¿A pila de hidrógeno o a baterías?

Independientemente de lo que cada uno piense de los coches eléctricos, térmicos o cualquier otra tecnología intermedia, una cosa está clara: tarde o temprano los combustibles fósiles se terminarán o serán económicamente imposibles de afrontar. Puede que no pase mientras vivimos los presentes, pero ocurrirá con total seguridad, así que llegará un momento en que el transporte tendrá que ser de otra forma, si o si.

Pensando en eso me ha venido de nuevo a la cabeza la dicotomía de baterías vs hidrógeno, los dos grandes candidatos actualmente para el futuro del transporte en la era post-petróleo. Es posible que recordéis aquel post que escribí hace ya unos dos años acerca de la eficiencia del hidrógeno. En él intentaba analizar el rendimiento del hidrógeno desde el punto de vista exclusivo de la eficiencia energética e intentaba demostrar que incluso con la mejor pila de combustible de hidrógeno posible, un coche eléctrico a baterías siempre es más eficiente energéticamente hablando.

Hoy voy a hacer algo parecido, pero diferente, valga la contradicción. Vamos a imaginar un buen sistema de hidrógeno, mejor que los actuales, y vamos a despreciar totalmente el aspecto de eficiencia energética y de los costes. Y vamos a ver en esas condiciones hasta donde tendrían que llegar las baterías para alcanzar en características puramente  técnicas a ese sistema de pila de hidrógeno. Para ello haremos dos versiones del mismo coche, una a baterías y otra a pila de combustible de hidrógeno, idénticos en todo lo demás, peso incluido.

Premisas de partida

Queremos un coche que sea apto para viajar y bien equipado, y para ello lleva un motor eléctrico de 100 kw (136 cv) nominales con una potencia pico de 125 kw (170 cv). Divertido pero sin ser salvaje. Recordemos que motor y controlador son iguales tanto para coche de pila como para el coche a baterías. Los demás sistemas auxiliares también son idénticos. Supongamos que ambos coches deben pesar lo mismo, unos 1500 kgs.

Imaginemos además que queremos que tenga unos 500 km de autonomía en carretera, cantidad de km que mucha gente marca como la mínima deseable en cualquier coche. Tomemos también por simplificar que nuestros dos coches, eléctricos los dos en el fondo, consumen 20 kwh a los 100 a una velocidad de 120 km/h. Por lo tanto con esas condiciones necesitaremos 100 kwh para tener una autonomía de 500 km en las condiciones ideales.

Ahora pasemos a ver cómo serían esos futuros sistemas imaginarios de hidrógeno y baterías.

Nuestro coche de pila de hidrógeno

Bien, así es como imagino un buen sistema de hidrógeno. Empecemos por la pila de combustible, que es un elemento necesario pero cuyo peso y tamaño no cambia en función de la autonomía. Según Honda la pila del nuevo Honda FCX Concept, de 100 kw de potencia, tiene una densidad de potencia de 3,1 kw/litro, por lo que una pila de 100 kw nominales ocupará tan sólo 32,25 litros. Realmente excelente.

En una versión anterior del Clarity pesaba 67 kg y ocupaba 57 litros para unos 100 kw, así que proyectando la mejora al peso también la nueva pila debería pesar alrededor de 38 kgs. Muy compacta y ligera, aunque en realidad se refieren únicamente a la pila en sí misma y obvian en ese cálculo de volumen todos los elementos auxiliares que lleva asociada la pila, que son unos cuantos. Pero ignoremos esos pesos y volúmenes extras y con vuestro permiso supongamos números redondos de 35 litros y 40 kgs, tamaño y peso muy contenidos.

El resto de potencia hasta los 125 kw de potencia punta del sistema deberá aportarlo una batería de unos cuantos kWh que además servirá para almacenar la energía recuperada en las frenadas o el exceso aportado por la pila. Además hace falta electrónica de control para la pila y la batería. No obstante ya que el post va en parte de posibles baterías futuras potentes y muy capaces y mejor electrónica asumiré que todo este peso y volumen es sencillamente despreciable.

La energía específica del H2 es de unos 33,3 kWh/kg. Como ya vimos en ese post anterior las pilas de combustible más utilizadas en vehículos tienen un límite teórico de rendimiento eléctrico del 83%, y actualmente se encuentran entre el 50 y 60% siempre que trabajen a su potencia nominal. Así que tomemos un 65% como aproximación, un límite por encima del real actual. De esta forma tenemos que cada kg de hidrógeno nos proporcionará 21,645 kwh de energía eléctrica aprovechable. Luego necesitaremos 4,62 kg de hidrógeno en el depósito del vehículo para tener esos 100 kwh y poder recorrer esos 500 km.

Supongamos ahora que tenemos el hidrógeno almacenado a 700 bares, que parece ser la presión que se está imponiendo como estándar en todos los modelos “comerciales”. ¿Recordáis las leyes de los gases ideales? Presión por volumen es igual al número de moles por la constante R por la temperatura del gas, en grados Kelvin, por supuesto (0ºC son 273,15ºK).

Usando la versión de la ecuación con la presión en atmósferas y el volumen en litros R es entonces 0,08206. A 25ºC (278,15ºK) un kilogramo de H2 (500 moles) a 700 bares (1 bar son 0,987 atms) ocupan un volumen de 17,71 litros, y a 50ºC (por seguridad), son 19,19 litros, por lo que tomaremos 20 litros por cada kilogramo de H2 por mayor seguridad. Nuestros 4,62 kgs de hidrógeno ocupan entonces como máximo 92,4 litros a 700 bares.

Desde luego es difícil y arriesgado por falta de datos precisos calcular lo que debe pesar y ocupar el conjunto de almacenamiento. Por poner un ejemplo del que he encontrado datos fiables, el Mercedes B-Cell almacena 3,7 kg en tres depósitos con un volumen interior total de 94 litros y 156 litros de volumen exterior. Así que en el B-Cell el espacio para el H2 supone el 60% del espacio ocupado por las bombonas del conjunto de almacenaje.

En cuanto al peso hoy en día el H2 en los tanques de almacenamiento es alrededor del 2% del peso del tanque, así que el almacenamiento de 4,62 kg de H2 bien puede pesar unos 230 kg.

No obstante voy a asumir mejoras sobre esas cantidades tomando que en esta ocasión el volumen del H2 es el 70% del volumen total y que el H2 supone hasta el 5% del peso del conjunto. Eso nos da para el almacenamiento del hidrógeno un conjunto de 132 litros y 92,4 kgs de peso y junto a la pila de combustible, en total nuestro sistema ocupará 167 litros y pesará tan sólo 132,4 kg. Muy ligero y compacto en general. Ojalá fuera cierto.

Nuestro coche de baterías

Evidentemente como ambos coches deben pesar lo mismo y tener el mismo tamaño, sea cual sea el peso y volumen de la batería debería ser igual al del sistema de hidrógeno, muy especialmente el peso.

En primer lugar decir que lo mismo que he ignorado algunas cosas para el coche a pila de combustible, como la batería que hace de buffer y otros componentes auxiliares de la pila de combustible, en el eléctrico puro a baterías voy a ignorar el espacio y peso del cargador de a bordo, el que transforma de alterna a continua. Por simplificar.

Bueno, al tajo con lo que nos ocupa. Meter 100 kWh en esos mismos 167 litros es hoy día un sueño. Para ello es necesario que el pack (no las celdas) tenga una densidad de energía de 599 wh/l. Suponiendo un ratio de volumen celdas/pack de 0,7, es decir, que las celdas ocupan el 70% del pack, lo demás es electrónica, soportes y refrigeración, tendremos que tener celdas con una densidad de energía de 856 wh/l. Eso es mejor que las Panasonic NCR18650B que llegan a los 750 wh/l, pero sin duda no parece una cifra complicada de alcanzar a corto-medio plazo o que puede haber sido ya alcanzada en algunos desarrollos.

Sin embargo para tener un pack de baterías de 132,4 kgs necesitamos un pack con una energía específica de 755 wh/kg y suponiendo un ratio celdas/pack en peso de 0,8 (alcanzado ya en ciertos desarrollos actuales), tendremos únicamente unos 105,92 kgs en celdas, y necesitaremos celdas de 944 wh/kg. Una cifra ya muy seria que queda todavía muy lejos de los 275 wh/kg aproximados de esas mismas NCR18650B de Panasonic. Hablamos de una mejora de un 343%. Las litio-azufre y otras químicas también podrían, en teoría, alcanzar esas cifras algún día, pero de momento reconozcamos que sólo podemos soñar con esa energía específica.

En cuanto a la potencia, con una potencia pico de motor de 125 kW el pack tendría que tener una potencia específica de celdas de 1.180 w/kg. Esta cifra ya la tenemos hoy día, e incluso bastante mayor en algunos tipos de baterías como por ejemplo las de A123 (B456 hoy día) sin ir más lejos, por lo que la potencia no sería un problema. Además las celdas de un pack de 100 kwh sólo tendrían que poder dar corrientes de 1,25 C para alcanzar los 125 kw.

Una cosa curiosa es que en ambos sistemas la potencia depende de factores distintos. En el coche de la pila de hidrógeno la potencia depende en exclusiva de la potencia de la pila y el apoyo que proporcione su batería auxiliar. En el de baterías, cuanta más capacidad tenga el pack, más potente es. Un pack de baterías de 100 kWh podría alimentar sin problemas a un motor de 500 kw, en cambio el sistema de H2 que hemos diseñado no podría hacerlo con esa pila, necesitaría una 5 veces más grande y potente. O tirar mucho de su batería intermedia, con sus correspondientes limitaciones.

También se pueden dibujar unas gráficas con supuestos que igualan ambos sistemas para 500 km de autonomía pero que nos indiquen la evolución de volumen y peso de cada sistema para otras autonomías diferentes. Si de repente quisiéramos 1000 km (200 kwh), entonces el sistema de hidrógeno necesario pesaría 224 kgs y ocuparía 299 litros. En cambio con esas supuestas celdas de 856 wh/l y 944 wh/kg el pack de 200 kwh se iría a los 265 kg y 334 litros. El sistema de hidrógeno sería algo más compacto y ligero en esas condiciones. En cambio si buscamos los 300 km (60 kwh) de autonomía en el coche a pila de combustible el sistema pesaría 95 kg y ocuparía 114 litros con los supuestos anteriores mientras que con esas baterías sólo pesaría el conjunto 79 kg ocupando 100 litros. Las baterías serían algo más compactas y ligeras.

De cualquier manera lo cierto es que cualquiera de esos dos sistemas es hoy día muy optimista, pero tal vez no podamos decir lo mismo dentro de 10 años.

¿Y el repostaje o la recarga?

Este es el caballo de batalla más mencionado en cuanto al “hidrógeno vs baterías” se refiere. Tesla ya ha demostrado que, precio y peso aparte, se puede hacer un coche a baterías real con unos 400 km de autonomía (a 120 km/h más bien unos 364 km). Parece claro que en algún momento, si abaratan el kwh y mejoran la energía específica, sacaran un pack más grande y alcanzarán realmente los 500 km a 120 km/h.

Además Tesla ha demostrado que es posible recargar en menos de una hora esa tremenda batería en sus Supercargadores. De hecho cargando a los 135 kw de potencia previstos, esos 100 kwh teóricos se cargarían en 45 minutos. Pero también es cierto que con la infraestructura adecuada un coche de pila de hidrógeno sería capaz de repostar en 5 minutos o incluso menos.

Así que para que nuestro coche a baterías de 100 kwh pueda recargar en 5 minutos, ¿que hace falta? Si nuestro coche aceptase recargas de 1,2 megavatios podríamos rellenar una batería de 100 kwh por completo en 5 minutos. Ahí es nada.

No parece muy realista, la verdad, aunque nunca se sabe. Y no por las baterías, ya que recargar a 1,2 megavatios una batería de 100 kwh es recargar cada celda a 12C, lo que técnicamente no es imposible. Las actuales SCiB de Toshiba pueden recargarse a 8C y eso en un pack de 100 kwh sería poder cargarlo a 800 kw, cargando los 100 kwh en unos 7,5 minutos. Y si recordáis hace ya tiempo vimos un avance con electrodos de óxido de vanadio y grafeno que permitían baterías capaces de descargarse y cargarse a potencias brutales de hasta 190C, lo que hace que 12C parezca bastante factible en un futuro relativamente cercano.

Otra cosa es que además para cargar a 1,2 megavatios, incluso a 1000 voltios eso siguen siendo 1.200 amperios. Aunque el coche aceptara 2000 voltios seguimos teniendo 600 amperios ¿Os imaginais el cable que hace falta para 600 amperios? No lo podríais casi ni mover. Probablemente tendría que enchufar la manguera algún tipo de brazo robot. La de Chademo ya es incómoda y solo necesita transportar 125 amperios.

Y por último está la infraestructura, ya que no parece muy sensato pensar en electrolineras por doquier con puntas de varios megawatios. Pero si llegamos a ese punto de despegue de la movilidad eléctrica la solución serán las instalaciones con almacenamiento intermedio. Un sistema de gran capacidad de baterías (por ejemplo de flujo, inerciales, o de segunda vida) en una electrolinera podría absorber y almacenar energía de la red de forma moderada y constante en función de las previsiones diarias, por ejemplo a 50, 100 o 200 kw. Potencias muy asumibles.

Así desde el lado de la infraestructura la electrolinera es una carga constante que no plantea mayores problemas. En el momento de llegar un coche a la electrolinera a recargar es el sistema intermedio de almacenamiento quien vuelca la energía en el coche a la potencia necesaria. La red ni se entera. Esta clase de sistema tiene particularmente sentido si está bien dimensionado y conectado a una red inteligente, pudiendo además funcionar estas estaciones como respaldo o estabilizador de la red en puntas de consumo, o como depósitos en momentos valle.

Ya existen compañías que ofertan esta clase de soluciones en forma de trailers o contenedores para gestión de grandes cargas o almacenamiento de energía para redes de parques eléctricos. La tecnología desde luego ya existe y está comercializada, y su mercado crece cada año.

Bueno, me direis, pero todo eso será muy caro. Desde luego hoy lo es, y mucho, pero también las hidrogeneras lo son, y las estaciones de cambio de baterías. El tiempo y la economía tendrán la última palabra, desde luego.

De cualquier modo yo no creo que veamos cargas así de potentes fácilmente. No las veo realistas ni necesarias, así que desde ese punto de vista creo que el hidrógeno tendrá la partida ganada por mucho tiempo a no ser que el intercambio de baterías se convierta en algo estándar, cosa que dudo seriamente.

Sin embargo la recarga rápida en un futuro a medio-largo plazo a potencias de 200 kw sí parece más realista. Recordad además que es aconsejable parar cada dos o tres horas de conducción por lo que en una pausa de 15 minutos a 200 kw de potencia podríamos recargar hasta 50 kwh. Suficiente para más de dos horas en autopista, y a 200 kw la corriente de carga por celda en una batería de 100 kwh es de sólo 2C. Yo desde luego puedo vivir con eso sin problemas. Esos 200 kw empiezan a sonar cada vez mejor como potencia de compromiso.

Y fin…

En definitiva, ahí tenéis mis conclusiones y mis cifras, que son por supuesto muy opinables. Pero si algún día las baterías llegan a tener 944 wh/kg, 856 wh/l y llegan a admitir recargas sin problemas a 12C, técnicamente ya serán iguales a un muy buen sistema de pila de combustible de hidrógeno para autonomías de 500 km. Los costes ya son asunto para otro día. Que cada cual saque ahora las conclusiones que quiera, pero sed buenos y corteses ante todo. Al fin y al cabo, los dos son coches eléctricos.