Energía limpia
24.07.2019/XNUMX/XNUMX - ¿Los coches eléctricos solo se conducen mejor con baterías o pilas de combustible? Por el momento, los fabricantes de automóviles se están enfocando principalmente en automóviles totalmente eléctricos. ¿Pero el vehículo de pila de combustible no ofrece más ventajas? Un análisis.
¿Coche eléctrico o vehículo de pila de combustible?
Si queremos controlar el cambio climático, debemos cuidar la movilidad respetuosa con el clima y las alternativas a la energía de propulsión fósil. Actualmente, el debate sobre los sistemas de propulsión alternativos se centra en la cuestión de si los vehículos eléctricos se usan mejor con pilas de combustible o con baterías de iones de litio. La respuesta a esta pregunta está determinada por factores como la idoneidad para el uso diario, los costos y la sostenibilidad.
Actualmente, la carrera entre la pila de combustible y la batería de iones de litio parece estar funcionando: los vehículos eléctricos puros (BEV), excluyendo los vehículos híbridos, dominan los nuevos registros, y se pueden encontrar muchas estaciones de carga, mientras que las estaciones de repostaje de hidrógeno son pocas y distantes. Los vehículos con celdas de combustible (FCEV) son más caros y el hidrógeno como combustible cuesta más que la electricidad. Entonces, ¿está todo claro? No del todo. Si observa de cerca la celda de combustible, obtendrá una imagen diferenciada. Hemos reunido las ventajas y desventajas de las variantes de manejo para el automóvil eléctrico para usted.
El accionamiento de la pila de combustible flota regularmente. Sin embargo, es alarmante que esto haya estado sucediendo regularmente durante más de 25 años. Además, como los avances en la movilidad eléctrica de la batería son considerables, esta tecnología H 2 siempre se queda atrás.
¿Qué tan ecológicos son los BEV en comparación con el FCEV?
Para la comparación entre electricidad e hidrógeno, cuanto más verde es la fuente de energía, mejor es el equilibrio ambiental. En la comparación ecológica con los autos eléctricos, la celda de combustible actualmente está teniendo dificultades: primero, la electricidad debe generarse a partir del hidrógeno. Esto se alimenta en el automóvil, en el automóvil, la electricidad se genera a partir del hidrógeno nuevamente. Esta doble conversión reduce significativamente la eficiencia. Cualquiera que cargue directamente la batería de su automóvil eléctrico con la misma potencia viajará de manera más económica y, por lo tanto, también más ecológica. Sin embargo, eso podría ser diferente en el futuro. Una vez que la electricidad se produce principalmente a partir del sol, el viento y el agua, un automóvil de pila de combustible se vuelve competitivo, ya que consume menos recursos en su fabricación que un automóvil eléctrico que funciona con baterías.
Un estudio reciente realizado por el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar (ISE) en nombre de H2 Mobility parece confirmar esto: según esto, los automóviles con hidrógeno y celdas de combustible son más amigables con el clima que los vehículos con batería cuando se alcanzan los kilómetros 250. El factor decisivo es la mochila CO2 mucho más grande, los autos con batería tienen que llevar a cabo la producción de la batería, dijeron los investigadores. La huella de gases de efecto invernadero (GEI) de la producción y el reciclaje de un sistema de celdas de combustible que incluye un tanque es aproximadamente equivalente a la de un motor eléctrico con una capacidad de almacenamiento de 45 a 50 kWh. Para los automóviles con baterías más grandes, se emiten más emisiones de GEI que para el sistema de celda de combustible en una clase de rendimiento comparable.
El estudio examinó las emisiones de GEI generadas en la producción, operación y eliminación de vehículos con baterías y celdas de combustible con rangos de kilómetros 300, para los períodos 2020 a 2030 y 2030 a 2040. El estudio también hace restricciones. Entre otras cosas, no se tuvo en cuenta el potencial de mejora en la producción de materiales importantes (platino, aluminio, etc.). Además, el estudio recomienda investigar otras categorías de impactos además de las emisiones de GEI, como el consumo de agua y tierra. Además, no se consideró el impacto ambiental para la construcción de la infraestructura de movilidad (infraestructura de carga, distribución H2, etc.) y no se incluyó el uso de baterías y pilas de combustible de segunda vida.
En resumen, esto significa: los vehículos eléctricos con baterías medianas a pequeñas (<50 kWh de capacidad de almacenamiento) y alcances de hasta 250 kilómetros reducen las emisiones en el tráfico. Para distancias más largas, los vehículos de pila de combustible tienen cada vez más ventajas desde el punto de vista de la protección del clima. La huella de GEI de ambas alternativas depende en gran medida de la producción de las baterías o del hidrógeno.
Según la situación actual del mercado eléctrico en Alemania, según los cálculos de ADAC, no se esperan grandes problemas a medio plazo. Porque diez millones de autos eléctricos requerirían un consumo de energía adicional de aproximadamente 5,6 por ciento. Además, las mejoras en la eficiencia y el ahorro de energía para la iluminación, así como en edificios e instalaciones industriales podrían compensar parte de la demanda adicional de electromovilidad.
Según ADAC, el riesgo de sobrecarga de la red local aumenta con la cantidad de vehículos eléctricos. En particular, las redes de distribución que entregan electricidad al cliente final en la "última milla" no pueden hacer frente a la demanda adicional de los hogares con automóviles eléctricos, como encontró el Barómetro del mercado energético de ZEW 2018. En el estudio “The E-Mobility Blackout”, los analistas de la consultora Oliver Wyman, junto con investigadores de la Universidad Técnica de Múnich, calcularon que las redes alemanas de baja tensión no serían capaces de hacer frente al auge que se avecinaba de los coches eléctricos. Los automóviles eléctricos con una participación del 30 por ciento o más sobrecargarían la red de distribución local y provocarían cortes de energía locales tan pronto como se carguen muchos vehículos al mismo tiempo. Sin embargo, la carga bidireccional y la gestión inteligente de la carga podrían ayudar. Aquí, sin embargo, es importante aclarar las consecuencias legales de la carga bidireccional y cómo la carga y descarga frecuentes afectan el envejecimiento de las baterías.
Para ganar hidrógeno, se deben gastar grandes cantidades de energía. Hoy en día, el hidrógeno se produce principalmente mediante reformado con vapor. Aquí, el combustible carbonoso reacciona con el vapor de agua, lo cual no es una gran ganancia desde el punto de vista climático, porque el dióxido de carbono se produce nuevamente. Por lo tanto, las esperanzas de muchos expertos descansan en la electrólisis. El exceso de electricidad de la energía eólica y la energía solar puede transformarse en hidrógeno por electrólisis, que puede almacenarse o usarse de varias maneras. En el caso de las energías renovables a través de la electrólisis, toda la ruta de producción está casi completamente libre de emisiones, en contraste con la reforma convencional de gas natural. El hidrógeno, que se produce mediante electrólisis a partir de electricidad y agua verdes, sirve como material de origen para todas las tecnologías Power-to-X. Con Power-to-X, por ejemplo, se puede producir hidrógeno para vehículos con celdas de combustible. Por lo tanto, el hidrógeno puede usarse de muchas maneras. Pero también al integrar las baterías del vehículo en la red eléctrica, se puede aprovechar mejor el exceso de electricidad.
Sin embargo, el proceso de electrólisis y la posterior licuefacción de hidrógeno requieren mucha energía, ya que se pierde casi la mitad de la energía utilizada. De hecho, el vehículo de pila de combustible impulsado por hidrógeno solo logra una eficiencia energética de alrededor del 26 por ciento, y los vehículos eléctricos con batería alcanzan alrededor del 69 por ciento. Esto significa que para satisfacer las necesidades energéticas del FCEV, la producción de electricidad verde tendría que ampliarse muchas veces más que para BEV, lo que a su vez tiene consecuencias para el uso del suelo, el uso de materiales y el impacto ambiental general.
El tren motriz electrificado cambia la movilidad tan radicalmente como la ubicación de producción en Alemania. En lugar de fresar y pulir, la industria automotriz alemana tiene que dominar la tecnología de almacenamiento eléctrico y la electrónica de potencia. Las consecuencias son serias. La producción de un tren motriz para la electromovilidad con batería eléctrica no solo requiere significativamente menos piezas, sino también menos empleados.
¿Hay suficientes recursos?
Según el Öko-Institut, la presencia de litio, cobalto, níquel, grafito (baterías) y platino (pilas de combustible) supera claramente la demanda. Sin embargo, podrían producirse cuellos de botella si los sitios de extracción no se abren a tiempo. Además, deben resolverse los problemas ambientales y sociales. El cobalto en particular se considera una materia prima "sucia". Más de la mitad del cobalto del mundo proviene del Congo. A menudo se utiliza a los niños como mano de obra barata en las minas, informa Amnistía Internacional. Además, la extracción de cobalto contamina el medio ambiente.
La minería del litio también tiene consecuencias, especialmente para la población de Bolivia, Chile y Argentina, como ha investigado "Pan para el mundo". Se necesitan alrededor de dos millones de litros de agua para producir una tonelada de litio. Como resultado, el nivel del agua subterránea en el llamado triángulo de litio se hunde, la vegetación se seca, el suelo se vuelve demasiado salado y las especies de aves endémicas como los flamencos se extinguen. Además, se está destruyendo el hábitat de las comunidades indígenas. La mayor parte del platino, por otro lado, se almacena en el llamado "cinturón del platino" de Sudáfrica; su extracción también contribuye a la contaminación ambiental y está vinculada a violaciones de derechos humanos.
¿Qué pasa con la infraestructura de carga y reabastecimiento de combustible?
Debido a la mayor densidad de energía con la cual el hidrógeno en el tanque puede almacenarse contra la energía eléctrica en la batería, ofrecen la ventaja de rangos más altos. Los autos con celdas de combustible se pueden reabastecer en solo tres minutos para rangos de 500 a 800 kilómetros. Sin embargo, el requisito previo para el abastecimiento rápido de combustible es que puede encontrar una estación H2. Según Now GmbH, 71 actualmente tiene estaciones de servicio H2 en Alemania. A modo de comparación: según los datos de Statista, el número de estaciones de carga en Alemania actualmente es de alrededor de 15.880.
El tiempo que tarda un vehículo eléctrico en cargar depende principalmente de la capacidad de la batería y la infraestructura de carga, es decir, la columna, la estación o la fuente de alimentación. Por ejemplo, una batería promedio en la toma de corriente doméstica tarda más de diez horas en recargarse. Pero también es más rápido: en el marco del proyecto Fastcharge, se inauguró el prototipo de una estación de carga con una capacidad de hasta kilovatios 450. Los vehículos de investigación eléctrica demostraron tiempos de carga de menos de tres minutos para el primer rango de kilómetro 100 y minutos 15 para una carga completa (10 - 80 porcentaje de estado de carga (SOC)) en esta estación de carga ultra rápida. Sin embargo, con una mayor potencia de carga, la gestión térmica de las baterías se está convirtiendo cada vez más en el foco del desarrollo. Aquí es crucial cómo se puede enfriar la creciente pérdida de calor para garantizar una larga vida útil de la batería y evitar el paso de celdas individuales.
En resumen, esto significa que las estaciones de carga pueden ser mucho más simples y más rentables, según el autor de Springer, Jürgen Rechberger, explica en el capítulo Fundamentos de la tecnología de celdas de combustible del libro Grundlagen Verbrennungsmotoren. Sin embargo, una gran parte de estos son estaciones de carga normales. Las estaciones de carga rápida tendrían capacidades de conexión extremadamente altas, lo que representa una enorme carga para las redes eléctricas existentes, dijo el autor. El hidrógeno, por otro lado, puede transportarse fácilmente en grandes volúmenes en tuberías, incluso en la red de gas natural existente. Debido al corto tiempo de reabastecimiento de combustible, también hay un alto nivel de aceptación del cliente y una bomba podría suministrar hasta 250 vehículos por día. En comparación, en una estación de carga convencional solo se podían cargar de cuatro a seis vehículos y en una estación de carga rápida se podían cargar vehículos 60 a 80. La estación de repostaje de hidrógeno necesitaba aproximadamente 50 kilogramos de hidrógeno por hora y la estación de carga rápida necesitaba una potencia permanente de kilovatios 300. Según Rechberger, especialmente en las zonas urbanas, probablemente será mucho más barato construir una infraestructura de hidrógeno que redes eléctricas completamente nuevas para la cantidad requerida de estaciones de carga rápida.
¿Dónde ir con las baterías de tracción y las pilas de combustible?
Las baterías de los autos eléctricos son desechos peligrosos. De acuerdo con la ley de baterías, los fabricantes o distribuidores de baterías deben recuperarlas y reciclarlas. Tecnológicamente hablando, los procesos de reciclaje de baterías de iones de litio ya están disponibles hoy en día. Por lo tanto, según ADAC, desde las baterías de tracción hasta el 95 por ciento de los materiales funcionales relevantes se pueden recuperar cobalto, níquel, litio y cobre. Sin embargo, dado que los procesos de reciclaje se encuentran en una etapa temprana de desarrollo, al igual que las condiciones del marco legal y los conceptos logísticos, el reciclaje de baterías sigue siendo un desafío importante, como los autores de Springer en el capítulo Reciclaje de baterías de vehículos eléctricos del libro Behavior of Estrés Baterías de iones de litio en vehículos eléctricos.
Las baterías de propulsión que ya no son lo suficientemente potentes para su uso en vehículos pueden seguir utilizándose como almacenamiento de electricidad estacionaria durante muchos años en "segunda vida". Sin embargo, existe un desacuerdo sobre si las baterías viejas deben reciclarse directamente o reutilizarse como baterías de segunda vida.
A partir de una celda de combustible, el platino se puede recuperar casi por completo al final de su vida útil, se pueden lograr tasas de reciclaje superiores al 98 por ciento. Otro desafío es la característica de las celdas de combustible y una baja idoneidad para cambios de carga altamente dinámicos, como los que se realizan al conducir un vehículo de motor. Por lo tanto, las baterías de iones de litio todavía se usan hoy en día como tanques de compensación en los vehículos con celdas de combustible, lo que debe tenerse en cuenta en el reciclaje y en el equilibrio ecológico total del vehículo con celdas de combustible.
¿Qué significan BEV y FCEV para la industria automotriz alemana?
Si bien la investigación y la producción de celdas de iones de litio están firmemente en manos de Asia y la producción de paquetes de baterías requiere una gran inversión, la unidad de celdas de combustible de la industria automotriz alemana puede recuperar una parte sustancial del valor agregado que viene con la batería. La electromovilidad se pierde. La producción en masa de una pila de celdas de combustible ya no es un problema importante, y reducir el costo del tanque de hidrógeno es el mayor desafío, explica Andreas Burkert.
Conclusión
Los BEV son la forma más eficiente de convertir la electricidad renovable en rendimiento de conducción. Es por eso que este concepto es ideal para vehículos más pequeños y livianos. Sin embargo, la desventaja son los tiempos de carga más largos. Estos podrían acortarse en el futuro. Los tiempos de carga están limitados menos por la tecnología de la batería, sino por el suministro de energía y energía de la infraestructura de carga. Los FCEV siempre son una ventaja donde el uso directo de la electricidad es difícil o imposible y donde se deben cubrir largas distancias. El tiempo de reabastecimiento de combustible es rápido, el hidrógeno puede estar más fácilmente disponible, especialmente en el entorno urbano y ya algunas estaciones de servicio ofrecen una flota de vehículos muy grande. Otra gran ventaja del hidrógeno es que es una fuente universal de energía y almacenamiento. La electrólisis del agua para la producción de hidrógeno es el vínculo entre la electricidad renovable, otras fuentes de energía y materiales básicos. El uso y la dependencia de los recursos es comparativamente bajo en la unidad de pila de combustible. Por el contrario, la degradación del litio para la batería en el BEV, pero también para la pequeña batería de amortiguación en el FCEV, es enormemente perjudicial para el medio ambiente. La pila de combustible ofrece la oportunidad de mantener el rango vertical de fabricación de los fabricantes de automóviles alemanes. En el caso de BEV, esto es menor porque las celdas de la batería han venido hasta ahora de Asia.
¿Qué significa eso para la comparación BEV versus FCEV? Los vehículos con pilas y pilas de combustible se complementan entre sí. Ambas variantes de disco tienen su autorización. Sin embargo, la gran ventaja del hidrógeno es que difícilmente puede ser derrotado como una instalación de almacenamiento transportable y estacionaria para grandes cantidades de energía en el contexto de la transición energética. En general, sin embargo, el cambio en el tráfico no debe limitarse a reemplazar la energía de propulsión fósil con energía renovable. El número de vehículos también debe reducirse.
Fuente: Autor: Christiane Köllner Springer profesional
