Categoría: Artículos

Como ya se explicó en el artículo anterior, la contribución del transporte por carretera en Europa a la emisión de dióxido de carbono, CO2, es porcentualmente pequeña. Pero la Comisión Europea ha propuesto desarrollar una serie de medidas entre las que se destaca tratar de que en el año 2030 se tengan 30 millones de turismos de ‘emisiones cero’ en las carreteras europeas y que para 2050 no haya vehículos que emitan CO2.

Para tener una visión de la situación actual y de las proyecciones de futuro, en el seno de la Cátedra Fundación Repsol en Transición Energética–Movilidad Sostenible de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid se ha realizado un estudio de los vectores energéticos que actualmente se están estudiando en los centros de investigación independientes y en los de los fabricantes de vehículos y de energía, cuyas primeras aportaciones ya se presentaron y que ahora se concretan en las fuentes de energía embarcada en los vehículos o ‘vectores energéticos’.
Cuando la energía mecánica de propulsión no se obtenga a partir de energía eléctrica de la red, todos los vehículos necesitan disponer de una fuente de energía transportada en el propio vehículo en forma química: los combustibles que alimentan al motor térmico o la pila de combustible. Los combustibles transportan la energía desde las fuentes primarias (fósiles, renovables o nucleares) hasta el tanque del vehículo en el que están disponibles para reacción química de combustión o reacción electroquímica en pila de combustible. Los acumuladores eléctricos (baterías o supercondensadores) almacenan la energía también en forma química, pero el resultado es, en este caso, la producción directa de electricidad. Ambos grupos son vectores energéticos o fuentes de energía embarcada, que son tanto los combustibles líquidos o gaseosos, como el hidrógeno, la electricidad de la red o la producida en el propio vehículo.
Los vectores energéticos que se usan en forma de combustibles, no electricidad, pueden tener su origen en materias primas diversas que pueden ser fósiles (carbón, petróleo o gas natural) o de origen renovable, procedentes de la biomasa (biocombustibles) o de fuentes renovables diferentes a la biomasa como la eólica o solar en forma de electricidad renovable (combustibles sintéticos y e-fuels).

Los vectores energéticos más utilizados en la automoción desde principios del Siglo XX han sido los hidrocarburos provenientes de fuentes de energía fósiles. Éstos se han ido desarrollando como combustibles para el transporte a lo largo de la historia, tanto los derivados de la destilación del petróleo como los del gas natural. No obstante, se han desarrollado otros procesos de obtención de hidrocarburos de manera artificial como son los combustibles sintéticos derivados del proceso Fischer-Tropsch, que consiste en utilizar la mezcla de monóxido y dióxido de carbono e hidrógeno proveniente de procesos de gasificación de carbón, gas natural o biomasa, o incluso de la captura de CO2 de la atmósfera, para obtener hidrocarburos parafínicos sintéticos. Procesos similares ya fueron utilizados por Alemania y sus aliados en la 2ª Guerra Mundial y lo son actualmente por países como Sudáfrica con fuente de energía primaria el carbón (CTL: Carbon To Liquid). Pero ahora se centran en los que tiene como origen fuentes de energía primaria renovable y, si esta fuente de energía es la biomasa, se denominan BTL (Biomass To Liquid) y son productos muy similares a la gasolina, al gasóleo o al propano, y pueden mezclarse con los combustibles convencionales.
Dentro de los combustibles fósiles convencionales están las gasolinas y los gasóleos (llamados en muchas ocasiones ‘diésel’ por su nombre inglés ‘diesel oil’) y dentro de los llamados ‘alternativos’ están el GLP (Gas Licuado de Petróleo) o autogás, el GNC (Gas Natural Comprimido) y el GNL (Gas Natural Licuado). Pero, por otro lado, existen rutas para convertir la biomasa en biocombustibles, como los procesos de hidrogenación para obtener los actuales aceites vegetales hidrogenados (HVO) o gasóleos parafínicos de biomasa.

Además de hidrocarburos compuestos de carbono e hidrógeno (HC), desde los inicios del automóvil se han utilizado también combustibles oxigenados procedentes de materias vegetales como los alcoholes, los éteres, los aceites vegetales o los ésteres metílicos de ácidos grasos (biodiésel), que son líquidos y denominados biocombustibles de 1ª generación. Con objeto de reducir emisiones netas de CO2 se ha promovido el desarrollo de estos combustibles y algunos de sus derivados desde hace ya más de 20 años.

Para el aprovechamiento energético de los residuos urbanos e industriales, sean de procedencia animal o vegetal, se están desarrollando biocombustibles de residuos entre los que se pueden citar el biometano e hidrocarburos líquidos con diferencias entre unos y otros según el origen y el proceso de obtención. Ejemplos son el bioetanol de materia celulósica o el biobutanol. Poco a poco se van introduciendo estos biocombustibles en mayor o menor medida en experiencias piloto y se prevé un aumento de su uso en mezclas con los combustibles convencionales.

Aparte de estos hidrocarburos y biocombustibles, los motores de combustión interna pueden ser alimentados por hidrógeno sin exigirle una pureza excelente, mientras las impurezas sean hidrocarburos u óxidos de carbono. Lo cual no ocurre con las pilas de combustible para propulsión de vehículos que deben ser alimentadas por hidrógeno lo más puro posible. Las pilas de combustible son generadores de energía eléctrica directa mediante la oxidación del hidrógeno, a diferencia de las baterías que generan electricidad mediante la energía acumulada en forma química en su interior mediante reacciones de carga y de descarga. En ambos casos se usan en vehículos movidos por motores eléctricos.
Al no existir hidrógeno libre en la naturaleza, es necesario su producción y en función de esto se nombra el hidrógeno de una manera u otra. El hidrógeno ‘gris’ es el producido a partir de hidrocarburos de origen fósil, el hidrógeno ‘azul’ producido a partir de hidrocarburos de origen fósil y capturando el CO2 liberado en el proceso y, por último, el hidrógeno ‘verde’ que es el producido mediante electrólisis utilizando energía eléctrica producida a partir de energías renovables o el reformado de biogás. Aunque el hidrógeno verde será la opción mejor para el medio ambiente, actualmente no hay aún suficiente disponibilidad ni capacidad de producción y distribución, y no es probable que la haya en el futuro cercano para mover por vía directa o indirecta todos los nuevos vehículos ligeros y pesados de Europa.

Es sabido que el hidrógeno tiene baja densidad de energía y ocupa mucho volumen para entregar la energía necesaria para una autonomía razonable del vehículo. Por ello, una forma de utilizarlo en el mundo de la automoción son los portadores de hidrógeno, que es una forma indirecta de almacenaje de energía del hidrógeno en forma líquida sin temperaturas extremadamente bajas o presiones altas. Entre estos compuestos ‘portadores’ se encuentra el amoniaco, que contiene un átomo de nitrógeno con tres de hidrógeno y cuya reacción de oxidación produce nitrógeno y agua, que puede ser descompuesto in situ para generar hidrógeno para una pila de combustible.
Otra forma de ‘almacenar’ hidrógeno verde para ser acumulado en los vehículos como combustible de alta densidad de energía, que actualmente se investiga y desarrolla en muchos centros de investigación, son los combustibles sintéticos que son esencialmente hidrocarburos líquidos pero producidos a partir de CO2 e hidrógeno. Son los llamados e-fuels (de electricity fuels) derivados de hidrógeno obtenido de electricidad renovable y CO2 preferiblemente capturado. Tratan de ser una alternativa a los combustibles convencionales como gasolina y gasóleo, permitiendo el uso de los motores de combustión interna actuales y futuros por su similitud de formulación química. Pueden ser similares a la gasolina y al gasóleo por lo que se pueden mezclar en cualquier proporción, contribuyendo a una mejora de sus propiedades como combustible para motores.

Uno de los vectores energéticos que desde los inicios del automóvil ha tratado de abrirse hueco es la electricidad. Esta electricidad es producida en las centrales eléctricas que conforman el sistema eléctrico nacional, ya sean renovables (eólica, hidráulica o solar), por combustibles fósiles, sobre todo gas natural o nucleares, dando lugar al denominado ‘mix eléctrico’. El uso de la electricidad en los vehículos va asociado a la necesidad de cargar suficiente energía eléctrica en el vehículo y acumularla para una autonomía razonable en la batería que alimentará al motor eléctrico para su movimiento. Estas baterías se pueden construir con diferentes elementos, como Plomo-ácido (Pb-ácido), Níquel-cadmio (NiCd), Níquel-hidruro metálico (NiMh), Ion-litio (LiCoO2), Ion-litio con cátodo de LiePO4 y Polímero de litio (LiPo).

Los motores de combustión interna puros tienen actualmente como vector energético principal los hidrocarburos fósiles, pero las tendencias europeas a dejar de depender de fuentes de origen fósil y a ‘descarbonizar’ el transporte (entendido como reducir emisiones netas de CO2), marcan la tendencia a compartir con los combustibles renovables, como otros hidrocarburos de origen biológico o no biológicos, ya sean los e-fuels derivados del hidrógeno u otros compuestos orgánicos oxigenados como los alcoholes, éteres, ésteres, etc., de origen biológico, e incluso el amoniaco, aportando todos flexibilidad al sistema energético para el transporte al poder usarse mezclados en algunos casos, incluso con hidrógeno. Estos vectores energéticos son válidos para los vehículos de propulsión híbrida, por la presencia de un motor de combustión interna.

Se espera que en el futuro a largo plazo de los vectores energéticos, el hidrógeno, usado directamente o a través de los portadores de hidrógeno, jugará un papel relevante. Pero uno de los problemas del hidrógeno proviene del hecho de que no existe en la naturaleza en forma molecular, por lo que la energía necesaria para su fabricación supera la que se puede producir en el vehículo en mayor proporción que otras opciones como las convencionales de origen fósil. Por ello su utilización como vector energético solo tiene sentido si su origen es de fuentes renovables u obtenido por procedimientos que no produzcan CO2, como procesos termoquímicos o nucleares. El otro problema es su baja densidad de energía (kJ/m3) dando sentido al uso de portadores de hidrógeno, e-fuels o combustibles hidrogenados.

Figura 2. Los 4 vectores energéticos previsibles a medio plazo para propulsión de vehículos de baja o nula emisión de CO2.

En resumen, se prevén actualmente cuatro caminos posibles de propulsión de vehículos con baja o nula emisión neta de dióxido de carbono, ilustradas en la Figura 2, que son: la electricidad proveniente de fuentes de baja o nula huella de carbono, los combustibles gaseosos o líquidos provenientes de residuos urbanos o industriales en el ámbito de la denominada ‘economía circular’ que han consumido CO2 en su origen biológico, los combustibles sintéticos líquidos (con alta densidad energética) producidos a partir de hidrógeno renovable y captura de CO2 y, por último, el propio hidrógeno, también producido con fuentes renovables. Pero en tres de esos cuatro caminos, el motor térmico de combustión interna puede tener aún un hueco importante, y muchos fabricantes y centros de investigación consideran que, si hubiera ahora mismo hidrógeno disponible de origen verde o azul, los motores de combustión interna alimentados con hidrogeno o con vectores energéticos derivados del hidrógeno como HVO, hidrocarburos sintéticos, amoniaco o metanol, serían una opción muy interesarte desde al punto de vista de costes y de experiencia en fabricación y mantenimiento. El HVO o los hidrocarburos sintéticos no requieren adaptaciones de los motores nuevos o de los ya en circulación ni del sistema de distribución, suministro y carga de combustible actualmente existente. Pero también se han desarrollado ya las trasformaciones que habría que realizar en los vehículos de tecnología actual con motores de gasolina, diésel o de gas natural para funcionar tanto con hidrógeno puro como con combustibles de portadores de hidrógeno como el amoniaco o el metanol. En este sentido instituciones de investigación y desarrollo del automóvil como FEV en Alemania, AVL en Austria, Ricardo Co. Eng. en Reino Unido., IFP en Francia o Keyou en Corea, y fabricantes como MAN, Ford o BMW están trabajando, en muchos casos a partes iguales, en esta evolución de los motores térmicos frente a las pilas de combustible.

El futuro a medio y largo plazo aún no está totalmente escrito, pero la tendencia a la electrificación de los vehículos ligeros y la introducción de hidrógeno y combustibles de nula huella de carbono para pilas de combustible y motores de combustión interna es una tendencia imparable en los países desarrollados y, en concreto, en Europa. Pero habrá que escribir aún lo que pasará en los países en vías de desarrollo, lugares apartados como zonas montañosas, selvas, desiertos y zonas muy poco habitadas, donde las necesidades de movilidad seguirán aumentando.
(Autores: Jesús Casanova Kindelán y Almudena García Jiménez. Departamento de Ingeniería Energética. Universidad Politécnica de Madrid).

Fuente: http://www.asepa.es/

Antonio Mozas
Director de ASEPA (Asociación Española de Profesionales de Automoción)

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