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Una celda de combustible es, en esencia, una batería que usa un suministro de combustible externo, conectada a un motor eléctrico. Electrodos dentro de la celda almacenan una reacción catalítica donde el combustible y los oxidante son transformados electroquímicamente, produciendo energía de corriente continua, agua y calor. El hidrógeno es el combustible más limpio y más eficiente para un vehículo propulsado con celda de combustible en el largo plazo, pero varios otros combustibles están siendo investigados como transportadores de hidrógeno de menor plazo.
Las celdas de combustibles representan una tecnología totalmente diferente de aquella del motor de combustión interna. Muchas de las características, esperanzas puestas y problemas respecto de los buses de celdas de combustibles son similares a aquellos de los buses eléctricos. Ver ( 1 ) y ( 2 ) para introducciones concisas a la tecnología de celda de combustible. Un sistema de celda de combustible que usa hidrógeno incluye los siguiente componente a bordo:
- Estanques de almacenamiento de hidrógeno
- Un compresor de aire
- Pilas de celdas de combustibles
- Un motor eléctrico
- Componentes adicionales de equilibrio de planta.
Otros combustibles se pueden usar, requiriéndose de un reformador de combustible a bordo.
Además, se requiere de la producción de hidrógeno y de la infraestructura de llenado de combustible . Si el hidrógeno es producido en el sitio mismo, esto incluye lo siguiente ( 3 ):
- Un electrolizador o reformador que produzca hidrógeno a través de la electrólisis del agua o la reformación de vapor de gas natural, respectivamente
- Un módulo procesador de hidrógeno y un compresor de hidrógeno
- Estanques de almacenamiento de hidrógeno
- Tecnología de llenado de combustible
Aún más, donde no se produzca hidrógeno en el sitio mismo, es necesaria una red de distribución(ductos /o camiones estanques) para la transportación del combustible.
El hidrógeno es el combustible más limpio y más eficiente para un vehículo propulsado por celdas de combustible en el largo plazo, pero varios otros combustibles se están investigando como transportadores de hidrógeno en más cortos plazos. Las celdas de combustibles potenciadas a metanol, por ejemplo, deberían reducir sustancialmente las emisiones de GHGs , quizás en algo así como un 50% cuando estén totalmente optimizadas; si el combustible metanol se produce de la celulosa, las reducciones pueden ser incluso mayores.
Debido a que los buses de celdas de combustibles solo emiten vapor de agua en el punto de uso, para todos los propósitos prácticos ellos pueden ser considerados vehículos de emisiones locales cero (ZEVs). Además, la eficiencia del sistema de los buses a celdas de combustible será claramente mayor que la eficiencia de los buses a diesel, lo que redundará en un consumo de combustible menor. MAN, por ejemplo, espera una eficiencia del estanque a la rueda de sobre 40% comparada a cerca de 30% o menos de un bus diesel (4)
Sin embargo, ya que la producción, compresión, enfriamiento y transporte del hidrógeno requieren de energía, el impacto global del uso de celdas de combustibles depende mucho de los métodos y materias primas usadas. Si los combustibles fósiles se usan como una fuente de hidrógeno, y, además, la energía requerida para generar gas de hidrógeno también se obtiene de los combustibles fósiles (ejemplo gas natural), entonces se generará dióxido de carbono en el lugar de producción - en cantidades similares, o incluso mayores, que si los combustibles fósiles fueran usados directamente en el auto (ver la sección combustible hidrógeno).
Si por otro lado, las fuentes de energía renovables (ejemplo, energía hidroeléctrica, solar o del viento) se usan para la generación de hidrógeno, manejo y transporte, entonces las celdas de combustible ahorran montos significativos de gases de invernadero en comparación a la combustión de combustibles fósiles.
En tal caso, una evaluación de ciclo de vida tendrá que llevarse a cabo, tomando en consideración las condiciones locales específicas, como para determinar los efectos ambientales totales del uso de celdas de combustibles, comparadas con el combustible diesel. Se espera de parte de los fabricantes de celdas de combustible que los sistemas de celdas de combustible tengan un equilibrio de energía general mejor ("del estanque a la rueda") comparado al uso directo de hidrógeno en un motor de combustión interna de un auto, como por ejemplo el practicado por BMW. Evaluaciones de ciclos de vida de varios sistemas de celdas de combustibles son analizados en ( 5 ).
Considerando la etapa bastante inicial de las celdas de combustible, la confiabilidad del trabajo día a día de los buses a celdas de combustible no puede ser evaluada adecuadamente, todavía. En la actualidad, la durabilidad de la pila de celdas de combustible es aún limitada en comparación a los motores diesel ( 6 ), pero debido a que las celdas de combustibles no tienen partes móviles, se puede esperar que sean más confiables y que requieran de menos mantención que los motores de combustión interna una vez que la tecnología haya madurado ( 2 ). Por supuesto, la tecnología diesel ha demostrado ser muy durable durante muchos años.
Al igual que con la confiabilidad, las evaluaciones de costos todavía no son muy significativas en esta etapa temprana del desarrollo. Debido a que hasta el momento sólo existen buses de celdas de combustibles prototipos, ellos son exageradamente caros. Según ( 6 ), los buses de celdas de combustible tienen el potencial de hacerse rentablesrespecto de los buses diesel sobre la base de un ciclo de vida: "comparaciones detalladas de los costos de ciclo de vida totales muestran que los buses de celdas de combustible a hidrógeno, una vez que han logrado sus objetivos de costos de producción en serie y durabilidad, serán más baratos que los trolebuses y dentro de un 30% de los costos de los buses diesel" ( 6 ). Este éxito en bajar los costos, sin embargo, dependerá de una serie de avances técnicos que en estos momentos están lejos de ser ciertos.
La International Energy Agency (IEA) ( 7 ) da la siguiente comparación de costos actuales:
| Categoría |
Costos de Bus en (miles de US$) |
Otros costos |
| Bus diesel nuevo fabricado en países en desarrollo por compañías de buses internacionales que cumplen Euro II |
30-150 |
Algunos costos de recapacitación y posiblemente costos de repuestos más altos |
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Bus diesel estándar OECD Euro II*
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180-350 |
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| Diesel con controles de emisiones avanzados |
5-10 más que el bus diesel comparable |
Si se trata de diesel de azufre bajo, hasta 10 centavos por litro costo de combustible mayor (para pequeños lotes importados) |
| Buses de celdas de combustible (sobre una base de producción limitada) |
1.000 (1 millón de US$) más que los buses diesel comparable, incluso en los países en desarrollo líderes en esta época
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Hasta US$ 5 millones por ciudad para infraestructura que provea combustible y otros costos de sistemas de apoyos** |
| Fuente: Datos IEA (1)* Note que este rango de precios incluye buses de transporte tanto en Europa como en Norteamérica. Los buses en Europa son generalmente menos caros que en Norteamérica con precios en Europa para buses no articulados generalmente bajo los US$ 275.000.- |
**Nota del autor: la diferencia de costos entre el combustible diesel y el combustible de hidrógeno debería ser considerada en este contexto.
Las estimaciones de costos para la infraestructura instalada en SunLine Transit Agency in California (ver más abajo) pueden encontrarse en ( 3 ), pero debido a que esta instalación es la primera de su tipo, las estimaciones deberían considerarse en forma preliminar. El costo de adicionar infraestructura a otra agencia de tránsito podría ser diferente dependiendo de su enfoque, equipamiento específico, el número de buses en servicio, y otros factores ( 3 ).
La Agencia Ambiental Federal de Alemania (Umweltbundesamt) ha llevado a cabo un análisis (podría decirse algo crítico) de costos y beneficios de la tecnologías de celdas de combustible (FEA). Para un resumen, visitar la UBA-website.
Mientras que el programa espacial de los EE UU ha usado celdas de combustible para propulsar las naves durante décadas, celdas de combustible capaces de propulsar automóviles y buses aún están en su fase de desarrollo. Hasta este momento, diferentes buses a celdas de combustible prototipo se han mostrado en EE UU y en Canadá en los últimos años y se espera que estén comercialmente disponibles en una base limitada antes del 2003 ( 3 ) ( 8 ) ( 2 ) (ver más abajo).
En conjunto con CARB y otro miembros de la California Fuel Cell Partnership, un bus de celda de combustible prototipo ha sido mostrado en SunLine Transit Agency en la localidad de Thousand Palms, California ( 3 ). El fabricante de motores de celdas de combustible XCELLSiS/Ballard se asoció con SunLine para mostrar el bus en condiciones reales de servicio. Los datos recopilados en esta demostración serán usados para validar la tecnología y para desarrollar un producto comercial.
Nueve ciudades de Europa [Madrid y Barcelona (España), Oporto (Portugal), Luxemburgo, Londres (UK), Amsterdam (Holanda), Hamburgo y Stuttgart (Alemania) y Estocolmo (Suecia) realizarán pruebas, en conjunto, de la nueva tecnología de celdas de combustible en aplicaciones de transporte. El proyecto se denomina Clean urban Transport for Europe (CUTE) and su propósito es demostrar y evaluar la factibilidad de un sistema de transporte de ciudad que seaalternativo, sin emisiones, eficiente en energía, de bajo ruido y sustentable. Este es el primerísimo proyecto mayor de demostración de celdas de combustible en Europa ( w1 ).
Algunos resultados del Programa de Demostración de Bus de Celda de Combustible XCELLSiS/Ballard fase 3 en Chicago, EE UU y Vancouver, Canada ( 8 ) están ahora disponibles. Dentro de la sección del Infopool acerca de Programas y Experiencias, hay información sobre proyectos de bus a celdas de combustibles que se prevén a nivel mundial. Para información de productos sobre los buses de celdas de combustible existentes, ver ( w1 ).
Hay, actualmente, muchas investigaciones que se llevan a cabo sobre las celdas de combustible, y una cantidad de desafíos todavía deben enfrentarse para hacer que ellos sean más competitivos:
- Los costos de producir las pilas de celdas de combustible necesitan ser disminuidos ( 1 )
- Grandes avances en la tecnología de almacenamiento tendrían un gran impacto al acelerar la aceptación y comercialización de los vehículos de celdas de combustible ( 1 ).
- El tamaño y peso de todos los componentes del sistema de propulsión de celdas de combustible tienen que reducirse para mejorar la eficiencia de combustible total ( 1 )
- Las celdas de combustibles necesitan ser capaces de partir más rápido y responder mejor a los cambios rápidos en los requerimientos de potencia ( 1 )
- La durabilidad y la confiabilidad en condiciones de operación extrema deben incrementarse ( 1 )
- Los sistemas de procesamiento que convierten los combustibles de hidrocarburos (tales como la gasolina) en hidrógeno para las celdas de combustible necesitan mejorarse ( 1 )
- Se necesita ganar experiencia acerca de la operación, el llenado de combustible, la mantención y reparación de una flota suficiente de buses que se operen sobre un largo período de tiempo para una depuración rigurosa de la tecnología de conducción y para establecer estándares y pautas para actualizar su diseño ( 6 ).
- Normas específicas de hidrógeno deben introducirse teniendo en cuenta la seguridad ( 3 )
- Se necesita establecer infraestructura de hidrógeno.
Las ventajas principales del bus de celda de combustible tendrán que ser cuidadosamente evaluadas en comparación a las alternativas: otros sistemas, también, muestran mejoras significativas al compararse con los sistemas convencionales, respecto de reducciones de emisiones. El hidrógeno renovable puede también usarse en motores de combustión interna. Además, debe determinarse cuándo, hasta qué punto, y a quée costos el hidrógeno regenerativo puede estar disponible para su uso en los buses de celdas de combustible.
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