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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DEL TACHIRA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECÁNICA INGENIERIA DEL AUTOMOVIL

COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS

Team Johan Villamizar18.565.214 Jorge García 18.257.152 Prof.: Jesús García

SAN CRISTÓBAL, MAYO DE 2011

INTRODUCCIÓN En los comienzos del desarrollo del motor de combustión interna el único combustible de gran disponibilidad era el alcohol. Con el paso del tiempo y a medida que el automóvil se volvió más popular y omnipresente se comenzaron a utilizar como combustible los derivados del petróleo. En la actualidad, el resurgimiento del alcohol como combustible, además de ofrecer otras ventajas ecológicas y económicas que facilitan el desarrollo sostenible, es una posible solución para varios países que no cubren el ciento por ciento de sus necesidades de petróleo, por lo que tienen que importarlo. Una de las principales ventajas del alcohol como combustible radica en que se trata de un recurso renovable, no como los hidrocarburos, que representan una riqueza única y agotable. De la gran familia de los alcoholes, el etanol y el metanol son los dos compuestos que, mezclados con gasolina y diesel, se están utilizando como combustibles alternativos en los motores de automóviles. Los combustibles no renovables que utilizan la mayor parte de los automóviles actualmente son el diesel y la gasolina, y a pesar de que no son renovables, tienen una gran desventaja: al quemarse en los motores de combustión interna de los automóviles generan contaminantes y gases tóxicos como lo son el CO, CO2 y el NOx. Para conocer que se está haciendo actualmente en materia de combustibles alternativos, se deben conocer primero los combustibles tradicionales.

COMBUSTIBLES FÓSILES

Se llaman combustibles fósiles a aquellas materias primas empleadas en la combustión que se han formado a partir de las plantas y otros organismos vivos que existieron en tiempos remotos en la Tierra. Estos combustibles son: el carbón, el petróleo y el gas natural Los combustibles fósiles son recursos no renovables: no se reponen por procesos biológicos como por ejemplo la madera. En algún momento, se acabarán, y tal vez sea necesario disponer de millones de

años de una evolución

y

descomposición similar para que vuelvan a aparecer.

La Tierra en combustibles fósiles

DIESEL Y GASOLINA, COMBUSTIBLES MÁS USADOS EN LA ACTUALIDAD El diesel y la gasolina son una mezcla de hidrocarburos derivados del petróleo que se utilizan como combustible en motores de combustión interna. En cuanto a costos, el diesel es más económico y eficiente que la gasolina. Actualmente son los 2 tipos de combustibles más usados en el mundo automotriz y se han venido utilizando desde finales del siglo XIX, debido a que son fáciles de obtener, hay gran disponibilidad de usarlos y las tecnologías automotrices se han desarrollado basándose en ellos. A pesar del desarrollo de motores de combustión interna más ecológicos y eficientes para el bolsillo y el medioambiente, además de haber mejorado los componentes de estos combustibles, las altas emisiones de CO2 que siguen afectando el creciente calentamiento que experimenta el globo terráqueo, los altos precios del petróleo y el hecho de saber que los combustibles fósiles se

están agotando, han motivado que gobiernos e instituciones desarrollen combustibles alternativos que usarán los vehículos en un futuro no muy lejos, los cuales servirán para disminuir la mayor cantidad de emisiones de CO 2 ó en su defecto eliminarlas completamente.

Surtidores de combustible

COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS Los combustibles alternativos son carburantes pensados para sustituir a los combustibles fósiles o derivados del petróleo. Petróleo que es cada vez más escaso y, por tanto, también más cara su obtención, a la vez que muy contaminante. Los combustibles alternativos deben ser más económicos y ecológicos que los tradicionales. Y, aunque aún no han alcanzado la potencia de los combustibles tradicionales, es una tecnología todavía en desarrollo y podrían alcanzar en un futuro cercano una mayor eficiencia e incluso superar a la de los derivados del petróleo. El uso de los combustibles alternativos supone también la creación de nuevas tecnologías tanto en los motores de la automovilística como de la aeronáutica o cualquier tipo de motor que funcione con los combustibles derivados del petróleo. Las compañías automovilísticas están ofreciendo vehículos con motores para combustibles alternativos cada vez más optimizados y con mejores prestaciones.

La visión de estas compañías, con respecto a la futura rentabilidad de estos vehículos, está convirtiendo en una de sus prioridades el desarrollo y máximo aprovechamiento de esta tecnología de la automoción. TIPOS DE COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS 1. BIOCOMBUSTIBLES El biocombustible es el término con el cual se denomina a cualquier tipo de combustible que se derive de la biomasa (organismos recientemente vivos o sus desechos

metabólicos,

tales

como

el

estiércol

de

la

vaca).

Los combustibles de origen biológico pueden sustituir parte del consumo de combustibles fósiles tradicionales como el petróleo y el carbón; algunos los consideran una fuente de energía renovable y que tiene poco impacto ambiental. Dentro de los biocombustibles están:

1.1. ETANOL: El etanol es un compuesto químico obtenido a partir de la fermentación de los azúcares que puede utilizarse como combustible, bien solo, o bien mezclado en cantidades variadas con gasolina, y su uso se ha extendido principalmente para reemplazar el consumo de derivados del petróleo. El combustible resultante de la mezcla de etanol y gasolina se conoce como gasohol o alconafta. Dos mezclas comunes son E10 y E85, con contenidos de etanol del 10% y 85%, respectivamente. El etanol también se utiliza cada vez más como añadido para oxigenar la gasolina estándar, reemplazando al éter metil tert-butílico (MTBE). Este último es responsable

de

una

considerable

contaminación

del

suelo

y

del

agua

subterránea. También puede utilizarse como combustible en las celdas de combustible. Para la producción de etanol en el mundo se utiliza mayormente como fuente biomasa. Este etanol es denominado, por su origen, bioetanol. El etanol puede producirse de dos formas. La mayor parte de la producción mundial se obtiene del procesamiento de materia biológica, en particular ciertas plantas con azúcares. El etanol así producido se conoce como bioetanol. Por otra parte, también puede obtenerse etanol mediante la modificación química del etileno, por hidratación.

La fuente más conocida para hacer etanol (alcohol) es la caña de azúcar, que se utilizó en la Argentina en los años 70. Es utilizada en Brasil, donde toda la nafta está mezclada con etanol e incluso hay autos que marchan sólo con este alcohol. En los EE.UU., en cambio, se utiliza etanol proveniente del maíz.

Gobernador Arnold Schwarzenegger presentando la Chevrolet Tahoe Flex-fuel 2006 en el Auto Show de los Ángeles

MEZCLAS COMBUSTIBLES-ETANOL

o

E10: es una mezcla de un 10% de etanol y un 90% de gasolina que puede

usarse en los motores de la mayoría de automóviles modernos sin producir daños en ellos, si bien no se conoce el efecto exacto sobre los motores más antiguos. Son parecidas las mezclas E5 y E7, con un 5 y 7% de etanol, respectivamente. El E10 es ampliamente utilizado en el medio oeste de Estados Unidos y su uso es obligatorio en diez estados, incluyendo Florida, donde la medida entró en vigencia en 2010.

o

E85: es una mezcla de un 85% de etanol y un 15% de gasolina. La mezcla

E85 es el combustible utilizado por los vehículos de combustible flexible en Estados Unidos, especialmente en Minnesota, Suecia y en otros 17 países europeos. Tailandia introdujo el E85 a finales de 2008 y Colombia comenzará a vender E85 a partir de 2012. Esta mezcla tiene un octanaje cercano a 105, significativamente inferior al del etanol puro pero aún mucho más alto que la gasolina normal. La adición de una

pequeña cantidad de gasolina ayuda a arrancar a un motor convencional usando este combustible bajo condiciones de bajas temperaturas. El E85 no siempre contiene exactamente un 85% de etanol. En invierno, especialmente en los climas más fríos, se añade más gasolina con el mismo fin de facilitar el arranque.

Logos de vehículos que usan combustibles flexibles

EL USO DE ETANOL EN VENEZUELA Se utiliza solo como aditivo para la gasolina sin plomo (aquella preparada sin la adición

de

Tetraetilo

de

Plomo)

llamada

comúnmente

gasolina

verde,

actualmente Venezuela importa el Etanol de Brasil, sin embargo se están construyendo plantas de obtención de Etanol a partir de la caña de azúcar, y el maíz; para no depender de las importaciones, desde Brasil.

PRODUCCION DE ETANOL EN EL MUNDO Producción anual de etanol por país (20042006) Quince mayores países productores (millones de galones internacionales, todos los grados de etanol) Clasificación mundial 1

País Estados

2006

2005

2004

4.85

4.26

3.53

Unidos

5

4

5

2

Brasil

4.49 1

4.22 7

3.98 9

3

China

1.01 7

1.00 4

964

4

India

502

449

462

5

Francia

251

240

219

6

Alemania

202

114

71

7

Rusia

171

198

198

8

Canadá

153

61

61

9

España

122

93

79

10

Sudáfrica

102

103

110

11

Tailandia

93

79

74

12

Reino Unido

74

92

106

13

Ucrania

71

65

66

14

Polonia

66

58

53

52

32

79

13.4 89

12.1 50

10.7 70

15

Arabia Saudita Producción mundial total

Algunos vehículos que usan etanol:

Ford F-150 2010

Ford Escape Hybrid 2010

1.2. BIODIESEL:

Es un biocombustible líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso previo,1 mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del petrodiésel o gasóleo obtenido del petróleo. El biodiésel puede mezclarse con gasóleo procedente del refino del petróleo en diferentes cantidades. Se utilizan notaciones abreviadas según el porcentaje por volumen de biodiésel en la mezcla: B100 en caso de utilizar sólo biodiésel, u otras notaciones como B5, B15, B30 o B50, donde la numeración indica el porcentaje por volumen de biodiésel en la mezcla. A continuación se detallan las principales materias primas para la elaboración de biodiésel: Aceites vegetales convencionales: · Aceite de girasol · Aceite de colza · Aceite de soja · Aceite de coco · Aceite de palma Aceites vegetales alternativos: · Aceite de Brassica carinata · Aceite de Cynara curdunculus · Aceite de Camelina sativa · Aceite de Crambe abyssinica · Aceite de Pogianus · Aceite de Jatropha curcas (physic nut, pinhão manso, tempate) Aceites de semillas modificadas genéticamente: · Aceite de girasol de alto oleico Grasas animales: · Sebo de vaca · Sebo de búfalo · Grasa de pollo · Grasa de pescado

Aceites de otras fuentes: · Aceites de producciones microbianas · Aceites de microalgas Algunos vehículos que usan el Biodiesel

Toyota Land Cruiser hybrid 2007

GMC Hummer H1 hybrid

Los Biocombustibles son renovables, a diferencia de los derivados del petróleo. Además, la quema de hidrocarburos contribuye con el calentamiento global, por las emisiones de dióxido de carbono (CO2), fruto de la combustión de los derivados del petróleo.

Los Biocombustibles son menos contaminantes. El alcohol o el biodiésel que se queman en un motor vienen de una planta que previamente había absorbido CO2 del aire. Por eso se considera que las emisiones de los biocombustibles son despreciables en comparación con las del petróleo.

2. VEHICULOS ELÉCTRICOS Un vehículo eléctrico es un vehículo de impulsado por uno o más motores eléctricos. La tracción puede ser proporcionada por ruedas o hélices impulsadas por motores rotativos, o en otros casos utilizar otro tipo de motores no rotativos, como los motores lineales, los motores inerciales, o aplicaciones del magnetismo como fuente de propulsión, como es el caso de los trenes de levitación magnética. A

diferencia

de

un

motor

de

combustión

interna

que

está

diseñado

específicamente para funcionar quemando combustible, un vehículo eléctrico obtiene la tracción de los motores eléctricos, pero la energía puede ser suministrada de los modos siguientes: •

Alimentación externa del vehículo durante todo su recorrido, con un aporte constante de energía, como es común en el tren eléctrico y el trolebús.

Trolebús de Trujillo (Perú)

•

Energía proporcionada al vehículo en forma de un producto químico almacenado en el vehículo que, mediante una reacción química producida a bordo, produce la electricidad para los motores eléctricos. Ejemplo de esto es el coche híbrido no enchufable, o cualquier vehículo con pila de combustible.

Celda de combustible Chevrolet Equinox

•

Energía generada a bordo usando energía nuclear, como son el submarino y el portaaviones nuclear.

Portaviones nuclear "USS George Washington"

•

Energía generada a bordo usando energía solar generada con placas fotovoltaicas, que es un método no contaminante durante la producción eléctrica, mientras que los otros métodos descritos dependen de si la energía que consumen proviene de fuentes renovables para poder decir si son o no contaminantes.

Vehículo celdas fotovoltaicas Vehículo con con celdas fotovoltaicas

•

Energía eléctrica subministrada al vehículo cuando está parado, que es almacenada a bordo con sistemas recargables, y que luego consumen durante su desplazamiento. Las principales formas de almacenamiento son: o

energía química almacenada en las baterías como en el llamado vehículo eléctrico de batería, especialmente en baterías de litio que parece ser la tecnología más madura a día de hoy. Es preciso destacar las nuevas inversiones que se están haciendo en el mayor yacimiento de litio (Salar de Uyuni-Bolivia) para la fabricación de estas baterías.

o

almacenamiento de energía cinética, con volante de inercia sin rozamiento.

Chevrolet Volt 2007

•

También es posible disponer de vehículos eléctricos híbridos, cuya energía proviene de múltiples fuentes, tales como: o

Almacenamiento de energía recargable y un sistema de conexión directa permanente.

o

Almacenamiento de energía recargable y un sistema basado en la quema de combustibles, incluye la generación eléctrica con un motor de explosión y la propulsión mixta con motor eléctrico y de combustión.

Toyota Prius Hybrid 2011

Actualmente el único vehículo totalmente eléctrico que se está comercializando en serie es el Chevrolet Volt 2011, es el único debido a que estos no son rentables económicamente, la autonomía es muy baja, necesitan ser recargados lo que conlleva a tener el vehículo parado de 6 a 8 horas y son de baja potencia; sin embargo la mezcla entre un motor eléctrico y uno de gasolina dio como resultado al Toyota Prius, el vehículo híbrido más vendido hasta los momentos, el cual trabaja coordinadamente con un motor eléctrico en una configuración denominada híbrida. El motor eléctrico ayuda al de gasolina a encontrar condiciones ideales de funcionamiento y, bajo ciertas circunstancias y por determinados lapsos, puede mover independientemente al automóvil, el cual entonces se desplaza sin consumir combustible y reduciendo significativamente el ruido producido. El motor eléctrico se alimenta de una serie de baterías que se recargan mientras el automóvil está en movimiento (lo que se conoce como Hybrid Synergy Drive) y por lo tanto no requiere una fuente externa, problema que sufren los vehículos eléctricos que tienen que ser "enchufados" periódicamente para recargarse. Otra estrategia de ahorro de combustible es que el motor de gasolina se apaga en las constantes detenciones que se sufren en el tránsito urbano.

El Prius supera los problemas de poca autonomía, largo tiempo de recarga y escasas prestaciones de los vehículos eléctricos y se convierte en el automóvil con motor de combustión interna de más alto rendimiento y más bajas emisiones disponible en la actualidad, de acuerdo con la normativa de la Unión Europea. Sus especificaciones señalan un rendimiento de 96 g/km en ciclo urbano y aunque estos números generalmente son difíciles de alcanzar en el uso real, de todas maneras indican que el Prius casi dobla el rendimiento de vehículos convencionales comparables.

El Chevrolet Volt 2011 es el único vehículo totalmente eléctrico que se comercializa en masa.

Existen otros vehículos que le hacen la competencia al Toyota Prius tales como:

Ford Fusion hybrid 2011

Honda Insight Hybrid

Ford Escape Hybrid 2011

Chevrolet Tahoe Hybrid 2011

3. VEHICULOS DE HIDRÓGENO

Existen muchas interrogantes con respecto a cómo contrarrestar, ó eliminar por completo la emisión de gases efecto invernadero en nuestro planeta. Una de las soluciones a la que están convergiendo los científicos del mundo, es a la del uso del hidrógeno como combustible reemplazante del petróleo. ¿Qué es el Hidrógeno? El hidrógeno es el elemento químico de número atómico 1 y símbolo H. A temperatura ambiente se lo encuentra como hidrógeno diatómico, un gas inflamable, e inodoro, y es el elemento químico más ligero y más abundante del Universo, estando las estrellas formadas mayormente por este elemento en estado de plasma durante la mayor parte de sus ciclos. Aparece además en multitud de sustancias como, por ejemplo, el agua y los compuestos orgánicos, y es capaz de reaccionar con la mayoría de los elementos, es el elemento más abundante en la naturaleza. El núcleo del isótopo más abundante está formado por un solo protón. Además existen otros dos isótopos: el deuterio (que además tiene un neutrón) y el tritio (que tiene además dos neutrones). El hidrógeno es el elemento químico más ligero, estando su isótopo más abundante constituido por un único par protón-electrón. En condiciones normales de presión y temperatura forma el hidrógeno diatómico (H2). A muy alta presión, tal como la que se produce en el núcleo de las estrellas gigantes de gas, las moléculas mudan su naturaleza y el hidrógeno se convierte en un líquido metálico. A muy baja presión, como la del espacio, el hidrógeno tiende a existir en átomos individuales, simplemente porque es muy baja la probabilidad de que se combinen, sin embargo, cuando esto sucede pueden llegar a formarse nubes de H2 que se asocian a la génesis de las estrellas. Este elemento tiene una función fundamental en el universo, ya que mediante la (combinación de átomos de hidrógeno del que resulta un átomo de helio) proporciona ingentes cantidades de energía. VEHICULOS IMPULSADOS POR HIDRÓGENO

El vehículo de hidrógeno es un vehículo de combustible alternativo que utiliza hidrógeno diatómico como su fuente primaria de energía para propulsarse. Estos vehículos utilizan generalmente el hidrógeno en uno de estos dos métodos: combustión o conversión de pila de combustible que es el más desarrollo tiene. En la combustión, el hidrógeno se quema en un motor de explosión, de la misma forma que la gasolina. En la conversión de pila de combustible, el hidrógeno se convierte en electricidad a través de pilas de combustible que mueven motores eléctricos de esta manera, la pila de combustible funciona como una especie de batería. 1. MOTOR DE HIDRÓGENO Existen dos tipos básicos de motor de combustión que emplean hidrógeno como combustible. El primero y más importante es el motor de combustión de hidrógeno de cuatro tiempos, que es en esencia un motor típico de combustión interna, y el segundo se trata del motor Wankel. 1.1 MOTOR DE CUATRO TIEMPOS El diseño de este motor es básicamente el mismo que el de un motor a gasolina, es decir, un motor que sigue el ciclo Otto, con sus pistones, válvulas y demás sistemas. permiten

Esta

clase

aprovechar

características

que

de las

motores especiales

presenta

el

hidrógeno como combustible, a saber: Alta velocidad de llama en flujo laminar. Motor de 4 tiempos del BMW Hydrogen 7

- Alto número de octanos efectivo Ninguna toxicidad y no llega a formar

ozono por esto, con un adecuado diseño podemos conseguir un motor con un rendimiento energético mayor que el equivalente en gasolina y totalmente ecológico. El alto número de octanos permite elevar la relación de compresión que redundará en un aumento del rendimiento energético, mientras que la alta velocidad de llama en flujo laminar contribuye a la reducción de las emisiones de NOx, pues es posible emplear dosados muy bajos, tan bajos que han llegado al 0,2. Gracias a esta posibilidad se puede aumentar también el rendimiento. Con

todo esto se han conseguido aumentos del rendimiento del 25-30% con respecto a los motores equivalentes en gasolina. El motor de hidrógeno se ha convertido en una de las alternativas más comentadas para los nuevos vehículos no contaminantes. El hidrógeno posee más potencia en relación energía/peso que cualquier otro combustible, y además produce poca o ninguna contaminación, ya que sólo libera vapor de agua en su combustión. Casi todos los grandes fabricantes están trabajando en nuevos modelos que incluyen motor de hidrógeno (Honda FCX, BMW 745H, Nissan X-Trail FCV, Toyota HighLander FCHV, Opel Zafira Hydrogen 3). 1.2 MOTOR WANKEL Este tipo de motor rotativo parece dar buenos resultados al

emplear

hidrógeno

como

combustible,

según

lo

atestiguan ensayos realizados con dinamómetro y una vez resueltos los problemas que presentaba en lo que a estanqueidad se refiere. Estos buenos resultados se deben a la configuración de este motor, el cual minimiza las dificultades de combustión que se dan en otros tipos de motores. El motor rotativo no suele dar problemas de autoencendido pues, tal y como se puede apreciar en la Motor Wankel

fotografía del motor, la cámara de combustión presenta

una geometría adecuada para la combustión del hidrógeno, o sea, presenta una relación volumen/superficie muy elevada. De todos modos, suponiendo que los gases de escape fueran responsables del autoencendido, tampoco plantearían problemas en el motor Wankel ya que, cuando los gases frescos entran, la cámara ya se encuentra vacía y los gases de escape se encuentran lejos. En el motor Wankel es posible el aprovechamiento de la alta temperatura de ignición del hidrógeno. Se está investigando la posibilidad de incluir agua pulverizada en la mezcla de entrada, la cual se evapora al quemarse el hidrógeno llegando a ejercer presiones muy altas de forma elástica, a diferencia de lo que ocurre en el pistón, en el cual se da una detonación. Actualmente se está tratando de conseguir que la mayor parte de la potencia se deba a la acción del vapor de agua y no al hidrógeno.

Otra ventaja más de este motor radica en su relación potencia/peso, este motor desarrolla una alta potencia en comparación con su tamaño lo que permite tener un sistema motriz de alta potencia sin emisiones y de reducido tamaño. La compañía Reg Technologies ha conseguido una relación potencia/peso cerca de los 0,34 kg por caballo 9 de potencia, una cantidad ínfima comparada con los 2,72 kg/CV que presenta el motor de émbolo. No obstante, el motor Wankel no está libre de defectos pues presenta un problema en lo que a lubricación se refiere. El aceite empleado en la lubricación de los sellos se encuentra en contacto con la mezcla de combustible y aire, con lo que, al producirse la combustión, no sólo se quemará el hidrógeno sino que además lo hará el aceite. En realidad este hecho constituye dos problemas, el primero es la desaparición del lubricante con lo que el consumo del mismo aumentará, mientras que el segundo afectará a las emisiones del motor. El aceite, al ser quemado, producirá CO2 además de otros contaminantes como pueden ser los sulfuros, NOx, etc. Lo cual ha provocado que los automóviles con motor rotativo no lleguen a ser considerados Z. E. V., es decir, de emisión cero. Además esta clase de motor no posee la característica de los motores de pistón de actuar como freno, comúnmente llamado freno motor. Otro problema, que aún hoy no ha sido resuelto del todo, es el denominado dieseling. El dieseling se produce a causa de la precisión del punto de combustión pues, en caso de retrasarse un poco, puede ocurrir que la combustión comience antes de que el rotor gire por sí mismo. En este caso, que se suele dar cuando la velocidad es baja, la explosión empuja al rotor en sentido contrario al ciclo de rotación y cabe esperar daños en el motor. A pesar de todo, la compañía Mazda ha desarrollado varios modelos de coche que cuentan con este tipo de motor desde los años 70 y que, según la propia compañía, ofrecen unas prestaciones casi iguales que la de los motores de cuatro tiempos convencionales. No obstante, en la década de los 70 la tecnología no estaba lo suficientemente desarrollada como para que los motores Wankel fuesen equiparables a los de pistón. Durantes estos años la compañía japonesa ha adaptado algunos modelos de

forma

que

empleen

hidrógeno

combustible.

Dichos

son el HR-X1, HR-

X2, y el MX-5.

como

modelos

Esquema de un vehiculo con motor impulsado por hidrógeno

EJEMPLO DE VEHICULOS QUE USAN MOTORES DE HIDRÓGENO

BMW Hydrogen 7 (usa un motor de 4 tiempos, actualmente BMW tiró la toalla en el desarrollo de esta tecnología)

Mazda Premacy Hydrogen RE (izquierda) y Mazda RX-8 Hydrogen RE (derecha), ambos usan motor wankel impulsado por hidrógeno

Gobernador Arnold Schwarzenegger en su GMC Hummer H2H

2. PILAS DE COMBUSTIBLE Una pila de combustible, también llamada célula o celda de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería, pero se diferencia de esta última en que está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad

de

una

fuente

externa

de

combustible

y

de

oxígeno

en

contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además, los electrodos en una batería reaccionan y cambian según cómo esté de cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables. Los reactivos típicos utilizados en una celda de combustible son hidrógeno en el lado del ánodo y oxígeno en el lado del cátodo (si se trata de una celda de hidrógeno). Por otra parte las baterías convencionales consumen reactivos sólidos y, una vez que se han agotado, deben ser eliminadas o recargadas con electricidad. Generalmente, los reactivos "fluyen hacia dentro" y los productos de la reacción "fluyen hacia fuera". La operación a largo plazo virtualmente continua es factible mientras se mantengan estos flujos. El fabricante de automóviles japonés Honda, la única firma que ha obtenido la homologación para comercializar su vehículo impulsado por este sistema, el FCX

Clarity, en Japón y Estados Unidos, ha desarrollado también la Home Energy Station, (HES), un sistema autónomo y doméstico que permite obtener hidrógeno a partir de energía solar para repostar vehículos de pila de combustible y aprovechar el proceso para generar electricidad y agua caliente para el hogar.

2.1 TECNOLOGÍA

Esquema de funcionamiento de una pila de combustible

En el ejemplo típico de una célula de membrana intercambiadora de protones (o electrolito polimérico) hidrógeno/oxígeno de una celda de combustible (PEMFC, en inglés: proton exchange membrane fuel cell), una membrana polimérica conductora de protones (el electrolito), separa el lado del ánodo del lado del cátodo. En el lado del ánodo, el hidrógeno que llega al ánodo catalizador se disocia en protones y electrones. Los protones son conducidos a través de la membrana al cátodo, pero los electrones están forzados a viajar por un circuito externo (produciendo energía) ya que la membrana está aislada eléctricamente. En el catalizador del cátodo, las moléculas del oxígeno reaccionan con los electrones (conducidos a través del circuito externo) y protones para formar el agua. En este ejemplo, el único residuo es vapor de agua o agua líquida. Es importante mencionar que para que los protones puedan atravesar la membrana, esta debe estar convenientemente humidificada dado que la conductividad protónica de las

membranas poliméricas utilizadas en este tipo de pilas depende de la humedad de la membrana. Por lo tanto, es habitual humidificar los gases previamente al ingreso a la pila. Además de hidrógeno puro, también se tiene el hidrógeno contenido en otras moléculas de combustibles incluyendo el diésel, metanol (véase DMFC) y los hidruros químicos, el residuo producido por este tipo de combustibles además de agua es dióxido de carbono, entre otros. EJEMPLO DE VEHICULOS QUE USAN CELDAS DE HIDRÓGENO

Honda FCX Clarity con celda de combustible

Chevrolet Equinox 2011 con celda de combustible

Toyota FCHV 2011 con celda de combustible

Mercedes Benz clase B con celda de combustible

El motor de combustión de hidrógeno tiene un funcionamiento similar a los motores de explosión actuales. ¿La única diferencia? En lugar de usar combustibles fósiles utiliza el hidrógeno en la explosión. Por su parte, la pila de combustible, es una batería, que con la ayuda del hidrógeno, genera electricidad de forma constante, sin necesidad de suministro exterior. La pila de combustible acaba con los principales obstáculos que tenían los motores eléctricos en la automoción: pobre autonomía (apenas 100 km) y el largo tiempo de carga (más de cuatro horas). PRINCIPALES VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA PILA DE COMBUSTIBLE VERSUS EL MOTOR DE COMBUSTIÓN DE HIDRÓGENO. VENTAJAS: En términos de eficiencia energética, siempre es más eficiente un motor eléctrico, pues las pérdidas por calor son menores que en el motor de combustión y porque desde el primer momento, a diferencia del motor de

explosión, ofrece toda su fuerza, sin necesidad de una evolución del ciclo termodinámico hasta alcanzar su rendimiento óptimo. Además, ofrecen un consumo inferior de energía que los motores convencionales y producen menos ruidos y vibraciones. DESVENTAJAS: Como desventajas, se ha de destacar el alto coste de la pila de combustible, además de su gran peso y volumen. Existen 2 desventajas principales de los motores de hidrógeno, que son: El hidrógeno es peligroso, porque se guarda a presión y al manipularlo puede explotar. Además para generar hidrógeno, se utiliza la electrólisis, y para esta reacción se necesita una gran energía inicial. Si obtuviésemos el hidrógeno con productos químicos o derivados del petróleo, el coche ecológico perdería sentido, ya que su combustible necesitaría un proceso sucio de fabricación. De momento, todas las marcas tienen concept cars, coches de pruebas, con motores de hidrógeno. El vehículo con pila de combustible se considera un vehículo de cero emisiones (ZEV) porque el único subproducto del hidrógeno consumido es el agua, que adicionalmente puede también mover una micro-turbina. Al día de hoy (enero 2010), Honda es la única

Honda FCX Clarity 2010 impulsado

firma

homologación

por celda de combustible

que para

ha

obtenido

la

comercializar

su

vehículo impulsado por este sistema, el FCX Clarity, en Japón y Estados Unidos. El FCX Clarity empezó a comercializarse en Estados Unidos en julio de 2008 y en Japón en noviembre del mismo año. De momento, la compañía no ha anunciado planes de comercializarlo en Europa, aunque sí se sabe que en el centro de I+D de Honda en Alemania ya trabajan con él. Existen varios obstáculos para llevar estos vehículos desde los laboratorios hasta las salas de exhibición, que son los siguientes: OBSTÁCULO 1: Producción

• Combustibles fósiles: el 95% del hidrógeno de EU es producido, hoy en día, a partir del gas natural mediante un proceso conocido como reformación del vapor de metano, las altas temperaturas y presiones rompen el hidrocarburo en hidrógeno y óxidos de carbono; esto incluye al CO2, el cual es liberado hacia la atmósfera como un gas de invernadero. Durante los próximo 10 a 20 años, los combustibles fósiles, sin duda, seguirán siendo la principal fuente generadora de hidrógeno. Y esta es la principal ironía: usar energía sucia para producir energía limpia no resuelve nuestros problemas de contaminación, solo los mueve de un lado a otro. Capturar ese CO2 y almacenarlo bajo suelo, haría que todo el proceso tuviera un menor impacto para el medioambiente.

• Electrólisis: La mayor parte del restante hidrógeno es producido en la actualidad mediante la separación de los elementos básicos del agua: oxígeno e hidrógeno. Sin embargo, debido a que los combustibles generan más del 70% de la energía eléctrica en Estados Unidos, el hidrógeno producido sería aun una gran fuente de gases de invernadero. Si se logra que otras fuentes alternativas generadoras de electricidad sean más predominantes, el hidrógeno podrá producirse sin emisiones de carbono en absoluto. OBSTÁCULO 2: Almacenamiento

• Licuefacción: Cuando se enfría cerca del cero absoluto, el hidrógeno se vuelve líquido y contiene ¼ de la energía contenida en un volumen equivalente de gasolina. El proceso de enfriamiento consume una gran cantidad de energía: casi 1/3 de la contenida en el hidrógeno; además los tanques de almacenamiento son pesados, voluminosos y caros.

• Compresión: algunos vehículos impulsados por hidrógeno usan tanques a temperatura ambiental con este gas comprimido a impresionantes 10.000 PSI. Resulta relativamente sencillo y rápido repostar el tanque con el hidrógeno comprimido. Pero, incluso comprimido, el gas necesita grandes taques de almacenamiento: cuatro o cinco veces el espacio necesario el gas natural, para rangos similares de kilometraje. De todas maneras, los automóviles con celdas de combustible pueden tener tanques más grandes debido a que utilizan menos partes mecánicas. OBSTÁCULO 3: Distribución

El hidrógeno es una sustancia difícil de mover de un lado a otro, incluso si se presenta n forma transportable puede hacer que el acero y otros metales se tornen frágiles y quebradizos, debilitándolos hasta el punto de fractura.

• Por carretera: actualmente la mayor parte del hidrógeno es transportado en forma líquida por tren o como gas comprimido en cilindros por camiones de remolque. Ambos métodos son my ineficientes. Por ejemplo, para transportar hidrógeno comprimido una distancia alrededor de 240 Km quema el equivalente en diesel al 11% de energía que almacena el hidrógeno.

• Gasoductos: una manera de evitar este interminable ir y venir sería enviar el hidrógeno a través de ductos. Proteger los tubos de tal forma que no se vuelvan frágiles y resistan altas presiones, los hace costosos: cerca de 1 millón de dólares por casa 1.6 km. Pero una vez construidas, son el medio más barato para distribuir grandes volúmenes de hidrógeno.

• Producción local: dada la dificultad para transportar el hidrógeno, ¿Por qué no simplemente se produce donde se necesita?. Para lograrse una solución libre de gases de invernadero, debería de hacerse uso de energía solar o eólica para producir hidrógeno mediante la electrólisis. OBSTÁCULO 4: Uso

• Combustión interna: La aplicación más directa es la de quemar el hidrógeno en un modelo adaptado del propio motor de combustión interna. Ya que se necesitan muy pocas modificaciones, estos motores son relativamente baratos, además de 25% más eficientes que aquellos que hacen uso de la gasolina. BMW construyó su primer motor de combustión interna de hidrógeno en la década de los setenta.

• Celda de combustible: este dispositivo, inventado en 1839, combina hidrógeno y oxígeno para generar electricidad sin necesidad de partes móviles. Existen diversas variedades, pero sólo la ceda de combustible con membrana de intercambio de protones (MIP) es lo suficientemente ligera y sensible como para ser usada de manera práctica por un vehículo. Aunque son 2 veces más eficientes que los motores de combustión interna, las celdas de combustible MIP se encuentran restringidas debido a sus altos costos. Incluso si se llegaran a producir de forma masiva, cada una de ellas costaría en la actualidad cerca de 36.000 dólares.

COMBUSTIBLE ALTERNO USADO EN VENEZUELA El Gobierno venezolano resucitó el programa de Gas Natural Vehicular (GNV) en todo el territorio nacional, el cual entró en vigencia el 1 de abril de 2009. Se contempla que en la mencionada fecha, las ensambladoras e importadoras deberán comercializar como mínimo el 30 por ciento de sus vehículos con el sistema dual de gas.

Esquema de un automóvil con GNV

Lanzado hace nueve años y suspendido hace menos de siete, el programa de Gas Natural Vehicular (GNV) regresó a Venezuela. Según información publicada en el diario zuliano Panorama, el Ministerio de Energía y Petróleo (Menpet) estima retomó el plan a partir del 1 de abril de 2009, fecha en que las principales importadoras y ensambladoras comenzaron a comercializar por lo menos 30 por ciento de sus vehículos con el sistema a gas. El plan contempla poner en funcionamiento -inicialmente- 491 puntos de distribución en el país (350 nuevos, 141 recuperados) con la promesa de ir expandiendo el servicio paulatinamente en todo el territorio nacional. Algunas de las marcas que, hasta ahora, confirmaron la iniciativa fueron Toyota, Volkswagen,

Kia,

Nissan,

Chrysler

y

Mitsubishi,

listos modelos con el sistema dual de gas natural.

puesto

que

ya

tenían

En cuanto a los centros de conversión de vehículos con gasolina a gas, se estimó que la cifra llegara a 126 establecimientos antes de finalizar el año 2009 (cosa que no es así). La distribución estará liderada por el estado Falcón con 32 puntos, Carabobo con 20, Distrito Capital con 18 y Zulia con 16. El costo de inversión total entre talleres y estaciones se ubica aproximadamente en los 4 mil millones de Bolívares Fuertes. No es la primera vez que el Gobierno de Chávez intenta reemplazar la gasolina por el GNV. En septiembre de 2006 se anunció el mismo plan. La idea planteada por el titular del Menpet es sustituir la gasolina para que estén disponibles más barriles de petróleo venezolano en el mercado internacional, adicional a aquello de salvar al planeta y usar fuentes energéticas menos contaminantes. Faltará ver la receptividad que tenga este año (considerado como crítico por los analistas económicos) para ver su amplío desarrollo a partir del 2012.

ANEXOS

LA PRIMERA AUTOPISTA DE HIDRÓGENO DEL MUNDO

Primera autopista con red de estaciones de servicio de hidrógeno del mundo

Será en Canadá, en el 2009, en la región de la Columbia británica. Por ella circularán 20 autobuses que realizarán el recorrido entre Whistler, Vancouver y Victoria. A lo largo de este recorrido se creará una red de estaciones de servicio de hidrógeno o hidrogeneras que abastecerán esta flota de autobuses. Se estima que en 2010 esta autopista podría llegar a la ciudad californiana de San Diego. Se convertirá así en la primera autopista del mundo en la que un coche alimentado por hidrógeno podrá recorrerla de principio a fin sin problemas de repostaje.

HEM (Honda)

Aumentar el número de estaciones que brinden recarga de combustible de hidrógeno es uno de los últimos obstáculos que aún quedan para generalizar el uso de vehículos con célula de combustible. Honda adoptó una postura proactiva con respecto a este desafío; y nuestra investigación y desarrollo en esta área están siempre en marcha. Contamos con experiencia en el desarrollo de estaciones de energía para generar fuentes de calor y electricidad (tecnología de cogeneración), y también experiencia en vehículos de gas natural y eléctricos de recarga doméstica. Entonces, este era el siguiente paso lógico para influenciar el aprendizaje e investigar soluciones posibles para este problema de la recarga de combustible de hidrógeno. La Home Energy Station Desde 2003, Honda ha estado operando una Home Energy Station experimental en Torrance, California. La Home Energy Station, que genera hidrógeno derivado del gas natural, está destinada a brindar calefacción y electricidad para uso doméstico a través de la cogeneración de células de combustible, y a suministrar combustible para los vehículos eléctricos de célula de combustible impulsados por hidrógeno. Honda trabaja conjuntamente con su socio tecnológico Plug Power, Inc. para reducir el tamaño y aumentar la comodidad de la Home Energy Station en cada nueva generación. En el año 2007, Honda desarrolló la Home Energy Station IV, aún en fase experimental, que es incluso más eficaz y está mejor adaptada para el uso doméstico que las versiones anteriores. Las emisiones de CO2 para un hogar que emplea una Home Energy Station son un 30% inferiores que las de un hogar promedio que usa un automóvil con motor a gasolina y suministro de electricidad y calefacción brindado por empresas comerciales. Honda cree en una sociedad futura que utilice hidrógeno como energía, y estamos completamente comprometidos en contribuir al desarrollo de soluciones de recarga de combustible útiles.

BIBLIOGRAFIA Artículos de revistas: Jentjens, K., (2006)`Popular Mechanics en español´. Editorial Televisa, pp 63-77 Jentjens, K., (2008)`Popular Mechanics en español´. Editorial Televisa, pp 58-65 Jentjens, K., (2008)`Popular Mechanics en español´. Editorial Televisa, pp 38-39 Jentjens, K., (2006)`Popular Mechanics en español´. Editorial Televisa, pp 21 Jentjens, K., (2008)`Popular Mechanics en español´. Editorial Televisa, pp 32-37 Referencias electrónicas: Consutado en: Wikipedia.`Combustible fósil ´. http://es.wikipedia.org/wiki/Combustible_f%C3%B3sil. (Fecha de consulta: 28/04/2011) Pellini, C. `Los combustibles´. http://www.portalplanetasedna.com.ar/combustibles.htm.(Fecha

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de