Análisis de sistemas de propulsión para automoción basados en pilas de combustible y estimación de costes

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Análisis de sistemas de propulsión para automoción basados en pilas de combustible y estimación de costes Autor: Fernando Rafael Rodríguez Quesada Tutor: José Alfredo Iranzo Paricio Cotutora: María del Carmen Pavón Moreno Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 iii Trabajo Fin de Grado Ingeniería de Tecnologías Industriales Análisis de sistemas de propulsión para automoción basados en pilas de combustible y estimación de costes Autor: Fernando Rafael Rodríguez Quesada Tutor: José Alfredo Iranzo Paricio Cotutora: María del Carmen Pavón Moreno Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 v Trabajo Fin de Grado: Análisis de sistemas de propulsión para automoción basados en pilas de combustible y estimación de costes Autor: Fernando Rafael Rodríguez Quesada Tutor: José Alfredo Iranzo Paricio Cotutora: María del Carmen Pavón Moreno El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2021 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros ix Agradecimientos Este trabajo no habría sido posible sin la inestimable ayuda de mi tutor José Alfredo Iranzo Paricio y mi cotutora María del Carmen Pavón Moreno, que gracias a su dirección y comentarios se han logrado los objetivos propuestos en este trabajo. Agradecer a mis padres, que gracias a su sacrificio, esfuerzo y apoyo incondicional me han brindado la oportunidad de realizar mis estudios en esta escuela. Fernando Rafael Rodríguez Quesada Alumno de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Sevilla, 2021 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1: Primera furgoneta propulsada por una pila de combustible de hidrógeno con un electrolito alcalino [7]. 12 Ilustración 2: Componentes Toyota Mirai [8]. 13 Ilustración 3: Comparativa stacks Toyota Mirai [8]. 13 Ilustración 4: Esquema que muestra la variedad de aplicaciones del hidrógeno [13]. 14 Ilustración 5: Demanda de energía primaria global según cada escenario [15]. 15 Ilustración 6: Emisiones de CO2 procedentes del uso de energía global [16]. 16 Ilustración 7: Cambios en las emisiones de CO2 por combustible asociado [16]. 16 Ilustración 8: Suministro total de energía anual según procedencia [22]. 18 Ilustración 9: Escenario posible de implementación del hidrógeno en los diferentes sectores industriales [24]. 20 Ilustración 10: Beneficios del hidrógeno para la Unión Europea [24]. 20 Ilustración 11: Diagrama de flujo Toyota Mirai [8]. 24 Ilustración 12: Imagen real (frontal) componentes Toyota Mirai [8]. 25 Ilustración 13: Imagen real componentes FCEV Toyota Mirai [30]. 25 Ilustración 14: Especificaciones técnicas Hyundai Nexo [34]. 26 Ilustración 15: Distribución componentes Hyundai Nexo [35]. 27 Ilustración 16: Funcionamiento frenada regenerativa Hyundai Nexo [34]. 27 Ilustración 17: Funcionamiento batería + pila de combustible Hyundai Nexo [34]. 28 Ilustración 18: Funcionamiento de la pila de combustible [27]. 31 Ilustración 19:PEM fuel cell stack [37]. 31 Ilustración 20: Crecimiento flota de vehículos hasta 2030 [26]. 35 Ilustración 21: Sistema pila de combustible de 80kW [45]. 38 Ilustración 22: Proceso de fabricación del PEMFC stack[46]. 42 Ilustración 23: Comparación costes estimados de la síntesis del catalizador entre 2017 y 2018[45]. 43 Ilustración 24: Comparación preliminar del coste estimado de fabricación de un catalizador de referencia con uno que emplea PVD [45]. 43 Ilustración 25: Gráfica comparativa del coste del material de refuerzo de la membrana[45]. 44 Ilustración 26: Gráfica comparativa del coste del material de la membrana[45]. 44 Ilustración 27: Gráfica de estimación de costes de los materiales y revestimiento del cátodo[45]. 45 Ilustración 28: Gráfica de estimación costes del ensamblaje del electrolito[45]. 45 Ilustración 29: Estimación de coste del sistema actual y futuro según la tasa de producción anual [45]. 46 Ilustración 30: Estimación de costes del sistema de pila de combustible para una producción de 500.000 sistemas al año [45]. 47 Ilustración 31: Desglose del coste por componente del stack de la pila de combustible [49]. 47 Ilustración 32: Desglose de cada componente del sistema para un volumen de producción de 500.000 unidades al año (2017) [44]. 48 Ilustración 33: Costes ($/kg H2) de la producción de hidrógeno según la fuente de producción (2018)[51]. xvii 50 Ilustración 34: Costes de producción del hidrógeno según las fuentes de producción (2030)[26]. 50 Ilustración 35: Desglose del coste de un FCEV[50]. 51 Ilustración 36: Coste del ciclo de vida de un FCEV (2018)[50]. 51 Ilustración 37: Variación del coste del ciclo de vida con respecto a la eficiencia[50]. 51 Ilustración 38: Coste del ciclo de vida de un FCEV (2025)[50]. 52 Ilustración 39: Coste total de propiedad según el rango y el tipo de vehículo[26]. 53 Ilustración 40: Desglose del coste total de la propiedad ($/100kms) de un autobús según el tipo de vehículo[52]. 54 Ilustración 41: Desglose del coste de operación ($/100kms) de un autobús (2019)[52]. 54 Ilustración 42: Proyección de futuro del coste total de propiedad ($/100kms) de un autobús según su sistema de propulsión [52]. 55 Ilustración 43: Pérdidas de voltaje en la pila de combustible [55]. 56 Ilustración 44: Curva de polarización y pérdidas en la pila de combustible [55]. 57 Ilustración 45: Curva de polarización para las condiciones de referencia [53]. 57 Ilustración 46: Curvas de polarización para las diferentes pruebas de temperatura [53]. 59 Ilustración 47:Curvas de polarización para las diferentes pruebas de presión [53]. 61 Ilustración 48: Curvas de polarización para las diferentes pruebas de estequiometría del cátodo [53]. 64 Ilustración 49: Diagrama de tornado del coste del sistema de un automóvil [50]. 66 Notación TCO Total Cost f Ownership FCEVs ICE BEVs Fuel Cell Electric Vehicle Internal Combustion Engine Battery Electric Vehicles PEM Proton Exchange electrolyte Membrane IEA STEPS DRS COP21 DOE ERA BOP PEMFC MEA CCM HSC BPP GDL Agencia Internacional de la Energía Stated Policies Scenario Delayed Recovery Scenario Conferencia sobre el Clima de París Departament of Energy European Research Area Balance of Plant Proton Exchange Membrane Fuel Cell Membrane electrode assembly Catalyst-Coated Membrane High Surface Carbon Bipolar Plates Gas Diffusion Layer 1 INTRODUCCIÓN 1.1 El hidrógeno como combustible. Contexto histórico. El hidrógeno es el elemento químico más ligero de la tabla periódica, se representa con el símbolo H y es el elemento más abundante del universo ya que constituye un 90% de su peso. Fue descubierto como elemento químico en 1766 por Henry Cavendish, aunque con anterioridad ya se habían realizado algunos estudios acerca de este elemento [1]. Más adelante, en 1783, Antoine Lavoisier dio el nombre a dicho elemento químico, cuyo nombre proviene de la unión de “hydro” (agua) y genes, es decir, “generador de agua” debido a que demostró la formación de agua mediante la quema de hidrógeno. En ese mismo año, el hidrógeno proporcionaba una manera fiable de realizar viajes aéreos. Jacques Alexander Cesar Charles lanzó el primer globo aerostático no tripulado impulsado por hidrógeno. Ferdinand von Zeppelin fomentó la idea de utilizar el hidrógeno en dirigibles rígidos, que fueron nombrados zepelines, cuyo primer vuelo se realizó en el año 1900. Se normalizó el uso de los zepelines desde 1910 para el transporte de pasajeros y como plataformas de observación y bombarderos durante la guerra. Hasta que en 1937 tuvo lugar el accidente del dirigible Hindenburg, que fue destruido en un vuelo sobre Nueva Jersey. Se le atribuyó la chispa causante del accidente a una fuga de hidrógeno, aunque posteriormente una serie de investigaciones señalaron que dicha ignición se debió a la electricidad estática. Este suceso supuso un antes y un después en el uso de hidrógeno como combustible. En el año 1800 el científico William Nicholson descubre que, al emplear una corriente eléctrica en el agua, se consigue hidrógeno y oxígeno. Este hecho se descubre imprevistamente mientras se realizaba un estudio sobre las baterías y se llamó electrólisis. Michael Faraday desarrolló este proceso en 1834 y publicó una serie de leyes acerca de la electrólisis que llevan su nombre [2]. Christian Friedrich Schönbein fue un químico germano-suizo que en 1838 descubre los inicios de la pila de combustible, la obtención de electricidad a través de la combinación de oxígeno e hidrógeno. Aunque la idea de la conversión de energía química en electricidad fue demostrada por Sir William Grove en 1839, mediante la célula eléctrica llamada célula de Grove. En 1842, desarrolla la primera célula de combustible que era capaz de originar energía eléctrica gracias a la combinación del hidrógeno y el oxígeno, completando así los estudios de Christian Friedrich [3]. No sería hasta el año 1889 cuando Ludwig Mond y Charles Langer establecieron la expresión “celda de combustible” al montar una celda a partir de aire y gas síntesis (mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono). El hidrógeno logró licuarse por primera vez gracias a James Dewar en 1898 al usar refrigeración regenerativa, que se realizó a una temperatura aproximada de 20,4K [4]. En 1920 se comienzan a desarrollar ideas acerca de automóviles y máquinas con el hidrógeno como fuente principal de energía. Rudolf Erren se hace con la patente para fabricar un motor de combustión interna que sea capaz de funcionar empleando hidrógeno. En 1930, diez años más tarde, fabrica el primer prototipo de automóvil movido por hidrógeno. La primera celda de combustible práctica fue construida por Francis Bacon en 1959, trabajaba mediante una mezcla de aire con hidrógeno y daba una potencia de 5kW. Utilizarían esta celda en el programa Apolo de la NASA. En 1968 la NASA realiza un análisis económico del hidrógeno líquido a gran escala. Después de la crisis energética de 1973, la población se dio cuenta que los combustibles fósiles, como el carbón, el petróleo o el gas natural, más tarde o más temprano se iban a ir terminando. Por ello, se crean investigaciones energéticas en busca de posibles fuentes de energía para sustituir a los combustibles fósiles. El interés de esta búsqueda fue incrementado por el impacto negativo que tienen los combustibles fósiles sobre el medio ambiente y el incesante incremento de demanda energética. El hidrógeno se posiciona como una de las mejores opciones Introducción 12 12 debido a sus características únicas, además se fomenta el uso de las pilas de combustibles comerciales debido al embargo de crudo de la Organización de Países Exportadores de Petróleo en ese mismo año [5]. Al año siguiente, se realiza un congreso internacional basado en la economía del hidrógeno, “The Hydrogen Economy Miami Conference”. De este congreso nace la Asociación Internacional de la Energía del Hidrógeno cuyo objetivo era desarrollar las tecnologías basadas en el hidrógeno. En la industria del automóvil, en concreto con el AMC Gremlin entre 1970 y 1980, se empiezan a realizar experimentos con motores alternativos, movidos por hidrógeno, gas natural o electricidad. Este coche compacto ayudó a realizar múltiples pruebas en universidades norteamericanas [6]. Aunque los primeros intentos de la integración de vehículos con pilas de hidrógeno fueran tan pronto como el tractor de Allis-Chalmers en 1959 o la GM Electrovan en 1966. Estos vehículos no presentaban ninguna ventaja a considerar sobre los vehículos con motores de combustión o los eléctricos. Esto se debía a la baja densidad de las pilas de combustible alcalinas de aquella época. Ilustración 1: Primera furgoneta propulsada por una pila de combustible de hidrógeno con un electrolito alcalino [7]. Los nuevos materiales del electrolito para las pilas de combustible del tipo PEM ofrecieron la posibilidad de crear pilas más livianas y compactas. Gracias al desarrollo de las pilas de combustible por Daimler-Benz y al aumento de la importancia medioambiental, en la década de 1990, varias compañías de coches empezaron a tener en cuenta el desarrollo de coches propulsados con pilas de combustible PEM. Buscaban eliminar los coches del debate medioambiental ya que se conseguirían vehículos completamente libres de emisiones. En 1999, Benz lanza al mercado un prototipo de coche compacto con pequeñas pilas de combustible el Necar 4. Se decía en aquella época que el coche como tal ya estaba desarrollado y solo quedaba reducir su costo. Honda comercializó su primer vehículo, el FCX Clarity, en Estados Unidos y Japón en el año 2008. Toyota presenta en 2014 la producción del Toyota Mirai, vehículo de 4 plazas empujado por un motor eléctrico sustentado por una pila de combustible alimentada con hidrógeno. El sistema de pilas de combustible de Toyota tiene una alta eficiencia energética en comparación con los motores de combustión interna convencionales, además de un mejor desempeño medioambiental gracias a las cero emisiones de CO2 y otros contaminantes durante su puesta en marcha. Como se observa en la ilustración a continuación, primero entra aire a través de unas tomas de aire en la parte frontal del vehículo. De este aire se busca el oxígeno que reacciona con el hidrógeno, procedente del tanque presurizado, en la pila de combustible generando electricidad. Esta electricidad es la que alimenta el motor y hace que el vehículo se mueva. El vehículo cuenta con una unidad de control que determina cuando se carga o descarga la batería para alimentar al motor, es decir, cuando la energía eléctrica generada por la pila de combustible no sea suficiente se apoya en energía acumulada en una batería. El motor tiene una potencia máxima de 113 kW y un par máximo de 335 Nm y lo único que emite el vehículo es agua procedente de la pila de combustible. 13 Ilustración 2: Componentes Toyota Mirai [8]. Este vehículo presentaba una serie de mejoras significativas en las prestaciones de todos sus componentes principales con respecto a sus modelos anteriores. Bajando el centro de gravedad y mejorando la aerodinámica consiguió mejorar la aceleración y la insonoridad interior consiguiendo un gran confort de marcha. Se consiguieron muchos avances tecnológicos en las pilas de combustible, que lograron unos nuevos stacks más ligeros, más pequeños y con mejor rendimiento. Por ejemplo, añadir un convertidor de carga que elevaba el voltaje del motor a 650 V de máximo, reducía el número de celdas en cada stack, bajaba el tamaño y peso del sistema, además de permitir el uso de motores y unidades de control de híbridos que ya existían reduciendo así los costes. Mejorar la salida del agua producida por la pila y la difusión del aire de entrada también fue posible, gracias a un cambio en el diseño de los canales de flujo de la pila. Con esto se lograba una alta densidad de corriente mejorando tanto la uniformidad de generación en las superficies como la capacidad de respuesta del electrodo. Otro avance a tener en cuenta fue la eliminación del humidificador externo, reduciendo así el peso en 13 kg y el tamaño en 15L. Esto se consiguió recirculando el vapor de agua producido por la pila, necesario para mantener el rendimiento de la conductividad de protones en la membrana. Todo ello contribuye una serie de cambios en el stack como se observa en la siguiente ilustración, el más significativo es a un aumento de la densidad de potencia del stack de 1,4kW/L que era en 2008 hasta un 3,1kW/L en 2014. Ilustración 3: Comparativa stacks Toyota Mirai [8]. En 2018 Hyundai presenta el modelo Nexo, que sobrepasó el récord establecido en aceleración, velocidad máxima y autonomía. Mercedes a finales de 2018, ofrecía como alquiler su coche GLC F-CELL con el objetivo de obtener información y experiencia con este tipo de tecnología; en 2020 abandonó este experimento para centrarse en vehículos de gran tamaño y peso, como autobuses y camiones, llegando a un acuerdo con Volvo para desarrollar este tipo de vehículos. En 2019, Bmw lanzó el hydrogen Next, un prototipo de SUV alimentado por hidrógeno. Está basado en el BMW X5 y se estima que llegará al mercado en 2022, dado que se acaban de realizar recientemente sus primeras pruebas por carreteras europeas [9], [10], [11]. Como se puede observar, las pilas de combustible de hidrógeno son de gran relevancia en la actualidad en el ámbito de la automoción y están en el punto de mira de numerosas empresas. Sin tener en cuenta la amplia variedad de uso que pueden tener estas pilas en otros sectores industriales, como se comenta más adelante. Introducción 14 14 Características del hidrógeno. A medida que se acerca el final de la era de los combustibles fósiles, resulta obvio que se tiene que fabricar un combustible sintéticamente y de forma sostenible en un futuro. Esta idea proporciona a la humanidad la oportunidad de escoger cuál es la mejor alternativa posible. Este combustible tiene que seguir unos criterios como un buen combustible para su transporte, tiene que tener una buena eficiencia, debe ser compatible con el medio ambiente, tiene que ser versátil con gran facilidad de transformarse en diferentes tipos de energía, debe ser seguro de utilizar sin asumir grandes riesgos y lo más barato posible [5]. El hidrógeno se identifica como una tecnología interesante para investigar por diferentes motivos. Su ventaja más relevante es que su combustión origina únicamente agua, lo que significa que no emite gases de efecto invernadero, como pasa con los combustibles fósiles e incluso con la biomasa. El inconveniente del hidrógeno es que no es un combustible primario, es decir, no se encuentra en estado puro y ha de ser producido con otros combustibles aportándole energía. Por ello, el hidrógeno se considera un vector energético utilizado tanto para el transporte como para el almacenaje de energía. Al funcionar como vector capaz de almacenar energía se transforma en una alternativa a las baterías para acumular la energía de las fuentes renovables como la eólica o la solar. El hidrógeno producido a partir de estas energías se considera un combustible completamente limpio y acorde con el medio ambiente. Una propiedad que lo representa es la gran energía específica de su combustión cuyo valor es del orden de 120 megajulios por kg, bastante superior a los 50 del gas natural o a los 44,6 del petróleo. Esta propiedad se contrasta con la baja densidad que tiene tanto en estado líquido como gaseoso que dificultan su almacenamiento para aplicaciones automovilísticas [12]. La característica principal que tiene el hidrógeno que lo convierte en un gran vector energético es su versatilidad, ya que puede producirse mediante cualquier fuente de energía primaria y puede transformarse en diferentes formas de energía para distintas aplicaciones como se esquematiza en la siguiente figura: Ilustración 4: Esquema que muestra la variedad de aplicaciones del hidrógeno [13]. Otras características del hidrógeno son que tiene gran eficiencia al convertirlo en electricidad, que se obtiene gracias al agua mediante electrólisis y un aporte energético, que se puede almacenar en los tres estados de la materia y que se puede transportar grandes distancias ya sea con tuberías o mediante camiones. En conclusión, se puede confirmar que el hidrógeno es un vector energético limpio, seguro y eficiente que complementa el abastecimiento de suministro energético de la población y anima al uso de energías renovables [13]. 15 1.2 Panorama energético. Demanda energética global. Existe una tendencia indiscutible hacia el aumento de la demanda energética, este aumento suele ir ligado a un incremento del nivel de vida medio de las personas y al crecimiento demográfico. Este crecimiento de la demanda se concentra en países con una economía en expansión en primer lugar, seguido de países en vías de desarrollo. El Departamento de Asuntos Económicos y Sociales de la ONU realiza el informe "Revisión a 2018 de las Perspectivas de Urbanización Mundial", en el cual estima que la población que reside en áreas urbanas sumará en torno a 2.500 millones de personas en el año 2050. Ese crecimiento poblacional se agrupará en Asia y África, destacan la India, China y Nigeria. Resulta obvio que proporcionar acceso a la energía a esta nueva parte de la población provocará un incremento notable en la demanda energética [13]. Es preciso nombrar que en marzo de 2020 y hasta el momento estamos sufriendo los efectos de una pandemia por Covid-19. No solo afectan a la salud sino también provoca un impacto negativo en la economía global, por tanto, en el consumo energético de sectores como la industria o el transporte. Esta pandemia ha provocado un descenso de la demanda energética del 8% en 2020 y continúa fluctuando entre un 6% y 8% por debajo de lo estimado hasta 2050. En contrapartida, se registra una reducción del 8% de las emisiones de los gases de efecto invernadero [14]. Según la Agencia Internacional de la Energía la demanda de energía global volverá al nivel de antes de la crisis en 2023 en STEPS (escenario en el que se tiene bajo control el Covid-19 antes de 2021) o en el año 2025 en DRS (escenario en el que se tiene bajo control el Covid-19 antes de 2023). Antes de la crisis, la demanda energética estaba planeada en un crecimiento del 12% entre 2019 y 2030. Este crecimiento se ha visto mermado por la crisis a un 9% en STEPS y a un 4% en DRS. Con la demanda de las economías avanzadas mermadas, el único incremento proviene de economías en desarrollo, liderados por la India [15]. Ilustración 5: Demanda de energía primaria global según cada escenario [15]. Emisiones de CO2. Como se ha comentado en el apartado anterior la pandemia provocada por el Covid-19 y su consecuente crisis económica, ha tenido un impacto en la reducción del uso de combustibles fósiles que viene ligado a la reducción de las emisiones de CO2. Tanto energías renovables como vehículos eléctricos no han tenido mucho cambio durante la pandemia. Las emisiones de CO2 han caído un 5,8% de acuerdo con los últimos datos estadísticos, la mayor disminución porcentual anual desde la Segunda Guerra Mundial. Las emisiones han caído casi 2000 millones de toneladas Introducción 16 16 hablando en términos absolutos, equivale a quitar las emisiones totales de la Unión Europea durante todo el año. La demanda de combustibles fósiles ha tenido una de las caídas más duras, el petróleo en torno al 8,6% y el carbón un 4%, la caída anual del uso petróleo más grande de la historia. Mientras que las energías renovables, como la solar o la fotovoltaica, alcanzan su participación anual más alta del orden del 20%. Ilustración 6: Emisiones de CO2 procedentes del uso de energía global [16]. Ilustración 7: Cambios en las emisiones de CO2 por combustible asociado [16]. La pandemia ha provocado el mayor impacto en el sector del transporte debido a las medidas de bloqueo, tales como la restricción en la movilidad a nivel local e internacional o varias indicaciones a la hora de viajar, así como restricciones fronterizas. La disminución de las emisiones de CO2 por el uso del petróleo en el transporte representa un 50% de la caída global de todas las emisiones de CO2 en 2020, cayeron en torno a 1100Mt de CO2 lo que supone un 14% menos que en 2019. La actividad de vuelos globales ha estado un 70% por debajo que el año anterior lo que supone una caída de las emisiones procedentes de la aviación de 265 MT de CO2 que son un 45% menos que en 2019. A finales de 2020 la recuperación en la actividad del transporte supone un repunte en las emisiones, principalmente en países con economías emergentes como son India, China, Brasil, 17 Sudáfrica o Indonesia. En la Unión Europea las emisiones anuales de CO2 se vieron reducidas en un 10% en relación con 2019, debido a las variadas restricciones y cierres en casi todos los estados miembros. La menor demanda de electricidad y un aumento del 8% en la producción de energías renovables provocaron una disminución del 20% en la generación de energía a base de carbón. Como resultado, la participación de las energías renovables en la generación de electricidad aumentó hasta un 39% en 2020, un 4% mayor que en 2019. La demanda de petróleo para el transporte se desplomó un 12% provocado por las medidas de restricción en la circulación de vehículos [16]. Acuerdo de París. A pesar de la disminución de las emisiones de CO2 consecuencia de la pandemia ya mencionada, no se alcanzan los objetivos que se marcaron en el Acuerdo de Paris, adoptado el 12 de diciembre de 2015 en la Conferencia sobre el Clima de París (COP21). Este acuerdo es el primer acuerdo universal y jurídicamente vinculante sobre el cambio climático. El Acuerdo de París es un hito histórico en la lucha contra el cambio climático, gran parte de la ciudadanía y diferentes representantes de ámbito internacional se movilizaron por la causa. Aunque intereses económicos y políticos de países como EEUU o China limitaron la fuerza legal del texto, ha sido un punto de inflexión fundamental para el impulso de un desarrollo bajo en emisiones, resiliente al clima y sostenible. Contó con la asistencia de 150 jefes de Estado y un total de casi 190 países mostraron propuestas nacionales de contribuciones climáticas, cubriendo más del 95% de las emisiones. Este acuerdo entró en vigor el 4 de noviembre de 2016, necesitaba que 55 países que representasen al menos 55% de las emisiones mundiales depositaran instrumentos de ratificación. Los países del mundo se comprometieron a mantener el aumento de la temperatura por debajo de los 2ºC de máximo y esforzarse para que no supere 1,5ºC con respecto a los niveles preindustriales. El Acuerdo incluye un ciclo de revisión que tendrá su primer balance mundial en 2023 y después una revisión cada 5 años. En 2018, las contribuciones nacionales de los países que se hicieron en el Acuerdo de París para reducir las emisiones de los gases de efecto invernadero fueron solo la tercera parte de las necesarias para impedir las consecuencias del cambio climático. Las emisiones globales de gases de efecto invernadero eran 51,9 gigatoneladas de CO2-equivalente en 2016, para cumplir con los objetivos se tiene que reducir a 42 gigatoneladas de CO2-equivalente para 2030. Esto explica la necesidad de no solo de cumplir con los objetivos sino también tener en cierta medida una ambición para ampliarlos, de manera que se cumplan los compromisos de reducción de emisiones por la mayoría de países posibles [17],[18],[19], [20]. Situación nacional. La estructura actual española en relación al clima y a la energía está basada en intentar conseguir los objetivos de neutralidad climática propuestos por la Comisión Europea en 2018. Dichos objetivos persiguen una economía próspera, moderna y competitiva a largo plazo (2050). Por tanto, España está centrada en el desarrollo masivo de las energías renovables, como la solar y la eólica y también en la mejora de la eficiencia energética [21]. Sistemas de propulsión de vehículos con pilas de combustible 24 24 2 SISTEMAS DE PROPULSIÓN DE VEHÍCULOS CON PILAS DE COMBUSTIBLE 2.1 Sistemas de propulsión. El sistema de propulsión de un vehículo está compuesto por todos los componentes que generan la energía necesaria para el movimiento del vehículo y la transfieren a la carretera. Todos estos componentes tienen que conectarse de manera segura para garantizar el funcionamiento eficiente del vehículo. En los vehículos basados en pilas de combustible la tecnología está ligada a un motor eléctrico, de esta forma se eliminan varios componentes propios de los motores de combustión y de sus subsistemas adicionales. Como pueden ser las correas de distribución, válvulas, pistones, cigüeñales, tubos de escape, caja de cambios o sistemas de lubricación. De esta manera se simplifica el diseño, disminuye el coste del mantenimiento y mejora la durabilidad del vehículo [28]. Para calcular la potencia eléctrica requerida por el motor es necesario considerar la resistencia aerodinámica del vehículo, la fuerza de rozamiento de las ruedas y efectos adversos como las pendientes a superar. Estas fuerzas deben ser superadas por el par aplicado a las ruedas. La fuente de energía más importante que alimenta los vehículos con pilas de combustible es el hidrógeno, que se encuentra almacenado en un depósito a alta presión. Este hidrógeno se convierte en electricidad dentro de la pila de combustible mediante una reacción electroquímica en la que el combustible, en este caso el hidrógeno, se transforma directamente en energía eléctrica sin necesidad de combustión y sus respectivas pérdidas termodinámicas. Esta electricidad generada es convertida en movimiento gracias al motor eléctrico, el cuál a través de un diferencial transfiere el par a las ruedas. En caso de necesitar más potencia que la generada por la pila de combustible se recurre a una batería de apoyo, la cual se recarga gracias a que el motor cuenta con frenada regenerativa, es decir, absorbe energía mecánica y la transforma en eléctrica para almacenarla en la batería y usarla posteriormente si fuese necesario. El encargado de optimizar la energía aportada al motor es el sistema de control, que interviene en la carga y descarga de la batería en condiciones de funcionamiento y en la gestión del paso de electricidad desde la pila de combustible. Todos los componentes nombrados, excepto el depósito, se encuentran representados en el diagrama de flujo siguiente que pertenece a uno de los coches de referencia en este sector, el Toyota Mirai [29]: Ilustración 11: Diagrama de flujo Toyota Mirai [8]. 25 Los vehículos que se propulsan mediante pilas de combustible tienen una serie de características muy distintivas que los diferencian del resto de vehículos. La autonomía generalmente es mayor que la de un eléctrico convencional, aunque está limitado en el número de hidrogeneras que limita los puntos de carga del depósito de hidrógeno. La temperatura de operación se encuentra en torno a los 80ºC, temperatura que se alcanza rápidamente. La eficiencia energética se encuentra por encima del 60%, valor superior al de los motores de combustión interna pero aún inferiores a los vehículos puramente eléctricos [28]. Seguidamente, se analiza en detalle cada uno de los componentes del sistema de propulsión de un vehículo basado en la pila de combustible. En este caso se utiliza como ejemplo un referente y pionero actual en el mundo de los coches de hidrógeno, el Toyota Mirai. En las ilustraciones 12 y 13 (ver a continuación), se muestra la distribución de todos los componentes dentro del vehículo desde una vista frontal hasta una vista lateral. Ilustración 12: Imagen real (frontal) componentes Toyota Mirai [8]. Ilustración 13: Imagen real componentes FCEV Toyota Mirai [30]. Sistemas de propulsión de vehículos con pilas de combustible 26 26 En la parte delantera del vehículo se encuentra la unidad de control, mecanismo que se utiliza para controlar la potencia que llega al motor y emplear la batería si fuese necesario. Justo debajo se encuentra el motor eléctrico, es el encargado del movimiento del vehículo, funciona con la electricidad generada por la pila de combustible con el apoyo de la batería. En el caso del Toyota Mirai actualmente da una potencia máxima de 182 CV y un par máximo de 300 Nm lo que consigue lograr una aceleración 0-100 km/h de 9 segundos y una velocidad máxima de 175 km/h [31]. Continuando hacia la zona central del vehículo se encuentra el “Fuel Cell Boost converter”, se utiliza en los vehículos de pilas de combustible para incrementar el voltaje a la salida de la pila. En el Toyota Mirai incrementa el voltaje hasta 650V, es un objeto compacto y de alta eficiencia cuyo objetivo es reducir el número de celdas en el stack, consiguiendo así un menor tamaño y peso del sistema. Debajo del asiento del conductor se encuentra la pila de combustible, está situada en ese punto para bajar el centro de gravedad del vehículo y de esa manera conseguir mayor estabilidad y una experiencia de conducción más confortable. La pila de combustible que se emplea en los vehículos de hidrógeno es la tipo PEM (Proton Exchange electrolyte Membrane) ya que ofrece una buena relación potencia/volumen, hace poco ruido, es muy eficientes y funciona a una baja temperatura de operación, lo que permite alcanzar rápidamente esta temperatura. La que incorpora el Toyota Mirai tiene una densidad de potencia de 3,1 kW/L [28], [32],[8]. Avanzando hacia la parte trasera, aproximadamente debajo de los asientos traseros, se encuentran los depósitos de hidrógeno a alta presión. Estos depósitos son los encargados de abastecer el hidrógeno necesario a la pila de combustible para que genere electricidad. En el Toyota trabajan a una presión nominal de 70 MPa, con una densidad de almacenamiento de 5,7% del peso y en los que caben alrededor de 5kg. Estos depósitos se recargan en las hidrogeneras en un tiempo aproximado de 3 minutos; a día de hoy se estima una autonomía aproximada de 650 kilómetros. Por último, junto al maletero, se halla la batería que será la encargada de almacenar la energía procedente de la frenada regenerativa. Sirve para apoyar a la pila de combustible durante aceleraciones en las que la potencia pico del motor sea superior a la generada por la pila y necesite de ayuda extra. En el Toyota Mirai se trata de una batería de ion-litio de alto voltaje, que cambia con respecto a la de hidruro de níquel del anterior modelo; es más pequeña, pero tiene más densidad energética, tiene un voltaje nominal de 310,8V y una capacidad de 6,5 Ah [8] [33]. Otro de los automóviles que emplea como medio de propulsión la pila de combustible y está disponible comercialmente en la actualidad es el Hyundai Nexo, que parte de un precio de salida de 72.850€ (2021). Este coche tiene unas características relativamente similares a las del Toyota Mirai, entre las que destacan las siguientes: Ilustración 14: Especificaciones técnicas Hyundai Nexo [34]. 27 La principal diferencia entre ambos vehículos es el tipo de carrocería, en el caso del Hyundai Nexo se trata de una carrocería tipo SUV, muy demandada en el mercado europeo actualmente cuyo coeficiente frontal es Cx=0,33. En el caso del Toyota Mirai se trata de una berlina convencional con una suspensión más baja, lo que garantiza menores consumos y mayor comodidad en viajes largos. La distribución de los componentes en este coche se puede apreciar en la siguiente ilustración: Ilustración 15: Distribución componentes Hyundai Nexo [35]. La distribución también es parecida a la del Toyota Mirai con casi todos los componentes situados en la misma posición, a excepción del stack de la pila de combustible que se sitúa en el mismo lugar donde iría un motor de combustión interna convencional. Tanto el stack como todos los componentes y sistemas auxiliares necesarios para la entrega de energía (Balance of Plant: BoP) tienen un excelente empaquetado y ocupan poco volumen, parecido a la que lo haría un motor diésel junto con su transmisión. El Hyundai Nexo cuenta con tres tanques de hidrógeno que funcionan a 700 bar con una capacidad de 6,33 kg. de H2, dichos tanques tienen una durabilidad de 5.000 cargas o en su defecto, 15 años. Esta durabilidad es uno de los principales centros de atención que se están tratando de mejorar con investigación, como también lo es la seguridad de los tanques. En este sentido, los tanques del Hyundai Nexo cuentan con un sistema de sellado en caso de fuga y con un sistema de ventilación en caso de sobrecalentamiento. El consumo real de este Hyundai Nexo ronda los 1,4 kg H2/ 100 km, que con los 6,33kg. de H2 de los tanques nos proporciona una autonomía real de aproximadamente 452 kilómetros. El sistema de control regula la carga y descarga de la batería de la misma manera que el Toyota Mirai. En caso de emplear la frenada regenerativa transforma esta energía mecánica en eléctrica y lo transfiere a la batería, como se puede observar en la siguiente imagen obtenida directamente del panel de control del Hyundai Nexo: Ilustración 16: Funcionamiento frenada regenerativa Hyundai Nexo [34]. Sistemas de propulsión de vehículos con pilas de combustible 28 28 En el caso de necesitar más energía que la proporcionada por el stack de celdas de combustible, como puede ser el caso de una aceleración brusca o una cuesta empinada, se utiliza la energía acumulada en la batería para apoyar al motor eléctrico como se puede ver en la imagen a continuación: Ilustración 17: Funcionamiento batería + pila de combustible Hyundai Nexo [34]. A día de hoy ambas alternativas no son viables en España; no por los coches en sí, ya que los dos son coches cómodos, avanzados tecnológicamente y que saben aprovechar las cualidades de la pila de combustible, sino por la escasez de hidrogeneras en España. Ámbito en el que se espera una mejora cercana ya pronosticada en la Hoja de Ruta del Hidrógeno, en la cual una de las medidas para 2030 supone la implantación de una red de entre 100 y 150 hidrogeneras en España de acceso al público. 2.2 Pilas de combustible. La pila de combustible es el componente más relevante de mi proyecto, debido a que es el elemento diferenciador en el caso de vehículos propulsados con pilas de combustible con respecto a otros tipos de vehículos. Por tanto, se le realiza un estudio detallado analizando desde su comienzo histórico hasta los tipos de pilas de combustible y sus usos más comunes. Introducción a las pilas de combustible. Una pila de combustible es un reactor electroquímico que transforma la energía química de un combustible y un oxidante directamente en electricidad. Actualmente, las pilas de combustible son casi únicamente utilizadas con hidrógeno como fuente primaria de energía. Como se ha comentado con anterioridad, el hidrógeno se lleva empleando como combustible para movilidad desde hace 200 años, donde se quemaba en un motor de combustión interna para producir energía. Sin embargo, no tuvo éxito debido a su baja densidad energética y a preocupaciones relacionadas con la seguridad. A día de hoy, el hidrógeno ha vuelto a ocupar un lugar central en la búsqueda de fuentes de energía, pero esta vez en forma de aplicaciones de las pilas de combustible. Una de las aplicaciones que se está desarrollando se trata de la implementación de pilas de combustible en vehículos y su viabilidad económica. Actualmente, los vehículos propulsados mediante pilas de combustible son un 40% más caros que los vehículos eléctricos y un 90% más caros que vehículos propulsados por motores de combustión interna, aunque se prevé una bajada del Coste Total de Propiedad (TCO: Total Cost of Ownership) en torno al 50% en los próximos 10 años[27]. Esta disminución del TCO en los vehículos propulsados por pilas de combustible viene estimada por una mejora en la economía de escala, una maduración de esta tecnología, un menor coste del hidrógeno como combustible y una mejora general en la infraestructura. Los costes materiales de un sistema de pila de combustible son relativamente baratos en comparación con los 29 costes de fabricación, debido al alto requerimiento tecnológico que conlleva. Gracias a esto, se tiene un amplio margen de mejora en relación a los costes, que se pueden disminuir significativamente con mejoras en la economía de escala. A continuación, se muestra un repaso de la historia y la evolución de las pilas de combustible, que gracias a avances tecnológicos y políticas de gobierno se ha llegado al progreso actual: ➢ En 1839 fue inventada la primera pila de combustible por William Grove ➢ En la década de 1960, la NASA empleó una pila de combustible alcalina para generar potencia en el Apolo y en Gemini. En el año 1966 de esta misma década, General Motors desarrolló el primer vehículo que funcionaba con pilas de combustible. ➢ En la década de 1970, se utilizaban principalmente pilas de combustible de ácido fosfórico para la distribución de potencia generada. Además, fue la crisis global del petróleo que incitó a desarrollar energías alternativas, entre ellas las pilas de combustible. ➢ En la década de 1990, Ballard desarrolló la pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC) que permitía empezar a usar las pilas de combustible en vehículos. En 1993, creó el primer autobús con este tipo de pila. Un año más tarde, Daimler introdujo el NECAR 1, un vehículo más moderno alimentado por ese tipo de pila de combustible. ➢ En 2002 Toyota tuvo disponible en alquiler su vehículo de pilas de combustible, en Estados Unidos y en Japón. ➢ En 2003 el Departamento de Energía americano (DOE) patrocinó con 1,2 billones de dólares la iniciativa de la tecnología de pilas de combustible empleada para el transporte. Ese mismo año, 25 países miembros de la Unión Europea lanzaron el proyecto “European Research Area” (“ERA”), que trataba de construir una plataforma específica para la investigación y desarrollo del hidrógeno y las pilas de combustible. ➢ Desde el año 2011, el gobierno de China emite planes para guiar y fortalecer la investigación y desarrollo del hidrógeno y las pilas de combustible. ➢ En 2013 muchos fabricantes de automóviles, entre los que se encuentran Ford, Honda y Nissan, crearon una asociación para desarrollar y mejorar la infraestructura y la comercialización de los vehículos propulsados con pilas de combustible. ➢ En 2014, Toyota lanzó al mercado el primer coche disponible con esta tecnología, el Toyota Mirai. Seguido de Hyundai que sacó el suyo al año siguiente, el Hyundai Nexo. Este mismo año, Japón aprobó el cuarto Plan Estratégico de Energía, que presentaba una hoja de ruta del hidrógeno en la que explicaba su funcionamiento, su producción, almacenamiento, transporte y aplicaciones. ➢ En 2018 se probaban por primera vez en todo el mundo los trenes alimentados con hidrógeno, fabricados por la empresa francesa Alstom. Gracias a todas las políticas gubernamentales y al desarrollo tecnológico de las pilas de combustible, están cobrando especial relevancia las aplicaciones que se pueden obtener de las mismas [27]. Resulta de especial interés apreciar el número de vehículos que empleaban las pilas de combustible como medio de propulsión en 2019 y las previsiones de futuro, según el tipo de vehículo y la geografía: Sistemas de propulsión de vehículos con pilas de combustible 30 30 Tabla 2: Comparativa número de FCEVs en 2019 y en el futuro [33]. ¿Cómo funcionan las pilas de combustible? El 𝐻2 es un gas que contiene gran cantidad de energía química, si se combustiona con 𝑂2 gaseoso procedente del aire libera energía y el único producto resultante es agua. Esta reacción está representada por la siguiente fórmula: 2𝐻2+𝑂2→ 2𝐻2𝑂. Para aprovechar la energía de esta reacción química se utiliza la pila de combustible; se trata de un mecanismo que toma hidrógeno y oxígeno y los emplea para crear electricidad. Como se observa en la ilustración 14, primero la molécula de hidrógeno se introduce en uno de los electrodos, llamado ánodo, mientras que el oxígeno se encuentra en el otro electrodo, el cátodo. El hidrógeno tiende a juntarse con el oxígeno para formar agua. Aprovechando esta predisposición, se coloca un catalizador justo después del ánodo cuyo objetivo es separar la molécula neutra de hidrógeno en el protón y el electrón correspondientes. Esta reacción de oxidación corresponde con la fórmula: 𝐻2⇔ 2𝐻++2ⅇ−. Para aprovechar la corriente eléctrica (el flujo de electrones), se bloquea el paso de los electrones con un electrolito, el cual solo permite el paso de iones positivos (𝐻+). De esta forma se consigue reconducir los electrones empleando un cable que rodea el electrolito, de donde obtendremos la potencia eléctrica de la pila de combustible. Estos electrones se reúnen con los iones de hidrógeno positivos y con el oxígeno en el cátodo, reaccionando químicamente para formar agua. Esta agua, en forma de vapor, tendrá que ser evacuada de la pila de combustible 31 rápidamente para mejorar el rendimiento de la pila [27]. Ilustración 18: Funcionamiento de la pila de combustible [27]. La celda de combustible es el componente principal de un sistema de energía de pilas de combustible (stack). A partir de reacciones electroquímicas que tienen lugar en la celda de combustible, se produce electricidad en forma de corriente continua. Una sola celda de combustible origina menos de 1 V, que es insuficiente para la mayoría de las aplicaciones. Por lo tanto, las celdas de combustible individuales se agrupan típicamente en serie en un stack de pilas de combustible. Un stack de pilas de combustible puede estar formado por cientos de celdas de combustible. La cantidad de energía generada por cada pila de combustible depende de varios factores, como el tipo de celda de combustible, la temperatura de operación, el tamaño y la presión de los gases suministrados a la pila [36]. Un ejemplo de un stack de pilas de combustible del tipo PEM (Polymer Electrolyte Membrane) se muestra en la siguiente ilustración: Ilustración 19:PEM fuel cell stack [37]. Este tipo de pilas de combustible tienen un componente clave, las placas bipolares. Estas placas reparten uniformemente el gas combustible (usualmente hidrógeno) y el aire, transportan la corriente eléctrica de una celda a otra, evitan la fuga de gases y refrigerante y disipan el calor del área activa. Las placas bipolares también influyen significativamente en el volumen, peso y costo de las pilas de pilas de combustible PEM [38]. Algunas características generales que destacan de las pilas de combustible son [39]: ➢ Son versátiles ya que cualquier compuesto capaz de ser oxidado en condiciones de operación podría Sistemas de propulsión de vehículos con pilas de combustible 32 32 emplearse como combustible. Los más utilizados son el hidrógeno, hidrocarburos o alcoholes. ➢ Son silenciosas lo que permite su instalación en áreas urbanas o mejora el confort en aplicaciones como la automovilística. ➢ El tamaño se puede ajustar aumentando el número de pilas del stack en función de la potencia requerida. ➢ Es compatible con el medioambiente si se emplea hidrógeno como combustible, ya que el único residuo producto es el vapor de agua. ➢ Tienen alta eficiencia, generando únicamente electricidad se encuentra en torno al 50% mientras que si se emplea para cogeneración puede aumentar hasta un 85%. ➢ Actualmente tienen un coste relativamente elevado, este punto se comenta en detalle en los siguientes apartados del proyecto. Tipos de pilas de combustible. Las pilas de combustible se clasifican típicamente por el tipo de electrolito que utilizan. Esta clasificación establece el tipo de reacción electroquímica que tiene lugar, el tipo de catalizador requerido, el rango de temperaturas en el que opera, el combustible necesario y otros factores. Estas características dictaminan las aplicaciones para las que se utilizarán cada tipo de pila de combustible. Actualmente, se están desarrollando varios tipos de pilas de combustible, cada una con sus propias ventajas, debilidades y aplicaciones específicas [40]. A continuación, se muestran dos tablas comparativas entre los tipos de pilas de combustible con sus características diferenciadoras: Tabla 3: Comparativa tipos de pilas de combustible [41]. Tipos de pilas de combustible Electrolito Temperatura de operación Potencia típica Eficiencia eléctrica Membrana de electrolito polimérico (PEM) Ácidos perfluorosulfónicos <120º𝐶 < 1−100𝑘𝑊 60% Alcalina (AFC) 𝐾𝑂𝐻 <100º𝐶 1−100𝑘𝑊 60% Ácido fosfórico (PAFC) 𝐻3𝑃𝑂4 150−200º𝐶 5−400𝑘𝑊 40% Carbonato fundido (MCFC) Carbonatos de sodio, potasio o litio fundido 600−700º𝐶 300𝑘𝑊−3𝑀𝑊 50% Óxido sólido (SOFC) Circonia estabilizada con itria 500−1000º𝐶 1𝑘𝑊−2𝑀𝑊 60% 33 Tabla 4: Comparación aplicaciones, ventajas y debilidades por tipos de pilas de combustible [41]. Tipos de pilas de combustible Aplicaciones Ventajas Debilidades Membrana de electrolito polimérico (PEM) • Generación auxiliar • Generación portátil • Generación descentralizada • Transporte • Menor problema de manejo y corrosión gracias al electrolito sólido. • Bajas temperaturas de uso. • Inicio rápido. • Catalizadores caros. • Sensible a las impurezas del combustible. Alcalina (AFC) • Militar • Espaciales • Generación auxiliar • Transporte • Amplio rango de materiales estables que permite el uso de componentes más baratos. • Bajas temperaturas de uso. • Inicio rápido. • Sensible al CO2 del aire y en el combustible. • Control del electrolito (acuoso). • Conductividad del electrolito (polimérico). Ácido fosfórico (PAFC) • Generación descentralizada • Mayor tolerancia a las impurezas del combustible. • Apropiado para cogeneración. • Catalizadores caros. • Largo tiempo de arranque. • Sensibilidad al sulfuro. Carbonato fundido (MCFC) • Utilidad eléctrica • Generación descentralizada • Alta eficiencia. • Flexibilidad de combustible. • Apropiado para cogeneración. • Ciclo de turbina de gas. • Corrosión y rotura de los componentes a altas temperaturas. • Largo tiempo de arranque. • Baja densidad energética. Óxido sólido (SOFC) • Generación auxiliar • Utilidad eléctrica • Generación descentralizada • Alta eficiencia. • Flexibilidad de combustible. • Electrolito sólido. • Apropiado para cogeneración. • Ciclo de turbina de gas. • Corrosión y rotura de los componentes a altas temperaturas. • Largo tiempo de arranque. • Número limitado de cierres. Análisis económico 40 40 Catalizador y aplicación Revestimiento con matriz ranurada de: -Cátodo: 0,1 𝑚𝑔 𝑃𝑡 /𝑐𝑚2 d-PtCo sobre “High Surface Carbon” (HSC) -Ánodo: 0,025 𝑚𝑔 𝑃𝑡 / 𝑐𝑚2 Pt/C Revestimiento con matriz ranurada de: -Cátodo: 0,107 𝑚𝑔 𝑃𝑡 / 𝑐𝑚2 d-PtCo sobre (HSC) -Ánodo: 0,018 𝑚𝑔 𝑃𝑡 / 𝑐𝑚2 Pt/C Revestimiento con matriz ranurada de un catalizador de gran rendimiento: -Cátodo: 0,07 𝑚𝑔 𝑃𝑡 / 𝑐𝑚2 d-PtCo sobre (HSC) -Ánodo: 0,018 𝑚𝑔 𝑃𝑡 / 𝑐𝑚2 Pt/C Preparación de la “Catalyst-Coated Membrane” (CCM) R2R recubierto por inmersión, ePTFE/membrana de ionómero, electrodos revestidos con matriz ranurada, lavado de ácido Membrana con recubrimiento directo de Gore con electrodos revestidos con matriz ranurada doblemente, lavado de ácido Membrana con recubrimiento directo de Gore con electrodos revestidos con matriz ranurada doblemente, lavado de ácido Capas de difusión de gases 105 𝜇𝑚 de capa de difusión de gases (GDL) y 45 𝜇𝑚 de capa de carbono microporoso (MPL), sin comprimir 105 𝜇𝑚 de GDL y 45 𝜇𝑚 de MPL, sin comprimir 105 𝜇𝑚 de GDL y 45 𝜇𝑚 de MPL, sin comprimir Durabilidad del catalizador 50% Basado únicamente en el catalizador sin tener en cuenta la degradación en la membrana 40% Basado en lograr los objetivos del DOE para 2020 <40% Superando los objetivos del DOE para 2020 Contenido MEA R2R sub-juntas, prensado caliente para la CCM R2R sub-juntas, prensado caliente para la CCM R2R sub-juntas, prensado caliente para la CCM Placas bipolares y revestimiento 316SS con la capa de transporte físico del vapor modelado como “Treadstone Dots” 304SS con la capa de transporte físico del vapor modelado como “Treadstone TIOX” 304SS con la capa de transporte físico del vapor modelado como “Treadstone TIOX” Formación/unión de placas bipolares Estampado progresivo/soldado por láser Hidroconformado/soldad o por láser Hidroconformado/soldad o por láser Juntas de unión del MEA y las placas bipolares Junta de elastómero de poliolefina serigrafiada sobre las placas bipolares Junta de elastómero de poliolefina serigrafiada sobre las placas bipolares Junta de elastómero de poliolefina serigrafiada sobre las placas bipolares Compresión del aire y eficiencias Compresor centrífugo, expansor de flujo radial a la entrada. -Compresor: 71% Compresor centrífugo, expansor de flujo radial a la entrada. -Compresor: 71% Compresor centrífugo, expansor de flujo radial a la entrada. -Compresor: 71% 41 -Expansor: 73% -Motor/controlador: 90% -Expansor: 73% -Motor/controlador: 90% -Expansor: 73% -Motor/controlador: 90% Sistema de enfriamiento y radiador Radiador de aluminio, refrigerante agua o propilenglicol, con filtro y preenfriamiento de aire Radiador de aluminio, refrigerante agua o propilenglicol, con filtro y preenfriamiento de aire Radiador de aluminio, refrigerante agua o propilenglicol, con filtro y preenfriamiento de aire Humidificador de aire “Plate Frame Membrane Humidifier” “Plate Frame Membrane Humidifier” “Plate Frame Membrane Humidifier” Humidificador de hidrógeno Ninguno Ninguno Ninguno Recirculación del ánodo Eyector de pulsos (2 eyectores de geometría fija) Eyector de pulsos con bypass Eyector de pulsos con bypass Recuperación del agua de salida Ninguno Ninguno Ninguno Juntas del refrigerante y de las placas terminales Soldado por láser (refrigerante)/Junta de elastómero de poliolefina serigrafiada (terminales) Soldado por láser (refrigerante)/Junta de elastómero de poliolefina serigrafiada (terminales) Soldado por láser (refrigerante)/Junta de elastómero de poliolefina serigrafiada (terminales) Ensamblaje de la celda Montaje robotizado de las placas bipolares soldadas y de las juntas secundarias del MEA Montaje robotizado de las placas bipolares soldadas y de las juntas secundarias del MEA Montaje robotizado de las placas bipolares soldadas y de las juntas secundarias del MEA Protección contra heladas Drenaje del agua al apagar Drenaje del agua al apagar Drenaje del agua al apagar Sensores de hidrógeno Ninguno Ninguno Ninguno Placa terminal/ sistema de compresión Placas terminales de material compuesto moldeado con bandas de compresión Placas terminales de material compuesto moldeado con bandas de compresión Placas terminales de material compuesto moldeado con bandas de compresión Acondicionamient o de la pila 2 2 1 Se puede visualizar de una manera más clara el proceso de fabricación de un sistema de pilas de combustible de tipo PEM en el siguiente esquema (ilustración 22), obtenido para una aplicación de energía auxiliar de 5kW y 10kW[46]. La pila consta de las placas terminales, las placas bipolares, las juntas de sellado y las MEAs como se muestra en el esquema a continuación, que muestra el proceso de fabricación en formato de diagrama de flujo. Los cuatro procesos de fabricación que llevan al ensamblaje de cada stack son: Análisis económico 42 42 ➢ Fabricación de las placas terminales, es decir, las que se sitúan en el extremo del stack: las placas terminales (End Plates) son creadas a partir de una fundición a presión de una aleación de aluminio (A356), que se somete a un proceso de fresado del material y, posteriormente, se emplean técnicas de taladrado, avellanado y roscado de la superficie interna de la pieza. ➢ Fabricación de las placas bipolares: se emplea el compuesto de moldeo de grafito a granel (BMC940), se le da una forma inicial, y se somete a un moldeo por compresión para después ser recalentado en el horno durante 15 minutos a una temperatura de 175ºC. ➢ Fabricación de las juntas de sellado: se realiza un moldeo por inyección de caucho de silicona líquida para producir las juntas de sellado, que son piezas flexibles y duraderas. ➢ Fabricación del “membrane electrode assembly” (MEA): se emplean los materiales mostrados en el diagrama, que a través de un molino de bolas se mezclan y moldean durante 10 horas. Se obtienen la capa del cátodo y del ánodo y se introducen en el molde por transferencia. Las capas de difusión de gases se introducen mediante un prensado en caliente y, finalmente, se realiza un proceso de troquelado. Ilustración 22: Proceso de fabricación del PEMFC stack[46]. 43 Avances tecnológicos. “Argonne National Lab” (ANL) ha optimizado el rendimiento del modelo con d-PtCo, incrementando la densidad de potencia gracias a un mejorado soporte del HSC. Se estima un incremento de en torno al 6% de esta densidad de 2017 a 2018, pasa de 1,095 mW/𝑐𝑚2 a 1,165 mW/𝑐𝑚2. En 2016 se utilizaba una aleación que contenía níquel, al pasar al cobalto se consiguió una reducción de en torno a 0,13$/kW debido a los diferentes procesos de síntesis. Se muestra a continuación una tabla comparativa de los costes estimados de la síntesis del catalizador en 2018 y en 2017, teniendo en cuenta el ratio de producción anual: Ilustración 23: Comparación costes estimados de la síntesis del catalizador entre 2017 y 2018[45]. Para el mismo rendimiento electroquímico, la deposición física de vapor (PVD) sobre el carbón es probablemente una opción más barata para la fabricación de catalizadores basados en platino. En la siguiente gráfica se muestra la comparación con unos datos de referencia del coste de la fabricación de un catalizador: Ilustración 24: Comparación preliminar del coste estimado de fabricación de un catalizador de referencia con uno que emplea PVD [45]. En 2018, se lleva a cabo el análisis de coste de tipo DFMA del “high surface area carbon” (HSC), el cuál estima que para un volumen de producción de 500.000 vehículos al año el precio estimado es 116 $/kg. Análisis económico 44 44 En 2018 se realizaron investigaciones de materiales electrohilados como componentes para pilas de combustible: ➢ Material de refuerzo de la membrana (“Membrane Support Material”). Se modela como sustituto al politetrafluoroetileno (ePTFE), con un precio inferior a 2 $/𝑚2 en comparación a los 6 $/𝑚2 de los ePTFE. Con el mismo rendimiento, se obtiene una reducción de 0,6$/kW. Se puede observar en la siguiente gráfica la evolución del coste de este material en función de la producción anual: Ilustración 25: Gráfica comparativa del coste del material de refuerzo de la membrana[45]. ➢ Complete Membrane Dual-Fiber (co-spun) Support & Ionomer Material. La proyección de la membrana electrohilada tiende a ser más barata que la membrana sustentada por ePTFE, como se puede apreciar en la siguiente gráfica: Ilustración 26: Gráfica comparativa del coste del material de la membrana[45]. 45 ➢ Material y revestimiento del cátodo. A continuación, se muestra un gráfico que estima el coste de los materiales y revestimientos del cátodo, en función del ratio de producción anual. Ilustración 27: Gráfica de estimación de costes de los materiales y revestimiento del cátodo[45]. ➢ Comparación de diferentes MEAs. En relación al ensamblaje del electrolito, se observa en la siguiente gráfica que para altos volúmenes de fabricación los precios son prácticamente iguales. La nomenclatura de la gráfica significa ES: electrospun material (material electrohilado) y SD: slot die coating (revestimiento con matriz ranurada). Ilustración 28: Gráfica de estimación costes del ensamblaje del electrolito[45]. Análisis económico 46 46 Estimación del coste total del sistema. Como era de esperar, se observa en la ilustración 29 que existe una relación inversamente exponencial entre el coste total del sistema y la tasa de producción anual. Esto se debe a la reducción de precio del material para un volumen mayor de sistemas y un mejor aprovechamiento de las cadenas de fabricación, que con un mayor número de sistemas al año aumentan su tasa de utilización. El rango de producción va ligado a la demanda a corto plazo que esté previsto que sea necesario cubrir, un aumento del volumen de producción hasta que los componentes estén completamente escalado supondría un beneficio mayor debido a la fabricación en masa. A partir de los 50.000 sistemas al año, la curva de coste del sistema se vuelve prácticamente plana, lo que refleja que los stacks comprenden muchas unidades que se repiten y consiguen mayor utilización de los equipos con menores producciones que los vehículos de combustión interna. Se debe tener en cuenta que muchos de los componentes del balance de planta ya se producen a gran escala, mientras que los componentes del stack necesitan el desarrollo de procesos de fabricación especializados [44]. Ilustración 29: Estimación de coste del sistema actual y futuro según la tasa de producción anual [45]. Con respecto a la ilustración 30, mostrada a continuación, se actualizan los datos de costes del sistema de 2017 a 2018 y se comparan con los objetivos del DOE. En primer lugar, sorprende el aumento del coste de un año al siguiente ya que la previsión más cercana según el DOE es conseguir un coste de 40 $/kW. Para lograr este objetivo, en 2017 se planteaba una reducción del precio de la unidad de aire CEM (Compresor/Expansor/Motor), que pertenece al circuito de aire del balance de planta y supone el mayor porcentaje del coste total dentro del mismo, como se analiza detalladamente más adelante. Por el contrario, los resultados obtenidos en 2018 han supuesto un aumento de 0,61 $/kW del sistema debido al ajuste por inflación y a un aumento de la eficiencia del 80% al 90%. También se estimaba una reducción del coste de las placas bipolares de 2 $/kW de 2017 a 2025, mientras que los resultados finales muestran un aumento del coste de 2017 a 2018 de 0,52 $/kW. Esto se debe a un análisis más exhaustivo que muestra costes más realistas de las placas, además de un coste añadido de accesorios para la soldadura. Se han añadido componentes al balance de planta que han incrementado el coste en 0,37 $/kW. Componentes como una válvula de corte, una válvula de bypass y un inyector han sido añadidos para mejorar la recirculación a baja potencia. Estos componentes se pueden observar en la ilustración 21 rodeados con un círculo rojo. Gracias a la optimización de las condiciones de operación del catalizador se ha conseguido un aumento de la densidad de potencia, lo que se traduce en una reducción de 0,8 $/kW con respecto a 2017. 47 Finalmente, recopilando todos los cambios nombrados se estima el coste del sistema en 46,16 $/kW (2018), teniendo muy presente que se han estimado para un volumen de producción de 500.000 sistemas al año, dato que está muy lejos de la realidad actual y para un sistema de pilas de combustible de un automóvil de 80kW [45]. Ilustración 30: Estimación de costes del sistema de pila de combustible para una producción de 500.000 sistemas al año [45]. El objetivo final del DOE con respecto a la durabilidad son 8.000 horas; actualmente la máxima vida útil de un FCEV está por encima de las 4.100 horas[47]. Para un volumen de producción de 100.000 sistemas al año, el coste estimado para 2020 de un sistema de pilas de combustible PEM de 80kW, teniendo en cuenta los objetivos de durabilidad, es 76 $/kW. Este coste estimado representa un sistema capaz de conseguir las 8.000 horas de funcionamiento reales en carretera, cuya vida útil se consigue gracias a una combinación del diseño de los componentes, de la metodología de operación y del sobredimensionamiento de la pila. Esta mejora en la durabilidad implica un aumento de hasta el 65% del coste del sistema ($/kW) con respecto al valor establecido en 2018 de 46,16 $/kW, el cual no tiene en cuenta el ajuste por durabilidad [48]. Los catalizadores de platino, principalmente el del cátodo, constituyen en torno al 40% del coste del stack completo como se muestra en la ilustración 31. Los materiales necesarios para el stack suponen uno de los principales costes del mismo. Materiales como el acero inoxidable, el revestimiento de las placas bipolares, el nafion para las capas de la membrana y el catalizador, suponen un impacto significativo en el coste total del stack. Reducir el contenido de platino y encontrar alternativas a estos materiales que disminuyan el coste del stack son prioridades para poder hacer que los FCEVs sean viables económicamente[44]. Ilustración 31: Desglose del coste por componente del stack de la pila de combustible [49]. Análisis económico 48 48 Como se observa en el desglose del sistema total de un vehículo ligero basado en pila de combustible (ilustración 32), el stack de la pila de combustible representa el 45% del coste total del sistema. Las mayores contribuciones a este coste son las placas bipolares y las MEAs, que incluyen la membrana, el catalizador, las capas de difusión de los gases (GDL) y el ensamblaje del conjunto. Dentro del balance de planta (BOP), cuyo coste supone el 55% del coste total restante, el subsistema más relevante referente al coste es el circuito de aire, seguido por los circuitos de refrigerante y combustible. Dentro del circuito de aire la unidad Compresor/Expansor/Motor (CEM) es el aporte más caro necesario, por tanto, disminuir el coste de esta unidad se establece como objetivo prioritario para lograr los objetivos finales de reducción de costes del sistema. Ilustración 32: Desglose de cada componente del sistema para un volumen de producción de 500.000 unidades al año (2017) [44]. En conclusión, referente al análisis realizado para un sistema de automoción basado en pilas de combustible tipo PEM de 80kW, los avances tecnológicos como el aumento de la densidad de potencia y la disminución del contenido de platino en el cátodo hacen posible cada vez un menor coste total del sistema. Aunque, como se ha comentado, existen otros factores que pueden aumentar este coste y finalmente la estimación del coste total para el año 2018 supone un aumento de 1,23 $/kW con respecto al año anterior. Este aumento del coste a pesar de los avances tecnológicos va ligado a una serie de mejoras del sistema, como un aumento del rendimiento, un mejor funcionamiento a baja potencia y una mayor durabilidad. El contenido de platino y acero inoxidable del catalizador y las placas bipolares hace que el coste de estos componentes no dependa del volumen de producción, sino del propio coste de la materia prima. Por tanto, se deben buscar alternativas viables para tratar de evitar la utilización de estos materiales. La unidad CEM necesita nuevos diseños y otros métodos de fabricación para poder disminuir el coste del circuito de aire perteneciente al balance de planta. Esta unidad es la que provoca mayor variación del coste del sistema, seguido por la estequiometría del aire. 49 En general, este análisis y proyección de costes realizados proporciona una información relevante que ayuda a orientar el desarrollo de los componentes de la pila de combustible para tratar de conseguir los objetivos propuestos por el DOE, entre ellos, llegar al mismo coste unitario que los vehículos de motor de combustión interna convencionales. 3.2 Análisis del coste total del ciclo de vida de un FCEV. El análisis del coste total del ciclo de vida se define como un método para determinar el valor de mercado, en este caso de un vehículo de pila de combustible (FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle), que tiene en cuenta además del precio inicial del vehículo, el coste del combustible necesario durante toda su vida útil y los gastos de mantenimiento. Comparar costes del ciclo de vida hace posible evaluar si es mejor un vehículo económico pero menos eficiente (bajo coste inicial y altos costes operativos) o un vehículo caro pero con mayor eficiencia (alto coste inicial y bajos costes operativos) [50]. Análisis del informe de Strategic Analysis (2018). Se analiza el informe realizado por Strategic Analysis Inc.[50], en el que se incorporan en 2018 el coste del sistema de almacenamiento de hidrógeno y otros componentes pertenecientes al vehículo (batería, motor, frenos…) al análisis del coste total del ciclo de vida; lo que permite calcular el valor presente del coste total de propiedad (TCO) durante la vida útil del vehículo. No se incluye en este informe gastos de mantenimiento, aunque se esperan que sean mucho menores que los de un vehículo de motor de combustión interna convencional, ya que se evitan cambios de aceite, cambio de bujías y otros gastos de mantenimiento asociados a las partes móviles de los motores de combustión, que se evitan debido a la ausencia de estas partes móviles en el stack. Tampoco se incluye en el análisis el gasto del seguro del vehículo. Para analizar el coste del ciclo de vida han sido necesarias algunas suposiciones. Entre las más relevantes se encuentran[50]: -Durabilidad del stack igual a la vida útil del vehículo [47]. -Tiempo de vida: 15 años. -Distancia conducida anualmente: 12.000 millas (19.312 kms). -Eficiencia del sistema: 47%. -Coste del combustible: 5 $/kg H2. El coste del hidrógeno varía según la fuente de producción, que puede ser mediante combustibles fósiles y biomasa o mediante energías renovables a través de la electrólisis del agua. Actualmente, el gas natural es la principal fuente de producción del hidrógeno y representa en torno a tres cuartas partes de la producción global, cuyo valor aproximado es 70 millones de toneladas. Este valor representa aproximadamente un 6% del uso global del gas natural. Al gas natural le sigue el carbón, que tiene un papel importante en China y la cantidad restante de hidrógeno producido es a partir del uso de petróleo y electricidad [51]. La suposición del coste de 5$/kg H2 realizada para el análisis del ciclo de vida, cobra sentido si se visualizan los costes de producción del hidrógeno según la fuente de procedencia (ilustración 33). En la siguiente ilustración se aprecia que el coste del hidrógeno procedente de energías renovables se encuentra entre 3-7$/kg. H2, mientras que el coste del hidrógeno que proviene del gas natural se encuentra entre 0,9-3,2$/kg. H2 [51]. Con una tendencia actual hacia el aumento de la producción del hidrógeno verde, es decir, el procedente de energías renovables, se entiende que la suposición del coste realizada en el análisis se acerque más a los costes producidos por este tipo de medio de producción. Aunque se estima que se reduzca en torno a un 30% el coste del hidrógeno procedente de energías renovables para el año 2030, como resultado de una disminución de los costes de las energías renovables y un aumento de la producción del hidrógeno [51]. Análisis económico 56 56 En este análisis experimental [53]se incluyen estudios sobre el rendimiento de la celda, la eficiencia eléctrica y la degradación con los ciclos de carga. De acuerdo con el protocolo de pruebas se establecen unas condiciones de referencia que se establecen como punto de partida para realizar un análisis comparativo. Los cambios provocados en esas condiciones de referencia por el hecho de modificar un conjunto de variables es el objeto de análisis de este trabajo. Estas condiciones de referencia son las siguientes[54]: ❖ Ánodo ➢ Temperatura: 80ºC ➢ Presión: 250 kPa ➢ Humedad relativa: 50% ➢ Estequiometría del combustible: λ=1,3 ❖ Cátodo. ➢ Temperatura del oxidante: 85°C ➢ Presión absoluta del oxidante: 230 kPa ➢ Humedad relativa: 30% ➢ Estequiometría del aire: λ=1,5 En las pilas de combustible existen tres tipos de pérdidas, las pérdidas de activación son las de mayor importancia en cualquier rango de la densidad de corriente, pero en concreto, para bajas densidades de corriente es donde más afectan a las pérdidas de voltaje. Las pérdidas óhmicas disminuyen linealmente el voltaje de la pila. La proporción de estas pérdidas de voltaje con respecto a la densidad de corriente se pueden visualizar en la ilustración 43 [55]: Ilustración 43: Pérdidas de voltaje en la pila de combustible [55]. En las curvas de polarización se representa el voltaje a la salida de la celda de combustible para una determinada densidad de corriente, estas curvas se utilizan para testear las variaciones de las variables de operación en la celda de combustible. La curva de polarización de una pila de combustible es formada restando las pérdidas de activación, las pérdidas óhmicas y las pérdidas de concentración de polarización del equilibrio potencial como se muestra en la ilustración 44 [55]. 57 Ilustración 44: Curva de polarización y pérdidas en la pila de combustible [55]. En relación al análisis experimental [53] una vez finalizada la etapa de preparación de la celda, se inicia el experimento de la curva de polarización siguiendo un ajuste determinado en el que se realizan tres ensayos completos para garantizar la fiabilidad de los resultados. La curva de polarización correspondiente a las condiciones de referencia es usada como punto de partida para el análisis de las variaciones de las variables que se emplean para conocer cómo afectan sus variaciones al rendimiento de la pila. Se muestra a continuación la curva de polarización del análisis experimental: Ilustración 45: Curva de polarización para las condiciones de referencia [53]. Pruebas de temperatura. El objetivo de estas pruebas es evaluar cómo afecta la temperatura de operación al rendimiento de la pila, ya que una alta temperatura o altos gradientes de temperatura pueden afectar a la degradación de la membrana y a la evacuación del calor, que a su vez influye en la cantidad de agua en la pila. Se muestran las curvas de polarización correspondientes a las pruebas de temperatura (ilustración 46), para unas temperaturas de operación de 70ºC, 80ºC y 85ºC [53]. A partir de las curvas de polarización obtenidas para cada temperatura, se evalúa cuál sería el número de celdas necesarias para alcanzar la potencia de 80kW suponiendo que las celdas del stack tienen un área de 300 𝑐𝑚2. Análisis económico 58 58 La potencia eléctrica obtenida de cada celda de combustible se calcula según la ecuación 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑉 ∗𝐼, el producto de esta potencia eléctrica con el número de celdas del stack da como resultado la potencia del stack, como se puede observar en esta ecuación 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 = 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 ∗𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠. Gracias a estas dos ecuaciones y a los datos obtenidos de la curva de polarización se puede calcular el número de celdas necesario según cambien las diferentes variables de operación de la siguiente manera: 1) Se fija una de las dos variables de la curva, en este caso se mantiene el voltaje constante. 2) Se obtienen tres valores distintos de la densidad de corriente según cambien las condiciones de operación. 3) Estos valores obtenidos en la unidad 𝐴/𝑐𝑚2 se multiplican por 300 𝑐𝑚2(suposición del área de la celda de combustible) para obtener las intensidades correspondientes de la celda de combustible para cada condición de operación. 4) Se calculan las potencias eléctricas que aportan cada celda para cada intensidad empleando la primera ecuación descrita anteriormente (𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑉∗𝐼). 5) Teniendo como objetivo conseguir una potencia del stack de 80kW (suposición de potencia para un automóvil), se despeja el número de celdas necesario para cada potencia eléctrica obtenida anteriormente de la siguiente manera: 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 . Se supone constante el valor del voltaje igual a 0.65V, ya que es el valor acordado por los fabricantes para aplicaciones de automoción y se observan gráficamente (ilustración 46) los valores de salida de las densidades de corriente, en este caso son aproximadamente 0,72 𝐴/𝑐𝑚2 para 𝑇𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =70ºC, 0,76 𝐴/𝑐𝑚2 para 𝑇𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =80ºC y 0,8 𝐴/𝑐𝑚2 para 𝑇𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =85ºC. Siguiendo la metodología de actuación descrita: ➢ 𝑇𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =70ºC. 𝐼 = 0,72 A cm2∗300𝑐𝑚2=216 𝐴 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑉 ∗𝐼 = 0,65 𝑉 ∗216 𝐴 = 140,4 𝑊 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 140,4 𝑊 =569,8 = 570 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ➢ 𝑇𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =80ºC. 𝐼 = 0,76 A cm2∗300𝑐𝑚2=228 𝐴 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑉 ∗𝐼 = 0,65 𝑉 ∗228 𝐴 = 148,2 𝑊 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 148,2 𝑊 =539,81 =540 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ➢ 𝑇𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =85ºC. 𝐼 = 0,8 A cm2∗300𝑐𝑚2=240 𝐴 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑉 ∗𝐼 = 0,65 𝑉 ∗240 𝐴 = 156 𝑊 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 156 𝑊 =512,82 =513 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 Como se puede apreciar en los cálculos realizados, para la temperatura de operación 𝑇𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =70ºC se necesitarían 570 celdas de combustible dentro del stack para conseguir la potencia objetivo. Para 𝑇𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =80ºC la densidad de corriente aumenta ligeramente y, por tanto, se necesitarían menos número de celdas (540 celdas de combustible). Mientras que, aumentando 5ºC más la temperatura de operación alcanzando los 85ºC, aumenta aún más la densidad de corriente que ofrece cada celda, necesitando un total de 513 celdas para alcanzar la potencia necesaria. 59 Garantizar el menor número de celdas posibles es lo mejor para optimizar el diseño del stack, ya que reduce los costes totales, el peso y el volumen de la pila de combustible. Un menor peso y volumen pueden significar la posibilidad de implementación en algunos tipos de aplicaciones, por ejemplo, automóviles compactos. Se concluye del estudio realizado en que el mejor resultado, si se busca optimizar el coste del stack y del sistema, es aumentar el valor de la temperatura de operación para conseguir un menor número de celdas de combustible dentro del stack. Ilustración 46: Curvas de polarización para las diferentes pruebas de temperatura [53]. Las conclusiones finales relacionadas con su influencia en los costes para un aumento de la temperatura de operación son las siguientes: o Disminuyen las pérdidas de activación. Esta disminución de las pérdidas se traduce en una mayor densidad de corriente, lo que significa que para un mismo voltaje aumenta la potencia de la pila. A nivel de costes, este aumento de potencia implica una necesidad menor de cantidad de platino en el catalizador lo que reduce el coste final del stack. o Mayor difusión de los reactivos. Tanto las placas bipolares como las capas de difusión de gases (GDLs) tienen la función de garantizar una buena difusión de los gases para que aumente el área activa de la membrana y mejore el rendimiento. Al tener una mayor difusión de los reactivos, se podría ahorrar en diferentes materiales de estos dos componentes del stack o en un menor volumen de los mismos. o Mayor capacidad de los gases de evacuar el agua de la pila de combustible. Esta función de evacuar el agua de la membrana es vital para garantizar una buena conductividad eléctrica y así mejorar el rendimiento del stack. Tanto las placas bipolares como los GDLs se encargan también de garantizar una buena conductividad eléctrica y una buena evacuación del agua del stack, por tanto, si este aspecto se ha mejorado también se podrían disminuir los costes de estos dos componentes en este sentido. o Menor durabilidad. Una mayor temperatura de operación, como ya se ha comentado, puede afectar a la durabilidad de la membrana. Por ello, sería necesario un mejor sistema de evacuación del calor, en este caso las placas bipolares realizan esta función por lo que una mejora en este aspecto encarecería el coste de las mismas. Finalmente, se realiza un análisis de los resultados obtenidos en este estudio para poder estimar la variación del coste del stack y del sistema en función de la temperatura de operación de la celda de combustible. En primer lugar, se supone un valor aproximado del coste de cada celda de combustible. En la proyección de costes realizada por Strategic Analysis Inc. para un sistema PEMFC de hidrógeno [45], se estima un coste del sistema de 3.500 $ para un volumen de producción de 500.000 sistemas al año, este coste del sistema se divide en el coste del stack ~1.531$ y en el coste del balance de planta ~1.969$. Las características de este sistema son 80kW de potencia y un voltaje de 0,663V por lo que las estimaciones de costes son extrapolables a nuestro estudio. Para este sistema[45] se conocen el número de celdas de combustible que conforman el stack, en este Análisis económico 60 60 caso son 377 celdas, por lo tanto, se puede estimar el coste de cada celda de combustible por separado y sería igual a: 𝐶𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 ($ 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎) = 𝐶𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘/𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 1.531$ 377𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠 = 4,061 $ 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 A partir de esta estimación del coste unitario de cada celda, se ilustra el cambio en el coste del stack que supondría la variación de la temperatura de operación: ➢ 𝑇𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =70ºC. 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 140,4 𝑊 =569,8 = 570 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 𝐶𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘(70º𝐶) = 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠∙𝐶𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =570 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ∙ 4,061 $ 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎 = 2.314,77 $ ➢ 𝑇𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =80ºC. 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 148,2 𝑊 =539,81 =540 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 𝐶𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘(80º𝐶) = 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠∙𝐶𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =540 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ∙ 4,061 $ 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎 = 2.192,94 $ ➢ 𝑇𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =85ºC. 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 156 𝑊 =512,82 =513 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 𝐶𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘(85º𝐶) = 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠∙𝐶𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =513 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ∙ 4,061 $ 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎 = 2.083,29 $ Se aprecia que a mayor valor de la temperatura de operación se obtiene una reducción del coste del stack, para un incremento de temperatura de 10ºC (𝛥𝑇 =80º𝐶 −70º𝐶) se reduce el coste del stack en 121,83 $ (𝛥𝐶𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 = 2.192,94 $ − 2.314,77 $). El coste del balance de planta se supone constante, por lo que la reducción de coste del sistema sería la misma (121,83 $) para un 𝛥𝑇 =10º𝐶. Un aumento de 15ºC de la temperatura de operación supone una reducción de 231,48 $ (𝛥𝐶𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 = 2.083,29 $ − 2.314,77 $) del coste del stack. Este hecho confirma que la temperatura de operación que optimiza los costes del sistema tiene que ser la máxima posible, teniendo en cuenta que una temperatura excesiva afecta a la degradación de la membrana y, por tanto, a su durabilidad. Pruebas de presión. La presión de operación afecta al rendimiento de la pila en diferentes aspectos. Las variaciones en los valores de la presión de operación afectan al valor del voltaje del circuito abierto (OCV), al posible cruce del combustible por diferencias de presión o a la manera en la que se gestiona el agua dentro de la celda [53],[56]. En la ilustración 47 se observan las diferentes curvas de polarización según la presión elegida, en este caso se prueban las presiones del ánodo 160, 190 y 250 kPa y las presiones del cátodo 140, 190 y 230 kPa respectivamente. A partir de estas curvas de polarización se vuelve a evaluar cuál sería el número de celdas necesarias para nuestro ejemplo ya descrito y como afectan los cambios de presión en dicho número. Al igual que en el apartado anterior, se supone constante el valor del voltaje (0.65V) y se observan gráficamente (ilustración 47) los valores de salida de las densidades de corriente, en este caso son aproximadamente 0,37 𝐴/𝑐𝑚2 para las presiones del ánodo y del cátodo 160kPa y 140kPa respectivamente, 0,85 𝐴/𝑐𝑚2 para las presiones del ánodo y del cátodo 190kPa y 190kPa respectivamente y 0,77 𝐴/𝑐𝑚2 para las presiones del ánodo y del cátodo 250kPa y 230kPa respectivamente. Se emplea la misma metodología que en el apartado anterior y se obtienen los siguientes resultados: ➢ 𝑃á𝑛𝑜𝑑𝑜 =160𝑘𝑃𝑎 𝑦 𝑃𝑐á𝑡𝑜𝑑𝑜 =140 𝑘𝑃𝑎. 61 𝐼 = 0,37 A cm2∗300𝑐𝑚2=111 𝐴 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑉 ∗𝐼 = 0,65 𝑉 ∗111 𝐴 = 72,15 𝑊 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 72,15 𝑊 = 1.108,8 = 1.109 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ➢ 𝑃á𝑛𝑜𝑑𝑜 =190𝑘𝑃𝑎 𝑦 𝑃𝑐á𝑡𝑜𝑑𝑜 =190 𝑘𝑃𝑎. 𝐼 = 0,85 A cm2∗300𝑐𝑚2=255 𝐴 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑉 ∗𝐼 = 0,65 𝑉 ∗255 𝐴 = 165,75 𝑊 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 165,75 𝑊 =482,65 =483 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ➢ 𝑃á𝑛𝑜𝑑𝑜 =250𝑘𝑃𝑎 𝑦 𝑃𝑐á𝑡𝑜𝑑𝑜 =230 𝑘𝑃𝑎. 𝐼 = 0,77 A cm2∗300𝑐𝑚2=231 𝐴 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑉 ∗𝐼 = 0,65 𝑉 ∗231 𝐴 = 150,15 𝑊 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 150,15 𝑊 =532,8 = 533 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 Según los resultados obtenidos, resulta inviable operar con una presión en torno a 150kPa debido al alto número de celdas de combustible (~1.109 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠) que serían necesarias para obtener la potencia indicada. Como se ha descrito anteriormente, la mejor forma de optimizar el coste del stack y del sistema es consiguiendo el menor número de celdas posibles para reducir el peso, volumen y consecuentemente, el coste del stack. En el caso analizado el menor número de celdas es 483 y se consigue para una misma presión del ánodo y del cátodo (190kPa). Destaca que, para unas mayores presiones del ánodo y del cátodo (250kPa/230kPa) se obtengan un mayor número de celdas, ya que normalmente aumentar la presión de operación implica un aumento del rendimiento de la celda, gracias a factores como la reducción de las pérdidas de activación o el aumento del contenido de agua en la membrana que trae consigo una mejora en la conductividad eléctrica de la misma. La razón más probable por la que el número de celdas sea mayor es el gradiente de presión entre el ánodo y el cátodo de 20kPa, que ensalza el efecto de cruce lo que afecta negativamente al rendimiento de la celda. Ilustración 47:Curvas de polarización para las diferentes pruebas de presión [53]. Análisis económico 62 62 Las conclusiones finales relacionadas con su influencia en los costes para un aumento de la presión de operación son las siguientes: o Disminuyen las pérdidas de activación. Al igual que aumentando la temperatura de operación, se traduce en una mayor densidad de corriente, lo que significa que para un mismo voltaje aumenta la potencia de la pila. A nivel de costes, este aumento de potencia podría implicar una necesidad menor de cantidad de platino en el catalizador o una disminución del número de celdas del stack, lo que reduce el coste final del stack. o Aumento de la cantidad de agua en la membrana. Aumentar la presión de operación contribuye a la fase líquida del agua consiguiendo una mejor hidratación de la membrana. Esto implica un aumento en la conductividad eléctrica de la membrana, que a nivel de costes podría suponer un ahorro en los materiales de fabricación de los elementos de la celda encargados de transportar esta electricidad, como son las placas bipolares, las capas de difusión de gases y los colectores. A partir de la estimación del coste unitario de cada celda (4,061 $ 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎), cuyas hipótesis se justifican en el apartado anterior, se ilustra el cambio en el coste del stack que supondría la variación de la presión de operación: ➢ 𝑃á𝑛𝑜𝑑𝑜 =160𝑘𝑃𝑎 𝑦 𝑃𝑐á𝑡𝑜𝑑𝑜 =140 𝑘𝑃𝑎. 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 72,15 𝑊 = 1.108,8 = 1.109 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 𝐶𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘(160𝑘𝑃𝑎 𝑦 140 𝑘𝑃𝑎)= 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠∙𝐶𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 = 1.109 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ∙ 4,061 $ 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎 = 4.503,65 $ ➢ 𝑃á𝑛𝑜𝑑𝑜 =190𝑘𝑃𝑎 𝑦 𝑃𝑐á𝑡𝑜𝑑𝑜 =190 𝑘𝑃𝑎. 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 165,75 𝑊 =482,65 =483 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 𝐶𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘(190𝑘𝑃𝑎 𝑦 190 𝑘𝑃𝑎) = 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ∙ 𝐶𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =483 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠∙ 4,061 $ 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎 = 1.961,46 $ ➢ 𝑃á𝑛𝑜𝑑𝑜 =250𝑘𝑃𝑎 𝑦 𝑃𝑐á𝑡𝑜𝑑𝑜 =230 𝑘𝑃𝑎. 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 150,15 𝑊 =532,8 = 533 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 𝐶𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘(250𝑘𝑃𝑎 𝑦 230 𝑘𝑃𝑎) = 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ∙ 𝐶𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =533 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠∙ 4,061 $ 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎 = 2.164,51 $ En este caso no se podría decir que el aumento de la presión del ánodo y del cátodo supongan siempre una reducción del coste del stack. Porque a pesar de que, para un aumento de la presión del ánodo de 𝛥𝑃 =30 𝑘𝑃𝑎 y un aumento de la presión del cátodo de 𝛥𝑃 =50 𝑘𝑃𝑎 se reduzca considerablemente el coste del stack (𝛥𝐶𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 = 1.961,46 $ − 4.503,65 $ = −2.542,19$), en el caso en el que se ha aumentado la presión del ánodo hasta 250kPa y la presión del cátodo hasta 230kPa ha provocado un ligero aumento del coste del stack (𝛥𝐶𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 = 2.164,51 $ − 1.961,46 $ = 203,05 $) con respecto a los 190kPa de la segunda prueba. Como se ha comentado previamente, el motivo más probable de ello sea el mayor gradiente de presión entre el ánodo y el cátodo de la tercera prueba. Pruebas de estequiometría del cátodo. Las pruebas de estequiometría del cátodo mostraron la importancia del flujo de aire del cátodo en el rendimiento final de la celda de combustible. En estas pruebas se analizó la influencia del flujo másico de aire suministrado en términos de transporte de oxígeno, capacidad de eliminación de agua líquida y también de secado de la membrana, todo ello en función de la humedad relativa del aire [53]. Se pueden visualizar las diferentes curvas de polarización obtenidas en función de la variación de la 63 estequiometría del cátodo en la ilustración 48, las diferentes curvas han sido calculadas para los valores estequiométricos 1.3, 1.5, 2.0 y 3.5. Repitiendo las suposiciones anteriores (𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 =80𝑘𝑊,𝑉 = 0,65 𝑉(𝑐𝑡ⅇ)), se visualizan los valores de salida aproximados de las densidades de corriente según los valores de la estequiometría del cátodo, para 𝜆 = 1.3 → 0,57 𝐴/𝑐𝑚2, para 𝜆 = 1.5 → 0,75 𝐴/𝑐𝑚2, para 𝜆 = 2.0 → 0,7 𝐴/𝑐𝑚2 y para 𝜆 = 3.5 → 0,47 𝐴/𝑐𝑚2. Se utiliza la misma metodología que en apartados anteriores y se obtienen los siguientes resultados: ➢ 𝜆 = 1.3 → 0,57 𝐴/𝑐𝑚2. 𝐼 = 0,57 A cm2∗300𝑐𝑚2=171 𝐴 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑉 ∗𝐼 = 0,65 𝑉 ∗171 𝐴 = 111,15 𝑊 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 111,15 𝑊 =719,75 =720 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ➢ 𝜆 = 1.5 → 0,75 𝐴/𝑐𝑚2. 𝐼 = 0,75 A cm2∗300𝑐𝑚2=225 𝐴 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑉 ∗𝐼 = 0,65 𝑉 ∗225 𝐴 = 146,25 𝑊 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 146,25 𝑊 =547 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ➢ 𝜆 = 2.0 → 0,7 𝐴/𝑐𝑚2. 𝐼 = 0,7 A cm2∗300𝑐𝑚2=210 𝐴 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑉 ∗𝐼 = 0,65 𝑉 ∗210 𝐴 = 136,5 𝑊 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 136,5 𝑊 =586,1 = 587 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ➢ 𝜆 = 3.5 → 0,47 𝐴/𝑐𝑚2. 𝐼 = 0,47 A cm2∗300𝑐𝑚2=141 𝐴 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑉 ∗𝐼 = 0,65 𝑉 ∗141 𝐴 = 91,65 𝑊 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 91,65 𝑊 =872,89 =873 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 Si se busca la optimización del coste del stack se analiza la condición de operación con la que se necesita menor número de celdas, en este caso, examinando los resultados obtenidos, se llega a la conclusión que para un voltaje de 0,65 V el menor número de celdas es 547 y se obtiene para la estequiometría del cátodo 𝜆 = 1.5. Seguido de este, se obtienen 587 celdas necesarias para una estequiometría de 𝜆 = 2.0; el mayor número de celdas necesarias (873) es el de la curva de polarización con una estequiometría del cátodo 𝜆 = 3.5. Normalmente, se obtiene un buen rendimiento a bajas densidades de corrientes para las estequiometrías más pequeñas, como es el caso para 𝜆 = 1.3, aunque conforme aumenta la densidad de corriente se observa una caída más rápida en el voltaje. Esto puede deberse a que para bajas estequiometrías disminuye la concentración de oxígeno y aumenta la cantidad de agua en la membrana y en la capa de difusión de gases, lo que implica una penalización en el rendimiento de la celda debido a la falta de capacidad para eliminar el agua y a la falta de oxígeno en el cátodo. Análisis económico 64 64 Ilustración 48: Curvas de polarización para las diferentes pruebas de estequiometría del cátodo [53]. Las conclusiones finales relacionadas con su influencia en los costes para un aumento de la estequiometría del cátodo son las siguientes: o Disminuye la cantidad de agua en la membrana. Este hecho provoca un menor rendimiento de la celda, ya que disminuye la conductividad eléctrica y aumentan las pérdidas óhmicas. En lo referente a los costes, pasa lo contrario que ocurría con el aumento de la presión de operación, en este caso se tendrá que invertir mayor cantidad de dinero en materiales encargados de transportar electricidad, para obtener materiales con mejor conductividad eléctrica. o Disminuye pérdidas por activación. Se repite lo mismo que con un aumento en la temperatura o en la presión de operación, aumenta la densidad de corriente. A nivel de costes, como ya se ha comentado, este aumento de potencia podría implicar una necesidad menor de cantidad de platino en el catalizador o una disminución del número de celdas del stack, lo que reduce el coste final del stack. o Disminuye pérdidas por corrientes parásitas. Se llaman corrientes parásitas a la energía consumida por el compresor de aire, el expansor o el motor. Aumentar la estequiometría del cátodo provoca un menor caudal de aire necesario, que tiene la ventaja adicional de reducir el consumo eléctrico del compresor y por tanto sus costes. A partir de la estimación del coste unitario de cada celda (4,061 $ 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎), cuyas hipótesis se justifican en el apartado anterior, se ilustra el cambio en el coste del stack que supondría la variación de la estequiometría del cátodo: ➢ 𝜆 = 1.3 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 111,15 𝑊 =719,75 =720 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 𝐶𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘(𝜆 = 1.3 )= 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠∙𝐶𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =720 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ∙ 4,061 $ 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎 = 2.923,92 $ ➢ 𝜆 = 1.5 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 146,25 𝑊 =547 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 𝐶𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘(𝜆 = 1.5 )= 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠∙𝐶𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =547 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ∙ 4,061 $ 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎 = 2.221,37 $ 65 ➢ 𝜆 = 2.0 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 136,5 𝑊 =586,1 = 587 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 𝐶𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘(𝜆 = 2.0 )= 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠∙𝐶𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =587 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ∙ 4,061 $ 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎 = 2.383,81 $ ➢ 𝜆 = 3.5 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 =80.000 𝑊 91,65 𝑊 =872,89 =873 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 𝐶𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘(𝜆 = 3.5 )= 𝑁º𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠∙𝐶𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 =873 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎𝑠 ∙ 4,061 $ 𝑐ⅇ𝑙𝑑𝑎 = 3.545,25 $ Para una estequiometría del cátodo de 𝜆 = 1.5 se obtiene el menor coste del stack (2.221,37 $), mientras que el mayor coste del stack (3.545,25 $) se consigue para una estequiometría del cátodo de 𝜆 = 3.5. Generalmente, menores estequiometrías suelen suponer un aumento en el rendimiento de la celda, sin embargo, tienen el efecto contrapuesto de que en estequiometrías bajas ocurren mayores oscilaciones de voltaje, por ello, para la estequiometría del cátodo 𝜆 = 1.3 resulta un coste mayor (2.923,92 $) que para el valor 𝜆 = 1.5. 3.4 Estudio de sensibilidad de una única variable. La importancia de un análisis de sensibilidad erradica en comprobar la robustez de una valoración, para ello, se examinan los resultados y la influencia que tienen sobre ellos cambios en la metodología o los modelos empleados. Un método de análisis utilizado para realizar estimaciones cuando existen parámetros que tienen cierto grado de variabilidad se llama el análisis de Montecarlo, que mediante una simulación matemática compleja obtiene unos resultados aproximados de cálculos que no tienen una solución exacta [57]. En la literatura actual existen diversos trabajos que emplean este método, se analiza uno de ellos [50], en el que realiza un estudio de sensibilidad empleando el método de Montecarlo para una única variable, que sirven para evaluar que parámetros afectan más al coste total del sistema de un automóvil e identificar parámetros claves donde se pueden reducir costes en un futuro [50]. Los parámetros evaluados con su valor base, su valor mínimo y su valor máximo se muestran en la tabla 7, se debe mencionar que este estudio se realizó para el supuesto caso de que se fabricasen 500.000 sistemas al año. Tabla 7: Estudio de sensibilidad para valores de los parámetros de un automóvil (2018)[50]. Referencias 72 72 [57] ITM Platform, “Análisis de Montecarlo en gestión de proyectos,” 2016. https://www.itmplatform.com/es/blog/analisis-de-montecarlo-en-gestion-de-proyectos/ (accessed Jul. 11, 2021).