hay que asumir que los sistemas de producción serán de tipo distribuido ya que la demanda no será elevada. En la Tabla 6 se muestran las eficiencias y costes medios de las distintas técnicas de producir H2. Se observa que uno de los procesos más baratos para producir H2 y que menos contamina es la producción mediante la gasificación de biomasa.   26  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética Fig.4. Comparación de la energía específica útil (energía por unidad de masa) de los sistemas de pila de combustible y de varios tipos de baterías. Fuente: (Thomas CE (2), 2009). Si se analiza el tiempo de repostaje, un BEV de segmento medio con una carga máxima de batería tiene una autonomía de 150 km si circulan a 120 km/h por autopista y los tiempos de recarga de los BEVs son más elevados, 6-8 horas utilizando un equipo de carga normal. Los FCEVs con un rendimiento de conducción similar, tienen una autonomía de 600 km y un tiempo de recarga inferior a 5 minutos, comparable con los vehículos de motor de combustión interna (McKinsey & Company, 2011). Para hacer un balance de emisiones de CO2 de distintos combustibles alternativos y de distintos sistemas de propulsión se lleva a cabo un análisis del ciclo completo WTW, estableciendo como referencia para dicho análisis las emisiones medias producidas por los vehículos de gasolina en el año 2002 (Ver Fig.7 de ANEXO V). Se obtiene las siguientes conclusiones: - Se observa que los vehículos actuales de gasolina y diesel tienen un nivel de emisiones CO2 más reducido que los vehículos establecidos como referencia. - Los vehículos eléctricos tienen emisiones nulas en el tubo de escape. - Los vehículos híbridos producen menos emisiones CO2 que la mayoría de automóviles con motor de combustión interna disponibles en el mercado. - Los vehículos alimentados con hidrógeno tienen emisiones nulas de CO2 en el punto de utilización (en el caso de los vehículos de pila de combustible) o muy bajas (en el caso de los vehículos con motor de combustión interna alimentado con hidrógeno). Como se puede observar en la Fig.7 del ANEXO V, si se utiliza una fuente de energía renovable como la eólica, la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero es muy importante. Mientras que si el hidrógeno se obtiene mediante reformado del gas natural, la reducción en las emisiones de CO2 ya no es tan importante.   27  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética El estudio llevado a cabo por McKinsey & Company, 2011 concluye que los BEVs, PHEVs y FCEVs tienen el potencial necesario para reducir de manera importante las emisiones de CO2 y las emisiones locales. El objetivo establecido por la Comisión Europea para la reducción de emisiones de CO2 es no superar los 125 gr de CO2/km en el año 2015 (Parlamento Europeo, 2013). En cuanto al balance energético, se lleva a cabo el mismo análisis comparativo considerando como referencia el consumo de energía del vehículo de gasolina del 2002. Se tiene en cuenta el consumo de energía en el ciclo completo, WTW, teniendo en cuenta así la eficiencia de la producción de combustible y la eficiencia del vehículo. En la Fig.8 del ANEXO V se puede observar este balance energético, obteniéndose las siguientes conclusiones: - Los vehículos híbridos permiten una mayor reducción del consumo energético (~35%) ya que su eficiencia energética es mayor. - Si se utiliza H2 obtenido por reformado de gas natural en vehículos con motor de combustión interna, el consumo de energía fósil es ligeramente superior al caso de utilizarse gas natural. - Si se utiliza H2 en un FCVs, el consumo de energía es menor debido a la mayor eficiencia del sistema de propulsión. Si se analiza el grado de desarrollo tecnológico y de las infraestructuras para cada uno de los sistemas de propulsión analizados se observa que la tecnología de vehículo híbrido es la más desarrollada. También se observa que el grado de desarrollo de la tecnología de vehículos eléctricos y del uso del hidrógeno en MCI es alto, mientras que en el caso de la pila de combustible el grado de desarrollo es bajo. El grado de desarrollo de la infraestructura de la pila de combustible y del MCI con H2 es muy bajo (FITSA,IDAE, 2008). 5.1. Comparativa económica de los distintos tipos vehículos.  Para hacer una comparativa económica entre los distintos tipos de vehículos se va a utilizar el coste total de propiedad (TCO, total cost of ownership), pero simplificado ya que solamente se va a tener en cuenta el precio de compra del vehículo y el precio del combustible (Ver fórmula en sección 5.7 del ANEXO V).  Se lleva a cabo la comparación entre el TCO de FCVs y el TCO de vehículos de gasolina y de vehículos de gasóleo. Para calcular el TCO de vehículos de pila de combustible se ha considerado como referencia el vehículo Hyundai ix35 fuel cell (ver Tabla 7) cuyo precio de compra son 125.000 € y tiene un consumo de 0,95 kg H2 / 100 km. Se ha considerado como distancia media recorrida al año 12.000 kilómetros y una vida útil del vehículo de 15 años (McKinsey & Company, 2011). Para calcular el TCO se han considerado distintos precios del combustible, en este caso el hidrógeno (desde 0 hasta 20 €/kg H2), de esta manera se analiza como varía el TCO en función del coste del hidrógeno. Se observa que al aumentar el precio del H2 el TCO lógicamente aumenta.   28  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética  Tabla 7. Tabla comparativa de un vehículo de pila de combustible, de un vehículo de gasolina y de un vehículo diesel. Fuente: Elaboración propia.  Por otro lado, para calcular el TCO de un vehículo de gasolina y llevar a cabo un análisis comparativo se ha considerado un vehículo de las mismas propiedades que el Hyundai ix35 fuel cell. El vehículo analizado es Hyundai ix35 1.6 GDi 4x2 stadt (ver Tabla 7). Para el vehículo de gasolina se ha considerado como distancia media recorrida al año 12.000 kilómetros y una vida útil del vehículo de 10 años. En este tipo de vehículo se ha calculado el TCO para cuatro valores de precio de gasolina: precio actual de la gasolina 142,96 cts€ /l (valor de junio 2013) (Minetur, 2013), 2 €, 2,5 € y 3 €. El vehículo de gasóleo que se ha utilizado para el análisis comparativo es el Hyundai ix35 2.0 CRDi 4x2 Tecno (ver Tabla 7). Para este vehículo se ha considerado como distancia media recorrida al año 12.000 kilómetros y una vida útil del vehículo de 10 años. En este tipo de vehículo también se ha calculado el TCO para cuatro valores de precio de gasóleo: precio actual del gasóleo 133,41 cts€ /l (valor de junio 2013) (Minetur, 2013), 2 €, 2,5 € y 3 €. PILA DE COMBUSTIBLE GASOLINA DIESEL Fabricante Hyundai Hyundai Hyundai Vehículo ix35 fuel cell Hyundai ix35 1.6 GDi 4x2 stadt Hyundai ix35 2.0 CRDi 4x2 Tecno Año 2012 2013 2013 P(kW) 100 kW (136 CV) 99kW (135 CV) (3) 100kW (136 CV) (4) Consumo (kg H 2 /100 km) 0,95 kg H 2 /100 km (2) 6,8 l / 100 km (3) 5,5 l / 100 km (4) Consumo (MJ/100 km) 114 MJ/100 km 219,43 MJ/100 km (6) 197,23 MJ/100 km (6) PCI 120 MJ/kg 43,2 MJ/kg (5) 43,1 MJ/kg (5) Autonomía 594 km Velocidad máxima 160 km/h 178 km/h (3) 182 km/h (4) Fabricante Pila HMC (Hyundai Motor Company) Volumen Pila 1,65 kW/l (densidad de potencia) (1) Precio 125.000 € 20.157 € (tarifa 15/06/2013)(3) 25.947 € (tarifa 15/06/2013)(4) Depósito (capacidad) 2 depósitos, 5,64 kg (en total) 58 litros (3) 58 litros (4) Aspectos especiales Ganador del premio FuturAuto 2013. Arranca a -25 ºC. Hyundai tiene prevista la fabricaciación de 1.000 unidades de vehículos ix35 Fuel Cell impulsados por hidrógeno para el año 2015, destinadas principalmente al sector público y a flotas particulares, con una producción en serie limitada de 10.000 unidades después de 2015. Combustible Hidrógeno comprimido 70 MPa Gasolina Gasóleo Peso 1830 kg (2) 1380 kg (3) 1533 kg (4) Peso Bruto 1980 kg (2) (1)http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/htac_may2012_hyundai.pdf (2)http://media.firabcn.es/content/S012013/doc/notas_prensa_nov_marcas/hyundai/doc_ix35_fuel_cell_es.pdf (3)http://www.km77.com/precios/hyundai/ix35/2010/ix35‐16‐gdi‐4x2‐stadt (4)http://www.km77.com/precios/hyundai/ix35/2010/ix35‐20‐crdi‐136‐cv‐4x2‐tecno (5)http://ies.jrc.ec.europa.eu/uploads/media/TTW_Report_010307.pdf (6)Valoresdensidaddistintoscombustibles:http://www.boe.es/boe/dias/2010/09/04/pdfs/BOE‐A‐2010‐13704.pdf   29  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética Comparando el TCO, se observa que para el precio actual del vehículo de pila de combustible y para el precio actual de la gasolina y del gasóleo (Minetur, 2013), independientemente del coste del hidrógeno, el vehículo de pila de combustible actual no es competitivo ni con el vehículo convencional de gasolina ni con el vehículo de gasóleo y que para serlo tendría que tener un precio de compra más reducido. Si el precio de compra del vehículo de pila de combustible fuese similar al precio de compra del vehículo de gasolina o gasóleo, en función del precio del hidrógeno el vehículo de pila de combustible podría ser un vehículo competitivo con dichos vehículos.  Fig. 5. Comparativa del Coste Total de Propiedad simplificado de distintos vehículos en función del tipo de combustible, hidrógeno o gasolina (caso: vehículo de pila de combustible tenga el mismo precio de compra que el vehículo de gasolina). Fuente: Elaboración propia.    Fig. 6. Comparativa del Coste Total de Propiedad simplificado de distintos vehículos en función del tipo de combustible, hidrógeno o gasóleo (caso: vehículo de pila de combustible tenga el mismo precio de compra que el vehículo de gasóleo). Fuente: Elaboración propia.   30  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética  En la Fig. 5 se observa que para el caso de que el vehículo de pila de combustible tenga una vida útil de 15 años y el vehículo de gasolina una vida útil de 10 años, para el precio actual de la gasolina (Minetur, 2013), el vehículo de pila de combustible sería competitivo con el vehículo de gasolina si el precio del hidrógeno fuese inferior a 6,82 €/kg H2. Si el precio de la gasolina fuese mayor, que va a ser la tendencia, el precio del hidrógeno a partir del cual el vehículo de pila de combustible sería competitivo con el vehículo de gasolina podría ser mayor. Si se lleva a cabo la misma comparativa pero para el caso de que el vehículo de pila de combustible tenga una vida útil de 20 años (línea verde discontinua) y para el caso de que el vehículo convencional de gasolina tenga una vida útil de 20 años (línea roja discontínua), que es la tendencia al desarrollarse la tecnología actual, se concluye que para que el vehículo de pila de combustible fuese competitivo con el vehículo de gasolina (al precio actual de la gasolina) el precio del hidrógeno tendría que ser inferior a 10,23 €/kg H2. Este precio del hidrógeno es más elevado que para el caso de que la vida útil del vehículo de pila de combustible fuese de 15 años y la vida útil del vehículo de gasolina fuese de 10 años, ya que al incrementar la vida útil del vehículo el TCO aumenta. Si se lleva a cabo el mismo análisis para el caso del vehículo de gasóleo (Fig.6) se observa que para el caso de que el vehículo de pila de combustible tenga una vida útil de 15 años y el de gasóleo de 10 años, para el precio actual del gasóleo (Minetur, 2013), el vehículo de pila de combustible sería competitivo con el vehículo de gasolina si el precio del hidrógeno fuese inferior a 5,15 €/kg H2. Al incrementarse el precio del gasóleo, el precio del hidrógeno a partir del cuál el vehículo de pila de combustible sería competitivo con el vehículo de gasóleo también se incrementaría. Mientras que si se lleva a cabo la misma comparativa pero para el caso de que el vehículo de pila de combustible tenga una vida útil de 20 años (línea verde discontinua) y para el caso de que el vehículo de gasóleo tenga una vida útil de 20 años (línea azul discontínua), que es la tendencia al desarrollarse la tecnología actual, se concluye que para que el vehículo de pila de combustible fuese competitivo con el vehículo de gasóleo (al precio actual de la gasolina) el precio del hidrógeno tendría que ser inferior a 7,72 €/kg H2. Este precio del hidrógeno es más elevado que para el caso de que la vida útil del vehículo de pila de combustible fuese de 15 años y la vida útil del vehículo de gasolina fuese de 10 años, ya que al incrementar la vida útil del vehículo el TCO aumenta. Una vez realizado el análisis comparativo del coste total de propiedad de cada vehículo en función del tipo de combustible utilizado, se ha llevado a cabo un análisis comparativo de este coste por kilómetro recorrido.   31  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética  Fig. 7. Comparativa del Coste Total de Propiedad simplificado de distintos vehículos por kilómetro recorrido en función del tipo de combustible, hidrógeno o gasolina (caso: vehículo de pila de combustible tenga el mismo precio de compra que el vehículo de gasolina). Fuente: Elaboración propia.     Fig. 8. Comparativa del Coste Total de Propiedad simplificado de distintos vehículos por kilómetro recorrido en función del tipo de combustible, hidrógeno o gasóleo (caso: vehículo de pila de combustible tenga el mismo precio de compra que el vehículo de gasóleo). Fuente: Elaboración propia.  En este caso, para que el vehículo de pila de combustible sea competitivo con el vehículo de gasolina convencional, suponiendo una vida útil para el primero de 15 años y una vida útil para el vehículo de gasolina de 10 años (situación actual) y suponiendo el precio actual de la gasolina, el hidrógeno tendría que costar menos de 16,12 €/kg H2 (ver Fig.7). Se observa que si se tienen en cuenta los kilómetros recorridos durante la vida útil este límite es más elevado esto se debe a que actualmente la vida útil del vehículo de pila de combustible es mayor que la vida útil del vehículo convencional de gasolina.   32  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética  En el supuesto de que tanto el vehículo de gasolina como el vehículo de pila de combustible tuviesen una mayor vida útil, 20 años para los dos casos, el TCOsimplificado por kilómetro recorrido lógicamente sería inferior y por lo tanto el valor del hidrógeno a partir del cual el vehículo de pila de combustible sería competitivo con el vehículo de gasolina también sería inferior:10,23 €/kg H2 para el caso de que la gasolina tuviese el precio actual. Si se realiza el mismo análisis para el caso del vehículo de gasóleo, para que el vehículo de pila de combustible sea competitivo con el vehículo de gasóleo, suponiendo una vida útil para el primero de 15 años y una vida útil para el vehículo de gasóleo de 10 años y suponiendo el precio actual del gasóleo, el hidrógeno tendría que costar menos de 15,17 €/kg H2 (ver Fig.8), este límite es un poco inferior al que se daba en el caso de la gasolina esto es debido a que el precio del vehículo de gasóleo es superior y a que el precio del gasóleo es inferior. Se observa que si se tienen en cuenta los kilómetros recorridos durante la vida útil este límite es más elevado esto se debe a que actualmente la vida útil del vehículo de pila de combustible es mayor que la vida útil del vehículo de gasóleo. En el supuesto de que tanto el vehículo de gasóleo como el vehículo de pila de combustible tuviesen una vida útil de 20 años, el TCOsimplificado por kilómetro recorrido lógicamente sería inferior y por lo tanto el valor del hidrógeno a partir del cual el vehículo de pila de combustible sería competitivo con el vehículo de gasóleo también sería inferior: 7,72 €/kg H2 para el caso de que la gasóleo tuviese el precio actual.  Nota: El trabajo completo para la elaboración de este capítulo se puede consultar en el ANEXO V.  6. ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD DE PRODUCIR H2 MEDIANTE FUENTES RENOVABLES PARA SUMINISTRAR ESTE COMBUSTIBLE A LOS VEHÍCULOS. El panorama energético actual presenta dos problemas bien conocidos el agotamiento de los recursos no renovables y la contaminación ambiental relacionada con el quemado de los combustibles fósiles. Estos problemas motivan la búsqueda de fuentes de energía perdurables y limpias que, junto con otras medidas como el ahorro y la eficiencia en el proceso de producción y consumo de energía y el desarrollo de sistemas generalizados de acumulación de energía limpios, solucionen el abastecimiento energético a medio y largo plazo. El hidrógeno es el elemento más básico y abundante de la naturaleza pero no se encuentra aislado, es decir, hay que producirlo. La producción del H2 a partir de hidrocarburos no parece una solución a largo plazo ya que no solucionaría el problema del agotamiento de recursos naturales. Los métodos más utilizados actualmente para la producción del hidrógeno son el reformado de hidrocarburos y la electrólisis del agua.   33  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética En la siguiente figura (Fig.9) se muestra la tendencia futura acerca de los procesos de producción de hidrógeno. Fig.9. Tendencia futura de producción de H2. Fuente: Asignatura Pilas de combustible y sus aplicaciones. Máster Universitario en Energía Renovables y Eficiencia Energética) Según expertos que han contribuido en el proyecto HyWAYS, en un principio el hidrógeno en España provendrá de la industria química y del reformado con vapor del gas natural para su aplicación en vehículos. A partir del año 2020, se prevé una producción masiva a partir de la gasificación de carbón nacional (con captura de CO2) y electrólisis a partir de energía eólica y solar de alta temperatura (IDAE, Asociación Española del Hidrógeno, 2008). La producción de H2 a partir de biomasa se puede llevar a cabo mediante procesos termoquímicos (reformado, pirolisis y gasificación) o mediante procesos biológicos (fermentación alcohólica y digestión anaeróbica). Los procesos termoquímicos para la producción de hidrógeno por general, se utilizan en sistemas centralizados. Presentan una eficiencia entre el 42-72%, con un coste de producción de 100 €/MWh, habiéndose demostrado una producción por gasificación de 100 a 400 toneladas/día y estando la pirolisis en un estadio comercial (Asignatura Pilas de combustible y sus aplicaciones. Máster Universitario en Energía Renovables y Eficiencia Energética). Los retos a resolver en la gasificación y pirolisis se refieren al pretratamiento de la biomasa, la retirada de cenizas y la limpieza de gas de síntesis. Mientras que los procesos biológicos se utilizan en sistemas descentralizados, siendo más lentos y costosos que los termoquímicos. La gasificación de la biomasa es actualmente uno de los métodos más avanzados para producir H2 a partir de biomasa. En concreto, dos tipos de biomasa se pueden utilizar como materia prima para la producción de hidrógeno: los cultivos bioenergéticos y los residuos que son menos costosos, como residuos de cultivo agrícola o residuos de la transformación de la madera (residuos de biomasa). El hidrógeno se puede obtener a partir de del vapor de gasificación de paja de leguminosas, de serrín de pino, de cáscara de avellana, de astillas de pino, de paja de trigo y de residuos de madera (Kirtay Elif, 2011), entre otros.   34  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética 6.1. Análisis del H2 necesario para alimentar a la flota actual de vehículos en España y análisis de la forma de producirlo. El parque nacional de turismos en España a 31 de diciembre de 2011 era de 22.277.244, último dato publicado por la Dirección General de Tráfico (Dirección General de Tráfico, 2011). Los kilógramos de hidrógeno necesarios al año para alimentar toda la flota de turismos nacional si los mismos funcionasen con hidrógeno son 2,539  10  ñ (Ver cálculos en ANEXO VI). Para ello se ha supuesto un consumo de 0,95 kg de H2/100 kilómetros, consumo del Hyundai ix35 fuel cell (Hyundai, 2013 (3)), y un recorrido de 12.000 kilómetros al año (McKinsey & Company, 2011). La energía necesaria para producir esta cantidad de hidrógeno es 1,6568 x 1011   ñ (ver cálculos en ANEXO VI). Una vez conocido este dato, si se tiene en cuenta los datos de producción nacional de energía eléctrica en el año 2011 (Ministerio de Industria, Energía y Turismo, 2011) se observa que durante este año se produjo un total de 42.007 GWh mediante energía eólica, un total de 7.019 GWh con energía fotovoltaica y un total de 1.777 GWh con energía termosolar. Por lo tanto se concluye que la energía renovable que podría cubrir la demanda de energía para alimentar a la flota nacional de turismos, si éstos fuesen vehículos de pila de combustible, sería la energía eólica ya que multiplicando por cuatro su producción actual se obtendrían los 165.680 GWh necesarios. Mientras que si se utilizase energía fotovoltaica habría que multiplicar su producción por 24 y si se utilizase energía termosolar habría que multiplicar su producción por 93, algo que material y económicamente imposible.. También se plantea la producción de hidrógeno a partir de biomasa, ya que es uno de los métodos de producción más baratos (Balat Haava, Kırtay Elif, 2010). La gasificación de la biomasa es actualmente uno de los métodos más avanzados para producir H2 a partir de biomasa. En el estudio llevado a cabo por Moreno J. y Dufour J. (2013) se determina la viabilidad ambiental de cuatro residuos lignocelúlosicos españoles (poda de vid, poda de almendro y residuos forestales de plantaciones de pino y de eucalipto) para la producción de hidrógeno mediante gasificación. De este estudio se obtienen los siguientes datos: - Por cada 1,32 kg de residuo de pino se obtiene 0,0233 kg de H2. - Por cada 1,11 kg de residuo de eucalipto se obtiene 0,016 kg de H2. - Por cada 1,44 kg de poda de almendro se obtiene 0,027 kg de H2. - Por cada 1,01 kg de poda de vid se obtiene 0,0233 kg de H2.   35  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética Con este dato de producción de hidrógeno a partir de diferentes tipos de biomasa, conocida la producción de biomasa por hectárea y conocida la cantidad de hidrógeno necesaria para alimentar la flota de turismos nacional (2,539  10  ñ), permitirá calcular las hectáreas que se necesitan para producir esa cantidad de hidrógeno, de esta manera se sabrá si es viable la producción de hidrógeno a partir de biomasa para alimentar a toda la flota de turismos. La producción de residuo de pino por hectárea es de 2379 kg de poda/hectárea (Agencia Andaluza de la Energía, 2011). Para producir 2,539  10  ñ se necesita 1,1438 x 1011 kg de residuo de pino y harían falta 60.462.523 hectáreas de pino. Si se tiene en cuenta las hectáreas que hay de pino actualmente, considerando el pino carrasco (Pinus halepensis), el pino pináster (Pinus pinaster), el pino silvestre (P. sylvestris) y el pin laricio (P. nigra), unas 4.650.000 hectáreas (Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, 2011 (2)), habría que multiplicar por 13 las hectáreas actuales para tener la biomasa necesaria para producir el hidrógeno que podría alimentar a la flota nacional de turismos. La producción de residuo de eucalipto por hectárea es de 2792 kg /hectárea (Agencia Andaluza de la Energía, 2011). Para producir 2,539  10  ñ se necesita unos 1,76 x 1011 kg de residuo de eucalipto y 63.037.249 hectáreas de eucalipto. Si se tiene en cuenta las hectáreas que hay de eucalipto actualmente, 640.000 hectáreas (Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, 2011 (2)), habría que multiplicar por 98 las hectáreas actuales para tener la biomasa necesaria para producir el hidrógeno que podría alimentar a la flota nacional de turismos. La producción de poda de almendro por hectárea es de 300 kg/hectárea (Asignatura Biomasa. Máster Universitario en Energía Renovables y Eficiencia Energética). Para producir 2,539  10  ñ se necesita unos 1,35 x 1011 kg de poda de almendro y harían falta 451.377.778 hectáreas de almendros. Si se tiene en cuenta que actualmente hay 571.183 hectáreas de almendros (Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, 2012 (1)), haría falta multiplicar por 790 las hectáreas actuales para tener la superficie necesaria para obtener el hidrógeno requerido para alimentar a la flota completa, por lo que no es muy viable esta opción. Por otro lado, la producción de poda de vid por hectárea es de 800 kg/hectárea (Asignatura Biomasa. Máster Universitario en Energía Renovables y Eficiencia Energética). Para producir 2,539  10  ñ se necesita unos 1,10 x 1011 kg de poda de vid y harían falta 137.574.571 hectáreas de vid. Si se tiene en cuenta que actualmente hay 967.055 hectáreas de viñedo (Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, 2012 (1)), haría falta multiplicar por 142 las hectáreas actuales para obtener la superficie necesaria para obtener el hidrógeno requerido para alimentar a la flota nacional de turismos. Esta opción mejora a la anterior pero aún así hace falta mucha superficie.   42  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficien c ia Ener g ética GM, 2013 (3). 2010 Fuel Cell Technologies market report. Junio 2011. U.S. Department of energy. Energy Eficiency & Renewable Energy González García-Conde, A. 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ANÁLISIS DE LA EVOLUCIÓN DE LOS VEHÍCULOS DE PILA DE COMBUSTIBLE (1992-2012).  1  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E ANEXO I. ANÁLISIS DE LA EVOLUCIÓN DE LOS VEHÍCULOS DE PILA DE COMBUSTIBLE (1992-2012) Con el objeto de llevar a cabo un análisis de la evolución de los vehículos de pila de combustible durante los últimos 20 años, se ha obtenido información de distintas fuentes de internet, principalmente de páginas de varios fabricantes de vehículos, y se ha llevado a cabo un análisis bibliográfico. Una vez realizada la búsqueda de información, se ha elaborado una tabla que contiene un total de 262 vehículos, para ello se ha llevado a cabo un análisis de los vehículos de pila de combustible desarrollados, solamente se van a analizar los turismos ya que otros vehículos cómo pueden ser los “carritos” de golf son demasiados pequeños y el vehículo que realmente tendría repercusión es un utilitario o un autobús. Dicha tabla recoge la evolución de los vehículos de pila de combustible de hidrógeno en función del fabricante durante 20 años, desde 1992 hasta 2012. Se han seleccionado los fabricantes que han realizado varios prototipos para comparar los modelos de un mismo fabricante y analizar su evolución. Dentro de cada fabricante, se han agrupado los vehículos que son del mismo tipo. Una vez analizadas las distintas marcas que recoge la tabla, se observa que Daimler, General Motors, Honda, Hyundai y Toyota, son los fabricantes que han desarrollado más prototipos y por lo tanto se va a poder estudiar mejor la evolución de sus vehículos. De la compañía Daimler AG (a partir de 1925 utiliza como marca-nombre MercedesBenz, por este motivo el texto se va a referir a dicho fabricante como Mercedes-Benz) se han recogido 25 vehículos de pila de combustible entre el año 1992 y el año 2012. De estos 25 vehículos se descartan tres, el Daimler F-CELL Roadster (2009) por tratarse de un vehículo vintage, del cual no esta prevista su comercialización, y que es conducido por un joystick, el Energy-G-Force (2012) y el Jeep Treo (2003) porque no se dispone mucha información sobre ellos. El resto de vehículos, se han agrupado en turismos y en furgonetas. Y dentro de los turismos se han comparado aquellos que son de la misma categoría. Se ha analizado la evolución del vehículo de pila de combustible de este fabricante (Fig.1 y Fig.2).  8  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Dentro de los distintos modelos de vehículos de pila de combustible que tiene GM, se puede observar que muchos de ellos se desarrollan a partir de la mono-volumen Opel Zafira, estos son: Zafira (mini-van) (1998), HydroGen1 (2000), HydroGen3 (2001), Advanced HydroGen3 (2002) e HydroGen3 liquid (2004). Si se lleva a cabo una comparativa de estos vehículos se puede observar que sus prestaciones han ido mejorando notablemente (Fig.8): - El motor de estos vehículos funciona con pila de combustible o con pila de combustible y batería. - En cuanto al tipo de pila se observa que el primer modelo (Zafira mini-van 1998) utilizaba una PEMFC de Ballard mientras que el resto ya utilizan una pila PEMFC desarrollada por GM. En la Tabla 1 se observa la evolución de la pila de combustible de GM, en la que se puede observar que ha ido aumentando la cantidad de potencia producida por litro (densidad de potencia). - La autonomía ha permanecido constante (400 km). - La velocidad máxima se ha incrementado de 120 km/h a 160 km/h (incremento del 33%). - En cuanto al combustible utilizado, salvo el primer prototipo (1998) que utilizaba metanol y el advanced HydroGen3(2002) que utilizaba hidrógeno comprimido, el resto utiliza como combustible hidrógeno líquido. Tabla 1. Evolución de la pila de combustible de GM. Fuente: Fuel Cell Technology Handbook,2003.(Datos obtenidos de Opel y de la página web sobre Fuel Cell Today and General Motors). Pila Gen3 Gen4 Gen7 Pila 2000 Pila 2001 Año de desarrollo 1997 1998 1999 2000 2001 Potencia (kW) 37-41 23-40 80-120 94-129 102-129 Densidad de potencia (kW/l) 0.26 0,77 1,10 1,60 1,75 Potencia específica (kW/kg) 0.16 0,31 0,47 0,94 1,22 Celdas 220 106 200 200 640 Área activa (cm 2 ) 500 500 800 800 - Presión (bar) 2,8 2,7 2,7 1,5-2,7 - Temperatura (ºC) 80 80 80 80 - Dimensiones (mm) - - 590x270x500 472-251-496 Otras especificaciones - - - No humidificación externa No humidificación externa Utilizada en - 1998 Zafira HydroGen1 HydroGen3 -  9  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Fig.8. Análisis de la evolución de los vehículos de pila de combustible. Fuente: Elaboración propia. Dentro del fabricante GM también se encuentran el Chevrolet Equinox (2006) el cuál tiene una autonomía de 320 km alcanzando una velocidad máxima de 161 km/h, y el Hydrogen4 que es la versión europea del anterior, y por lo tanto tiene las mismas características. Del fabricante Honda se han recogido 14 vehículos de pila de combustible entre el año 1992 y el año 2012. De estos 14 vehículos se descartan seis para el análisis, el FCX Concept (1999), el Kiwami (2003) y el Puyo (2007) por tratarse de “vehículos concepto” (aquellos fabricados para mostrar una nueva tecnología o una nueva línea de diseño) y no tener bastante información para poder analizarlo, también se descartan el Acura FCX 2020 (2007) y el Honda DC Sport (2008) por tratarse de vehículos que se encuentran en la fase de estudio de diseño. Tampoco se analiza el FCX (2006) por ser un concepto que después dará lugar al FCX Clarity. Honda es el fabricante que obtiene la primera certificación para un vehículo de pila de combustible de la Environmental Protection Agency (EPA) y de la California Air Resources Board (CARB) en Estados Unidos; que obtiene el primer leasing de un vehículo de pila de combustible (2002); y el primero en entregar un vehículo de pila de combustible a un cliente particular (2008). (Fuente: Honda, 2013 (1)) La familia de vehículos Honda FCX (Fuel Cell eXperimental) comienza con el lanzamiento del primer prototipo (FCX-V1) en 1999 con una potencia de 60 kW. En este caso el combustible es hidrógeno que está almacenado en hidruro metálico. En el mismo año se lanza el prototipo FCX-V2 cuya diferencia principal con el anterior es que utiliza como combustible metanol, utilizando para ello un reformador. En el año 2000 aparece el FCX-V3, la tercera evolución del Fuel Cell eXperimental Vehicle con  10  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E el que se empiezan a hacer ensayos por carretera en California. Utiliza una pila PEMFC que produce 62 kW, en este caso no utiliza reformador de metanol y utiliza hidrógeno almacenado en un depósito de 100 litros a 25 MPa de presión. Como novedad este vehículo prescinde de batería (función auxiliar), en su lugar hay un condensador de alta capacidad. La ventaja de un condensador es que puede suministrar energía rápidamente (elevada potencia específica, almacena mucha energía en poco espacio), es decir, tanto la carga como la descarga puede ser instantánea. Tiene un gran interés comparar las diferentes tecnologías en términos de almacenamiento de energía y capacidad de manejo de potencia. La gráfica Ragone (Fig.9) muestra estas tecnologías. Las líneas continuas muestran el estado actual de las distintas tecnologías y la línea discontinua muestra un estado futuro. Las líneas inclinadas indican la proporción entre la densidad de potencia y la densidad de energía (P/E) de las tecnologías, que permite informar sobre sus tiempos relativos de carga y descarga. Los condensadores de alta capacidad o supercondensadores pueden dar mucha potencia y cargarse en pocos segundos pero tienen una capacidad limitada de almacenamiento de energía. Por otro lado, las baterías de litio pueden almacenar 1030 kWh y ser cargadas y descargadas completamente en 10-20 minutos, pudiendo proporcionar mucha potencia en pocos segundos como los condensadores pero con mayores pérdidas. Las pilas de combustible de hidrógeno tienen una elevada densidad de energía, debido principalmente a las características del hidrógeno y puede generar elevada potencia durante largos períodos de tiempo, pero tiene una respuesta dinámica pobre debido a la necesidad de que el compresor proporcione aire en el cátodo de la pila de combustible. Por lo tanto, ninguna de las tecnologías cumple por sí sola, todas las necesidades de los vehículos de propulsión eléctrica. Teniendo en cuenta la necesidad de largo alcance entre el repostaje y la capacidad de hacer frente a los cambios rápidos en la demanda de potencia y la captura frecuente de energía de frenado, la combinación de las pilas de combustible y de los supercondensadores/baterías tienen ventaja frente a otras tecnologías y consiguen unos mejores rendimientos que los motores de combustión interna.  11  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Fig.9. Gráfica Ragone de distintos métodos de almacenamiento de energía para aplicaciones en la automoción. Fuente: Zhao Hengbing et al., 2010. En 2001 se lanza el FCX-V4, con este prototipo Honda reduce el tamaño de la pila de combustible y de sus componentes, desplazando los depósitos de hidrógeno y colocándolos debajo del suelo, de esta manera se dispone de mayor espacio para los pasajeros y para la carga en el maletero. Por otro lado, este prototipo incrementa la autonomía con respecto al anterior. En el año 2002 el FCX de Honda es certificado por la California Air Resources Board (CARB) y la Agencia de Protección Ambiental Estadounidense (EPA). Siendo el primer y único automóvil de célula de combustible en la historia en ser aprobado para uso comercial. El FCX aumenta la capacidad del depósito de hidrógeno aumentando así su autonomía. Honda desarrolla en 2003 una nueva generación de pila de combustible que le permite operar a bajas temperaturas (-20ºC). Por lo que es en este año cuando el nuevo FCX de Honda, siendo el primer vehículo que utiliza una pila de combustible diseñada y fabricada por Honda, aumentando la potencia generada a 85 kW. En el año 2006 aparece un concepto de vehículo del FCX que posteriormente va a dar paso al vehículo Honda FCX Clarity. Es el primer vehículo de célula de combustible de hidrógeno que tiene una plataforma exclusiva. Utiliza como pila de combustible un nuevo modelo (Vertical Flow (V-Flow)) desarrollado por Honda, aumentando la potencia generada a 100 kW. Es una pila de menor tamaño lo que facilita su apilamiento. Es equivalente a un vehículo con certificación de la EPA (Environmental Protection Agency) de 61 mpg (60 millas por  12  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E kg= 96,5 km/kg H2), tiene una autonomía de hasta 240 millas (386,2 km) sin tener que recargar combustible*. La certificación que obtiene de la EPA es vehículo de emisiones Nivel-2 y Almacenamiento-1 (TierII, Bin-1). Dentro de la norma Tier II hay 10 niveles Bin, siendo Bin1 el que corresponde a aquel vehículo con emisiones 0, es decir el más limpio. En mayo de 2011, la agencia de protección ambiental de EE.UU. (EPA) y la NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) rediseñaron las etiquetas de eficiencia de combustible que introdujeron hace ya 35 años, para tener en cuenta los nuevos combustibles. Estas nuevas etiquetas (Fig.10) se aplicaran para los modelos del año 2013 que estén a la venta. Dichas etiquetas proveerán información más completa sobre la eficiencia del combustible, el uso de la energía, los costes de combustible y los impactos ambientales de los vehículos. También ofrecen un código QR que permitirá a los usuarios de smartphones acceder a la información sobre cómo varios modelos de vehículos se comparan en cuanto a eficiencia de combustible y otros factores ambientales y energéticos. EPA actualiza los métodos de ensayo para determinar la eficiencia de combustible que aparece en las etiquetas de todos los nuevos vehículos, comenzando por los vehículos del año 2008. Hay una norma final para las revisiones de los niveles de eficiencia de combustible para los vehículos año-modelo 2013, publicada el 6 de julio de 2011. EPA y NHTSA están revisando la eficiencia de combustible y las etiquetas que aparecen en los vehículos nuevos a partir del año-modelo 2013. Los fabricantes de automóviles pueden adoptar voluntariamente las nuevas etiquetas a los vehículos del año modelo 2012. Los vehículos se clasifican según la reglamentación de emisiones de la EPA, Tier II.  *Cálculos de economía de combustible y promedio de recorrido basados en los datos de prueba de la EPA. La distancia de recorrido real variará en función de sus hábitos de manejo y mantenimiento del vehículo.  13  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Fig.10. Etiqueta de eficiencia de combustible y medioambiente para un vehículo de pila de combustible de hidrógeno. Fuente: EPA, 2013. Hay que tener en cuenta que esta etiqueta es un ejemplo y no representa un coche real. Se utiliza para ilustrar los elementos de la etiqueta asociados a esta tecnología de vehículos, para cada tecnología hay una etiqueta. En dicha etiqueta a parece lo siguiente: - Eficiencia del combustible (estimados en millas por galón equivalente), el estimado combinado ciudad/carretera es el utilizado para comparar rápidamente y fácilmente con otros vehículos. - Eficiencia de combustible comparable. Información para comparar la eficiencia de combustible de un vehículo con otros vehículos en su misma categoría e identificar el vehículo con la más alta eficiencia de combustible entre todos los vehículos. - Tasa de consumo de combustible. El estimado de la tasa de consumo de combustible, en galones por cada 100 millas (161 km), en conducción combinado en ciudad y carretera. - Puntuación de eficiencia de combustible y gas de efecto invernadero. Puntuación en una escala de 1 a 10, siendo 10 el máximo, que compara la eficiencia del combustible y las emisiones de dióxido de carbono (CO2) del tubo de escapa del vehículo con las de otros vehículos nuevos. - Información sobre emisiones de CO2. Emisiones de CO2 del tubo de escape en gramos por milla en manejo combinado en ciudad y carretera, y las emisiones de vehículos con las más bajas emisiones de CO2. - Puntuación de smog. Puntuación en una escala de 1 a 10 basada en emisiones de gases del tubo de escape que contribuyen a la contaminación del aire. - Costes de combustible. Un estimado de cuánto más o menos el vehículo gastará en combustible en un período de cinco años en relación a un vehículo nuevo promedio así como el coste estimado anual del combustible del vehículo. - URL del sitio de web: www.fueleconomy.gov - Herramienta interactiva de teléfono inteligente.  14  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E - Gama de rendimiento. Identifica cuántas millas puede recorrer el vehículo de pila de combustible de hidrógeno antes de ser reabastecido de combustible. - Medida de consumo de energía. Consumo de combustible expresado como unidad de combustible comprado por cada 100 millas (161 km). Estas etiquetas muestran el coste de combustible para un período de cinco años para el vehículo analizado en comparación con vehículo nuevo promedio. Si el vehículo ahorra dinero al consumidor con respecto al vehículo promedio la etiqueta diría: “Usted ahorrará xxx$ en costes de combustible durante un período de 5 años en comparación con el vehículo nuevo promedio”. Si la operación fuera más cara la etiqueta también lo indicaría. Las estimaciones se basan en 15.000 millas por año, durante cinco años, y el precio de combustible es el proyectado para ese año por la Administración de Información de Energía de los EE.UU. Los precios del combustible se revisan anualmente. Honda también está trabajando para que en un futuro se pueda recargar combustible directamente en el garaje privado de cada uno de los usuarios, a través de una Home Energy Station. Si se lleva a cabo una comparación del rendimiento de la energía, el FCX Clarity FCEV de Honda es mucho más eficiente que los vehículos a gasolina convencionales para convertir la energía química en potencia. En los vehículos impulsados por gasolina, el combustible (la gasolina) se utiliza para calentar el aire y hacer que se expanda, para que luego propulse los pistones del motor y el cigüeñal. Los vehículos de célula de combustible, por otro lado, son mucho más eficientes, porque la conversión de combustible (hidrógeno) en electricidad, utilizada para impulsar el motor de propulsión eléctrica, es un proceso electroquímico más directo. El agua es el producto derivado. Y dado que el FCX Clarity FCEV tiene muchos menos componentes en el sistema de tracción y no tiene pistones ni árboles de levas, se elimina la pérdida de energía de estos sistemas. A continuación se muestra la evolución de la pila de combustible de Honda (Fig.11): Fig.11. Evolución de la pila de combustible de Honda. Fuente: Honda, 2013 (2).  15  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Mejorando la eficiencia de generación de electricidad y reduciendo el tamaño de la pila de combustible, la nueva pila tiene el doble de densidad (kW/kg) y la mitad de tamaño que su predecesora. Además está pila de combustible permite operar a temperaturas comprendidas entre -20ºC y 95ºC, y mejora la durabilidad (Fig.12). Evolución de la producción de energía. (proporción de energía)* Evolución de la compacidad. (proporción de volumen)* Evolución de la ligereza. (proporción de peso)* Fig.12. Análisis de la evolución de los vehículos de pila de combustible de Honda. Fuente: Honda, 2013 (2). *Dicha proporción se ha calculado considerando los datos de la pila de combustible Honda FCX V2 la unidad. Por otro lado, el desarrollo de una membrana electrolítica aromática mejora la conductividad de los iones hidrógeno incluso a bajas temperaturas. Como consecuencia la resistencia de la membrana se puede reducir a la mitad, obteniendo conductividad a temperaturas bajo cero, alcanzando una posible operación a temperaturas de -20ºC (Fig.13). Las pilas de combustible convencionales utilizan membranas electrolíticas de flúor, mientras que esta nueva pila de Honda utiliza una membrana aromática de nuevo desarrollo, la combinación de las cadenas principales que contienen una estructura aromática altamente estable tienen un importante intercambio iónico (SO3-). Este hecho incrementa su conducción iónica. La membrana esta constituida a partir de un copolímero de bloques aromáticos, alternando segmentos rígidos de acido sulfónico y partes polímericas flexibles hidrofóbicas. Esta estructura le permite tener una buena resistencia al agua a la vez que mantiene una elevada conductividad. La membrana ofrece la misma estabilidad química que un poli(ácido perfluorosulfónico) convencional, pero con esta estructura la pila de combustible genera mayor potencia de salida y tiene mayor durabilidad y rango de temperatura. El tipo de membrana y los factores que influyen sobre su funcionamiento tienen una gran influencia en el rendimiento de las PEMFC. En el estudio llevado a cabo por Smitha et al. (2005) se realizó una revisión de los ionómeros perfluorados, de los hidrocarburos, de los polímeros aromáticos y de los complejos ácido-base que se utilizan en las PEMFC. En dicho estudio se afirma que con el objeto de mejorar la estabilidad de las PEMFC a elevadas temperaturas, se pueden incorporar hidrocarburos aromáticos directamente en la cadena principal del polímero de hidrocarburos o se pueden incorporar polímeros  16  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E modificados con grupos voluminosos para hacerlos capaces de conducir protones. Los poliarilenos son polímeros rígidos de temperaturas elevadas con Tg> 200ºC debido a la presencia de grupos aromáticos voluminosos y rígidos. Algunos de los ejemplos de los poliarilenos son: las polietersulfonas (PESF), las cetonas de poliéter (PEK), los poli(arileno-éteres), los poliésteres y las poliimidas (PI). Dicho estudio concluye que dentro de los hidrocarburos aromáticos los mejores son los s-PPB, es decir los polisulfonados (4-fenoxi, bencil-1, 4-fenileno) ya que se obtienen estabilidad térmica hasta casi los 200ºC. Fig.13. Análisis de la operación de la pila de combustible en función de la Temperatura. Fuente: Honda, 2013 (2). Con la nueva pila de combustible también se consigue mejorar la durabilidad a elevadas temperaturas, ya que con las pilas convencionales no podían operar a elevadas temperaturas ya que los materiales de la membrana no lo soportaban. (Fig.14). Fig.14. Mejora de la durabilidad a elevadas temperaturas (80ºC). Fuente: Honda, 2013 (2).  17  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E En cuanto a los depósitos utilizados, se trata de depósitos de hidrógeno a elevada presión construidos con tres capas: un revestimiento de aluminio, una capa de fibra de carbono y una capa de fibra de vidrio. Dispone de dos depósitos con una capacidad de 156,6 litros. Esta gran capacidad combinada con un mejoría del consumo de combustible permite una autonomía de 430 km*. El tiempo de llenado es de sólo tres minutos, tiempo comparable al necesario para llenar el depósito de un vehículo de motor de gasolina. *(LA-4 mode) Ensayos llevados a cabo en Honda. (Fuente: Honda, 2013 (3)). Ya que según como se realicen los ensayos la autonomía cambiara. Los ciclos de conducción utilizados para certificar la eficiencia del combustible actualmente en EE.UU. fue desarrollado para representar una conducción típica en un lugar y con un modo de conducción específicos. En 1969, se trabajó en un ciclo de conducción más realista, con el objeto de representar la conducción en Los Angeles por la mañana (trayecto de casa al trabajo). La ruta consistía en 12 millas (19,312 km), llamada ruta LA 4, comenzando y terminando en el laboratorio de emisiones de California. En 1969, 6 trabajadores diferentes de EPA recorrieron el trayecto. A partir de estos datos, se seleccionó una gráfica de velocidad y se acortó para representar la longitud promedio de recorrido en Los Angeles en ese momento. Entonces, todas las aceleraciones y deceleraciones se redujeron a 1,5 m/s2. El plan de conducción (UDDS, Urban Dynamometer Driving Schedule) se muestra en la figura 15. Cubre 7,5 millas con una velocidad media de 31,5 km/h. Los 505 segundos iniciales del cicclo se repiten y se añaden al fina del UDDS seguidos de 10 minutos de parada para llevar a cabo un procedimiento de prueba. Fig.15. Ciclo de conducción UDDS. Fuente: Michelle Irene, 2007. Fig.16. Comparación de la eficiencia del combustible. Fuente: Honda, 2013 (4). Se puede observar que la eficiencia energética aumenta un 22% respecto al modelo anterior. Por otro lado el FCX consigue doblar la eficiencia de un vehículo de gasolina(Fig.16). Incrementándose por lo tanto la autonomía, pasando de 355 a 430 km*. En la siguiente figura se muestra la distribución de los distintos componentes de este vehículo (Fig.17).  24  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E En su última configuración (año 2007), el FCHV tiene las siguientes características: cuatro tanques de almacenamiento que mantienen el hidrógeno comprimido a 10000 psi (70 MPa). Después de que el gas comprimido sale de los tanques, fluye a través de reguladores que reducen la presión para que la pila de células de combustible PEM pueda procesarlo. Un nuevo tanque de almacenamiento de hidrógeno permite al FCHV recorrer 560 km. Se cuenta además con un, motor eléctrico de 90 kW permanente. El Toyota FCHV esta equipado con una batería de hidruro de níquel de 21 kW, similar a la que se utiliza en otros automóviles híbridos. Cuando se desacelera, el motor eléctrico actúa como generador y ayuda a recargar la batería, algo común en este tipo de vehículos. La siguiente generación de vehículo híbrido con celdas de combustible, el FCHV-adv, que contaba con una pila FC de Toyota totalmente renovada y de alto rendimiento, obtuvo la certificación del Ministerio japonés de Territorio, Infraestructuras y Transporte el 3 de junio de 2008. La eficiencia en el consumo de combustible del Toyota FCHV-adv se ha incrementado en un 25 % gracias al uso de los depósitos de almacenamiento de hidrógeno a alta presión de 70 Mpa desarrollados por Toyota (Toyota, 2013 (1)). Además, este modelo cuenta con una autonomía a velocidad constante de aproximadamente 830 km tras una única recarga, es decir, más del doble que su predecesor, el Toyota FCHV. Otra de las ventajas del TOYOTA FCHV-adv es que funciona incluso a -30 ºC, lo que mejora enormemente su rendimiento en climas fríos (Toyota, 2013 (1)). A continuación se puede observar la evolución de esta línea de vehículos (Fig.26). Fig.26. Análisis de la evolución de los vehículos de pila de combustible. Fuente: Elaboración propia.  25  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E De las gráficas anteriores se puede concluir que lo que más se incrementa en los 6 últimos años analizados (2002-2008) es la autonomía, ya que la potencia y la velocidad máxima en este período permanecen constantes. En las gráficas de puntos se observa que la tendencia no se estabiliza hasta los últimos 6 años, ya que los modelos anteriores al año 2002 son prototipos con los que se está estudiando como diseñar el modelo de vehículo de hidrógeno apropiado. Toyota tiene dos versiones de vehículo de pila de combustible de su RAV4, son el RAV4 FCE SUV (1996) y el RAV4 FCE (1997), el primero utiliza como combustible hidrógeno almacenado en hidruro metálico y el segundo utiliza metanol. Si se analiza los datos de estos vehículos en la tabla se puede observar que la potencia aumenta un 25% (pasa de 20 kW a 25 kW), la autonomía también se ve incrementada duplicándose (pasa de 250 km a 500 km) y por último, la velocidad máxima también e ve incrementada un 25% (pasa de 100 km/h a 125 km/h). Por otro lado está el modelo OVONIC H2 Prius y el modelo QUANTUM H2 Prius, las empresas Ovonic Hydrogen Systems y Quantum modificaron un Toyota Prius modelo 2002 para que funcionase con un motor de combustión interna con H2 y con una batería. Hay un modelo del 2003, otro del 2004 y otro del 2005, en los que se puede observar la evolución. En la tabla se puede observar que la autonomía ha ido incrementándose pasando de 200 km, a 320 km y a 380 km. El modo de almacenaje del H2 ha ido cambiando, el primer modelo 3kg de H2 almacenado como hidruro metálico, el segundo modelo tiene un sistema de almacenamiento de 2 tanques de hidruros metálicos de 33 litros y el último modelo tiene un sistema de almacenamiento Quantum de H2 comprimido a 35 MPa de 1,6 kg de H2 y un sistema de almacenamiento de hidruros metálicos a 10 MPa y 4,0kg con un rango de 68 km/kg de H2 (Quantum, 2013). Se desarrolló la línea de vehículos FINE: FINE-S es un vehículo concepto presentado en 2003 que utiliza un sistema híbrido de pila de combustible, FINE-N es una actualización del anterior, y por último el FINE X, que en Europa y Japón se conoce como FINE T. Los tres modelos hacen funcionar cuatro motores independientes, uno en cada rueda. Por último está el modelo FCV-R concept que tiene una autonomía de 700 km (medido en el ciclo de prueba JC08), alcanza los 80 km/h y tienen una pila de combustible de 1.5 kW. Funciona con hidrógeno comprimido a 70 MPa. Se trata de un prototipo, pero se espera que salga al mercado en el año 2015. Toyota espera que dicho vehículo salga a la venta con un precio de unos 50.000 $ (Fuente: Toyota, 2013 (2)). La manera convencional de comparar la eficiencia de distintos vehículos es mediante la distancia que pueden recorrer por unidad de combustible (km/l o mpg). Sin embargo, este método presenta dificultades si los vehículos comparados utilizan distinto tipo de combustible, como puede ser hidrógeno o gas natural. En estos casos se debe utilizar un criterio que no solamente mida cómo de eficiente es el vehículo utilizando la energía (“depósito a rueda” (tank to wheel)), sino que también tenga en cuenta la eficacia de cómo se obtiene la energía y es transportada al depósito del  26  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E vehículo (“pozo al depósito” (well to tank)). Esta medida de eficiencia se conoce como “pozo a rueda” (well to wheel). (1)Well to tank: Eficiencia con la que el combustible es obtenido, procesado, almacenado y transportado al depósito del vehículo. (2)Tank to wheel: Eficiencia con la que el combustible consumido en el depósito del vehículo y convertido en movimiento del vehículo, a través del movimiento de las ruedas. Tabla 2. Comparación de la eficiencia de distintos tipos de vehículos. Fuente: Toyota, 2013 (3). Eficiencia del combustible “well-to-tank” (%) Eficiencia del vehículo “tank-to-wheel” (%) Eficiencia global (well-to-wheel) (%) Vehículo de gasolina Prius (Vehículo híbrido de gasolina) 88 16 37 FCV (hidrógeno comprimido) TOYOTA FCHV 58*3 38 50 FCHV (objetivo) 70 60 *3 Eficiencia si el hidrógeno es producido a partir de gas natural. En el ciclo de ensayo japonés 10-15. Ensayo en las instalaciones de Toyota. Fuente: Toyota FCHV Book. Fuel Cell Hybrid Vehicle. Un vehículo convencional de gasolina tiene una eficiencia “tank to wheel” de 16% y una eficiencia global de un 14%. Si se compara con un vehículo híbrido de gasolina (Toyota Prius), éste tiene un 37% de eficiencia “tank to Wheel”, más del doble que la eficiencia del vehículo de gasolina convencional, y un 32% de eficiencia global, que también es más del doble que para el caso del vehículo de gasolina convencional (Tabla 2). El Toyota FCHV tiene una eficiencia elevada de “tank to Wheel” de un 50%, más del triple que un vehículo de gasolina, aunque la eficiencia global es del 29%, esto se debe a que la eficiencia de obtener el H2 a partir del gas natural es todavía baja, un 58%. Toyota estima que los vehículos de pila de combustible deben tener una eficiencia global que triplique a la eficiencia de los vehículos de gasolina si quieren ser la nueva tecnología que se aplique a los vehículos (Tabla 2). En septiembre de 2009, diferentes compañías (Honda, Daimler AG, Ford Motor Company, General Motors Corporation/Opel, Hyundai Motor Company, Kia Motors Corporation, la alianza Renault SA y Nissan Motor Corporation y Toyota Motor Eficiencia Global(%) “well to wheel” 14% 22% 29% 42% 0 10 20 30 40 Eficiencia del combustible(%)(1) “well to tank” ” = x Eficiencia del vehículo(%)(2) “ tank to wheel” ” 32%  27  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Corporation), firmaron un acuerdo para homogeneizar el desarrollo y la introducción al mercado de vehículos eléctricos impulsados con pila de combustible, lo que se consideró un gran paso hacia la producción en serie de vehículos de emisión cero. En el acuerdo, las compañías anticipaban que a partir del año 2015 una cantidad significativa de vehículos eléctricos con pila de combustible podrían ser comercializados. Es necesario destacar, que lo que más ha dificultado el análisis y comparación de los datos contenidos en la tabla de vehículos es el hecho de que hay datos de fabricantes referentes a la economía del combustible y a la autonomía en los que no se detalla en qué condiciones se han obtenido, es decir, qué tipo de conducción se ha llevado a cabo para obtener estos resultados. Ya que en función el tipo de conducción y las condiciones en las que se ha llevado a cabo, la economía del combustible y la autonomía del vehículo varían. Se tiene que tener en cuenta que los cálculos de economía de combustible y promedio de recorrido (autonomía) basados en los datos de las distintas pruebas, variarán en función de la prueba llevada a cabo y en concreto, la distancia de recorrido real variará en función de los hábitos de conducción y del mantenimiento del vehículo.  28  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E TABLA ESTADO ACTUAL TECNOLOGÍA En la siguiente tabla se presenta un resumen del estado actual de la tecnología del vehículo de pila de combustible, mostrando el estado en el que se encuentran 6 vehículos de los fabricantes que más vehículos de pila de combustible han desarrollado. En dicha tabla se hace mención a NEDC en el campo en el que se analiza la economía del combustible y en el campo en el que aparece la autonomía del vehículo, por este motivo, a continuación se explica a que se refieren las siglas NEDC. El nuevo ciclo estándar europeo de conducción (NEDC, New European Driving Cycle) es una prueba consistente en un ciclo de conducción para evaluar objetivamente el impacto medioambiental de los automóviles. Durante este ciclo se miden las emisiones de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrocarburos (HC), óxidos de nitrógeno (NOx) y partículas (PM). El consumo de combustible se determina por los componentes y cantidades de las emisiones (ADAC, 2013). El NEDC consiste en cuatro ciclos de conducción ECE-15 repetidos y un ciclo de conducción extra-urbano (Extra-Urban driving cycle EUDC). La prueba se basa en la legislación europea sobre emisiones. La distancia es de 11.007 metros, la duración es de casi 20 minutos, alcanzado una velocidad máxima de 120 km/h y siendo la velocidad media de 33,6 km/h. De acuerdo a la directiva 98/69/EC la prueba consiste en una primera parte de conducción urbana, arrancando el vehículo por la mañana tras haber estado toda la noche parado, y se conduce en hora punta con múltiples paradas debidas a atasco. La segunda parte consiste en una conducción de carretera con una velocidad máxima de 120 km/h. Todas las pruebas cumplen la directiva 70/220/EC. La prueba en frío (NEDC Cold Test) evalúa los contaminantes, el CO2 y el consumo de combustible, mientras que la prueba en caliente (NEDC Hot Test) evalúa el CO2 y el consumo del combustible.    29  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Tabla 3. Estado actual de la tecnología del vehículo de pila de combustible. Fuente: Elaboración propia. Fabricante Daimler AG General Motors General Motors Honda Hyundai Toyota Vehículo Mercedes clase B Fuel Cell HydroGen3 liquid HydroGen4 FCX Clarity ix35 FCHV-adv Año 2009 2004 2007 2007 2012 2008 P(kW) 100 kW 94 kW 93 kW 100 kW 100 kW 90 kW Consumo (kg H 2 /100 km) 0,97 kg H 2 /100 km (4)(NECD) No consta 1,59 kg H 2 /100 km (39 mpg o 17 km/l (8) )~1 kg H 2 /100 km 0,95 kg H 2 /100 km (14) 0,71 kg H2/100 km (15)(Japanese 10-15 test cycle) 0,79 kg H 2 /100 km (15)(Japanese JC08 test cycle) Consumo (MJ/100 km) 116,4 MJ/100 km No consta 190,8 MJ/100 km 124,30 MJ/100 km (12)(EPA) 114 MJ/100 km 85,2 MJ/100 km (Japanese 10-15 test cycle) 94,8 MJ/100 km (15)(Japanese JC08 test cycle) Autonomía ~400 km (2) 400 km 320 km 570 km 594 km 830 km (15) (Japanese 10-15 test cycle) Velocidad máxima 170 km/h (4) 160 km/h 160 km/h 160 km/h 160 km/h 155 km/h Fabricante Pila Ballard GM GM (cuarta generación) Honda (V flow FC Stack) HMC (Hyundai Motor Company) Toyota Volumen Pila 0,94 kW/kg (potencia específica) (7) 1,60 kW/l (densidad de potencia) (7) No consta 1,5 kW/kg (potencia específica) (11) 1,90 kW/l (densidad de potencia) (11) Volumen: 57 l (12) Peso: 67,13 kg (12) 1,65 kW/l (densidad de potencia) (13) 45,359 kg (100 libras) (16) Batería S/N SÍ SÍ SÍ SÍ SÍ SÍ Precio Plan de alquiler: 2 años :849 $/mes pagando 2.000 $ a la firma (3) No consta No consta Plan de alquiler: 3 años a 600 $/mes (comercializado mediant leasing 21.600 $) (10) 125.000 € Plan de alquiler: 30 meses a 1.050.000 yen/mes (17) Depósito (capacidad) 3,7 kg (1)(4) . 1 cilindro pequeño: volumen interior de 19,4 litros y exterior de 31 litros. 2 cilindros más grandes: 37,3 litros de volumen interior y 62 litros de volumen exterior cada uno. (Una suma de espacio mucho mayor que la de un depósito tradicional de combustible de capacidad similar (unos 35 litros) 4,6 kg (68 litros) 4,2 kg 171 litros 1 depósito, 3,92 kg (12) 2 depósitos, 5,64 kg (en total) 156 litros (16) 6 kg Aspectos especiales Primer vehículo comercializado en serie utilizando hidrógeno como combustible (2010). En el maratón de pila de combustible que tuvo lugar en el verano del año 2004, recorrío 9,696 kilómetros a través de 14 países europeos sin problemas. En abril de 2005 ganó el rally de Monte Carlo para vehículos de pila de combustible(5). Proyecto Drivew ay. Este fabricante tiene la mayor flota de vehículos de hidrógeno del mundo, 119 vehículos. Disponible desde el verano de 2008 para uso del consumidor. Pequeña escala de producción de 200 vehículos entre 2008-2010. Leasing en el sur de California y en Japón(8). Se prevé su venta en Europa en 2015(10). Ganador del premio FuturAuto 2013. Arranca a -25 ºC. Hyundai tiene prevista la fabricaciación de 1.000 unidades de vehículos ix35 Fuel Cell impulsados por hidrógeno para el año 2015, destinadas principalmente al sector público y a flotas particulares, con una producción en serie limitada de 10.000 unidades después de 2015. Obtuvo la certificación del Ministerio japonés de Territorio, Infraestructuras y Transporte el 3 de junio de 2008. Opera a incluso a -30 ºC. Combustible Hidrógenocomprimido70MPa Hidrógenolíquido Hidrógenocomprimido70MPa Hidrógeno comprimido 35 MPa Hidrógeno comprimido 70 MPa Hidrógeno comprimido 70 MPa Peso 1809 kg (1) 1590 kg (7) 1625 kg (9) 1830 kg (14) 1880 kg (16) Peso Bruto 2084 kg (1) 1980 kg (14) (1) Mercedes-Benz, 2013 (2). http://blogs.km77.com/teletransporte/5994/mercedes-benz-clase-b-f-cell-tecnica-y-graficos/ (10) Honda 2013, (6). http://www.blogenergiasostenible.com/el-honda-fcx-clarity-el-primer-coche-de-hidrogeno-de-venta-en-concesionarios/ (2) Mercedes-Benz, 2013 (3). https://www.daimler.com/dccom/0-5-1228969-1-1401156-1-0-0-1401206-0-0-135-0-0-0-0-0-0-0-0.html (11) Matsunaga M. et al. (2009) (Análisis tabla vehículos) (3) Mercedes-Benz, 2013 (4). http://www.mbusa.com/mercedes/benz/green/electric_car (12) Honda 2013, (7). http://automobiles.honda.com/spanish/fcx-clarity/specifications.aspx (4) Mercedes-Benz, 2013 (5). http://www.mbusa.com/vcm/MB/DigitalAssets/pdfmb/green/f-cell.pdf (13) Hyundai 2013, (2). http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/htac_may2012_hyundai.pdf (5) GM 2013, (1). http://planer-motorshow.gmeuropearchive.info/shows/geneva_2006/downloads/gm/en/pdf/gm_fuel_cell_en.pdf (14) Hyundai 2013, (3). http://media.firabcn.es/content/S012013/doc/notas_prensa_nov_marcas/hyundai/doc_ix35_fuel_cell_es.pdf (6) Noriko Hikosaka Behling, Fuel Cells: Current Technology Challenges and Future Research Needs (15) Toyota 2013, (4). http://www.toyota.com/esq/pdf/Toyota_NHA_keynote_2010.pdf (7) GM 2013, (2). Gregory Hoogers. 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Daimler AG, 2013. http://www.hydrogennet.dk/fileadmin/user_upload/PDFfiler/Aktiviteter/Kommende_aktiviteter/Elektrolysesymposium/Joerg_Wind__Daimler.pdf EPA, 2013. Fuel Economy Labels in EPA and DOT Final Rulemaking “Revisions and Additions to Motor Vehicle Fuel Economy Label” http://www.epa.gov/otaq/carlabel/fealllabels.pdf Fuel cell technology Handbook. Edited by Gregor Hoogers. ISBN 0-8493-0877-1, 2003. GM, 2013 (1).http://planer-motorshow.gmeuropearchive.info/shows/geneva_2006/downloads/gm/en/pdf/gm_fuel_cell_en.pdf GM, 2013 (2). Gregory Hoogers. Fuel Cell Technology Handbook. GM, 2013 (3). 2010 Fuel Cell Technologies market report. Junio 2011. U.S. Department of energy. 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World Electric Vehicle Journal Vol. 3 - ISSN 2032-6653  31  Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Mercedes-Benz, 2013 (1). http://washingtonfuelcellsummit.com/proceedings/mobile1_simon.pdf  Mercedes-Benz, 2013 (2). http://blogs.km77.com/teletransporte/5994/mercedes-benzclase-b-f-cell-tecnica-y-graficos/ Mercedes-Benz, 2013 (3). https://www.daimler.com/dccom/0-5-1228969-1-1401156-10-0-1401206-0-0-135-0-0-0-0-0-0-0-0.html Mercedes-Benz, 2013 (4). http://www.mbusa.com/mercedes/benz/green/electric_car Mercedes-Benz, 2013 (5). http://www.mbusa.com/vcm/MB/DigitalAssets/pdfmb/green- /f-cell.pdf Michelle Berry Irene. “The effects of driving style and vehicle performance on the realworld fuel consumption of U.S. Light-Duty vehicles. Virginia Polytechnic Institute and State University, 2007. Noriko Hikosaka Behling, Fuel Cells: Current Technology Challenges and Future Research Needs. Quantum,2013. www.qtww.com/products/oem/hybrid/h2hybrid.php Smitha B., Sridhar S., Khan A.A., “Solyd polymer electrolyte membranes for fuel cell applications – a review. Journal of membrane science 259 (2005) 10-26. Toyota, 2013 (1). http://www.toyota-europe.com/innovation/design/concept_cars- /fchv/index.tmex Toyota, 2013 (2). http://www.bloomberg.com/news/2010-05-06/toyota-targets-50-000range-for-hydrogen-powered-sedan-planned-by-2015.html Toyota, 2013 (3). http://www.toyotaaruba.com/toyota/readBlob.do?id=134 Toyota, 2013 (4). http://www.toyota.com/esq/pdf/Toyota_NHA_keynote_2010.pdf Toyota, 2013 (5). https://techinfo.toyota.com/techInfoPortal/staticcontent/en/techinfo- /html/prelogin/docs/fchv_adv_erg.pdf Toyota, 2013 (6). http://pressroom.toyota.com/article_display.cfm?article_id=2388 Tran Doanh, Cummins Michael. “Development of the Jeep Commander 2 Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle”. SAE technical paper series 2001-01-2508. US Department of Energy, 2013. http://www.fueleconomy.gov/feg/fcv_sbs.shtml Zhao Hengbing, Burke Andrew. “Fuel Cell Powered Vehicles Using Supercapacitors: Device Characteristics Control Strategies, and Simulation Results. Research report UCD-ITS-RR-10-01, 2010. Institute of transportation studies, University of California. ANEXO II. ANÁLISIS DEL ESTADO DEL ARTE DE LOS VEHÍCULOS DE PILA DE COMBUSTIBLE. ANEXO II. ANÁLISIS DEL ESTADO DEL ARTE DE LOS VEHÍCULOS DE PILA DE COMBUSTIBLE.  2.1. Aspectos técnicos relativos al desarrollo de la Pila de Combustible. ............. 6 2.2. Impacto ambiental de los FCVs. ......................................................................... 17 2.3. Análisis económico de los FCVs. ...................................................................... 19 2.4. Estado actual de los vehículos de pila de combustible. .................................. 28 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 34  7  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética - La pérdida de superficie de platino durante 10 h de degradación térmica fue equivalente a la degradación electroquímica observada en 500 ciclos de un electrodo de Pt/Vulcan de Tanaka ensayado entre 0 y 1,2 V. Por otro lado, la pérdida de carbono observada durante 5 h de degradación térmica fue comparable a la pérdida de masa observada durante 86 h a 1,2 V y 95ºC para los mismos catalizadores. - Los estudios sobre el efecto de la concentración de oxígeno y del agua en dos catalizadores Tanaka revelaron que la oxidación de carbono en presencia de Pt sigue dos vías: una vía de oxígeno que conduce a la pérdida de masa debido a la formación de productos gaseosos y una vía de agua que conduce a un aumento de masa. - La pérdida de área superficial de Platino, medida para distintas concentraciones de oxígeno y como una función del tiempo de sinterización, revela que se produce una gran corrosión del carbono en lugar de un aumento del tamaño de partícula de Pt para la pérdida superficial. Borup Rod, Meyers Jeremy, Pivovar Bryan, Seung Kim Yu, Mukundan Rangachary, Garland Nancy, et al. Scientific aspects of polymer electrolyte fuel cell durability and degradation. Chem. Rev. 2007; 107:3904-51. Borup et al. llevaron a cabo un estudio exhaustivo sobre la degradación de la pila de combustible, analizándose la durabilidad, una de las principales barreras en la comercialización de las pilas de combustible PEMFC. En el desarrollo de las pilas de combustible deben analizarse conjuntamente la durabilidad y el coste, ya que están interrelacionados. Como la tecnología ha avanzado en términos de coste y rendimiento de las pilas de combustible, actualmente se pone más énfasis en la durabilidad. Por ejemplo, si se añade más catalizador a la celda de combustible aumenta la vida útil del catalizador pero también aumenta el coste de la pila de combustible, del mismo modo el aumento del espesor de la membrana de la pila de combustible aumenta su vida útil pero también su coste y reduce su rendimiento. Para mejorar la durabilidad de las pilas de combustible PEM, los investigadores están estudiando los factores que determinan la vida de una PEMFC, para ver aquellos que permiten incrementar la vida útil de la pila sin aumentar su coste o perder su rendimiento. Varios estudios muestran que hay factores que pueden reducir la vida útil de las PEMFC, incluyendo la disolución de partículas de platino y la sinterización, la corrosión con carbono, y el adelgazamiento de la membrana. La vida útil también se puede reducir al incrementar el rendimiento inicial de los componentes de la pila de combustible. Por ejemplo, disminuyendo el espesor del electrolito polimérico se disminuye la resistencia de la membrana pero también se aumenta la absorción de agua y la permeabilidad del gas que degrada sus propiedades mecánicas. Las condiciones bajo las cuales opera una pila de combustible o a las que se expone también pueden afectar a su rendimiento y vida útil. Dentro de estas condiciones se incluyen las impurezas en el combustible o los caudales de oxidante, la temperatura de la pila de combustible, su voltaje y corriente, las presiones del combustible y los  8  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética caudales de oxidante y el hecho de que la pila de combustible opere continuamente o no, como ocurre durante la puesta en marcha y la parada. Por otro lado, los modos de fallo de las PEMFC han sido recientemente motivo de estudio, mientras que las causas y mecanismos de degradación de la pila de combustible han recibido menos atención. Por este motivo en este estudio se lleva a cabo una revisión de los conocimientos que existen en la actualidad sobre degradación de las PEMFC. Normalmente las PEMFC presentan una disminución gradual de su potencia, pudiendo llegar con el tiempo a no poder proporcionar la potencia necesaria. Hay que conocer a que se debe esta degradación para mejorar sus diseños utilizando nuevo materiales que permitan aumentar la durabilidad de las PEMFC. En los últimos años se han incrementado los estudios sobre la degradación de las PEMFC, algunos de estos estudios revelaron la degradación de ciertos materiales utilizados que antes se consideraban inmunes a la corrosión y a la descomposición, tales como el platino (metal del catalizador), el ionómero conductor de protones (utilizado en la membrana y en la capa del catalizador), carbono/grafito (utilizado en el soporte del catalizador, en la capa de difusión del gas (GDL) y en la placa bipolar), y el Teflón (utilizado en la GDL). Ante la escasez de estudios de revisión sobre la durabilidad de la pila de combustible, Borup et al. revisaron la durabilidad de las PEMFC, los métodos de prueba de la durabilidad, y la influencia de las condiciones de operación sobre la durabilidad. Se centraron en los distintos componentes: membranas, soportes de los electrocatalizadores y los medios de difusión del gas. Wu Jinfeng, Zi Yuan Xiao, Martin Jonathan J, Wang Haijiang, Zhang Jiujun, Jun, Shen, Wu Shaohong, Merida Walter. A review of PEM fuel cell durability; degradation mechanisms and mitigation strategies. Journal of Power Sources 2008; 184:104-19. Este estudio llevó a cabo una revisión de las distintas publicaciones sobre la degradación de las PEFC. La durabilidad, el coste y la fiabilidad de las pilas de combustible PEM están retrasando su comercialización. La durabilidad es una de las características más importantes para que las PEFC sean viables e influye sobre los otros dos aspectos comentados. Se han llevado a cabo investigaciones sobre los mecanismos de degradación de los sistemas de pilas de combustible y de sus componentes en un intento por mejorar la durabilidad de las pilas de combustible. Sin embargo, los conocimientos que se tiene en la actualidad sobre los mecanismos de degradación de componentes de las pilas de combustible son todavía insuficientes. Se concluye que hay que poner más énfasis en los métodos de diagnóstico y en los instrumentos analíticos. Por otro lado, se concluye que hay una falta de información sobre la correlación entre la degradación de los componentes individuales y la pérdida de rendimiento. Después de este análisis, el estudio se centró en las estrategias  9  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética necesarias para reducir la tasa de degradación de cada componente. Se establece la vida de la PEFC como función de las condiciones de operación, los componentes y los mecanismos de degradación. Con respecto a la durabilidad de la membrana en este estudio se concluyó que se consiguen grandes logros mediante la modificación de la estructura de la membrana para mejorar su estabilidad química/electroquímica y mediante el uso de un politetrafluoroetileno para reforzar la membrana y así mejorar su estabilidad mecánica. Pero hacen falta más mejoras para que funcione correctamente en las aplicaciones del automóvil y no sólo en estado de equilibrio. De la misma manera los catalizadores deben poder operar en las duras condiciones de un vehículo, tales como los ciclos de carga. Con los materiales utilizados en la actualidad el catalizador se deteriora y no puede cumplir los objetivos establecidos por DOE (US: Department of Energy). Además de la optimización de los materiales utilizados y una mejor compresión de los mecanismos de degradación es necesario reducir la disolución de Pt y la corrosión del carbono. Se sugiere utilizar catalizadores de aleación de Pt con una alta resistencia a la oxidación electroquímica. Department of Energy. United States of America. Hydrogen and fuel cell activities, progress, and plans. Report to Congress. January 2009. El departamento de energía de los Estados Unidos ha establecido unos objetivos para el desarrollo de las pilas PEFC utilizadas en los vehículos. Para el año 2015, se espera que las pilas PEFC en los vehículos tengan una eficiencia del 60% y un coste de 30 US$/kW (23,28 €/kW). Además se espera que tengan una vida útil nominal de al menos 5.000 h, que es equivalente a 241.402 km (150.000 millas) circulando a 48,28 km/h (30millas/h). Por otro lado, algunos investigadores están tomando datos de pilas de combustible existentes y las están comparando entre sí para determinar qué configuraciones son óptimas. Thomas CE, (1). Transportation options in a carbon-constrained world: Hybrids, plug-in hybrids, biofuels, fuel cell electric vehicles, and battery electric vehicles, International Journal Hydrogen Energy 2009;34:9279-9296. En este estudio llevado a cabo por Thomas CE se han previsto los distintos métodos de producción de hidrógeno. El hidrógeno puede ser reformado a partir de combustibles fósiles, producido mediante la electrólisis del agua, o puede ser extraído mediante la gasificación de la biomasa. Los FCVs pueden bien almacenar hidrógeno de una estación de repostaje o producirlo a bordo. Las distintas fuentes de hidrógeno para el transporte se muestran en la siguiente figura (Fig.1).  10  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética Fig.1. Fuentes de hidrógeno durante el siglo, comenzando con el hidrógeno distribuido obtenido del reformado del gas natural en una estación de repostaje; seguido del reformado de biofueles como es el etanol celulósico; producción central del hidrógeno mediante la gasificación de la biomasa, gasificación del carbón en un ciclo combinado (IGCC, Integrated gasification combined cycle) con captura y almacenaje de carbón (CCS, Carbon capture and storage), y electrólisis a partir de fuentes renovables y nucleares.Fuente: Thomas CE (1), (2009). Pinton E., Fourneron Y., Rosini S., Antoni L. Experimental and theoretical investigations on a proton Exchange membrane fuel cell starting up at subzero temperatures. Journal of Power Sources; 2009:80-8. La formación de hielo/escarcha en una pila de combustible PEMFC que opera a temperaturas bajo cero puede provocar el apagado durante el arranque. Por este motivo, Pinton et al. (2009) llevaron a cabo ensayos isotérmicos en células individuales de 220 cm2 en distintas condiciones de funcionamiento con el objeto de investigar el comportamiento del “arranque en frío”. Se analizaron distintos parámetros: - el agua que contenía la membrana inicialmente. - la tensión de operación. - la temperatura de la pila. - la corriente de la pila. En cuanto a la influencia de las condiciones se concluyó que: - Existe un nivel óptimo de humedad del núcleo de la pila de combustible para el cuál el calor acumulado generado por la reacción electroquímica es máximo. El análisis de la gestión del agua de la membrana junto con la medición de la  11  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética resistencia de la pila ha permitido interpretar la evolución del rendimiento de la pila de combustible. - El fallo de la pila de combustible por alimentación no solamente es debido a la formación de hielo en los poros de la capa del cátodo (hecho que dificulta el transporte del oxígeno), sino que también es debido a la formación de hielo en lugares activos de la reacción que incrementan la resistencia eléctrica de la pila. Ambos factores reducen el rendimiento de la pila de combustible bajo carga. - Es preferible partir de una tensión baja (0,3 < Ucell< 0,5 V) para obtener el máximo beneficio de la generación de calor. - El punto de congelación del agua dentro de la capa catalítica del cátodo es - 4ºC por lo que la pila de combustible experimenta un fallo cuando se reinicia si la temperatura es mayor que este punto. - La pila de combustible hecha de láminas metálicas delgadas y previamente secada debería ser capaz de auto-arrancarse en menos de 30 segundos, para una temperatura inicial de -10 ºC. Pero esto no sería posible para una temperatura de -20 ºC. Después de cada parada y puesta en marcha a temperatura bajo cero, se obtuvo la curva de polarización en condiciones nominales (80ºC) para cuantificar la degradación del rendimiento de la pila de combustible. Se concluyó que el rendimiento para el arranque en frio llevado a cabo a -10ºC se reduce menos del 1% para arranque en frío a 0,5 A/cm2 y un 2% para arranque en frio a 0,75 A/cm2 (ver Fig.2) Fig.2. Evolución del rendimiento de la pila de combustible condiciones nominales después de cada arranque en frío. Esto es característico de la limitación de difusión del gas hacia los lugares catalíticos. De acuerdo a la literatura, este comportamiento se puede alcanzar a partir de dos fenómenos:  12  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética - Las capas de membrana del electrodo llegan a ser más hidrófilas debido a la pérdida de PTFE (politetrafluoruroetileno) y/o a las alteraciones de la estructura debidas a la expansión del hielo. - Una capa de agua aparece después de la fusión del agua que tapa los poros. Hiramitsu Y., Mitsuzawa N., Okada K., Hori M. Effects of ionomer content and oxygen permeation of the catalyst layer on proton exchange membrane fuel cell cold start-up. Journal of Power Sources; 2010:1038-45. En este estudio se comprobó la eficacia de un ionómero como portador de oxígeno para mejorar el arranque en frío de pilas de combustible PEFCs. Se llevó a cabo un arranque en frío galvanostático (densidad de corriente se mantiene constante) en la PEFC para evaluar el efecto que tiene el ionómero presente en la capa del catalizador sobre la durabilidad de la generación de potencia a -30 ºC. Se midieron el voltaje de la pila y la resistencia interna, y se llevó a cabo el análisis de la polarización para evaluar la reducción de voltaje de la pila. El comportamiento en arranque en frío y la durabilidad mejoraron significativamente al aumentar el contenido de ionómero en la capa del catalizador debido a la mayor permeabilidad del oxígeno debida al hielo formado en la capa del catalizador. Estos resultados permiten el diseño robusto de conjuntos de electrodos de membrana para el arranque en frío. Por lo que los resultados muestran la importancia del ionómero como portador de oxígeno, de protones y de agua. Jiao Kui, Li Xianguo. Cold start analysis of polymer electrolyte membrane fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy; 2010:5077-94. El arranque en frío es un aspecto fundamental para la comercialización de las PEFCs para aplicaciones en la automoción. En este estudio se analizaron los procesos de arranque en frío para varios tipos de PEMFC simuladas numéricamente. El éxito del proceso de arranque en frío depende de la relación entre la rapidez con la que la pila se calienta hasta la temperatura del punto de congelación y la rapidez con la que se forma el hielo y se acumula en los poros de la capa del catalizador del cátodo bloqueando, de este modo, el transporte de oxígeno a los sitios en los que tiene lugar la reacción. Por lo tanto el éxito del proceso de arranque en frío depende: - Del agua producida que se absorbe en el ionómero en la capa del cátodo y la membrana. - Del agua que se obtiene en forma de vapor a partir de los flujos de gas. - Del agua que se congela en los poros de la capa del catalizador. Se concluye que el espesor de la membrana y la fracción volumétrica del ionómero en la capa del catalizador desempeñan un papel fundamental en la reducción de la cantidad de hielo formado. Una membrana más gruesa conlleva a una mayor capacidad de absorción de agua pero con un proceso de absorción más lento, y el  13  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética aumento de la fracción volumétrica del ionómero aumenta la capacidad de absorción de agua del ionómero y mejora la absorción de agua que tiene la membrana. Arrancar la pila a voltaje constante (“potentiostatic condition”) es mejor que arrancarla a corriente constante (“galvanostatic condition”). El calentamiento de las superficies externas y del aire de entrada incrementa la temperatura de la pila de combustible. Sin embrago, el calentamiento externo conlleva una pequeña reducción de la cantidad de hielo formado. A pesar de que el calentamiento del aire de entrada es más eficaz para aumentar la temperatura de la pila de combustible que el calentamiento de las superficies externas, la capacidad de calentamiento del aire de entrada es baja. Maranzana Gael, Moyne Christian, Dillet Jerome, Didierjean Sophie, Olivier Lottin. About internal currents during start-up in proton exchange membrane fuel cell. Journal of Power Sources; 2010;195(18):5990-5. Maranzana et al. (2010) llevaron a cabo un estudio experimental y numérico sobre las corrientes internas que se producen durante la puesta en marcha de las pilas de combustible, dichas corrientes podían alcanzar valores mayores de 1 A/cm2. Este modelo muestra que la aparición de corrientes internas se debe principalmente a los efectos capacitivos (carga y descarga de la capacitancia de la doble capa), la oxidación del carbono aunque se produce al mismo tiempo, no tiene una gran influencia sobre las corrientes internas. También se explica el aumento transitorio de tensión (por encima del voltaje de circuito abierto en estado estacionario) que a veces se observa experimentalmente después de que la pila de combustible se pone en marcha. En un futuro próximo, se utilizará este modelo para estimar la tasa de oxidación del carbono en la pila de combustible en función de la velocidad del hidrógeno. En paralelo, el envejecimiento local de los electrodos se caracterizará experimentalmente después de someter la pila de combustible a ciclos de arranque y parada. Wu Jinfeng, Martin Jonathan J, Orfino Francesco P, Wang Haijang, Legzdins Colleen, Yuan Xiao-Zi, Sun Colin. In situ accelerated degradation of gas diffusion layer in proton exchange membrane fuel cell: part I: effect of elevated temperature and flow rate. Journal of Power Sources; 2010: 1888-94. Estudios anteriores han mostrado que tanto el sustrato como la capa microporosa de la capa de difusión del gas (GDL, Gas Diffusion Layer) afectan sobre el balance del agua y el rendimiento de una pila con membrana de intercambio de protones. Se han hecho pocos esfuerzos por investigar la importancia de las propiedades de GDL sobre la durabilidad de las pilas de combustible PEM. Wu Jinfeng et al. (2010) analizaron la degradación de una GDL bajo unas condiciones de elevada temperatura y elevado caudal de flujo. Para evitar el impacto de la capa del catalizador durante el ensayo del catalizador se utilizaron diferentes barreras para aislar el ánodo del cátodo. Los resultados que obtuvieron fueron que la pérdida del material juega un papel muy importante en los mecanismos de degradación de la GDL, mientras que una tensión excesiva antes de la degradación debilita la estructura de la GDL y cambia su  14  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética propiedad física, lo que acelera la pérdida de material del GDL durante el envejecimiento. Zhili Miao, Hogmei Yu, Wei Song, Lixing Hao, Zhigang Shao, Qiang Shen, et al. Characteristics of proton exchange membrane fuel cells cold start with silica in cathode catalyst layers. International Journal of Hydrogen Energy; 2010:1-6. En este estudio se presentó una nueva estrategia para mejorar el rendimiento del arranque en frío de las PEMFCs a temperaturas bajo cero. Para aumentar la capacidad de almacenamiento de agua se añade un nano-óxido hidrófilo, como puede ser el SiO2, a la capa del catalizador del cátodo. Para investigar el efecto que tiene el hecho de añadir SiO2, se han fabricado las membranas del catalizador revestidas con un 5 % en peso de SiO2 y sin está capa. Aunque en condiciones normales de operación, el rendimiento de la pila con SiO2 no es tan bueno como en el caso que no lleva esta capa (Fig.3), las pruebas de arranque en frío muestran que añadiendo SiO2 hace que la pila sea capaz de arrancar y funcionar incluso a 100 mA/cm2 y -8ºC durante 25 minutos, mientras que en el caso de la pila sin SiO2 el voltaje cae al momento de arrancar en frío. Incluso en pruebas a -10ºC el rendimiento mejora para el caso de la pila con SiO2 (Fig.4.a y Fig.4.b). Para ilustrar el efecto de la densidad de corriente en el proceso de arranque en frío se han comparado los distintos resultados obtenidos (Fig.4.a y Fig.4.b). La pila sin SiO2 deja de funcionar en 1 minuto para densidades de corriente de 100 y 200 mA/cm2, y a los 15 minutos para el caso de densidades de corriente de 80 mA/cm2. Sin embargo, para el caso de la pila de combustible con SiO2, puede arrancar a -8ºC y 50 mA/cm2 y funcionar durante el tiempo que dure la investigación. Por lo que se concluye que el proceso de arranque en frío depende de la capacidad de almacenamiento de agua que tiene el cátodo. En el caso de densidades de corriente bajas, la corriente se distribuye uniformemente por los poros de la capa del catalizador y la capacidad de retener agua de la capa del catalizador podría utilizarse. Sin embargo, en el caso de densidades de corriente elevadas, la corriente no se distribuye uniformemente. El agua se produce antes y hay menos tiempo disponible para transferir el agua producida a la membrana. Por lo tanto, se concluye que la formación de hielo era más severa en la capa del catalizador del cátodo en el caso de densidades de corrientes elevadas.  15  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética Fig.3. Rendimiento inicial de dos pilas: con 5% de SiO2 en la capa del catalizador del cátodo (gráfica roja), sin SiO2 en la capa del catalizador del cátodo (gráfica negra). (Fuente: Zhili Miao et al. (2010). Fig.4. Procesos de arranque en frío de pilas después de diferentes ciclos de arranque en frío: a) sin capa de SiO2 y b) con capa de 5% de SiO2. (Fuente: Zhili Miao et al. (2010).  16  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética Department of Energy, United States of America , 2011. Light-Duty Vehicle Fuel Consumption Displacement Potential up to 2045. En julio de 2011, el DOE (Departmet of Energy, United States of America) publicó un informe titulado “Light-Duty Vehicle Fuel Consumption Displacement Potential up to 2045” (Department of Energy, United States of America ,2011). Tras la realización del informe se obtuvo como conclusión que una serie de mejoras en la tecnología de la pila de combustible darán lugar a una reducción significativa del consumo de combustible. Como se muestra en la Tabla 2, se obtuvo como resultado que el uso de la pila de combustible en diversas configuraciones de vehículos eléctricos se traducirá en una mayor reducción del consumo de combustible en comparación con los vehículos de gasolina. El informe llegó a la conclusión de que los vehículos eléctricos de batería serán caros en un futuro y a largo plazo los vehículos de pila de combustible conseguirán tener un precio competitivo. Tabla 2. Porcentaje de reducción de consumo de combustible (millas/galón de gasolina equivalente o mpgequiv) en el año 2045, comparado con el coche de gasolina convencional del año 2010. Fuente: Department of Energy, United States of America, 2011. Combustible Convencional HEV PHEV10 PHEV40 Gasolina 2-43 37-64 49-70 64-81 Diesel 16-42 42-62 51-69 65-80 Motor de combustión interna de hidrógeno 4-41 50-67 56-73 69-82 Etanol 1-47 32-62 46-69 62-80 Pila de combustible 57-70 62-75 77-84 Convencional: Vehículo de gasolina del año 2010. HEV: Vehículo eléctrico híbrido. PHEV10: Vehículo eléctrico híbrido enchufable con autonomía eléctrica de 10 millas (16,093 km). PHEV40: Vehículo eléctrico híbrido enchufable con autonomía eléctrica de 40 millas (64,372 km). Veziroglu Ayfer, Macario Rosario. Fuel cell vehicles: state of the art with economic and environmental concerns. International Journal of Hydrogen Energy 36 (2011). En este estudio se concluyó que para las aplicaciones de vehículos parece que las pilas de combustible más apropiadas son las de membrana de intercambio de protones (PEM o PEFC). Aunque se sigue investigando para obtener los puntos óptimos de operación y el control automático, para que las pilas de combustible arranquen en frío en condiciones de baja temperatura y para mejorar otras características de operación. La degradación y la durabilidad parece que van a ser unos aspectos críticos para el uso práctico de las pilas de combustible. El análisis del proceso específico por el cuál una pila de combustible se degrada en un vehículo con el paso del tiempo abre un nuevo campo de investigación.  23  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética Desde el punto de vista del constructor, el cambio a FCVs será caro. Debido a la naturaleza y madurez de la flota actual de vehículos de combustión interna, los FCVs no pueden entrar en la industria del transporte como modelos rudimentarios que pueden evolucionar lentamente a lo largo del tiempo. Aunque un pequeño número de FCVs se fabrican y se venden en EE.UU y Japón, hace falta una gran investigación y desarrollo para que puedan producirse en masa. Los fabricantes ven la transición a los FCVs en unos 55 años planificada como sigue: diseño de un vehículo competitivo (15 años), penetración hasta un 35% de la producción del nuevo vehículo (25 años), y penetración hasta un 35% de las millas recorridas por una flota (20 años). Se está empezando a investigar una posible relación simbiótica entre los FCVs y los vehículos eléctricos de batería. Greene DL, Leiby PN, James B., Perez J., Melendez M., Milbrant A., et al. Analysis of the transition to hydrogen fuel cell vehicles & the potential hydrogen energy infrastructure requirements. ORNL/TM-2008/30; March 2008. Greene et al. estimaron que los costes acumulados de políticas alternativas para una transición exitosa a los FCVs fueron de 10 a 45 mil millones de $ para un período comprendido entre 2012 y 2025. Utilizando una curva de aprendizaje y el modelo de infraestructura UC Davis SSCHISM, el NRC (2008) presentó el análisis de varios escenarios de hidrogeno. Para el escenario de éxito del Hidrógeno, el estudio concluye que el punto de equilibrio de los FCVs con los vehículos de gasolina se producirá en el año 2023 y los costes de inversión en el año 2023 (diferencia en el precio de los vehículos más la diferencia del coste del combustible) para los FCVs alcanzarán unos costes competitivos (22 mil millones de $). Lee JY, Yoo M, Cha K, Lim TW, Hur T. Life cycle cost analysis to examine the economical feasibility of hydrogen as an alternative fuel. Int J Hydrogen Energy 2009; 34:4243-55. Lee et al. llevaron a cabo un análisis del coste del ciclo de la vida del hidrógeno que examina los costes del pozo al tanque (“well-to-tank”), los costes del tanque a la rueda (“tank-to-wheel”) y los costes externos de la emisión de gases y del efecto invernadero, e indican que los costes del ciclo de vida del hidrógeno dependen del precio del FCV, de la capacidad de producción, de la eficiencia del combustible, de los costes sociales y de la interacción del hidrógeno. Este estudio utiliza la metodología del cálculo del coste del ciclo de vida del hidrógeno para identificar cuando puede ser el hidrógeno económicamente viable en comparación con los combustibles convencionales y qué política energética es más eficaz para el fomento de la introducción del hidrógeno en el mercado competitivo del combustible. Las distintas formas de obtener hidrógeno, objeto de este estudio son: el H2 obtenido mediante reformado de vapor de gas natural, H2 obtenido mediante el reformado de vapor de  24  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética nafta, H2 obtenido mediante el reformado de gas licuado del petróleo e H2 producido a través de la electrólisis del agua. Además, en esta comparación también se han incluido los combustibles convencionales, gasolina y diesel. En este estudio se calcularon los costes del ciclo de vida de los combustibles objeto de estudio y se han examinado varios factores clave para identificar la viabilidad económica de los distintos sistemas, estos factores se detallan a continuación: precio del vehículo de pila de combustible, coste social de los gases de efecto invernadero, las emisiones del aire reguladas (CO, VOC, SOx, NOx, partículas en suspensión), economía del combustible del vehículo de pila de combustible y costes capitales de los equipos de H2 en las estaciones de repostaje de H2. Los costes del ciclo de vida del hidrógeno dependen también de la capacidad de producción. Aunque en la actualidad, las distintas formas de H2 producido son más eficientes que los combustibles convencionales en la etapa de utilización del combustible, tienen un aspecto que los hacen menos competitivos que el combustible convencional en los costes del ciclo de vida (“well-to-wheel”) debido al elevado coste de los vehículos de pila de combustible. En este estudio se modela un escenario futuro basado en la política energética de Corea y en los objetivos para el año 2015 de la OECD/IEA para predecir la penetración del hidrógeno en el mercado del combustible del transporte. En el año 2015 si el mercado del hidrógeno se ha extendió y las tecnologías necesarias se han desarrollado, se espera que los costes asociados se reduzcan debido a la producción en masa y al aumento de estaciones abastecedoras de H2. Además el análisis del escenario se lleva a cabo para diagnosticar los efectos que tienen unos factores clave sobre los costes del ciclo de vida, tales como el coste de los vehículos de pila de combustible, los costes sociales de las emisiones, y la eficiencia del combustible de los vehículos de pila de combustible. En el escenario del año 2015, se espera que todas las formas de H2 producido tengan unos costes del ciclo de vida inferiores a los combustibles convencionales. Es evidente que el precio de los vehículos de pila de combustible es el factor más importante para impulsar la economía del hidrógeno y de los vehículos de pila de combustible. A menos que el precio esté por debajo del precio de estos vehículos en EEUU, 62.320 $, es necesario rebajarlo para impulsar este mercado. El incentivo o los impuestos por los gases de efecto invernadero o emisiones que contaminan el aire también se espera que estimule la difusión del H2 y los vehículos de pila de combustible, especialmente para el caso del H2 obtenido con energía eólica. La incertidumbre en la eficiencia del combustible de los vehículos de pila de combustible y los costes capitales de los equipos en las estaciones de repostaje tienen poca influencia en los costes del ciclo de vida del H2. Este estudio integra los costes well-to-tank y los costes tank-to-wheel para 160.000 km recorridos por cada vehículo durante su ciclo de vida. En la etapa de eficiencia del combustible (“well-to-tank”), en la actualidad, solamente el H2 obtenido a través de Nafta (producción centralizada) mostró unos costes de WTT inferiores a la gasolina mientras que el tipo de estación no es viable económicamente porque tiene elevados costes capitales y una baja eficiencia de producción. En la fase de utilización del combustible, los vehículos de pila de combustible de hidrógeno tienen una elevada  25  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética eficiencia energética. En la etapa “well-to-wheel”, análisis del pozo a la rueda en la que se tiene en cuenta la energía consumida en la fase de obtención de la materia prima, en su transformación en combustible, en la distribución y venta del mismo y por último en el uso final de la energía o el combustible en los vehículos, ninguna de las distintas formas de H2 obtenido es competitivo frente a los distintos combustibles convencionales esto se debe al elevado precio de los vehículos de pila de combustible. Por lo que la investigación y el desarrollo son necesarios para reducir los costes de este tipo de vehículos y de los equipos necesarios. En 2015 se espera que el H2 tenga viabilidad económica en comparación con los combustibles convencionales. El Hidrógeno obtenido a través del reformado de vapor de agua sería el más viable económicamente ya que se espera que el gas natural sea más barato que el petróleo y también porque emite menos contaminantes. Pero si se tiene en cuenta el coste social, el H2 obtenido con energía eólica sería el mejor ya que emite menos gases de efecto invernadero y menos contaminantes del aire que otras vías de producción. Stephens-Romero S., Carreras-Sospedra M., Brouwer J., Dabdub D., Samuelsen S. Determining air quality and greenhouse gas impacts of hydrogen infrastructures and fuel cell vehicles. Environ Sci Technol 2009; 43:9022-9. Este estudio muestra que los FCVs de hidrógeno con una penetración de mercado del 75% en la costa sur Air Basin de California conducirán a una mejora sustancial en la calidad del aire en paralelo con la reducción del 61-68% de emisiones de gas invernadero. Thomas CE, (1). Transportation options in a carbon-constrained world: Hybrids, plug-in hybrids, biofuels, fuel cell electric vehicles, and battery electric vehicles, International Journal Hydrogen Energy 2009;34:9279-9296. Thomas CE, (2). Fuel cell and battery electric vehicles compared. International Journal Hydrogen Energy 2009;34:6005-20. Estudios llevados a cabo por Thomas CE. (1)(2) comparan los beneficios sociales de varias alternativas de transporte (reducción en la contaminación atmosférica local, emisiones de efecto invernadero, y consumo de combustible). Concluyen que las únicas soluciones a la “cuasi-independiencia” energética serían los vehículos de hidrógeno y los vehículos eléctricos, y los ahorros de costes sociales de los FCVs justifican los costes de la infraestructura del hidrógeno. Los FCVs son superiores a los vehículos eléctricos de ión Litio en la mayoría de los aspectos: pesan menos, cuestan menos, menor emisión de gases efecto invernadero, menos energía pozo-rueda (WTW) (con gas natural o biomasa) y menor tiempo de repostaje. Sin embargo, los vehículos eléctricos de batería tienen menor coste de combustible, utiliza menos energía WTW solar ó eólica por distancia recorrida (millas), y en los próximos años tendría un buen acceso a la capacidad de repostaje.  26  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética Offer GJ, Howey D, Contestabile M, Clague R, Brandon NP. Comparative analysis of battery electric, hydrogen fuel cell and hybrid vehicles in a future sustainable road transport system. Energy Policy 2010;38:24-9. Igualmente, un estudio publicado más nuevo llevado a cabo por Offer et al. llegó a la conclusión de que tanto los vehículos eléctricos de batería como los vehículos híbridos de pila de combustible “enchufables” tendrán costes del ciclo de la vida inferiores que los vehículos de pila de combustible en 2030, los cuales tendrán un coste parecido a los de un vehículo convencional de gasolina. La mayoría de los estudios se centran en la estimación del consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero para las futuras opciones de vehículos en un determinado momento. Algunos estudios consideran los costes iniciales de los vehículos, los costes de funcionamiento, los costes externos, pero algunos consideran solamente el coste del vehículo y algunos incluyen solamente ciertos costes externos. En la mayoría de los estudios no se modela explícitamente el rendimiento del vehículo, pero en pocos estudios, el rendimiento se simula con ADVISOR. Ninguno de los estudios utiliza un modelo de coste detallado para los componentes del vehículo para examinar los principales impulsores del coste; ninguno de ellos utiliza de manera combinada la energía y el modelo de coste del vehículo para asegurar la coherencia entre el coste y las estimaciones de rendimiento, y ninguno de ellos considera los costes de operación, seguro, y mantenimiento. Algunos estudios utilizan el modelo GREET para estimar la contaminación atmosférica y las emisiones de gases de efecto invernadero. Yongiling Sun, Joan Ogden, Mark Delucchi. Societal lifetime cost of hydrogen fuel cell vehicles. International Journal of hydrogen energy 35 (2010) 1193211946. El estudio llevado a cabo por Yongling Sun et al. se basa en investigaciones previas e intenta cubrir o solucionar algunas deficiencias identificadas anteriormente. Los autores utilizan los modelos AVCEM (Advanced Vehicle Cost and Energy-Use Model), SSCHISM y otros modelos para estimar el coste social del ciclo de vida de los FCVs de hidrógeno y los vehículos convencionales de motores de combustión interna (ICEVs). El coste social del ciclo de vida se define como la suma del coste del vehículo, del coste del combustible y del coste de operación y mantenimiento. El rendimiento del vehículo, el uso de energía y todos los costes se modelan en detalle en AVCEM, lo que permite analizar la coherencia entre el rendimiento y la estimación de costes. AVCEM es un modelo de rendimiento de vehículo y de diseño que permite a los usuarios diseñar un vehículo que satisfaga el rendimiento y la especificación con la potencia y almacenamiento necesarios. Los costes externos se pueden estimar tanto utilizando el modelo AVCEM como el modelo de emisiones del ciclo de vida (LEM, Lifecycle Emissions Model). Se puede modelar la reducción de costes del sistema de pila de combustible con el tiempo a medida que el volumen de producción aumenta. Sistemáticamente se puede estimar el daño material antes de la  27  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética contaminación atmosférica y proporcionar una estimación de los costes externos si se utiliza petróleo. Los resultados obtenidos en este estudio muestran que los FCVs tendrían un mayor valor inicial que el vehículo de combustible convencional aún cuando su producción sea en masa. Para el caso de referencia utilizado, los costes externos de un FCV de hidrógeno pueden ser 800-900 $, unos 2.000$ menos en comparación con un vehículo de gasolina. El ahorro total de costes externos de un FCV puede ser alrededor de 9.700 $. Los gastos necesarios para producir FCVs de hidrógeno competitivos con respecto a los vehículos de gasolina son bastante sensibles a las externalidades (efecto negativo o positivo de la producción o consumo de algunos agentes sobre la producción o consumo de otros, por los cuales no se realiza ningún pago o cobro) y al precio futuro de la gasolina. Department of Energy. United States of America. 2011 Fuel Techonologies Market Report. July 2012. Según el informe llevado a cabo por el departamento de energía de US. los costes de pilas de combustible han disminuido de manera importante para el caso de vehículos ligeros, con una reducción de más del 80% desde el año 2002 y del 30% desde el año 2008, según el DOE. El contenido de Platino se ha reducido en un factor de cinco y en la actualidad contiene menos de 0,2 g/kW, siendo el objetivo de DOE de 0,125 g/kW. Por otro lado, la durabilidad de las pilas de combustible se ha duplicado. Como se muestra en la Fig.7.el coste por kW de un sistema de pilas de combustible en el sector del transporte se redujo a menos de 50$/kW por primera vez en el año 2011. Fig.7. Coste del sistema de pila de combustible para el transporte por kW, asumiendo un elevado volumen de producción (500.000 unidades/año). Fuente: Department of Energy. United States of America, (2012). El coste para producir y distribuir hidrógeno también continúa disminuyendo. Para la producción distribuida, el coste de hidrógeno (distribuido y libre de impuestos) obtenido a partir de reformado de gas natural ya está por debajo de 4 $por galón de gasolina  28  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética equivalente, dentro del objetivo establecido por el DOE: 2-4 $ por galón de gasolina equivalente. El coste del hidrógeno (distribuido y libre de impuestos) obtenido a partir de electrólisis está en torno a 6 $ por galón de gasolina equivalente (Department of Energy. United States of America, 2012). Por otro lado, el DOE esta tratando de reducir los costes de ciclo de vida de los vehículos de pila de combustible a menos de la mitad, de 53 centavos de $/milla en 2010 a 28 centavos de $/milla en 2020 (Fig.8). Se espera esta reducción de costes aumentando el volumen de fabricación y las mejoras tecnológicas tanto en las pilas de combustible como en la producción y almacenamiento de hidrógeno.  Fig.8. Formas de reducir el coste de los vehículos de pila de combustible. Fuente: Department of Energy. United States of America, (2012). 2.4. Estado actual de los vehículos de pila de combustible. La tecnología de las pilas de combustible ha progresado en cuanto a reducción de costes, vida y durabilidad del sistema. Sin embrago, el progreso en lo que se refiere a reducción de costes, tanto de las pilas de combustible como del hidrógeno, debe continuar, la disponibilidad de estaciones de abastecimiento de hidrógeno debe aumentar, en especial estaciones que proporcionen hidrógeno producido a partir de fuentes renovables. El rendimiento y durabilidad de las pilas en las aplicaciones del transporte también deben mejorarse. Por otro lado, la concienciación de la sociedad con respecto al hidrógeno y las pilas de combustible es baja, por lo que hace falta una mayor divulgación y educación en este campo. Y por último las normas de seguridad y de producción tienen que ser revisadas para reflejar la situación actual. Casi todos los fabricantes de vehículos cuentan con programas de investigación y desarrollo para poner a punto la tecnología de las pilas de combustible. La viabilidad económica de estos vehículos está ligada a la reducción de los costes de producción de las pilas de combustible, a la mejora de los sistemas de almacenamiento del  29  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética hidrógeno en los vehículos y, sobre todo, al desarrollo de una infraestructura de estaciones de repostaje. Las pilas de combustible utilizadas en el transporte son PEMFC, como ya se ha indicado. En la mayoría de las aplicaciones, las pilas de combustible van con una batería o con otro dispositivo de almacenaje de energía. En esta configuración la pila de combustible es la que proporciona la potencia primaria o la potencia a la batería. La Tabla 3 muestra las pilas de combustible disponibles en el mercado para el sector del transporte en el año 2011. Tabla 3. Pilas de combustible comercialmente disponibles para el transporte, año 2011. Fuente: Department of Energy. United States of America, (2012). Fabricante Nombre del producto Tipo Potencia generada Ballard FCvelocity-HD6 PEM 75 y 150 kW Hydrogenics Hypm HD Modules PEM 4,8,12,16,33 y 100 kW Nuvera Andromeda Fuel Cell Stack PEM 100 kW HDL-82 Power Module PEM 82 kW UTC Power PureMotion 120 PEM 120 kw Los criterios que han de ser considerados a la hora de desarrollar las pilas de combustible son: - Dinámica de la entrega de potencia (potencia total y ritmo de entrega de ésta). - Tiempo para arrancar en frío. - Vida útil. - Rango de humedad y de temperatura operacional. - Eficiencia total incluyendo los elementos auxiliares. - Precio (euros por cada kilovatio de potencia). - Peso (kilogramos por cada kilovatio de potencia). - Área requerida para enfriar la pila de combustible (m2 necesarios). - Comportamiento para aplicaciones no estacionarias (vibraciones, cambios de temperatura, etc.). - Resistencia a impactos. En la actualidad, no existe aún a nivel mundial un mercado consolidado del hidrógeno, y el desarrollo de vehículos con pila de combustible está limitado a prototipos. España participa en distintos proyectos europeos de demostración relacionados con el hidrógeno. Las perspectivas de futuro de los vehículos impulsados por hidrógeno se detallan a continuación: - Hasta aproximadamente el año 2030 se espera que los combustibles fósiles, sobre todo combinados con técnicas de captura y el almacenamiento del carbono, sigan siendo la fuente dominante de energía para la producción del hidrógeno en Europa. Paulatinamente, y hasta dicho año, el hidrógeno obtenido a partir de fuentes renovables irá penetrando en el mercado.  30  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética - La infraestructura de suministro del hidrógeno es probable que incluya tanto el aprovisionamiento de hidrógeno en grandes centrales de suministro, como su obtención local en los puntos de consumo. - La introducción de los vehículos de pila de combustible en el mercado depende en gran medida de los éxitos que se consigan en la reducción de los costes del sistema de propulsión. En menor medida, el precio de la producción y del suministro, el coste de almacenamiento del hidrógeno, el precio del petróleo y la internalización de los costes ambientales también determinarán el ritmo de penetración del hidrógeno en el sistema europeo de energía. - Todavía hay una gran incertidumbre sobre el ritmo de incorporación al mercado del hidrógeno, así como sobre las inversiones totales requeridas para la introducción de las tecnologías del hidrógeno. - Para determinar el papel futuro del hidrógeno es importante desarrollar una visión final del sistema energético en cada país. Dicha visión ayudaría a diseñar incentivos sociopolíticos para la introducción del hidrógeno. Uno de los factores claves en la introducción de los vehículos de pila de combustible es la producción del hidrógeno en la que hay que considerar los siguientes aspectos: - El reformado y la electrólisis para la producción de hidrógeno constituyen procesos que ya están disponibles comercialmente y gracias a ello, pueden desempeñar un papel clave a la hora de satisfacer la demanda energética del hidrógeno a corto y medio plazo. - El hidrógeno actualmente es más costoso que los combustibles convencionales, pero se espera que en el futuro se pueda producir en Europa con costes por kilómetro recorrido competitivos, en comparación con los costes de la gasolina y del diesel. La fiscalidad de cada combustible puede jugar un papel clave en la competitividad del hidrógeno frente a los combustibles convencionales. Los ahorros han de obtenerse tanto en la producción del hidrógeno y las pilas de combustible como en el almacenamiento del primero. - La seguridad de suministro de la energía, el agotamiento de los recursos fósiles y la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero a medio y largo plazo impulsarán, en cualquier caso, la transición hacia tecnologías con emisiones CO2 bajas o neutras. Esta transición se apoyará en el hidrógeno obtenido a partir de fuentes renovables, incluyendo la biomasa. - A largo plazo, a medida que se desarrollen estas tecnologías, se deberán evaluar continuamente parámetros tales como el impacto de las curvas de aprendizaje de la tecnología, los beneficios económicos de la producción en masa y, de manera cada vez más importante, el análisis del ciclo de vida completo de todo el sistema. Los Estados miembros de la Unión Europea y la Comisión Europea tendrán un papel importante a la hora de estimular la I+D de las tecnologías del futuro. El desarrollo de posturas comunes respecto a las políticas de introducción en el mercado de las tecnologías ya maduras será igualmente otro aspecto clave en este contexto.  31  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética - En el período de transición se deberán considerar medidas políticas que mejoren la viabilidad económica de la producción del hidrógeno (a partir de tecnologías con emisiones de CO2 bajas o neutras). Japón y EE.UU. son los que más están trabajando en el desarrollo de la tecnología de las pilas de combustible, seguido de Europa. Los países emergentes como China y Corea, están poniéndose al día rápidamente. Japón es el líder mundial del despliegue de las pilas de combustible. En cuanto al mercado español del vehículo de pila de combustible, Madrid y Barcelona, junto a otras ocho ciudades europeas (Amsterdam, Estocolmo, Hamburgo, Londres, Luxemburgo, Stuttgart, Reykjavik y Oporto), fueron pioneras en el año 2003 en la utilización de autobuses urbanos equipados con pilas de combustible (proyecto “Clean Urban Transport for Europe” - CUTE, financiado por la UE y liderado por la empresa Daimler-Chrysler (Mercedes)). El proyecto CUTE contemplaba la demostración en estas 10 ciudades europeas de 30 autobuses propulsados por pila de combustible. Los 30 autobuses estaban equipados con pilas Ballard de 205 kW de potencia con tecnología de membrana de intercambio protónico (también conocida por su nombre en inglés Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC). Por otro lado, la ciudad de Madrid inició en el año 2003 su participación en el proyecto CITYCELL liderado por Iveco-Irisbus. El proyecto contemplaba la demostración de cuatro autobuses propulsados por pila de combustible en cuatro ciudades europeas: Madrid, París, Turín y Berlín. En el caso de Madrid y Turín, los vehículos empleados eran autobuses Iveco dotados de pila de combustible UTC de 62 kW con tecnología de membrana de intercambio protónico (PEMFC). A mediados de 2003 únicamente quedaba en funcionamiento el autobús de Madrid compartiendo la estación de abastecimiento de hidrógeno con los autobuses del proyecto CUTE. Los dos proyectos anteriores ya han finalizado. Más reciente es el proyecto europeo HYCHAIN MINI-TRANS, que desplegó varias flotas de vehículos accionados mediante pilas de combustible en cuatro países europeos: Francia, España, Alemania e Italia. El objetivo principal de este proyecto es movilizar el volumen suficiente de vehículos (por encima de los 158 vehículos) como para obtener en términos industriales reducciones de costes. El proyecto H2 moves Scandinavia se trata del primer proyecto europeo sobre hidrógeno financiado por el programa conjunto sobre pilas de combustible e hidrógeno (European Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking) lanzado por la Comisión Europea y los grupos interesados en el sector europeo. Se utilizaran 15 vehículos FCEV en Oslo y Copenhague y la infraestructura de repostaje de hidrógeno necesaria. Dicho proyecto comenzó en el año 2010. El proyecto CHIC (Clean Hydrogen in European Cities) es el paso para la comercialización de autobuses de pila de combustible. Este proyecto se ha llevado a cabo con 26 autobuses por zona urbana y con rutas en cinco lugares de Europa.  32  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Ener g ética Por otra parte, dentro de la Estrategia E4 de Ahorro y Eficiencia Energética en España y de los consiguientes Planes de Acción, se vienen contemplando desde el año 2006 ayudas en la renovación de vehículos. Para el ejercicio 2008, la adquisición de un automóvil o vehículo industrial con MMA hasta 3.500 kg se subvenciona con un 15% del valor de mercado, hasta un máximo de 6.000 €. A partir de 3.500 kg, la subvención es del 15% del total del coste de adquisición hasta un máximo de 50.000 €. Además, las estaciones de carga son objeto de una ayuda de entre 30.000 hasta 60.000 euros según sean individuales o colectivas. Como ya se ha comentado, dichas ayudas son gestionadas por las diferentes CC.AA. a través de convenios de colaboración suscritos con IDAE. Estas subvenciones son compatibles con otras ofertas de fabricantes o vendedores de vehículos. También, a nivel nacional, existe una deducción fiscal por adquisición de vehículos ecológicos (cumpliendo normas medioambientales más estrictas que la reglamentación vigente), del 9% del valor total de la inversión en el año fiscal correspondiente a la misma. La investigación y la industria vinculada al hidrógeno como sector energético está liderada por Estados Unidos, Alemania, Canadá y Japón, En Europa, Alemania lidera el desarrollo tecnológico del hidrógeno. El gobierno alemán y las empresas han constituido la Clean Energy Partnership (CEP), el mayor proyecto europeo de desarrollo de infraestructuras del hidrógeno y pila de combustible. Según objetivos de la UE, el punto de partida en el horizonte temporal de la implantación de las tecnologías del hidrógeno es 2015 y se espera alcanzar que el 5% de los vehículos comercializados en 2020 usen esta tecnología. En 2050 el uso del hidrógeno y las pilas de combustible estaría ampliamente difundido. En España, en los últimos cinco años se ha producido un importante impulso, promovido por la AeH2 y la Plataforma Tecnológica Española del Hidrógeno y las Pilas de Combustible (PTEHPC), con más de un centenar de proyectos estatales e inversiones de más de 300 millones de euros. Entidades españolas han participado en más de 30 proyectos europeos, con una inversión de 10 millones de euros. En España hay grandes oportunidades para ocupar posiciones de ventaja en la carrera del hidrógeno, como el disponer de la mayor planta del mundo de uso limpio de carbón por Gasificación Integrada en Ciclo Combinado, que, unida a las tecnologías de almacenamiento de CO2, podría situar a España en una situación de ventaja en el conocimiento de la tecnología de producción centralizada de hidrógeno a partir de combustibles fósiles con cero emisiones; o la Plataforma Solar de Almería, un referente mundial en la investigación y desarrollo de energía solar y sus tecnologías relacionadas. Otros puntos fuertes de España para el desarrollo de las tecnologías del hidrógeno son el alto nivel de las ingenierías españolas en integración de sistemas, electrónica y  1  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia ANEXO III. FACTORES TÉCNICOS A TENER EN CUENTA EN UN VEHÍCULO DE PILA DE COMBUSTIBLE. En esta tarea se han analizado aquellos factores técnicos importantes del H2 a tener en cuenta frente a la utilización de otros combustibles. Una vez analizado el estado del arte sobre este tipo de vehículos se han definido aquellos parámetros relevantes a tener en cuenta para comparar la eficiencia y sostenibilidad de los vehículos que utilizan H2 como combustible frente a vehículos alimentados por otro tipo de combustible. Hay que tener en cuenta que el parque móvil en 10 años pasará de 775 millones de vehículos a 1.100 millones circulando por nuestro planeta (lo que supone un incremento del 2,4 % de demanda de energía primaria hasta el 2020) (Fig.1) Fig.1. Crecimiento previsto del parque vehicular mundial hasta 2030. Fuente: L.B. Systemtechnick, 2005. El sector del transporte por carretera es uno de los que más contamina en términos de emisiones de gases de efecto invernadero en la Unión Europea (UE), con el objeto de reducir las emisiones de este sector el Reglamento (CE) 443/2009 (por el que se establecen normas de comportamiento en materia de emisiones de los turismos nuevos como parte del enfoque integrado de la Comunidad para reducir las emisiones de CO2 de los vehículos ligeros) fija unos límites relativos a los turismos nuevos. (130 g de CO2/km, a partir del año 2020 dicho nivel se reducirá a 95 g de CO2/km. A partir del año 2012, si los fabricantes superan las emisiones específicas establecidas, deberán pagar una prima suplementaria.(European Commission, 2013 (1)). La UE tiene como objetivo reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero hasta el año 2050. En el marco del Protocolo de Kioto, los 15 países que eran miembros de la UE antes de 2004 (UE15) se comprometieron a reducir sus emisiones colectivas un 8% por debajo de los niveles de 1990 durante los años 2008-2012. La mayoría de Estados miembros que han ingresado en la UE desde 2004 también tienen objetivos de reducción de emisiones de entre un 6 y un 8%.  2  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Para el 2020, la UE se ha comprometido a reducir sus emisiones un 20% por debajo de los niveles de 1990. La UE se ha ofrecido a aumentar esta reducción a un 30% si otros grandes países emisores en el mundo desarrollado y en desarrollo también se comprometen a reducir las emisiones globales. Para el año 2050, los líderes de la UE han respaldado el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en Europa en un 80-95% en comparación con los niveles de 1990 (European Commission, 2013 (2)). Pero esta descarbonización podría requerir el 95% de la descarbonización del sector del transporte por carretera (ROADMAP 2050 practical guide to a prosperous, lowcarbon Europe, 2010). Se ha planteado el cambio del combustible convencional por la electrificación, la biomasa y/o el hidrógeno para que sea viable para el año 2050 en todos los sectores de demanda energética: transporte, industria y edificación. En la Figura 2. se muestra una combinación convincente de la reducción de los niveles en todos los sectores que alcanza el objetivo previsto del 80% de reducción de emisiones establecido en la UE-27. Fig.2. Combinación de reducción de niveles de CO2 en todos los sectores.. Fuente: ROADMAP 2050 practical guide to a prosperous, low-carbon Europe, 2010. Otro objetivo de la UE es que el consumo de energía renovables (tales como eólica, solar y biomasa) alcance un 20% en el año 2020 (European Commission, 2013 (2)). Los vehículos eléctricos (de batería (BEVs), de pila de combustible (FCEVs) y los híbridos enchufables (PHEVs)) son necesarios para alcanzar la reducción global de CO2 establecida por la UE. A largo plazo, la introducción del hidrógeno para utilizarse en las pilas de combustible como nuevo vector energético. Lo que permitirá producir hidrógeno a partir de agua, con electricidad y calor de fuentes renovables, siendo sus emisiones nulas. Si la fuente de la que se obtiene el hidrógeno es el gas natural o el carbón, entonces es necesaria  3  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia la captura y almacenamiento de CO2 para reducir emisiones, pero en el caso de los vehículos de pila de combustible alimentada con hidrógeno las emisiones locales se reducirán ya que el único efluente es vapor de agua. Los vehículos de pila de combustible (FCVs) tienen la propiedad de reducir la dependencia de los combustibles fósiles y reducir las emisiones de gases que contribuyen al cambio climático. Deben producirse varios cambios antes de que estos vehículos sean competitivos con los vehículos convencionales pero los beneficios potenciales de esta tecnología son sustanciales. A continuación se muestra un análisis DAFO sobre el uso del Hidrógeno como combustible (Tabla 1): Tabla.1. Análisis DAFO sobre el uso del hidrógeno como combustible. Fuente: IDAE, FITSA (2008). DEBILIDADES AMENAZAS - No se trata de una fuente de energía sino de un vector energético, y como tal hay que consumir cierta energía para fabricarlo. - Su transporte es costoso por tener una baja densidad energética por unidad de volumen y por ser un gas muy volátil. - No existe en la actualidad una infraestructura de suministro de hidrógeno para su uso como vector energético comercial. - El almacenamiento en el vehículo de la cantidad de hidrógeno suficiente para asegurar una autonomía media no esta resuelto. - Las pilas de combustible están en fase de desarrollo. - En la actualidad se produce en el mundo una veinteava parte de todo el hidrógeno que sería necesario para sustituir a los combustibles alternativos. - Que el precio del hidrógeno no llegue a ser competitivo con los combustibles alternativos. - El precio del hidrógeno puede ser muy dependiente del precio del gas natural o de la electricidad renovable. - La producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles (especialmente el carbón) necesita del desarrollo de nuevas técnicas de captura y almacenamiento de CO2 para reducir las emisiones de este gas de efecto invernadero. - Un aumento del precio del platino usado como catalizador de la combinación química del hidrógeno con el oxígeno encarecería considerablemente las pilas de combustible. - Inexistencia de una normativa sobre su uso. FORTALEZAS OPORTUNIDADES - Se puede producir hidrógeno a partir de múltiples fuentes, incluidas fuentes energéticas sostenibles y locales. - El hidrógeno se puede almacenar, pudiendo servir como método de almacenamiento de la energía de fuentes alternativas, las cuales son muy estacionales o cíclicas con el tiempo. - El uso de hidrógeno en pilas de combustible puede aumentar el rendimiento global del sistema, al no estar limitado a ciclos termodinámicos. - El uso del H2 no produce CO2, ni contaminantes del aire. - Reducción de la dependencia energética. - Reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. - Desarrollo de un sistema optimizado de producción y distribución de H2.  4  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Los vehículos de pila de combustible por fuera son idénticos a los convencionales, pero contienen en su interior compontes tecnológicamente avanzados, la diferencia más obvia es la pila de células de combustible que convierte el hidrógeno almacenado a bordo con oxígeno del aire en electricidad para hacer funcionar el motor eléctrico que propulsa al vehículo. Los componentes más importantes de un FCV convencional se muestran en la Fig.3: Fig.3. Componentes de un vehículo de pila de combustible. Fuente: U.S. Department of Energy, 2013 (1). 3.1. Propiedades del Hidrógeno El Hidrógeno es el elemento más abundante del universo pero no es un recurso natural sino un vector energético, hay que producirlo con el aporte energía. Puede producirse a partir de varios recursos (agua, recursos fósiles, biomasa,..) siguiendo para ello diversos procesos de transformación (electrólisis, gasificación, reformado..). Todos estos procesos de transformación suponen un gasto energético cuyos costes son asumibles (al igual que ocurre con la electricidad) pero a diferencia de la electricidad el hidrógeno es almacenable. Es el elemento más ligero (14,5 veces más que el aire) y abundante del universo. En la Tabla 2. se muestran las principales propiedades del Hidrógeno.  5  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Tabla 2. Propiedades del Hidrógeno. Fuente: Asociación española del Hidrógeno, 2013 (1). Densidad 0,0899 kg/Nm 3 (gas) 0,0708 kg/l (líquido) Poder calorífico Inferior PCI 120 MJ/kg Poder calorífico superior PCS 141,86 MJ/kg Límites de explosión 4-75% (concentración de H2 en aire) Límites de detonación 18,3 - 59,0 % (concentración de H2 en aire) Capacidad calorífica específica Cp = 14,199 KJ/(kg K) Cv = 10,074 KJ/(kg K) Coeficiente de difusión 0,61 cm 2 /s Puede extrañar que un kilo de hidrógeno genere la misma energía que 2,78 kg de gasolina (Tabla 3), sin embargo, ese kilo de hidrógeno ocupa mucho volumen por lo que la cantidad de energía que aporta por unidad de volumen (su densidad energética) es muy baja. El hidrógeno es el más ligero de los gases, tiene una densidad de energía baja y debe ser o bien comprimido a muy altas presiones o licuado a muy bajas temperaturas para ser almacenado en un volumen razonable. Técnicamente los más fácil es comprimirlo a 200-350 bares pero sigue ocupando muchísimo (a una presión de 200 bares, almacenar 4 kg requeriría un depósito de 250 litros (Fig.4)), pero el uso de nuevos materiales (composites de fibras de carbono con polímeros o aluminio) permite almacenarlo a presiones de hasta 700 bares. Si el Hidrógeno está en estado líquido, ocupa 700 veces menos que a temperatura ambiente y a presión atmosférica, pero se necesita mucho frío para alcanzar los 253 ºC bajo cero que necesita el hidrógeno para pasara a estado líquido. Por lo que se investiga en distintos métodos que permitan almacenar el hidrógeno y que ocupe menos, las dos alternativas existentes hasta la fecha son el almacenamiento de hidrógeno en hidruros metálicos y en nanotubos de carbono. De momento algunas marcas han optado por incorporar un reformador que convierte en hidrógeno otro combustible que ocupa menos volumen (metanol o gasolina). Fig.4. Volumen que ocupan 4 kg de H2. Fuente: Asensio Paloma, “Hidrógeno y Pila de combustible”.  6  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia A continuación, en la Tabla 3 se muestra una comparativa del hidrógeno con otros combustibles, calculando el valor energético basado en el PCI. Tabla 3. Comparativa del Hidrógeno con otros combustibles. Fuente: Asociación española del Hidrógeno, 2013 (1). H2 Gasolina Gasóleo Metano Gas Natural Propano Butano Metano l 1 kg 2,78 kg 2,80 kg 2,40 kg 2,54-3,14 kg1 2,59 kg 2,62 kg 6,09 kg 1 litro H2 líquido 0,268 l 0,236 l 0,431 l 1 litro H2 (350 bar) 0,0965 l 0,0850 l 0,240 l (350 bar) 0,3-0,35 l (350 bar) 0,117 l (350 bar) 0,127 l (350 bar) 0,191 l 1 Dependiendo de la composición del Gas Natural. La cantidad de H2 a presión contenido en un volumen V determinado se calcula con la siguiente fórmula: P*V = z * n* R * T Siendo: P: Presión en Pa n: número de moles V: Volumen en m3 R: constante 8,31 J/mol*K z. factor de compresibilidad T: Temperatura en K Por lo que es necesario conocer el factor de compresibilidad, en la Tabla 4 se puede observar el factor de compresibilidad del Hidrógeno en función de la presión. Tabla 4. Factor de compresión del Hidrógeno. Fuente: Asociación española del Hidrógeno, 2013 (1). Presión (bar) 1 50 100 150 200 250 300 Factor de compresión 1 1,032 1,065 1,089 1,132 1,166 1,201 Presión (bar) 350 400 500 600 700 800 900 Factor de compresión 1,236 1,272 1,344 1,416 1,489 1,560 1,632 En la Tabla 5 se recoge la equivalencia del hidrógeno en energía.  7  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Tabla 5. Equivalencia: Hidrógeno-Energía. Fuente: Asociación española del Hidrógeno, 2013 (1). Masa H2 (kg) H2 gas (Nm 3 ) H2 líquido 1 (litros) Energía 2 (MJ) Energía 2 (kW*h) 1 11,12 14,12 120 33,33 0,0899 1 1,270 10,8 3,00 0,0708 0,788 1 8,495 2,359 0,00833 0,0926 0,1177 1 0,278 0,0300 0,333 0,424 3,6 1 1El Hidrógeno es líquido a presión atmosférica por debajo de 20,39 K. 2 Basado en el PCI. En la Tabla 6 se presenta una comparación entre las propiedades físicas y químicas del hidrógeno y de otros combustibles como son el metano, el propano y la gasolina. El hidrógeno es un buen combustible capaz de proporcionar más energía por unidad de masa que otro combustible: 33,3 kWh/kg, frente a los 13,9 kWh/kg del gas natural o los 12,4 kWh/kg del petróleo (Asensio Paloma, “Hidrógeno y Pila de combustible). Tabla 6. Propiedades físicas y químicas del hidrógeno, metano, propano y gasolina. Fuente: Gutiérrez Jodra, Luis , 2005. Propiedad Hidrógeno (H2) Metano (CH4) Propano (C3H6) Gasolina -CH2Poder calorífico (MJ/kg) 120 50 46,3 44,5 Temperatura de autoignición (ºC) 585 540 487 228-501 Temperatura adiabática de la llama en aire (ºC) 2.045 1.875 1.925 2.197 Límites de ingnición en aire (% en vol.) 4-75 5,3-15 2,1-10 1,0-7,6 Propagación de la llama en aire (m/s) 2,65 0,4 - 0,4 Coeficiente de difusión en aire (cm2/s) 0,61 0,18 - 0,05 Toxicidad no no - Alta a conc> 500 ppm ∆V en la reacción con oxígeno negativo positivo positivo  8  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia 3.2. Eficiencia de los sistemas basados en pilas de combustible e hidrógeno. El Hidrógeno en los vehículos puede utilizarse en motores de combustión interna (MCI) formando parte de una cadena de tracción convencional, o con pilas de combustible para configuraciones de tracción eléctrica (Fig.5). Fig.5. Distintos sistemas de propulsión utilizando Hidrógeno como combustible. Fuente: González GarcíaConde A. (2011). Los sistemas de propulsión basados en pila de combustible e Hidrógeno tienen varias configuraciones: la configuración “full power” en la que la pila de combustible esta dimensionada para suministrar toda la potencia necesaria para mover el vehículo (Fig.6) o la configuración “base load” en la que la pila de combustible esta dimensionada para suministrar la potencia base que requiere el vehículo, mientras que los picos de potencia los suministra un dispositivo de almacenamiento como puede ser una batería o un supercondensador (Fig.7). Fig.6. Vehículo eléctrico de pila de combustible con configuración “full power” comparado con un vehículo de batería. Fuente: González García-Conde A. (2011).  9  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Fig.7. Vehículo eléctrico híbrido (utiliza pila de combustible y batería o supercondensador) con configuración “base load”. Fuente: González García-Conde A. (2011). En el caso del vehículo eléctrico híbrido, como puede verse en la Fig.7 puede estar en paralelo, entonces la pila de combustible suministra la potencia de crucero y la batería (o supercondensador) la potencia pico, o en serie, en este caso la pila de combustible solamente recarga la batería y ésta suministra toda la potencia al motor eléctrico. Un motor de combustión estacionario puede alcanzar eficiencias del 42%, un buen motor de coche puede rondar el 25%, ya que en un ciclo de conducción normal la mayor parte del tiempo el motor trabaja a cargas parciales, estando muy lejos de alcanzar su máxima eficiencia. Mientras que una pila de combustible utilizando hidrógeno, alcanza ya eficiencias del 60% (Asociación española del Hidrógeno, 2013 (2)). Una comparativa de eficiencias puede observarse en la Fig. 8. Fig.8. Comparación de eficiencia de pilas de combustible y de motores de combustión interna. Fuente: Frano Barbir, PEM Fuel Cells: Theory and Practice. a) Sistema de pila de combustible operando a baja presión y baja temperatura. b) Sistema de pila de combustible operando a elevada presión y elevada temperatura. c) Sistema de pila de combustible con un procesador de combustible a bordo. d) Motor de combustión interna (diesel). e) Motor de combustión interna (gasolina).  10  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia 3.3. Consumo de energía y emisiones de los sistemas basados en pilas de combustible e hidrógeno. Para poder evaluar las distintas opciones de sistemas de propulsión y de futuros combustibles es necesario llevar a cabo un análisis completo del ciclo de vida del combustible, comúnmente llamado análisis del “pozo a las ruedas” ( Well-to-Wheels ). En este análisis se utilizan el consumo de energía y las emisiones asociadas con la producción del combustible (o análisis del pozo al tanque (“Well-to-Tank”)), es decir, el consumo de energía y las emisiones asociadas para tener el combustible en el depósito del vehículo, y el consumo de energía y emisiones asociados al funcionamiento del vehículo (o análisis del tanque a la rueda ( “Tank-to-Wheel”) . En la Fig.9 se muestra el ciclo de vida de la gasolina y del hidrógeno como combustible de un vehículo. Fig.9. Ciclo de vida del combustible. Fuente: González García-Conde A. (2010). EUCAR (European Council for Automotive R&D), CONCAWE (Oil companies’ European association for environment, health and safety in refining and distribution) y JRC (Joint Research Centre of the European Commission) han actualizado su evaluación conjunta del “pozo a la rueda” del uso de la energía y de la emisión de gases de efecto invernadero para una amplia gama de combustibles futuros y para distintas opciones de tren de potencia (Edwars R. et al., 2011). Esta evaluación se llevo a cabo por primera vez en diciembre de 2003. Los objetivos de este estudio fueron: - Establecer una evaluación conjunta y objetiva del uso de la energía y de la emisión de gases para una amplia gama de combustibles de automoción y de sistemas de propulsión existentes en Europa en el año 2010 y que habrá en años futuros. - Considerar la viabilidad de cada tipo de combustible y estimar los costes macroeconómicos asociados. - Que los resultados obtenidos sean referencia para todos los sectores interesados.  17  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia La velocidad de propagación de la llama favorece una posible explosión, mientras que la difusividad y la densidad tienen a reducir dicha probabilidad, especialmente en espacios abiertos. En la Tabla 7 aparece un grupo de propiedades del Hidrógeno relacionadas con la seguridad de su manejo y de su empleo como son su elevado coeficiente de difusión en el aire, los límites de detonación e inflamabilidad y las temperaturas de ignición de la llama. Tabla 7. Propiedades del hidrógeno y seguridad de su empleo. Fuente: Gutiérrez Jodra, Luis , 2005. Coeficiente de difusión en el aire (T y P normales), cm2/segundo 0,61 Límites de inflamabilidad en el aire, % volumen 4,075,0 Límites de detonación en el aire, % volumen 18,3-59,0 Límites de inflamabilidad en oxígeno, % volumen 4,5-94,0 Límites de detonación en oxígeno, % volumen 15,0-90,0 Temperatura de ignición en el aire, ºC 585 Temperatura de ignición en el oxígeno, ºC 560 Temperatura de la llama en el aire, ºC 2045 Calor de combustión KJ/mol (1KJ/mol=1/4,184 kcal/mol) 285,8 Por lo tanto, el hidrógeno es menos peligroso que otros combustibles porque cuando se quema su llama radia poco calor y en su combustión los productos no son venenosos como los de la gasolina o el gas natural, porque el producto es vapor de agua. Algunos riesgos asociados al uso del hidrógeno son: - El problema de tener escapes a través de huecos o uniones de líneas de transporte, más fácilmente que la gasolina o el gas natural, por su baja densidad. Por ello el hidrógeno líquido es más seguro que el gas debido a la baja presión de almacenamiento que no favorece las fugas. - El peligro de explosión es importante porque es más sensible a la transición de la deflagración a la detonación que los hidrocarburos. Algunas de las medidas de prevención que deberían tomarse son: - Las zonas donde vaya a haber hidrógeno deben estar bien ventiladas y evitar zonas de acumulación en la parte superior. - Instalar sistemas de detección, alarmas y protección contra fuegos y tener un plan de emergencia. - Cumplir las normativas (que están en elaboración a nivel internacional). Por lo tanto el hidrógeno requiere unas técnicas de manejo adecuadas a sus propiedades. Existen múltiples normas, como las americanas que recopila el HCSCC (Hydrogen Codes & Standards Coordinating Committee) y también existen unas regulaciones como la ISO TC 197 referente al hidrógeno y la IEC TC 105 sobre pilas de combustible (ambas en proceso de elaboración) y la iniciativa europea EIH.  18  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia También está el Reglamento (UE) 630/2012 de la Comisión, de 12 de julio de 2012, por el que se modifica el Reglamento 692/2008 en lo que respecta a los requisitos de homologación de tipo de los vehículos de motor alimentados con hidrógeno o con una mezcal de hidrógeno y gas natural por lo que se refiere a emisiones, y en lo que respecta a la inclusión de información específica relativa a los vehículos equipados con una cadena de tracción eléctrica en la ficha de características a efectos de la homologación de tipo CE. Los vehículos de pila de combustible tienen unos ensayos específicos en lo que respecta a la evaluación de la protección que ofrecen a los ocupantes en caso de colisión (Fig.15) y en los que respecta a un posible incendio (Fig.16). Fig.15. Ensayo para evaluar la protección que ofrece un vehículo de pila de combustible a sus ocupantes. Fuente: (Asociación española del Hidrógeno, 2013 (2)). Fig.16. Ensayo para evaluar el comportamiento de un vehículo de pila de combustible en caso de incendio. Fuente: (Asociación española del Hidrógeno, 2013 (2)).  19  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia 3.6. Costes del Hidrógeno Producir Hidrógeno en una planta centralizada no es caro, pero debido a sus características, baja densidad energética por unidad de volumen, los costes de almacenamiento y transporte si que son elevados. En los comienzos de la introducción del Hidrógeno hay que asumir que los sistemas de producción serán de tipo distribuido ya que la demanda no será elevada. En la Tabla 8 se muestran las eficiencias y costes medios de las distintas técnicas de producir H2. Se observa que uno de los procesos más baratos para producir H2 y que menos contamina es la producción mediante la gasificación de biomasa. Tabla 8. Eficiencias y costes medios de distintas técnicas de producir H2. Fuente: González A. Producción, almacenamiento y distribución de hidrógeno Según un estudio llevado a cabo por Thomas CE (3) (2003), el coste del hidrógeno producido localmente a partir de gas natural mediante reformadores de metano in-situ es menor que el coste de producir hidrógeno en una planta y tener que distribuirlo con camiones cisterna o trailers de tubos (tube trailers). Los costes del hidrógeno se muestran en la siguiente figura para tres opciones diferentes: - Producción in-situ. - Hidrógeno líquido transportado con camiones. - Hidrógeno comprimido transportado con trailers de tubos. Todos los costes incluyen los gastos variables teniendo en cuenta la compresión a 490 bar para llenar depósitos a 350 bar en el vehículo, así como la recuperación de capital de cada equipo asumiendo un 10%, después del retorno de los impuestos. Se estima que el hidrógeno puede ser producido a 1,15 $ por galón de gasolina equivalente,  20  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia asumiendo que el gas natural cuesta 6 $/MBTU. Se asume que los costes del gas natural son 3,50 $/MBTU para el caso de las plantas de producción central de hidrógeno. (1 MBTU= 1000 BTU; 1 BTU= 1055,056 Julios; 1 MBTU=1055,056 kJ) El coste de producir hidrógeno en una planta y transportarlo, tanto si es líquido como si es gaseoso, es dos veces mayor que el coste de producirlo in situ a partir de gas natural. Para los vehículos eléctricos híbridos de hidrogeno, el coste efectivo por milla del hidrógeno producido in-situ sería aproximadamente 1,37 $/gge debido al rendimiento inferior de los HEV con respecto a los FCV (5,51 vs 65,8 mpgge ). Inicialmente se ha considerado que el hidrógeno esta libre de impuestos por tratarse de un combustible limpio, por ello este precio es competitivo con el precio de la gasolina que tiene impuestos (Fig.17). Fig.17 Costes estimados de proporcionar hidrógeno a 490 bares a vehículos mediante tres métodos diferentes: producción de hidrógeno in-situ a partir de reformado de gas natural, transportando hidrógeno líquido y transportando hidrógeno comprimido con trailers tubos. HGM: Modulo generador de hidrógeno. CSM: Modulo de compresión y almacenaje. Fuente: Thomas CE (3) , 2003. Por otro lado, se ha demostrado que tanto el coste de la planta como el coste de la materia prima utilizada tienen una gran influencia sobre el coste de producir hidrógeno (Fig.18 y Fig.19). En cuanto a la producción y la distribución se han obtenido las siguientes conclusiones (Barthel, Leif-Patrik): - El hidrógeno no es fácil de almacenar debido a su baja densidad y elevada difusividad. Y por lo tanto su transporte también es bastante complicado. - Para incrementar la cantidad de H2 transportado, la licuefacción es la solución más económicas para el caso de distancias largas y para el caso de distancias cortas se transporta hidrógeno comprimido. Pero hay que tener en cuenta que  21  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia la licuefacción requiere mucha energía lo que hace que este proceso no tenga una elevada eficiencia. - El transporte de hidrógeno presurizado requiere cilindros de acero que pesan demasiado mientras que el hidrógeno transportado pesa poco (300-600 kg por remolque en comparación a los 5.000 kg en el caso de estar licuado). Una posible solución es producir hidrógeno donde se necesita utilizando infraestructuras ya existentes. Pero el caso de la producción local tiene como desventaja que las plantas pequeñas (en el caso del reformador más que en el caso de la eléctrolisis) son menos eficientes y hay mayores fluctuaciones de demanda (Barthel, Leif-Patrik). Fig.18. Influencia del coste de la materia prima sobre el coste de la producción de H2. Fuente: (Barthel, Leif-Patrik). Fig.19. Influencia del coste inicial de la planta sobre el coste de la producción de H2. Fuente: (Barthel, Leif-Patrik).  22  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Roads2HyCom Hydrogen and Fuel Cell Wiki (2013) llevó a cabo un análisis de costes de la producción de hidrógeno, se consideraron tres tecnologías de producción: reformado, gasificación y electrólisis. Se observa que el coste de producir hidrógeno a partir de hidrocarburos (gas natural, gasolina, etc) es menor que obtenerlo a partir de fuentes renovables (biomas, agua,etc). Los costes de producción de hidrógeno y de transportarlo mediante camiones cisterna se muestra en la Tabla 9. Tabla 9. Costes de producción y distribución de H2 en función de la fuente utilizada. Fuente: Roads2HyCom Hydrogen and Fuel Cell Wiki (2013). Fuente Coste ( $/kg) Gas Natural 2.21 Carbón 3.06 Biomasa 3.53 Agua 6.17 En cuanto a los costes de infraestructura de hidrógeno, se estima que el coste de equipo de abastecimiento in-situ para producir hidrógeno a partir de gas natural será aproximadamente de 760.000 $ para un sistema que puede abastecer a 1.440 vehículos de pila de combustible, lo que supone un coste capital de 530 $ para cada vehículo nuevo FCV vendido (Thomas CE (3), 2003). El estudio llevado a cabo por McKinsey & Company (2011) afirma que los costes de la infraestructura de hidrógeno son aproximadamente un 5% del coste total del vehículo de pila de combustible (FCV) (1.000 €-2.000€ por vehículo). Desde la perspectiva de varios proyectos de demostración, el coste de una estación de repostaje sería menor que el coste de los vehículos. El coste inicial de 1.000 vehículos eléctricos híbridos de hidrógeno debería ser 25 millones de $, mientras que el equipamiento para una estación de servicio para esta flota de vehículos sería menos de 1 millón de $ (Thomas CE (3), 2003). Los vehículos de pila de combustible están progresando para cumplir con el coste y rendimiento establecidos como objetivo y ya se han cumplido los objetivos establecidos en cuanto a autonomía del vehículo. Kromer & Heywood (2007) en el MIT (Massachusetts Institute of Technology) evaluaron de manera independiente las perspectivas de comercialización de los vehículos de pila de combustible y de los vehículos eléctricos de batería. Concluyeron que con la producción en masa de los vehículos de pila de combustible con una autonomía de 350 millas (560km) se espera que cuesten 3.600 $ (unos 2.684 €) más que un vehículo convencional y 700 $ más que un vehículo híbrido. Un vehículo híbrido enchufable con una autonomía de 30 millas (48 km) con la parte eléctrica se espera que cueste 4.300 $ más que un vehículo convencional y un vehículo eléctrico de batería con una autonomía de 200 millas (320 km) se espera que cueste 10.000 $ más (unos 7.600 €)(Fig. 20).  23  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Fig.20. Incremento de coste comparado con un vehículo de motor de combustión interna avanzado. Fuente: Kromer & Heywood (2007). La siguiente tabla(Tabla 10) compara el estado de la tecnología de pila de combustible y de vehículos híbridos enchufables en el año 2009 con el objetivo establecido por el DOE para el año 2010 y para el año 2015, se utilizan los datos del estudio del MIT (Kromer & Heywood, 2007). Se observa que para el caso de la pila de combustible el estado actual está cerca de los datos de entrada del estudio del MIT. Tabla 10. Objetivos del DOE, datos del estudio del MIT y estado actual de vehículos de Hidrógeno y de Batería. Fuente: Kromer & Heywood (2007).  24  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Los PHEVs son más económicos que los BEVs y los FCEVs a corto plazo. Con las subvenciones y ayudas, los BVEs y FCEVs podrían ser competitivos con los vehículos de motor de combustión interna en el año 2020 (McKinsey & Company, 2011). Se ha estimado que los vehículos de hidrógeno son entre 4 y 5 veces más caros que los vehículos de motor de combustión interna de gasolina/diesel (McKinsey & Company, 2011). Para el caso de un vehículo de segmento medio, la diferencia ascendería a unos 150.000 -200.000 € en la fase pre-comercial. Después de 2025, se espera que el coste final de los vehículos converja en 2050, pudiendo tener los vehículos eléctricos de batería, los vehículos de pila de combustible y los vehículos eléctricos enchufables unos precios competitivos con los vehículos de motor de combustión interna. Se estima en un reciente estudio presentado por el grupo de expertos de combustibles para el transporte, que los costes de infraestructura de hidrógeno va a descender de 12.000 € por vehículo a 3.000 € por vehículo en el año 2020. Después del 2020 se espera que estos costes para el caso del vehículo de pila de combustible sean menores que para el caso de los vehículos de batería. Los costes de producción se espera que se reduzcan en un 4050% en los próximos 40 años. Actualmente los costes de producción de hidrógeno para el sector del transporte es 16,6 €/kg entregado en la bomba, con elevados costes al por menor (2/3). Se prevé disminuir este coste en un 70% en 15 años (2010 a 2025) a 5,5 €/kg con el desarrollo de grandes estaciones y plantas (European Expert Group on Future Transport Fuels, 2011). El estudio llevado a cabo por McKinsey & Company (2011) también afirma que después del año 2025, el coste total de propiedad (TCO) de todos los tipos de vehículos convergerá. El TCO en este estudio incluye: - Precio de compra: suma de todos los costes necesarios para entregar el vehículo montado al cliente particularizando para cada tren de potencia y segmento existente. - Costes de funcionamiento: o Costes de mantenimiento. o Costes de combustible basados en la economía de combustible del vehículo y en la autonomía, incluyendo todos los costes para entregar el combustible en el punto de abastecimiento y los gastos de amortización de capital de las inversiones realizadas para la producción de combustible, distribución y venta al por menor. Se espera que los vehículos eléctricos de batería (BEVs) y los vehículos de pila de combustible (FCEVs) tengan un precio de compra mayor que los vehículos de motor de combustión interna (ICEs), menor coste de combustible (debido a su gran eficiencia y por no usar petróleo) y menor coste de mantenimiento (ya que tienen menos partes mecánicas).  25  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia Dicho estudio (McKinsey & Company, 2011) también afirma que se espera que los costes de los sistemas de pila de combustible disminuyan un 90% (Fig.21), debido a las economías de escala y a las mejoras en la tecnología. Fig.21. Reducción del coste del sistema de pila de combustible. Fuente: McKinsey & Company, 2011. La Fig.21 se ha obtenido a partir de los datos ofrecidos por las empresas participantes en el estudio McKinsey & Company (2011). El coste del sistema de pila de combustible es el elemento más significativo desde el punto de vista económico en un vehículo de pila de combustible (otros elementos que contribuyen en el coste son el tren de potencia eléctrico y el depósito de hidrógeno). La reducción de coste de los vehículos de pila de combustible, por lo tanto, se debe conseguir mediante las mejoras en la ingeniería y una mayor eficiencia en el proceso de fabricación. Esto incluye: - Mejoras en el diseño, quitando componentes. - Uso de nuevos materiales, sustituyendo el uso de platino, reducción de la degradación de la pila de combustible. - Mejoras en la tecnología de producción. - Economías de escala (1 millón de vehículos de pila de combustible en la Unión Europea para el año 2020).  26  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia En España, Carburos metálicos tiene una estación de repostaje de hidrógeno en Zaragoza en la que un kilo de hidrógeno cuesta 12 euros. El objetivo de coste (en dólares de 2007) establecido por el DOE para el año 2015 son 3,10 $/kg de H2 para el caso de plantas de hidrógeno centrales y de 3,70 $/kg de H2 para el caso de plantas de hidrógeno distribuidas (US. Department of Energy, 2013 (2)). El estudio McKinsey & Company (2011) afirma que el coste del hidrógeno se reducirá un 70% en 2025 debido a la mayor utilización del abastecimiento de hidrógeno y a las economías de escala, por ejemplo, el coste capital de las estaciones de abastecimiento de hidrógeno se espera que se reduzca un 50% entre el año 2010 y el año 2020. Este estudio examina dos formas de producir hidrógeno: una producción mixta con captura y almacenamiento de CO2, y otro sin captura ni almacenamiento de CO2, que representa el 100% de electrólisis con 80% de energía renovable para el año 2050. Ambos procesos conllevan a una producción libre de CO2 para el año 2050. El primero es más económico y esta basado en una mezcla de combustibles fósiles y de energía renovable (Fig.22) y la segunda esta basada en su totalidad en energía renovable (Fig.23). Antes del año 2020, el primer tipo de producción (Fig.28) asume que el volumen limitado de hidrógeno necesario será producido utilizando reformado de metano centralizado (40%), reformado de metano distribuido (30%) y electrólisis de agua distribuida (30%). Después del año 2020, cuando los costes de los vehículos de pila de combustible hayan disminuido y la demanda de hidrógeno se haya incrementado, se asume reformado de metano centralizado con captura y almacenamiento de CO2 (30%); ciclo combinado de gasificación integrado con captura y almacenamiento de CO2 (30%); gasificación de carbón con captura y almacenamiento de CO2 (10%); electrólisis de agua centralizada (15%) y electrólisis de agua descentralizada (15%). La Fig.28 muestra los resultados de la primera mezcal de producción de hidrógeno: en la parte inferior izquierda aparecen los costes de la mezcla de producción elegida. En la parte superior izquierda, los costes del hidrógeno vendido al pormenor rápidamente alcanzan los 4,50 €/kg, mientras que en la parte superior derecha, las emisiones de CO2 “del pozo al tanque” (well to tank) recen al principio, y después del año 2020 se reducen rápidamente. Como puede verse en la parte derecha inferior, el hidrógeno puede ser producido, distribuido y entregado a un coste razonable en el año 2020 a partir de una variedad de materias primas que muestran las condiciones locales y de mercado.   13  ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD ENERGÉTICA DE LOS VEHÍCULOS D E PILA DE COMBUSTIBL E Máster en Ener g ías Renovables y Eficiencia BIBLIOGRAFÍA Agencia Andaluza de la Energía. La biomasa en Andalucía. 2011. Balat Haava, Kırtay Elif. Hydrogen from biomass e Present scenario and future prospects. International journal of hydrogen energy 35 (2010) 7416-7426. 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