¿Es el hidrógeno lo bastante eficiente?

Si hay un tema que despierta profundas pasiones y enconadas discusiones en cualquier foro de aficionados a la movilidad alternativa es sin duda la competición entre los diferentes combustibles, y muy especialmente entre baterías (de litio generalmente) y pilas de hidrógeno. Hoy quiero enfocar este artículo mirando exclusivamente la eficiencia energética.

Todos sabemos que hoy por hoy el sistema más eficiente en términos de consumo de energía es el coche eléctrico. Veamos cuanta energía aprovecha un coche eléctrico contra el malgastador motor de combustión y la pila de hidrógeno y luego veremos hasta donde tiene que mejorar la tecnología del hidrógeno para ser competitiva energeticamente con el coche a baterías. Los costes, ventajas y pegas de cada sistema ya son harina de otro costal en los que no vamos a entrar en este artículo.

Así que voy a empezar por enunciar las presunciones realizadas. En general se acepta que la eficiencia de un motor térmico suele andar alrededor del 20%. Cierto que habrá motores que consigan más con ciclos y regímenes determinados pero en la vida real esas eficiencias son casi imposibles en transporte salvo en algunos casos, y habitualmente suele ser incluso inferior al 13%. Pero me voy a poner en una de las cifras más aceptadas y asumir ese 20% de eficiencia para todo motor de combustión. No voy a ponerme a analizar los híbridos ni híbridos enchufables ya que su variabilidad es muy grande y en el mejor de los casos supondrán aumentos de eficiencia relativamente modestos en comparación con la de un eléctrico.

En motores eléctricos hay un gran rango de eficiencias pero en general los usados en automoción andan entre el 85% y el 95% de eficiencia por lo que asumir un 90% es un compromiso aceptable, ya que además disponen de frenado regenerativo lo que aumenta la eficiencia. El cargador de baterías suele tener una eficiencia del 90% y la batería de litio otro 90%. El controlador si esta bien dimensionado alcanza el 95% de eficiencia o más pero por curarnos en salud tomaremos otro 90%.

La cadena completa resultante cargador-baterías-controlador-motor eléctrico tiene una eficiencia total del 73% pero he tomado el enfoque de tomar datos de distintos foros relativos al gasto de coches eléctricos donde muchos usuarios dan por buena una eficiencia general del proceso del 70 al 85% en función de varias condiciones. Por aquello de ponerme en el peor caso considero la eficiencia de toda la cadena del 70%. Para el coche de hidrógeno considero también las eficiencias de controlador y motor mencionadas. Al fin y al cabo un coche a pila de hidrógeno no deja de ser un coche eléctrico en el fondo.

Dado que el hidrógeno no existe libre en la naturaleza hay que generarlo. En el caso de la generación de hidrógeno hay dos posibilidades básicas. Se puede crear a partir del reformado de gas natural, petroleo o mediante gasificación de carbón y otros residuos, siendo el 96% de la producción de H2 mundial a partir de estos procesos, o si no a partir de la conocida electrolisis del agua. Escogemos la electrolisis por ser el único proceso que no genera CO2 ni residuos y es el único sostenible a muy largo plazo al no depender de combustibles fósiles.

Voy a ignorar las perdidas en la conversión ac-dc para la electrolisis que suelen ser del 10% como en el cargador del coche eléctrico. Además en la electrolisis actualmente se suele llegar a eficiencias del 60 o 70% aunque la literatura al respecto habla de procesos con un 80% de eficiencia por lo que tomamos ese 80% como válido. Lamentablemente luego hay que comprimirlo a 350 bares o más para que se pueda usar en los tanques del coche mediante un compresor iónico o un compresor electroquímico lo que conlleva un gasto de alrededor del 25% de la energía contenida en el gas. 75% de eficiencia en el proceso.

En el caso de un pila de hidrógeno los principales fabricantes como Honda ni siquiera dan cifras precisas sobre el rendimiento de sus pilas pero también vamos a ser más que generosos dándoles un 60% de eficiencia, aunque en general se presume que hoy por hoy las PEM no pasan del 50%.

Asumimos que la generación eléctrica venga en un futuro libre de combustibles fósiles con un 100% de energías renovables, tanto para el coche eléctrico a baterías como para la generación de hidrógeno. Asumiremos para curarnos en salud perdidas en transporte y distribución del 10% en la red eléctrica y voy incluso a ignorar el 5% de perdidas en la distribución de combustible, tanto para derivados del petroleo como para el hidrógeno que son valores bastante aceptados por la diversa literatura al respecto.

Tomando en consideración todas estas presunciones podemos ver la eficiencia general y simplificada de los tres sistemas en la fecha actual:

Y más vale que hemos sido generosos en todos los cálculos hacia el hidrógeno y hemos despreciado algunas pérdidas. Es decir, con la energía primaria necesaria para mover un coche de hidrógeno hoy por hoy podríamos mover al menos 2 coches eléctricos a baterías. Respecto al motor de combustión todos sabemos que el margen de mejora es cada vez menor y la hibridación eléctrica es hoy el único camino que permite mejoras significativas. Y aquí si que no hay manera de que llegue a un 63% de eficiencia.

Ahora vayamos al meollo y asumamos en primer lugar que la eficiencia del coche eléctrico no va a mejorar por encima de ese 63%. ¿Hasta donde debe mejorar la tecnología del hidrógeno para ser competitiva en eficiencia con las baterías? La parte eléctrica de controlador y motor es idéntica para ambos coches por lo que solo podemos considerar mejoras en tres aspectos, electrolisis, compresión y pila de combustible.

Estación de compresión iónica Linde

Los gastos de energía en compresión del hidrógeno difícilmente pueden mejorar mucho pero incluso eso vamos a considerar que mejora hasta perdidas de sólo el 15%, un 85% de eficiencia. En el mejor de los casos no se espera encontrar un proceso de electrolisis con más del 95% de eficiencia, así que tomemos ese dato. Veamos con todos estos datos cual es la eficiencia necesaria de la pila de hidrógeno para igualar la eficiencia del coche eléctrico a baterías:

No se a vosotros pero a mi me parece extremadamente improbable llegar a ver pilas de combustible con eficiencias del 96%, sobre todo porque el máximo teórico para pilas a temperatura ambiente es del 83%. Así pues como veis incluso tomando datos bastante realistas y mejorables para los eléctricos a baterías y los más optimistas posibles para el hidrógeno, despreciando incluso varios factores de perdidas, no hay forma de que la tecnología de hidrógeno supere en eficiencia energética a las baterías.

Pila de Hidrógeno del Honda FCX Clarity

A modo de curiosidad, hoy en día de manera más realista la eficiencia del coche de hidrógeno teniendo en cuenta todas las perdidas en conversión ac-dc y transporte de combustible sería aproximadamente esta:

Más de tres veces menos eficiente que un coche a baterías. No obstante tengo la seguridad de que la tecnología del hidrógeno seguirá mejorando y llegará a ser rentable, aunque más que en el transporte particular lo veo factible a muy largo plazo en transporte marítimo y tal vez transporte pesado por carretera. Lo que esta claro es que tarde o temprano sacar petroleo o gas no compensará por lo que una transición a otros sistemas de transporte es algo urgente.

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