Nissan e-Bio Fuel-Cell y su pila de combustible SOFC

Nissan-e-Bio-Fuel-Cell-Prototype-Vehicle-1Hemos comentado varias veces por estos lares que actualmente los coches propulsados mediante una pila de combustible de hidrógeno presentan un problema fundamental, la falta de puntos de recarga o hidrogeneras en los que llenar el depósito. Hoy en día tener un coche con pila de combustible de hidrógeno en la mayor parte de los núcleos poblados del planeta es como vagar por el desierto, ¡no va a acabar bien! Aprovechando los recientes Juegos Olímpicos 2016 de Río de Janeiro, Nissan, sponsor oficial de la competición, ha presentado en Brasil un prototipo de vehículo con pila de combustible SOFC que trata de salvar el problema evitando el uso directo de hidrógeno. Así, el obstáculo de la creación de una gran infraestructura para la distribución de hidrógeno, a imagen y semejanza de la actual red de gasolineras, quedaría a un lado. Vamos a hablar de dicho prototipo que el fabricante nipón ha dado en llamar Nissan e-Bio Fuel-Cell.

El prototipo Nissan e-Bio Fuel-Cell es básicamente una furgoneta Nissan e-NV200 modificada en la que se ha instalado una pila de combustible de tipo SOFC (Solid Oxide Fuel Cell o Pila de Combustible de Óxido Sólido) para extender su autonomía. Las pilas de combustible SOFC utilizan como electrolito óxidos metálicos sólidos y no porosos. Además, su temperatura de funcionamiento, a diferencia de las pilas PEMFC, es muy elevada entre 800ºC y 1000ºC de forma que pueda tener lugar la conducción iónica mediante iones de oxígeno.

Esquema del funcionamiento del Nissan e-Bio Fuel-Cell

Figura 1: Esquema del funcionamiento de la planta de energía del Nissan e-Bio Fuel-Cell con la pila de combustible SOFC y el reformador.

De la misma manera que en los vehículos de pila de combustible de otras marcas (Toyota Mirai, Honda Clarity o Hyundai ix35 FCEV) en este prototipo es necesario suministrar hidrógeno a la pila de combustible para generar una corriente eléctrica. Esta se utiliza posteriormente para alimentar un motor eléctrico a través de una batería de 24 kWh, lo que permite poner en movimiento el coche. La pila de combustible únicamente recarga la batería, funciona pues como un extensor de autonomía. Sin embargo, este prototipo no cuenta con depósitos de hidrógeno. ¿Magia? ¿Brujería? Nada más lejos de la realidad. Con lo que sí cuenta es con un depósito de etanol de 30 litros, y con, he aquí la clave, un reformador. Este reformador convierte el etanol en el depósito del vehículo en hidrógeno mediante un proceso que requiere energía y que libera dióxido de carbono y otros compuestos carbonados. Ese hidrógeno luego es conducido hasta la pila de combustible SOFC y voilá, la electricidad. La gran diferencia de este nuevo prototipo con los vehículos presentados hasta la fecha, además de que el tipo de pila de combustible es diferente, es que el hidrógeno se genera dentro del propio coche (Figura 1). Dada la elevada temperatura de funcionamiento de la pila de combustible SOFC se podrían suministrar hidrocarburos ligeros como metano, propano o butano ya que son reformados directamente en el ánodo, produciéndose hidrógeno. De esta forma no seria necesario un reformador a parte. Sin embargo, la mayoría de esos compuestos no tienen un origen renovable y por tanto el vehículo perdería parte de su atractivo. Además, no son líquidos y habría que presurizarlos, así como crear una infraestructura para su distribución, volviendo al problema planteado inicialmente.

Prototipo Nissan e-Bio Fuel-Cell Lateral

Figura 2: Prototipo Nissan e-Bio Fuel-Cell

Por tanto, el depósito del Nissan e-Bio Fuel-Cell no hay que llenarlo con un elemento que no hay quien encuentre, el hidrógeno, sino que se llena con etanol, normalmente bio-etanol, que es un compuesto más sencillo de obtener. De hecho, el bio-etanol que suele producirse a partir de la caña de azúcar o el maíz, es un combustible bastante extendido en los países de los continentes americano y asiático. Y aunque este carburante no esté aún completamente extendido, su difusión es mucho más sencilla que la del hidrógeno, pues no requiere de una infraestructura completamente nueva, sino que puede hacerse uso de la existente. Así, a diferencia del hidrógeno, esta tecnología no tiene una barrera tan grande para su implantación, y es más sencilla de introducir.

Por otra parte, el sistema planteado por Nissan puede ser incluso más económico que los tradicionales vehículos de pila de combustible de hidrógeno ya que no requiere depósitos presurizados de hidrógeno. Las reacciones se llevan a cabo más fácilmente debido a la elevada temperatura de funcionamiento de la pila de combustible SOFC por lo que tampoco se necesitan costosos catalizadores a base de metales nobles como el platino.

Además, el etanol es más seguro y fácil de manejar que la mayoría del resto de combustibles.

Prototipo Nissan e-Bio Fuel-Cell Frontal

Figura 3: Prototipo Nissan e-Bio Fuel-Cell

Pero como ocurre siempre, esta solución no es la panacea, a pesar de las ventajas mostradas antes. El proceso de reformado del bio-etanol que tiene lugar dentro del propio Nissan e-Bio Fuel-Cell, ya sea mediante vapor o por catálisis, requiere energía para llevarse a cabo. Dicha energía puede tomarse por un lado del calor residual de la pila de combustible SOFC que trabaja a altas temperaturas así como de la propia pila de combustible en forma de electricidad. Además, a diferencia de los vehículos convencionales de pila de combustible de hidrógeno, la furgoneta de Nissan emite junto al vapor de agua, compuestos carbonados al medio ambiente debidos al proceso de reformado, por ejemplo dióxido de carbono. Sin embargo, aunque se emita CO2 en el vehículo, si el combustible empleado es bio-etanol puede considerarse que el Ciclo del Carbono queda neutralizado, ya que el dióxido de carbono emitido habrá sido previamente capturado durante el crecimiento de los cultivos que dan lugar al bio-combustible. Así, el aumento del CO2 en la atmósfera será prácticamente nulo. Lo que no se consigue con esta estrategia es alejar la contaminación de CO2 debida al transporte de los grandes núcleos urbanos. Si bien, con la situación actual de la tecnología si se hace un análisis del pozo a la rueda (well-to-wheels), el vehículo de Nissan es más ecológico que los vehículos tradicionales de pila de combustible de hidrógeno, ya que la mayoría del hidrógeno comercial se obtiene a día de hoy de fuentes no renovables, por ejemplo del reformado del gas natural, así es que no tienen tan siquiera un Ciclo de Carbono neutralizado (más sobre el tema en: ¿Contaminan los coches impulsados por pilas de hidrógeno?) La esperanza en un futuro es que el hidrógeno proceda de fuentes renovables y no haya que verle la cara al CO2.

Prototipo Nissan e-Bio Fuel-Cell Trasera

Figura 4: Prototipo Nissan e-Bio Fuel-Cell

Debido a que la pila de combustible SOFC funciona a una temperatura muy elevada la gestión del calor suele ser uno de sus grandes problemas y en este caso no es menos. La propia marca nipona ha reconocido que tienen que trabajar más en el sistema de gestión del calor para evitar fluctuaciones bruscas de temperatura que reduzcan la durabilidad de la pila de combustible. Además, se encuentra el problema del arranque en frío de este tipo de pilas de combustible. Tras el arranque se tarda en alcanzar la temperatura óptima de funcionamiento de la pila de combustible SOFC, ya que esta es muy elevada. Esto produce ineficiencias en el proceso ya que el reformador emplea el calor residual de la pila de combustible y si esta no ha alcanzado su temperatura de funcionamiento el reformador no podrá trabajar correctamente, además la pila de combustible no será capaz de producir una corriente eléctrica adecuada hasta alcanzar su temperatura óptima.

Por otro lado, el reformador ocupará un cierto espacio, habrá que ver que capacidad útil queda en este tipo de vehículos. Este procesador de combustible también tiene un cierto retraso hasta iniciar la producción de hidrógeno, y su eficiencia en la conversión es de entre un 80% y un 90%. Si bien, las pilas de combustible SOFC no tienen grandes problemas con la contaminación de los electrodos por impurezas.

Según Nissan, esta e-Bio Fuel-Cell tiene una autonomía de unos 600 km estando su planta de potencia formada por una bateria de 24 kWh y un depósito de 30 litros de bio-etanol. Una furgoneta Nissan e-NV200, modelo de partida para este prototipo, tiene una autonomía homologada de 170 km con su batería de 24 kWh, por lo que el depósito de 30 litros tiene que ofrecer una autonomía de 430 km. Esto nos da un consumo de 7 litros cada 100 km. La marca japonesa va a testear su prototipo en las carreteras brasileñas a fin de mejorarlo y tratar de hacerlo comercial.

La producción y uso del bio-etanol tiene una serie de ventajas indiscutibles desde el punto de vista medio ambiental, pero no es menos cierto que plantea ciertos inconvenientes y problemas éticos desde el punto de vista del aprovechamiento y uso de las tierras de cultivo.  No estoy muy puesto en el tema, por lo que dejo aquí para quien quiera una página con información al respecto, enlace.

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