Pilas de combustible de hidrógeno reducen las emisiones de CO₂

Electrificación de vehículos comerciales con pilas de combustible de hidrógeno

Las infraestructuras marítimas y portuarias son fuentes importantes de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Según la Organización Marítima Internacional, el transporte marítimo genera más de 900 millones de toneladas de CO₂ anualmente. La economía global depende del transporte marítimo para llevar sus productos al consumidor; hasta el 90% de la mercancía extranjera fluye a través de los puertos en buques portacontenedores, pero el coste para el medio ambiente es sustancial. Quienes viven cerca de puertos marítimos ajetreados están expuestos a niveles peligrosos de contaminación por las emisiones de motores diésel de los vehículos comerciales del puerto.

Por ejemplo, los manipuladores de contenedores cargan y descargan contenedores de los buques portacontenedores. Cada manipulador de contenedores emite hasta 144 toneladas de CO₂ por año, y un puerto de gran tamaño puede tener cientos de máquinas locales. Cambiar el motor diésel de un solo manipulador de contenedores por una alternativa ecológica tendría el mismo efecto que retirar de nuestras carreteras 32 vehiculos impulsados por gasolina.

Desde automóviles de pasajeros hasta camiones de larga distancia, locomotoras y maquinaria pesada, los motores de combustión interna (ICE) están siendo reemplazados por alternativas más ecológicas. Los vehículos eléctricos propulsados por baterías han llamado gran parte de la atención, con un número cada vez mayor de opciones disponibles para los consumidores tanto en modelos de automóviles como estaciones de carga. Pero en los puertos, los ICE son motores diésel en vehículos industriales pesados, como camiones de carga, montacargas y manipuladores de contenedores. Las baterías y la infraestructura de carga necesaria no sirven para muchas de estas operaciones.

Ahí es donde las pilas de combustible pueden ayudar.

Un puerto típico emite más de 110.000 toneladas métricas de dióxido de carbono al año.

Facilitar la electrificación

Las pilas de combustible son ideales para equipos pesados que deben funcionar durante turnos largos con un tiempo de inactividad mínimo para repostar combustible. Recargar una pila de combustible de hidrógeno lleva aproximadamente el mismo tiempo que llenar un tanque de gasolina de tamaño similar, mientras que recargar una batería de vehículos eléctricos pesados llevaría horas. Las pilas de combustible ofrecen la densidad de potencia y la autonomía necesarias para que el vehículo dure un turno de 8 horas. Una empresa que se centra en la tecnología de pilas de combustible para vehículos comerciales es Nuvera.

"Las pilas de combustible son mejores que las baterías cuando se requiere un largo alcance o cuando la carga de la batería lleva demasiado tiempo, por lo que son ideales para barcos, aviones, camiones, autobuses y vehículos de emergencia", dice Gus Block, fundador y director de Nuvera Fuel Cells.

"También son necesarias cuando las baterías son demasiado grandes para un vehículo o tan pesadas que comprometerían la carga útil", dice Block. “Por ejemplo, la batería necesaria para un manipulador de contenedores eléctrico sería del tamaño de un elefante pequeño”.

Foto de la pila de combustible de Nuvera.

Uno de los motores de pila de combustible de la serie E de Nuvera. Credito de imagen: Nuvera Fuel Cells.

Una alternativa eléctrica que no requiere recarga

Una pila de combustible no genera gases de escape, solamente calor y agua. Al no tener partes móviles, su diseño es simple: una membrana entre dos electrodos. Cuando el combustible de hidrógeno se encuentra con el ánodo, se divide en un protón y un electrón. El protón pasa a través de la membrana hasta el cátodo, donde se encuentra el oxígeno. El electrón toma un camino más largo entre los electrodos, desplazandose a través de un circuito eléctrico. El flujo de electrones crea la potencia para el motor. En el cátodo, los protones, electrones y oxígeno se combinan para formar agua.

El uso de modelado y simulación en tiempo real permite a los ingenieros de Nuvera repetir su diseño rápidamente y experimentar sin poner en riesgo al motor real.

La ciencia es simple, pero perfeccionarla para una fuente de energía de alto rendimiento no es fácil. Muchos factores gobiernan las múltiples reacciones dentro de una pila de combustible, y un sistema de control de software debe tenerlos en cuenta para obtener la máxima potencia y eficiencia del dispositivo. El sistema de control realiza correcciones constantes basadas en feedback.

"Uno de los mayores desafíos de diseño es mantener una hidratación adecuada de las pilas", dice Pierre-François Quet, ingeniero principal de Nuvera. “Si no hay suficiente agua, los protones no se desplazan; si hay demasiada, las pilas se saturan”.

Su sistema gestiona la hidratación cambiando la temperatura del refrigerante y manipulando el flujo de aire para aumentar o disminuir la evaporación. Nuvera utiliza MATLAB^® y Simulink^® para diseñar el software que controla un motor de pila de combustible, que generalmente incluye cientos de pilas de combustible agrupadas con refrigerante que fluye entre ellas, además de una bomba de refrigerante y un compresor de aire. En Simulink, también se implementa un modelo de planta del motor de pila de combustible, que comprende ecuaciones que gobiernan las reacciones eléctricas y químicas, y la temperatura y presión del agua, los gases y el refrigerante, según Quet. Con esta simulación, Nuvera desarrolla algoritmos para refinar el flujo de refrigerante para lograr el mejor rendimiento. Una vez finalizado el algoritmo, Simulink lo traduce en código que se ejecutará en un procesador integrado en el motor de pila de combustible real.

Manipulador de contenedores de carga superior en un muelle retirando dos contenedores grandes de una pila de contenedores.

Manipulador de contenedores de carga superior Hyster^® Credito de imagen: Hyster-Yale Group.

Los algoritmos de control también tienen en cuenta muchas condiciones de funcionamiento. En simulación, Nuvera prueba el sistema en temperaturas ambiente altas y bajas, y en ambientes de alta y baja humedad.

Para experimentar con sus algoritmos en un entorno más realista, Nuvera realiza pruebas de hardware-in-the-loop: Cargan su modelo de motor en una computadora personalizada fabricada por Speedgoat diseñada para tener las mismas entradas y salidas que el motor físico y simular su funcionamiento en tiempo real. La misma computadora integrada que hace funcionar el motor de pila de combustible está conectada a Speedgoat y programada a partir de código C generado en Simulink.

Esta configuración agrega rigor y al mismo tiempo permite a los ingenieros de Nuvera repetir su diseño rápidamente. También permite experimentar sin poner en riesgo un motor real.

Un híbrido diferente

Prácticamente todos los vehículos de pila de combustible son eléctricamente híbridos y funcionan tanto con pilas de combustible como con baterías. En algunos casos, las pilas de combustible proporcionan una carga lenta para mantener la batería cargada, mientras que en otras configuraciones tanto la pila de combustible como la batería alimentan los motores a través de un bus eléctrico. Las baterías también se emplean para aceptar la energía regenerada de un vehículo, como cuando un montacargas frena o baja una carga.

El equipo de Nuvera primero tuvo que construir un modelo de batería de iones de litio en Simulink, basándose en los datos proporcionados por el fabricante y recopilados internamente. También escribieron algoritmos que podían estimar el estado de carga de la batería basándose en voltaje y corriente. Luego utilizaron Simulink para programar el algoritmo de control. El sistema necesita mantener un nivel ideal de carga de la batería, de modo que siempre haya suficiente energía para la carga máxima y suficiente capacidad para reabsorber energía. El equipo de Nuvera también diseñó el tamaño óptimo para varios componentes del sistema probando los algoritmos en una variedad de escenarios simulados de carga y montacargas.

Lo mejor de ambos mundos

Las pilas de combustible comparten aspectos positivos con las baterías y los ICE. Al igual que las baterías, son escalables, silenciosas y no producen emisiones nocivas. Pero los vehículos de pila de combustible también ofrecen largo alcance y rápido tiempo de repostaje como los vehículos ICE de gasolina y diésel. El hidrógeno se puede almacenar a presión en un tanque de combustible que permite contener mucha más energía que una batería de las mismas dimensiones. En lugar de detenerse para recargar o cambiar una batería, se puede operar el vehículo durante tanto o más tiempo que uno a batería y lleva unos minutos llenar el tanque de combustible.

Un uso de los motores de pila de combustible de Nuvera es en montacargas fabricados por su empresa matriz, Hyster-Yale Group. Nuvera también ha integrado dos de sus motores de pila de combustible E-45 en un manipulador de contenedores Hyster.^® que se utilizará en el puerto de Los Ángeles, similar al modelo de la fotografía. Al reemplazar el motor diésel con un tren motriz eléctrico impulsado por pila de combustible en un solo vehículo, se eliminan 128 toneladas métricas de CO₂ al año. Los motores diésel de vehículos comerciales e industriales son una fuente de emisiones de carbono y contaminantes criterio que disminuyen la calidad del aire. Nuvera trabaja con otros fabricantes para utilizar pilas de combustible para electrificar autobuses, trenes y vehículos especiales para ayudar a reducir significativamente sus emisiones.

Persona conduciendo un montacargas, levantando carga en una estación de carga.

Montacargas de Hyster^® propulsado por pila de combustible. Credito de imagen: Hyster-Yale Group.

Las pilas de combustible son escalables y silenciosas, no producen emisiones nocivas y ofrecen largo alcance y corto tiempo de inactividad, como los vehículos ICE de gasolina y diésel.