Llenarlo con hidrógeno

Con un peso de casi 2.600 kilogramos, el fornido vehículo del Skunk de DaimlerChrysler en los suburbios de Detroit parece un automóvil del futuro poco probable. Las líneas son claramente de finales del siglo XX. Salte al asiento del conductor y se sentirá como su vehículo utilitario deportivo (SUV) estándar. Pero abre el capó e instantáneamente queda claro que esto no es un devorador de gas ordinario: en lugar de un motor de combustión se encuentra una refinería a bordo sofisticada, un sistema de procesamiento de combustible de líneas de gas de alta presión, compresores y reactores químicos para convertir el metanol en gas de hidrogeno.



Este laboratorio en movimiento multimillonario, el Jeep Commander II, alimenta el hidrógeno a dos pilas de pilas de combustible, que combinan silenciosamente hidrógeno y oxígeno en una reacción química que genera suficiente electricidad para lanzar el SUV por la carretera. El funcionamiento del automóvil es limpio y eficiente, y solo genera agua, dióxido de carbono y algo de calor adicional. Faltan los contaminantes tóxicos del aire y el hollín fino que arrojan los tubos de escape de la mayoría de los vehículos.

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Esta historia fue parte de nuestro número de noviembre de 2000





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DaimlerChrysler y sus socios, el desarrollador canadiense de celdas de combustible Ballard Power Systems y el fabricante de automóviles rival Ford Motor Co., creen que los vehículos de celdas de combustible pueden ofrecer la potencia y el rendimiento a los que los conductores de hoy están acostumbrados. Commander II muestra lo difícil que es este desafío. Si bien el vehículo representa lo último en tecnología de celdas de combustible, su motor tarda media hora en calentarse y su producción en masa costaría varias veces más que un V6 estándar. Pero DaimlerChrysler está cerrando la brecha. Su próxima demostración de pila de combustible, un hatchback que se dará a conocer este otoño, incluirá una pila de combustible con el doble de potencia que la del Commander II. Su procesador de combustible no solo pesará la mitad, sino que se pondrá en marcha en menos de un minuto.

Es este tipo de mejoras constantes y sustanciales en la tecnología de celdas de combustible lo que ha convencido a muchos fabricantes de automóviles y compañías petroleras de que el motor de combustión interna finalmente ha encontrado su pareja. Frente a una regulación más estricta de las emisiones de los tubos de escape, varios fabricantes de automóviles están invirtiendo fuertemente para liderar la transición. DaimlerChrysler, Ford y Ballard han gastado cerca de $ 1 mil millones en celdas de combustible y planean gastar al menos mil millones más para 2004 para comenzar a producir vehículos en masa. El objetivo es sacar las pilas de combustible de las fábricas de mofeta y llevarlas a la sala de exposición. La gran mayoría de nuestra gente que trabaja en pilas de combustible está trabajando en el programa de producción, dice Bruce Kopf, director de TH! NK Technologies, la empresa de automóviles eléctricos de Ford.

Los competidores de Ford y DaimlerChrysler se han unido a la carrera, junto con los principales proveedores de repuestos. Los cuatro fabricantes de automóviles más grandes de Japón invirtieron más de $ 850 millones en celdas de combustible durante la última década, y varios se han comprometido a comercializar la tecnología, posiblemente incluso antes que DaimlerChrysler y Ford.



Estas empresas están entusiasmadas con las pilas de combustible porque el motor de combustión interna es cada vez más difícil de mejorar. Incluso los diseños más sofisticados tendrán dificultades para cumplir con los estándares de emisiones más estrictos que pronto se impondrán en California y varios estados de la costa este. Y limpiar el motor de combustión interna comienza a aumentar su costo. Después de 100 años de mejoras, la tecnología de combustión está llegando a sus límites.

Las pilas de combustible también son atractivas porque liberarán a los coches eléctricos de la energía de la batería, lo que proporciona los coches más limpios en la carretera hoy en día, pero también los condena a un nicho de mercado. Los autos que funcionan con baterías son rápidos y receptivos, y casi silenciosos sin el traqueteo y el rugido de los pistones. Pero estas características se han visto eclipsadas por la autonomía limitada de los vehículos. Las baterías simplemente no han mejorado mucho desde que el motor de combustión interna las sacó de la carretera hace casi un siglo. Las limitaciones inherentes del automóvil eléctrico esencialmente lo condenan a un rango operativo muy pequeño, y esa es la historia actual, dice el historiador Robert Casey, curador de transporte en el Museo Henry Ford en Dearborn, Michigan. El automóvil eléctrico ha sido el automóvil del futuro para los últimos cien años.

Magia de membrana

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Una forma de ampliar la autonomía del coche eléctrico es llevar combustible y generar electricidad a bordo. Este es el enfoque utilizado por los autos híbridos de gasolina y eléctricos como el Toyota Prius, que llegó a las salas de exhibición de Estados Unidos este verano. El Prius emplea un motor de combustión pequeño y eficiente, además de una pila de baterías que complementan el motor durante la aceleración y absorben la potencia de las ruedas durante el frenado. El problema con esta solución es que es intrínsecamente complicado y costoso, ya que combina tecnologías de accionamiento eléctrico y mecánico. Robert Winters, analista de tecnologías energéticas de Bear Stearns en Nueva York, dice que el Prius está fuertemente subsidiado y se pregunta si los híbridos alguna vez serán asequibles. Tienes un sistema de motor redundante ahí. ¿Cómo vas a superar eso?



Entra en la pila de combustible. A diferencia de las baterías, que almacenan una carga, las pilas de combustible generan electricidad sobre la marcha. Lleve suficiente combustible y la celda de combustible llevará su vehículo eléctrico a donde quiera ir. Winters dice que las pilas de combustible se están convirtiendo rápidamente en una mercancía, y los vehículos que las transporten podrían representar fácilmente el varios por ciento de los aproximadamente 60 millones de automóviles que se producirán en todo el mundo para 2010.

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Aunque las celdas de combustible vienen en media docena de variedades, utilizando diferentes combustibles y materiales, una versión ha surgido como la clara favorita para el uso automotriz: la celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM). Una celda PEM es sólida y compacta y funciona a una temperatura relativamente fría de 80 C. El corazón de la celda PEM es una membrana de plástico gomosa recubierta con un catalizador de platino. El catalizador divide el gas hidrógeno en protones y electrones; solo los protones pueden atravesar la membrana. Los electrones viajan alrededor de la membrana, generando la preciada corriente eléctrica, antes de recombinarse con los protones y el oxígeno del otro lado de la membrana para generar agua. Apilar una serie de estos conjuntos de catalizador de membrana, o celdas, multiplica el voltaje.

Las pilas de PEM iluminaron la nave espacial Gemini que rodeó la Tierra en la década de 1960, pero generaron un hilo de electricidad demasiado débil y costoso para aplicaciones comerciales, y mucho menos para motores de automóviles. Luego, a fines de la década de 1980, los investigadores del Laboratorio Nacional de Los Alamos lograron importantes avances en catalizadores, reduciendo en un 90 por ciento la cantidad de platino requerida. Ballard multiplicó la densidad de potencia de la chimenea, la potencia devuelta por unidad de espacio precioso del vehículo que ocupa, aprendiendo cómo mantener felices las membranas (mojadas pero no empapadas) y perfeccionando la tubería que mueve el hidrógeno, el oxígeno y el agua a través de las pilas. Ballard, con sede en Burnaby, B.C., tiene cerca de 400 patentes emitidas o pendientes para proteger su liderazgo en tecnología PEM.

Hace dos años, Ballard superó la densidad de potencia mínima para automóviles (1.000 vatios por litro) con su pila Mark 700, dos de las cuales impulsan el Commander II. Las pilas Mark 900 de Ballard, lanzadas a principios de este año, producen hasta 1.350 vatios por litro. Esa es una densidad de potencia que es práctica para los vehículos de hoy, dice Paul Lancaster, vicepresidente de finanzas de Ballard. En otras palabras, un automóvil con tal pila debería acelerar la máquina de carretera familiar, incluido el equipaje, con el mismo entusiasmo que un motor de combustión interna.

Evitar obstáculos

Pero guarde su chequera, porque queda más trabajo para que el vehículo de pila de combustible sea práctico. Todos sus sistemas son demasiado costosos, incluso más caros que cargar un automóvil con baterías, y suministrar hidrógeno a las pilas sigue siendo una lucha.

El principal desafío de Ballard es fabricar pilas más baratas. La compañía está trabajando con Ford y DaimlerChrysler para optimizar sus diseños de pilas para una producción automatizada y barata. Y para lograr una masa crítica de producción, Ballard está comercializando celdas de combustible en múltiples mercados simultáneamente, no solo vehículos, sino también generadores de energía portátiles, generadores residenciales y plantas de energía estacionarias. Lancaster fija el punto de equilibrio en unas 300.000 pilas por año. En la medida de lo posible, hemos utilizado materiales y procesos de fabricación comunes en todas las líneas de productos, por lo que no tenemos que fabricar celdas de combustible para 300.000 automóviles para lograr ese volumen.

Mientras tanto, DaimlerChrysler y Ford se están enfocando en fabricar el resto del automóvil. Su mayor dolor de cabeza ha sido mantener las pilas alimentadas con hidrógeno. El problema de las pilas de combustible se ha convertido en los combustibles. Ya no es la celda de combustible, dice Mohsen Shabana, quien como gerente del programa de vehículos de celda de combustible en la operación de tecnologías de ingeniería de DaimlerChrysler en Rochester Hills, Michigan, es responsable de hacer que Commander II funcione. Los tres combustibles que los fabricantes de automóviles están considerando (gasolina, metanol e hidrógeno) plantean serios desafíos.

La extracción a bordo de hidrógeno de la gasolina haría que la transición al vehículo de celda de combustible fuera perfecta, ya que la gasolina está en todas partes. Pero refinar gas sobre la marcha es difícil. Las reacciones ocurren por encima de los 800 C, lo que hace que los dispositivos se inicien lentamente, y la química es temperamental; Si bien el proceso se utiliza habitualmente en plantas de fabricación de productos químicos y refinerías de petróleo para producir volúmenes industriales de hidrógeno, exprimirlo bajo el capó es complicado. Otro problema no resuelto es proteger la pila de combustible del azufre de la gasolina que envenena el catalizador.

A pesar de los desafíos tecnológicos, General Motors y Exxon Mobil han anunciado recientemente el desarrollo conjunto de un procesador de combustible de gasolina y dicen que un vehículo de demostración que utiliza pilas de combustible impulsado por el procesador podría estar listo en 18 meses. El fabricante de automóviles sostiene que, si bien el hidrógeno probablemente será el combustible del futuro, la tecnología de procesamiento de gasolina proporcionará una transición crítica para hacer prácticos los autos con celda de combustible.

Otros no están dispuestos a esperar al procesador de gasolina. DaimlerChrysler está desarrollando un sistema de metanol. Algunas pilas de combustible funcionan directamente con metanol en lugar de hidrógeno, pero los expertos en pilas de combustible dicen que esta tecnología está al menos a siete años del nivel de eficiencia requerido para impulsar un automóvil. Entonces, usar metanol como combustible hoy significa extraer su hidrógeno. El metanol es un objetivo más fácil que la gasolina porque no contiene azufre y produce hidrógeno a unos 300 ° C relativamente suaves. Pero refinar el metanol sigue siendo un proceso complejo que implica muchos pasos, cada uno de los cuales debe tener lugar a una temperatura determinada.

El procesador de metanol bajo el capó del Commander II produce suficiente hidrógeno para llevar al vehículo a una sombra de menos de 200 kilómetros entre cada llenado de metanol. La autonomía está limitada por el pequeño tamaño del depósito de combustible, consecuencia del voluminoso procesador de combustible. El gran problema, sin embargo, es que el procesador de combustible tarda media hora en calentarse, que es media hora más de lo que los conductores están dispuestos a esperar. El problema es que el procesador utiliza vapor para liberar el hidrógeno, y generar una cabeza de vapor lleva tiempo, tal como sucedió con los vagones de vapor de principios del siglo XX.

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DaimlerChrysler, Ford y Ballard dicen que están trabajando en una solución: un procesador de combustible de próxima generación que utiliza un catalizador, en lugar de vapor, para poner en marcha la producción de hidrógeno. El nuevo sistema es mucho más pequeño, un poco más grande que una caja de archivos, y pesa la mitad de lo que pesa la bestia apretujada bajo el capó del Commander II. Pero este pequeño procesador de combustible sofisticado ha tardado en llegar. Ford y DaimlerChrysler planearon mostrar la tecnología en autos de demostración esta primavera, pero solo Ford apareció en el circuito de exhibición de autos y su procesador de combustible no estaba funcionando. Kopf de Ford dice que las dos compañías decidieron unir sus recursos, incluidos los escasos ingenieros automotrices que se sienten cómodos con los sistemas de comunicaciones del vehículo eléctrico, para que el procesador funcione en el próximo automóvil conceptual de DaimlerChrysler. El sistema es muy complicado y tiene muchas computadoras hablando entre sí, dice Kopf. No hay mucha gente en el mundo capaz de hacer que estos funcionen.

Mientras estos ingenieros de élite se preocupan por los catalizadores y los controles, crecen las dudas sobre la viabilidad del metanol como producto de consumo. El metanol es una sustancia desagradable; no solo puede resultar fatal si se ingiere, sino que incluso salpicarlo sobre la piel puede causar ceguera e insuficiencia hepática y renal. Y debido a que el metanol se disuelve en el agua, representa una amenaza para los suministros de agua potable subterránea. Eso pone nerviosas a las empresas petroleras; ya están luchando para sacar el aditivo de combustible a base de metanol MTBE (metil terciario butil éter) de su gasolina, después de que el químico de mal sabor comenzara a aparecer en el agua potable de California.

La solución más obvia, por supuesto, es utilizar directamente hidrógeno como combustible. Eso eliminaría la necesidad de un reformador, así como el dióxido de carbono que genera el calentamiento del clima (aunque todavía se liberaría algo de CO2 durante la producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles, el método más común en la actualidad). El problema es que, si bien el hidrógeno contiene más energía en peso que cualquier otro combustible (aproximadamente tres veces más que la gasolina), es difícil almacenar gran parte de este gas energético en un tanque de combustible. Empaque un tanque de gas comprimido disponible comercialmente con hidrógeno y su vehículo llevará apenas 150 kilómetros, no más lejos que las mejores baterías de automóvil de la actualidad. El hidrógeno es también la molécula más pequeña y se desliza a través de los agujeros más pequeños, un rasgo preocupante, dada su inflamabilidad característica. (¿Recuerda el Hindenburg?) DaimlerChrysler empujó un auto de demostración 450 kilómetros usando un tanque de hidrógeno líquido, pero la tecnología criogénica para almacenar combustible a -253 C (solo 20 grados por encima del cero absoluto) no está madura para los mercados masivos. Y buena suerte para encontrar una estación de servicio de hidrógeno; solo hay media docena en todo el mundo.

Sin embargo, la disponibilidad de hidrógeno puede convertirse en un problema menor, ya que las principales compañías petroleras se acercan al desafío de distribuir el gas. Graham Batcheler, presidente de Texaco Energy Systems, la subsidiaria de combustibles avanzados del gigante petrolero en Houston, dice que la compañía cree que la celda de combustible reemplazará al motor de combustión interna a largo plazo. Considera inevitable que los conductores se llenen de hidrógeno y quiere que lo hagan en una estación de Texaco. En lugar de luchar para proteger su franquicia de gasolina, Texaco está invirtiendo en la tecnología clave para hacer posible el abastecimiento de hidrógeno: tanques de almacenamiento avanzados.

Una posibilidad para resolver el problema del empaquetamiento de hidrógeno es simplemente repensar la compresión. Los tanques más fuertes podrían comprimir el hidrógeno a mayores presiones, o los bastidores de vehículos radicalmente rediseñados podrían acomodar tanques masivos pero de formas extrañas. Otra opción es empacar tanques llenos de materiales que unen hidrógeno, ralentizando las moléculas sin licuar el gas. Se ha demostrado que las fibras de grafito con nanoestructuras intrincadas, por ejemplo, absorben más del 20 por ciento de hidrógeno en peso, lo que permite que se introduzca mucho más gas en un tanque.

Consumir visiones

Dados los desafíos, Johannes Ebner, el ejecutivo del programa de celdas de combustible de DaimlerChrysler responsable de la infraestructura de combustible, reconoce que las estimaciones anteriores de la compañía que pusieron de 20,000 a 40,000 de los autos en la carretera en 2004 ahora parecen poco realistas: será una producción muy limitada. Ballard, DaimlerChrysler y Ford comenzarán a probar sus tecnologías en los consumidores el próximo año en California, donde los estrictos requisitos para vehículos libres de contaminación entrarán en vigencia en 2003. El Programa de Celdas de Combustible de California (formado por estas tres compañías junto con otros fabricantes de automóviles, combustible fabricantes de celdas y varias grandes compañías petroleras) planea poner 60 automóviles y autobuses con celdas de combustible en las carreteras, quitando los vehículos de celdas de combustible de las manos de ingenieros cuidadosos y en manos de consumidores exigentes.

Estos autos de California, como el Commander II, se fabricarán a medida. La verdadera prueba para las celdas de combustible vendrá cuando los autos producidos en masa salgan a la carretera, lo que tanto Ford como DaimlerChrysler se han comprometido a hacer en 2004 a pesar de saber que perderán dinero con ellos. Hemos dicho que tendremos vehículos en manos del público y existen programas para hacerlo, pero eso no significa que sean comercialmente viables, dice Kopf de Ford. Admite que los coches de pila de combustible son ahora mucho más caros que los coches de batería, que en sí mismos no son baratos. Ford tendría que cobrar al menos $ 35,000 para cubrir los costos de su camioneta Ranger a batería, casi tres veces más que el precio que le otorga una ganancia para una Ranger con motor de combustión sencillo.

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¿Por qué los fabricantes de automóviles están haciendo planes para perder dinero? Kopf dice que siempre existe la posibilidad de que la tecnología dé sus frutos antes de lo esperado. La inestabilidad en el Medio Oriente, por ejemplo, podría elevar la gasolina a $ 5 por galón, haciendo que los estadounidenses busquen la eficiencia del combustible tal como lo hicieron las crisis del petróleo en la década de 1970. Queremos haber desarrollado una capacidad de ingeniería central: saber dónde están los problemas, dónde debemos simplificar. Queremos estar preparados.

Pero dice que la motivación fundamental es a largo plazo. La pila de combustible promete hacer que el automóvil sea sostenible, reduciendo la contaminación y liberándolo de la política del petróleo, y asegurando que Ford pueda hacer tanto éxito en este siglo como en el pasado. El gran atractivo de las pilas de combustible es la promesa de cero emisiones de escape, potencialmente sin emisiones de gases de efecto invernadero e independencia energética, dice Kopf. Esos son los santos griales de la industria automotriz.

Mirando hacia el futuro, Kopf imagina un mundo en el que la electricidad a partir de fuentes renovables como las células eólicas y solares genera hidrógeno a partir del agua (lo contrario del proceso de la pila de combustible) para impulsar una flota de vehículos de pila de combustible. Podría hacer un sistema de combustible y un vehículo que produzca cero gases de efecto invernadero y cero emisiones de escape, un ciclo de hidrógeno-oxígeno-agua que sea sostenible para siempre. Ese es el objetivo final.

Uno podría esperar que ese tipo de conversación ponga nerviosos a los líderes de DaimlerChrysler, quienes recientemente anunciaron un programa de choque para recortar $ 2 mil millones de operaciones para calmar la ansiedad de los accionistas por la caída de los precios de las acciones y los débiles rendimientos. Pero Ebner dice que el presidente de DaimlerChrysler, Juergen Schrempp, está protegiendo personalmente la línea de crédito de mil millones de dólares del programa de celdas de combustible como una tubería hacia el futuro. La visión de Schrempp suena incluso más mesiánica que la de Kopf.

En un discurso reciente en la Convención Mundial de Ingenieros, el ingeniero convertido en líder empresarial imploró a los ingenieros de todo el mundo que abandonaran sus proyectos y se subieran al tren de las pilas de combustible. ¿El fundamento de Schrempp? Asegurar que las generaciones futuras no se vean abrumadas por el cambio climático global y las dislocaciones económicas causadas por la disminución de los suministros de petróleo. Todos compartimos la responsabilidad de llevar a cabo este proyecto, de la responsabilidad de llevar a cabo este proyecto, de que la asunción de la responsabilidad sea parte de la dignidad del ser humano.

COMPAÑÍAS ESTRATEGIA PLANES Daimler Chrysler , Sistemas de energía Ballard , y Ford Motor Asociación para comercializar pilas de combustible, procesadores de combustible y accionamientos eléctricos. Ballard se está enfocando en reducir los costos de las celdas de combustible, mientras que DaimlerChrysler y Ford están demostrando vehículos integrados que funcionan con hidrógeno comprimido, hidrógeno líquido y metanol. Programado para demostrar 30-40 vehículos en California entre 2001 y 2003. Diseño de modelos para producción limitada en 2004. GM y Toyota Colaboración en coches eléctricos. Ambas compañías, líderes en tecnologías híbridas de batería y gasolina-eléctrico, han desarrollado prototipos de autos de celda de combustible, celdas de combustible y sistemas de almacenamiento de hidrógeno completamente funcionales. Esperan tener autos de celda de combustible listos para su comercialización en 2004. Inversión continua en procesadores de combustible de gasolina. Honda Alcista sobre su tecnología de combustión interna ultralimpia, pero también invirtiendo en pilas de combustible. Honda ha construido prototipos de automóviles con pilas de combustible con pilas Ballard y pilas patentadas, pero el equipo ocupa el espacio para los pasajeros traseros. Planea tener un paquete de tecnologías listo para comercializar automóviles con celdas de combustible para 2003, pero aún no ha anunciado planes de producción. Nissan Se adaptó su camioneta a batería para transportar celdas de combustible Ballard y un procesador de metanol, pero el equipo ocupa el espacio del pasajero trasero. Próximo prototipo para guardar el equipo debajo del piso. Podría producir automóviles de celda de combustible ya en 2003. BMW, International Fuel Cells y Delphi Automotive Systems se asociaron para reemplazar las baterías con unidades de energía auxiliar (APU) de celda de combustible en automóviles de combustión. Planes para comercializar APU de celda de combustible para 2005.

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