Lleno, por favor; pero ¿lleno de qué? (2 de 2)

19/12/2007 12 comentarios →

por JMJ en General, Opinión, Técnica

Ya en la primera parte hablamos de la situación energética mundial y su más que posible empeoramiento en los próximos años o décadas. También hablamos de las soluciones a corto plazo (para salir del paso) o, como nosotros las llamamos, remiendos (como los famosos biocombustibles que están en boca de todo el mundo últimamente). Así que dejamos para la segunda parte hablar de las soluciones más serias, ambiciosas y a largo plazo (remedios).

Cualquier tipo de solución que se precie de pertenecer a esta segunda parte del artículo (a los remedios, no a los remiendos) debe cumplir una condición básica: no basarse en la combustión externa o en la combustión interna (ya sea de combustibles fósiles, biocombustibles, vodka, …) para obtener energía, ya que éstas están directamente ligadas a los problemas expuestos en la primera parte.

El problema sigue siendo que «el coche no se mueve solo», seguimos necesitando una fuente de energía que nos propulse y que proporcione al menos el grado de movilidad adquirido con los combustibles fósiles. Los dos rumbos que se pueden seguir para obtener esa energía son dos:

Captar algún tipo de energía del entorno (como la energía solar).
Almacenar la energía de alguna forma en el automóvil para dosificar su aprovechamiento según las necesidades (como hacemos hasta día de hoy con los combustibles tradicionales).

Cada una de las tecnologías de las que vamos a hablar darían para escribir innumerables artículos, libros, … pero no tenemos los conocimientos necesarios ni es el lugar adecuado para ello.

Pues la primera altnerantiva es captar la energía solar: transformar la luz solar en energía eléctrica por medio de células fotovoltaicas. Se han fabricado varios prototipos, incluso hay competiciones (de coches que tienen poco que ver con lo que debe ser un modelo funcional) como la famosa World Solar Challenge.

A priori, suena muy bien esto de aprovechar la energía que nos manda el sol; pero la realidad es bien distinta, los inconvenientes son innumerables. Por nombrar algunos:

La naturaleza intermitente de la radiación solar no proporciona al coche la disponibilidad que desearíamos. Ni la incorporación de baterías para almacenar los excedentes energéticos puntuales ni de modernos sistemas electrónicos de gestión de dicha energía son suficientes. En esta línea de inconvenientes, los coches tendrán diferente rendimiento según el lugar donde circulen debido a la variación de la potencia que incide sobre la tierra (irradiancia) por unidad de superficie según la latitud ¿Coches más lentos en Suecia que en Nigeria? No entra dentro de las opciones.

La potencia que desarrollan este tipo de vehículos es muy baja en comparación con los actuales de combustión: el bajo rendimiento de las células fotovoltaicas (casi un 20% en el mejor de los casos) y la limitada superficie destinada a las placas solares (no es cuestión de crear un autmórvil del tamaño de un campo de fútbol).
El elevado coste de los sistemas presentes en estos automóviles, aunque esta desventaja es común a todos los «remedios» que se plantean. Es lo que tienen las nuevas tecnologías. Con el tiempo y muchas horas de desarrollo, se irán abaratando.
Elevado coste ecológico de la fabricación: durante la fabricación, se producen multitud de desechos altamente tóxicos (y si optamos por esta tecnología por motivos ecológicos, «queda feo»).

El resto de opciones que vamos a presentar pasan por almacenar energía de una u otra forma en el interior del coche. Para continuar, estará bien hablar antes de los vectores energéticos. Los problemas de la energía no se acaban una vez producida ésta, si no que hacen más que empezar: ahora llegan los problemas de suministrar dicha energía en la forma (mecánica, eléctrica, …), momento, lugar, … deseados. Para ello, se han desarrollado estos vectores energéticos, meros intermediarios o portadores de dicha energía. La energía puede puede manisfestarse de diferentes modos: energía eléctrica, mecánica, química, … La energía no siempre es utilizable, transportable o almacenable en su forma primaria o en forma que corresponde a su producción. Por tanto, debe disponer de formas de energía transformadas (o secundarías) de cómodo manejo no obtenidas directamente de la naturaleza (no se encuentran en la naturaleza de forma abundante, como por ejemplo los combustibles fósiles). Los vectores energéticos pueden ser muy variados:

Cinéticos: volante de inercia, central de acumulación(como las hidroeléctricas, almacenando la energía en forma de energía potencial del agua embalsada).
Electroquímicos (asociados a la eletricidad): batería, hidrógeno.
Entálpicos: gases comprimidos, vapor sobrecalentado
Térmicos: calor embebido en materiales de alto calor específico (como el agua que circula en las calefacciones domésticas).

Pues conociendo ya los principales vectores energéticos existentes, se trata de intentar «meter» sistemas que aprovechen éstos en un coche. Qué factores habrá que tener en cuenta para decidir la viabilidad del proyecto: peso, tamaño, precio (asociado al coste de adquisición y mantenimiento posterior), fiabilidad, … Algunos vectores energéticos como los derivados de la energía potencial del agua estarán descartados desde un principio.

Las baterías eléctricas son una realidad desde hace ya varios años. La aplicación del coche eléctrico está limitada por el momento a vehículos industriales por su uso en lugares sin suficiente ventilación (como las carretillas elevadoras) y coches experimentales como el supercoche japonés de ocho ruedas Eliica (tiene cierto parecido con el Citroën Tiburón, ¿verdad?), desarrollado por la universidad de Keio (Japón) y que cuenta con unas prestaciones de un auténtico superdeportivo. Aunque imaginaos por qué cuenta con ocho ruedas, debe de pesar una barbaridad (2400 kg para ser exactos).

Por citar alguna de las pocas ventajas (en lsa nuevas tecnologías, son casi todo incovenientes), se me ocurre que las piezas móviles son mínimas (por lo que la fiabilidad será bien alta) y que diréctamente se alamacena electricidad, por lo que ésta se utiliza directamente sin pérididas debido a rendimientos de dispositivos intermeidios. Entre las desventajas, todas tienen que ver con el caballo de batalla de esta solución: las baterías. La relativamente corta vida útil, el prolongado tiempo de recarga, la baja relación carga/peso, el elevado precio … de las mismas siguen siendo grandes obstáculos. También, al igual que las placas solares, tienen asociado un gran coste ecológico de fabricación. Aunque, gracias al desarrollo de baterías basadas en nuevos iones como los de Litio, las prestaciones de las baterías han mejorado sustacialmente respecto a las antiguas de plomo y ácido, Ni-Cd o Ni-Mh.

El aire comprimido se ha sido de los útimos en colarse entre los candidatos a suceder a la gasolina. La energía que alamacena un gas (energía interna) es directamente proporcional a la presión por el volumen que ocupa. Culaquier gas, al aumentar su presión, está adquiriendo una energía que liberará durante su expansión. Así, la propulsión de estos coches está asegurada gracias a unos depósitos de aire a alta presión (unas 300 atmósferas) que presumiblemente estarán fabricados en material compuesto para no ser tan pesados. Este aire a presión es conducido hacia el motor para generar trabajo. Existe bastante secretismo en torno a la arquitectura de estos motores (más de uno quiere o pretende sacar una buena tajada de sus patentes), ya que todos los diseños compiten por ser el que triunfe sobre los demás: ha de ser el más eficiente (sobre todo), más barato, más ligero. Principalmente, esta «pugna» por la cabeza se libra entre las patentes de Guy Nègre y Armando Regusci. Entre ellos, se dedican múltiples críticas técnicas que sus páginas web recogen. Ambos destinan todos sus esfuerzos a reducir las pérdidas de energía asociadas inevitablemente a la compresión y descompresión de un gas (pérdidas de energía en forma de calor debido al aumento de la temperatura al aumentar la presión).

Estos esfuerzos han desembocado en varios modelos de motor. Uno de ellos es un ciclo análogo al Diesel (en inglés está mejor, como casi siempre en la wikipedia). El motor, en principio monocilíndrico, admite aire del entorno y lo comprime en el cilindro (tiempo a-b) gasta el punto muerto superior elevando su presión a unos 20 bares y a una temperatura de unos 400ºC. A continuación el pistón comienza a bajar y se inyecta en el cilindro aire a muy alta presión procedente de los tanques de almacenamiento (tiempo b-c) aportando energía al aire comprimido del exterior de manera análoga al calor que introduce en el sistema la combustión del gasoil. Después de la inyección,el pistón continúa bajando (hasta el punto muerto inferior) por el efecto de la presión (tiempo c-d, es en este tiempo en el que se obitne la mayor parte del trabajo útil). Desde este punto, comienza a subir el pistón con la válvula de escape abierta para explusar el aire (tiempo d-a), cerrando así el ciclo.

Las ventajas del aire comprimido son más que evidentes: el aire es el vector energético más limpio, sencillo y abundante que podemos encontrar, precio de construcción bajo, menor tiempo tiempo de recarga que las baterías eléctricas y prestaciones semejantes a las de los coches atuales (al menos eso dicen los principales diseñadores, ya veremos en el futuro la realidad …).

Las desventajas también son cuantiosas: la recarga de los tanques es tremendamente ineficiente por lo referido al aumento de temperatura del aire al elevar su presión (ese exceso de temperatura creado durante la recarga se convertirá en una pérdida de energía en forma de calor disipado desde los tanques al medio). Otra gran desventaja respecto a otras opciones es que no cuenta con el respaldo de ningún gran fabricante de automóviles, por lo que el dinero para el desarrollo es más bien escaso (sólo hay que echar un vistazo a los prototipos de Armando Regusci, cualquiera diría que se trata de un prototipo sacado directamente de desguaces La Torre). Esta escasez inversora provoca una situación de desventaja de esta tecnología frente a las demás en un momento crítico (en cuanto a elección de tecnología definitiva) como es el actual. Otros problemas son la elevada relación peso/energía almacenada de los tanques, que obliga al diseño de vehículos de estructura muy liviana para compensar el peso de los tanques y para que no consuman mucha energía, pareciendo más bien coches sin carnet o de los playmobil. Yo, desde luego, no me veo comprando uno de estos …

El hidrógeno molecular (H₂) es el favorito para llevarse el gato al agua (nunca mejor dicho), por lo menos si atendemos a la gran cantidad de empresas automovilísticas, energéticas y de trasportes implicadas así como al gran nivel de desarrollo con el que cuenta actualmente esta tecnología. Marcas de todos los segmentos y continentes como Audi, BMW, Daimler-Chrysler, Fiat, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Mazda, Morgan, Nissan, PSA (Peugeot-Citroën), Toyota o Volkswagen han presentado sus propios prototipos o concept-cars.

Incluso Mercedes o MAN ya tienen sus primeros prototipos de autobuses urbanos circulando por grandes ciudades como Madrid o Barcelona (no dejéis de visitar esta página si queréis saber más acerca de las inciativas del trasporte público basadas en el hidrógeno). También grandes petroleras (viendo que el negocio del petróleo tiene los años o las décadas contadas) se han lanzado al desafío del abastecimiento de hidrógeno, entre los que destacan las «autovías de hidrógeno» (carreteras equipadas con surtidores de hidrógeno) como la de Noruega (de Oslo a Stavanger), con fecha de finalizaión prevista para 2009.

Los métodos para obtener la energía del enlace hidrógeno-hidrógeno (H2) son dos:

Directamente mediante combustión, ya que el H₂ es muy inflamable: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l) + calor (286kJ/mol de H₂). Esta la opción elegida para los motores cochetes principales (no los boosters) de los trasbordadores espaciales por ser una reacción muy energética.
A través de una celda de combustible, en la que se obtiene directamente energía eléctrica.

Esta celda se alimenta de hidrógeno molecular (procedente de los tanques de almacenamiento) y oxígeno molecular (procedente de la atmósfera) y, por medio de una reacción electroquímica, es capaz de generar una pequeña corriente eléctrica.

Reacciones:

2H₂ → 4H⁺ + 4e^–

O₂ + 4H⁺ + 4e^– → 2H₂O

Global:

2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l) + electricidad

La obtención de electricidad para alimentar motores eléctricos es mucho más aprovechable (y, en principio, mucho más eficiente que la obtención de calor mediante combustión interna), lo que hace a este proceso mucho más recomendable para la automoción. En cualquiera de los dos casos, la reacción sería completamente «limpia», arrojando a la atmósfera nada más que agua.

Como sabemos, el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo. En la tierra, se encuentra en forma molecular (H₂) o asociado a otros elementos; siendo la forma molecular abundante, pero no lo sufuciente como para asegurar el abastecimento a nivel global. Por tanto, hemos de producir ese hidrógeno molecular que vamos a consumir (asumiendo todas las pérdidas intermedias de energía en la producción). Volvemos así a recordar el concepto del hidrógeno como vector o portador energético y no como fuente de energía (salvo en el caso de la fusión nuclear, donde sí es una fuente de energía).

Las opciones son múltiples a lo largo del ciclo útil del hidrógeno, desde su obtención hasta su aprovechamiento en las diferentes clases de celdas de combustible.

Las formas de obtención de H₂ son numerosas: electrólisis de agua (con un rendimiento energético de entre el 80% y el 90%, se presenta como la favorita), reformado con vapor a partir de metano u otro hidrocarburo (del cual se obitienen productos contaminantes como CO o CO₂ y con un rendimiento del 65%) y obtención a partir de microorganismos generadores de hidrógeno (mediante reacciones en las que intervienen hidrogenasas) presentes en la descomposición de la biomasa son las principales. La ventaja de ésta última sobre las demás es que no hay que aportar energía de ninguna clase, aprovechamos la energía de la biomasa.

El almacenamiento, transporte y abastecimiento puede ser únicamento mediante: hidrógeno comprimido y hidrógeno en estado líquido o licuado (para lo que es necesario disminuir la temperatura hasta -252.87ºC). Casi con toda seguridad, la segunda alternativa será la final, ya que los recipientes los depósitos son mucho más ligeros al no estar sometidos a grandes presiones, aunque esta plicación de frío también tiene un coste energético …

En cuanto al aprovechamiento, existen también varios tipos de celdas con rendimientos semejantes. Los problemas a los que se enfrentan los diferentes tipos son costes elevados, temperaturas elevadas de trabajo, …

Como hemos dicho antes, con el avanzado estado de desarrollo de esta tecnolgía y el grado de implicación de instituiciones y empresas, salvo sorpresa mayúscula de alguna tecnología emergente, ésta será la tecnología del futuro. La verdad es que desarrollar algo nuevo es todo un mundo de inconvenientes, pero tal vez el hidrógeno haya superado los suyos. Sus ventajas frente a otras energías son bastante decisivas:

La densidad energética (energía almacenada/masa) del hidrógeno es muy alta. En el caso del H₂ líquido (un litro pesa tan sólo 0.07Kg), esta densidad es de 143MJ/Kg. En la gasolina es de 48.31MJ/Kg y en una batería de Li-ion es de aproximadamente 0.6MJ/Kg (en el mejor de los casos). Esta densidad energética también es mucho mayor que la del aire comprimido, ya que éste último basa el amacenamiento de energía en la presión, mientras que en el hidrógeno sólo es un camino para alamcenarlo (su energía se basa en el enlace hidrógeno-hidrógeno).
El tiempo de recarga es sustancialmente menor que en el caso de los coches electrícos. Mientras el tiempo de recarga en una hidrogenera es de unos minutos (15 actualmente en el caso de los autobuses, pero se llegará a unos 3 minutos), una bataría de Li-ion tarda en cargarse de 2 a 4 horas, inadmisible.

Concentración de No2

Entre las desventajas:

Destaca su baja densidad energética volumétrica (energía alamcenada/volumen), unos 8.7MJ/l (para el hidrógeno licuado); mientras que la de la gasolina es de 34.78MJ/l (cuatro veces la del hidrógeno líquido) y la del gasoil de 40.9MJ/l. Lo que hace que el almacenamiento sea cuatro veces más voluminoso que el actual de la gasolina.
Las bajas temperaturas de almacenamiento (en el caso del hidrógeno licuado) requiere sofisticados sistemas de refrigeración y aislamiento.
Las altas presiones de almacenamiento (en el caso del hidrógeno a alta presión) exige pesados depósitos de almacenamiento.
Al igual que ocurre con el aire comprimido, el almacenamiento supone de por sí un coste energético nada despreciable.
El hidrógeno es un gas inflamable, por lo que las medidas de seguridad encaso de incendio deben ser rigurosas.

Sea la alternativa final que sea, hay que optar por reducir la energía que consumen los automóviles:

Apostando por el uso masivo de materiales ligeros como los materiales compuestos, nanotecnología, aleaciones ligeras (como el duraluminio).
Adoptando como norma la instalación de freno regenerativo en el automóvil.
Mejorar la aerodinámica de los vehículos incluso sacrificando la disctadora estética y añadiendo soluciones como el carenado de los bajos.
También las congestiones de tráfico consumen energía, por lo que habrá que optar por otro tipo de medios de transporte, de vías, de automóviles (de un solo ocupante), …

Para concluir, quizás lo más importante y que no hemos dicho hasta ahora: el vector energético es tan limpio como lo sea el origen de la energía que dicho vector acumula. Si esta energía procede de la combustión de recursos fósiles, no habrá servido para nada el nuevo vector energético; sólo para concentrar en las centrales térmicas la producción de gases de efecto invernadero. Así que para que el invento del vector energético «funcione», hemos de basar la producción de energía en las energías renovables, en la fisión nuclear y en la futura (y ansiada) fusión nuclear. Aquí empieza otro tema de discusión: qué tipos de energía deben utilizarse y en qué proporción para tener un sistema energético adecuado, estable, limpio y suficientemente independiente.

Ahí podemos ver la sitación actual aproximada de los paises europeos en cuanto a la energía destinada al transporte (una situación tremendamente dependiente del exterior por el petróleo) y lo que se pretende en el futuro.

Es un tema sumamente trascendente en el que aun queda muuucha tela cortar. Pero de verdad quien se debería cortar es ese tal Al Gore y todos los que le secundan. Está muy bien que personas de su peso (tanto físico como político, aunque este sugundo algo menos) se preocupen por la causa, pero desde luego lo que revienta es que la opinión pública y los medios lo traten como el «mesías de la ecología». Más vale que se quede en su mansión (a juzgar por sus cifras, muy ecológica no es), de sus charlas vía internet y no derroche los cientos y cientos de toneladas de queroseno que quema su avión en los periplos por nuestro contaminado globo. No son formas!

Unos documentales muy interesantes para terminar: