David Ras
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Guía de los vehículos de pila de combustible FCEV de hidrógeno
En este post hablaremos de la encrucijada que tuvo BMW en 2013 y de porqué escogió a Toyota, de como funciona un vehículo de hidrógeno FCEV, de cuanto cuesta, de si el hidrógeno es seguro, de los tipos de hidrógeno que hay y de si contamina.
Pero también de como funciona una pila de combustible, de su vida útil, de como se fabrica, de si tiene futuro, de donde se fabrica el iX5, de la experiencia de BMW en su fábrica de Leipzig, de que es el CFRP de los depósitos de hidrógeno, y compararemos los vehículos FCEV frente a los BEV y PHEV.
La encrucijada de BMW en 2013
BMW empezó a experimentar con vehículos de hidrógeno en 1979 pero después de 34 años (en 2013) se dio cuenta de que estaba en un callejón sin salida, tenía que volver a empezar casi de cero y realizar dos costosos cambios tecnológicos importantes, o aliarse con un fabricante de pilas de combustible.
Los dos costosos cambios tecnológicos consistían en:
Y optó por la opción de aliarse con un fabricante de pilas de combustible, Toyota.
¿Porqué Toyota?
Porque BMW ya había tenido acuerdos con Toyota en el pasado, porque Toyota ya había desarrollado una pila de combustible y porque Toyota estaba a punto de lanzar comercialmente (en 2014) el Mirai, el primer vehículo comercializado con pila de combustible de serie, lo cual le serviría a BMW para testear la aceptación del público en general de los vehículos de hidrógeno.
Al final de este post volveremos a hablar de Toyota.
¿Como funciona un vehículo de hidrógeno FCEV?
Un vehículo eléctrico de pila de combustible (FCEV, Fuel Cell Electrical Vehicle) carga hidrógeno a presión en una “hidrogenera” y lo almacena en un depósito (ver foto). El depósito suministra el hidrógeno a la pila de combustible y esta, mediante una reación química, produce electricidad que puede enviarse al motor eléctrico del coche, si está en marcha, o a la batería para almacenarse.
La batería, llamada “batería de tracción” y que guarda la electricidad como depósito intermedio hasta que se necesita, es mucho más pequeña y ligera que las baterías de los vehículos eléctricos puros BEV ya que se recarga constantemente desde la pila de combustible.
*Foto del funcionamiento de un vehículo de pila de combustible (FCEV).
En la pila de combustible se produce un proceso llamado de “electrólisis inversa” en el cual el hidrógeno proveniente del depósito se mezcla con oxígeno del medio ambiente, que reaccionan produciendo electricidad, calor y agua en forma de vapor, por lo que no produce emisiones, ni de CO2, ni de NOx.
Y como el motor eléctrico de un vehículo de pila de combustible (FCEV) es el mismo que lleva un híbrido enchufable PHEV o un eléctrico BEV, en realidad un vehículo de pila de combustible (FCEV) es y se considera un vehículo eléctrico.
Tanto los vehículos FCEV como los PHEV y BEV tienen motor eléctrico, pero la principal diferencia es el acumulador de energía: los PHEV y BEV acumulan electricidad (en las baterías), y los FCEV acumulan hidrógeno gaseoso (en los tanques o depósitos).
Un depósito de hidrógeno pesa mucho menos que un paquete de baterías. Y se carga en 3 ó 4 minutos, un tiempo parecido al de un coche de combustión, pero mucho más rápido que una batería.
A diferencia de los vehículos eléctricos puros BEV y los híbridos enchufables PHEV, los vehículos de pila de combustible FCEV generan la electricidad por ellos mismos y no necesitan de una fuente de electricidad externa.
Y al igual que los BEV y PHEV, los FCEV también pueden recuperar energía de frenado (freno regenerativo) cuando el motor funciona como generador, transformando la energía cinética en energía eléctrica y enviándola a la batería para almacenarla.
Además, la sensación al volante es parecida a la de los BEV, con una rápida aceleración silenciosa, ya que los motores eléctricos entregan todo el par ya desde un régimen de revoluciones bajo.
¿Como funciona una pila de combustible?
Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de un combustible (generalmente hidrógeno) y de un oxidante (el oxígeno del aire), directamente en electricidad, calor y agua. A diferencia de una batería convencional, no se agota ni necesita una recarga eléctrica periódica, funciona sin pararse mientras siga recibiendo un suministo continuo de combustible (hidrógeno).
El hidrógeno, en su forma más común, es el átomo más sencillo que hay: un núcleo con 1 protón (carga positiva) y 1 electrón (carga negativa) orbitando alrededor del núcleo. No tiene neutrones (carga neutra) en el núcleo.
Imaginemos la pila de combustible como un bocadillo de tres capas:
La pila más habitual es la de hidrógeno con membrana de protones (PEM) como electrolito. En ella, el proceso es muy simple:
1) Entra el hidrógeno gaseoso (H2) a la pila por el ánodo.
2) Se encuentra un catalizador (platino) que separa el protón y el electrón del hidrógeno.
3) Los protones van hacia la membrana del electrolito, la atraviesan y van hacia el cátodo.
4) Los electrones también van hacia la membrana del electrolito pero no pueden atravesarla, así que salen por un circuito externo. Este flujo de electrones que sale de la pila de combustible es, precisamente, la electricidad que hace funcionar el motor eléctrico del vehículo.
5) Los protones que han llegado al cátodo se encuentran con el oxígeno (O2) que entra por él, y se combinan entre si los protones del hidrógeno y los átomos de oxígeno formando moléculas de H2O (agua) y calor.
*Secuencia de fotos.
1) Por la izquierda entra el hidrógeno (H2, color azul) y por la derecha el oxígeno (O2, color rojo).
2) El hidrógeno se separa en protones (+) y electrones (-). Los protones (+) pasan por la membrana, pero los electrones (-) no la pueden cruzar y salen por arriba creando electricidad.
3) Los protones (+) que han pasado por la membrana se acercan a los átomos de oxígeno.
4) Los protones (+) se combinan con los átomos de oxígeno y forman moleculas de H2O (agua).
5) El agua sale por la parte inferior de la pila, hacia el tubo de escape.
6) Los electrones (-) que salen por arriba creando electricidad van hacia el motor eléctrico trasero y/o hacia la batería “de tracción”.
Como la pila de combustible no tiene partes móviles, a diferencia de un motor de combustión, prácticamente no hace ruido, por el tubo de escape solo sale vapor de agua si el hidrógeno es puro, y es mucho más eficiente porque no quema combustible para generar movimiento, como si hacen los coches de combustión.
En función del eléctrolito o membrana separadora hay varios tipos de pilas de combustible:
¿Que vida útil tiene una pila de combustible?
Pues depende del tamaño de la pila de combustible y para lo que se use (coche, camión o fábrica). Se mide en horas de funcionamiento antes de que la pila pierda cierto porcentaje de su eficacia original (acostumbra a ser del 10 al 20%).
Una pila de combustible funciona de manera óptima en un rango de temperatura de entre 60 °C y 80 °C, y fuera de este rango sufre.
La degradación de una pila de combustible no es mecánica (no hay partes móviles que se mueven o rocen), sino química y de desgaste de materiales. Lo que más desgasta la pila de combustible son:
Por ejemplo, gases como el monóxido de carbono (CO) o el dióxido de azufre (SO₂ / SO2) son letales para el catalizador de platino, porque se adhieren a él y bloquean los sitios donde debería reaccionar el hidrógeno, produciéndose el llamado “envenenamiento del catalizador”.
Los óxidos de nitrógeno (NOₓ / NOx) también son perjudiciales porque pueden reaccionar dentro de la pila y formar ácidos que degraden la membrana polimérica, que es la pieza central que separa los gases.
Y las partículas en suspensión (polvo y hollín) también son perjudiciales porque pueden obstruir los poros de las capas de difusión del gas, impidiendo que el oxígeno llegue al sitio donde debe reaccionar.
*Foto del iX5 G05 en Arjeplog, Suecia.
Para evitar que el agua se congele, el vehículo realiza una purga cada vez que se para, y así la pila de combustible queda seca. Además, el tubo de escape tiene pendiente para que el agua sobrante fluya hacia la salida por gravedad, los conductos tienen el diámetro ampliado para que una pequeña capa de hielo no obstruya totalmente el paso del aire, los conductos están aislados termicamente para mantener el agua líquida o como vapor, y parte del calor residual generado por la pila se utiliza para calentar el tubo de escape y evitar la formación de hielo mientras el coche está en marcha.
Si a pesar de todo el agua se congelase, algunos modelos tienen resistencias eléctricas distribuidas en zonas críticas para descongelarla en pocos segundos, y otros hacen circular una pequeña cantidad de energía para generar calor interno rápidamente.
*Foto del iX5 G05 en Arjeplog, Suecia.
Como curiosidad, se dice que en teoría el agua que sale de la pila de combustible es tan pura que se podría beber (aunque en realidad es agua destilada), pero los fabricantes recomiendan no hacerlo porque podría arrastrar polvo o impurezas alojadas en el tubo de escape.
¿Como se fabrican las pilas de combustible?
En la pila de combustible se produce una reacción química entre el hidrógeno gaseoso almacenado en los depósitos del coche y el oxígeno del aire exterior convenientemente filtrado, por lo que es muy importante, para la eficacia del sistema de propulsión, mantener constante el suministro de hidrógeno y oxígeno a la válvula de entrada de la pila de combustible.
Los equipos completos de pilas de combustible se fabrican en tres fases:
Una vez inspeccionadas las celdas individuales para detectar posibles daños, las celdas se comprimen a máquina con una fuerza de cinco toneladas y se colocan dentro de una carcasa exterior fabricada en aluminio.
Esta carcasa se ha fabricado previamente inyectando aluminio fundido dentro de un molde de arena compactada mezclada con resina.
Las celdas y la carcasa se pueden fabricar en fábricas de Toyota o de BMW, aunque actualmente las celdas vienen de Toyota, las carcasas de BMW Landshut, y el ensamblaje final se hace en BMW. Gran parte del proceso está automatizado.
La bomba o compresor que inyecta hidrógeno y oxígeno a la pila de combustible, está fabricada con piezas de plástico fundido y de aleaciones ligeras también en la fábrica de Landshut, y crea una especie de sello estanco que impide la entrada del aire y del agua exterior que podrían dañar la pila de combustible.
Una vez instalado el compresor, se instalan el ánodo y el cátodo de la pila de combustible, la bomba del circuito de refrigeración, el mazo de cables y se realizan pruebas exhaustivas de tensión y de la reacciones químicas en el interior de las pilas.
Una vez comprobado que todo está correcto, se acaban de ensamblar los componentes finales y se entrega el sistema completo de pila de combustible para que se instale dentro del vehículo.
¿Donde se fabrica el iX5?
Las celdas de la pila de combustible las fabrica Toyota.
Los sistemas de pilas de combustible y los iX5 se fabricaron en el Centro de Investigación e Innovación (FIZ) de BMW en Múnich, aunque algunos prototipos y conponentes se construyeron en la fabrica de Steyr, en Austria.
En el Centro de Investigación e Innovación (FIZ) de Múnich se fabrica la primera unidad de cada nuevo modelo de BMW y Mini. Alrededor de 900 personas trabajan allí en el taller de carrocería, montaje, ingeniería de modelos, construcción de vehículos conceptuales y fabricación aditiva. Se encargan de garantizar que tanto el producto como el proceso de fabricación estén listos para la producción en serie.
En el caso del BMW iX5 Hydrogen, los especialistas en tecnología del hidrógeno, desarrollo de vehículos y montaje inicial de nuevos modelos colaboraron estrechamente para integrar la tecnología punta de propulsión y almacenamiento de energía en el chasis de un X5 G05.
¿Es seguro el hidrógeno?
Si, y los vehículos de hidrógeno como el iX5 cumplen todos las normas de seguridad vigentes.
Si el hidrógeno entra en contacto con el oxígeno del medio ambiente puede reaccionar de forma incontrolada e inflamarse. Para evitarlo, un vehículo de pila de combustible debe almacenar el hidrógeno en estado gaseoso en depósitos altamente seguros de paredes gruesas y seguras como el CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer, Polímero reforzado con fibra de carbono).
Se ha realizado muchos tests y pruebas de colisión y confirmaron la seguridad del diseño, porque los depósitos no sufrieron daños ni hubo fugas de hidrógeno.
Además, la tecnología del hidrógeno no es nueva y se utiliza en las refinerías de petroleo como gas de procesamiento del petroleo crudo, y hay canalizaciones y almacenes de hidrógeno desde hace décadas sin problemas.
¿Cuanto cuestan los vehículos de hidrógeno?
En los vehículos propulsados por hidrógeno, al igual que en los vehículos de otras tecnologías, hay tres tipos de costes (de adquisición y de operación):
Según BMW, un kilogramo de hidrógeno cuesta unos 14 Euros y se pueden hacer unos 100 kilómetros en un vehículo de pila de combustible. Por tanto, el coste es de 14 Eur / 100 km.
Según pruebas reales (electrive.com), el coste del hidrógeno está entre 16,75 y 17,75 Eur por kilogramo de hidrógeno, y el consumo real entre 1,4 y 1,6 kg / 100 kilómetros, lo que da un coste de entre 23,45 y 28,4 Eur / 100 km.
Para comparar, un BMW iX xDrive50 tiene un consumo medio real de 23,7 kWh / 100 km (spritmotor.de) que, con los precios de Ionity, serían 16,56 Eur / 100 km. Con el “Ionity Passport Power” quedarían en 9,36 Eur / 100 km, pero con una cuota mensual de 11,99 Eur / mes.
En un coche de combustión de gasolina, por ejemplo, con un consumo medio de 6 litros / 100 km, y un precio de 1,60 Eur / litro, el coste es de 9,6 Eur / 100 km.
Se prevee que en 2030 el coste del hidrógeno en Alemania sea de entre 4 y 6 Euros el kilogramo, es decir, entre 4 y 6 Eur / 100 km (con consumos de 1 kg / 100 km), lo que es sensiblemente inferior al coste actual de la gasolina o el diésel, que no se prevee que bajen.
Pero con consumos reales de entre 1,4 y 1,6 kg / 100 km, el coste estaría entre 5,6 y 9,6 Eur / 100 km. Es decir, que el precio del hidrógeno tiene que bajar mucho, o la gasolina y el diésel subir mucho, para que los coches de pila de combustible sean rentables.
¿Tiene futuro la pila de combustible y el hidrógeno?
Según un informe de la Agencia Internacional de la energía (AIE), el hidrógeno tiene un enorme potencial como fuente de energía del futuro, en el marco de la transición energética, gracias a su capacidad de almacenamiento y transporte, y porque puede utilizarse en una gran variedad de aplicaciones.
Para que la pila de combustible y el hidrógeno como combustible sean un éxito se necesitan varias cosas:
Para ello, BMW participa en varias asociaciones, fundaciones, y empresas para promocionar el hidrógeno.
BMW es uno de los trece miembros fundadores del Hydrogen Council, una iniciativa de alcance mundial en la que participan empresas líderes (energéticas, industriales, del transporte y la logística, fabricantes de vehículos, etc.) para fomentar la colaboración entre los gobiernos, la industria y los inversores con el objetivo de promover la transición hacia un uso del hidrógeno como energía limpia, pero no solo para la automoción, sino también para sistemas de calefacción, generación de electricidad y procesos industriales.
BMW y otros fabricantes de automóviles se han aliado con productores de hidrógeno y operadoras de estaciones de servicio (hidrogeneras) en la iniciativa industrial llamada Clean Energy Partnership para fomentar el despliegue y el desarrollo de las infraestructuras para la movilidad basada en el hidrógeno.
*Foto del iX5 G05 en una hidrógenera.
El consorcio Clean Energy Partnership está formado por empresas como BMW, Toyota, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz, Volkswagen (Audi), Ford, Opel (Stellantis), Shell, TotalEnergies, Air Liquide, Linde, Vattenfall, EnBW, Berliner Verkehrsbetriebe (BVG, operador de transportes de Berlín), Hamburger Hochbahn (operador de transportes de Hamburgo).
Busca estandarizar y crear normas internacionales para las estaciones de servicio de hidrógeno (hidrogeneras), garantizando la interoperabilidad, es decir, que cualquier vehículo pueda cargar en cualquier sitio de forma segura. Es el que ha creado la norma que el hidrógeno se tiene que suministrar a 700 bars de presión en los coches, y a 350 bars en los vehículos pesados (camiones y autobuses), hidrogeneras de carga rápida (de 3 a 5 minutos para un depósito completo, igual que en los coches de gasolina y diésel), y el que valida el funcionamiento de todo tipo de vehículos de pila de combustible en condiciones reales.
*Foto de dos vehículos de pila de combustible FCEV en una hidrogenera: un iX5 G05 y un camión Iveco. En el centro se puede ver el surtidor de hidrógeno (H2), con las mangueras H70, indicando hidrógeno a presión de 700 bars para coches, y H35, indicando hidrógeno a presión de 350 bars para camiones y autobuses. De hecho, viendo las mangueras de los surtidores, los vehículos estan intercambiados: donde está el coche debería estar el camión y al revés, donde esta el camión debería estar el coche, pero entonces la foto no sería tan bonita.
Muchas veces se confunde el consorcio “Clean Energy Partnership” con el organismo “Clean Hydrogen Partnership”, que no son lo mismo ni hacen lo mismo.
Como hemos comentado, el consorcio “Clean Energy Partnership” (CEP) es un proyecto liderado por empresas que trabajan “sobre el terreno” para hacer realidad el transporte no contaminante e implementar soluciones de mercado y movilidad limpias.
En cambio, el “Clean Hydrogen Partnership” es un organismo de la Unión Europea de colaboración público-privada que gestiona fondos multimillonarios para financiar la investigación y la innovación en tota la cadena de valor del hidrógeno dentro del programa Horizon Europe.
Hasta 2021 la Clean Hydrogen Partnership se llamaba FCH JU (Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking), y fue un organismo europeo clave en el desarrollo del hidrógeno, porque coordinaba la Comisión Europea con las asociaciones Hydrogen Europe (más de 260 empresas) e Hydrogen Europe Research (universidades y centros de investigación) para llevar el hidrógeno y las pilas de combustible de los laboratorios hasta el mercado comercial.
En el periodo 2021-2027 tiene un presupuesto de 1.000 millones de euros, más otros 1.000 de inversión privada, de los cuales se han aprobado 185 millones en el 2025 para 7 proyectos dedicados a la producción de hidrógeno renovable, 3 proyectos al almacenaje y distribución, y el resto para financiar Valles de Hidrógeno.
Entre sus principales éxitos hay la financiación de la investigación para reducir el uso del platino (muy caro) en las pilas de combustible, con una reducción de costes muy importante, la financiación del despliegue de autobuses de hidrógeno en las ciudades europeas (JIVE), la producción de hidrógeno verde masivo para descarbonizar la industria pesada (acero, cemento, química) y el transporte a larga distancia (barcos, aviones y camiones), y la creación de una red europea de hidrogeneras (H2ME).
Para el 2026 se está trabajando en reducir el precio del hidrógeno limpio para que cueste entre 1,5 y 3 Eur / kg, y que los costes de distribución bajen de 1 Eur / kg, en mejorar la eficiencia de los electrolizadores como la membrana de intercambio de protones o los de óxido sólido, en desarrollar sistemas de pila de combustible suficientemente potentes y fiables para camiones de larga distancia y barcos, y en los llamados Valles de Hidrógeno, ecosistemas locales donde se produce, almacena y consume hidrógeno en un mismo territorio (podríamos llamarlo hidrógeno de km cero), de los cuales ya hay 21 en Europa y ya se han invertido 1.300 millones.
BMW está invertiendo en instalaciones e infraestructuras de hidrógeno con el proyecto HyMoS (Movilidad de Hidrógeno a Escala), una colaboración entre múltiples socios e instituciones del sector para impulsar el ecosistema del hidrógeno con la introducción de un estándar en las estaciones de servicio que las haga viables, que sirva para todo tipo de vehículos, incluyendo camiones, autobuses y turismos, y que ya está en fase piloto en Alemania y Francia.
HyMoS refuerza los proyectos existentes, fomenta la demanda y facilita las operaciones de las hidrogeneras, pero también recopila información valiosa para expandir las hidrogeneras a zonas urbanas y a otros paises, con el objetivo de que los coches de pila de combustible sean un éxito y de que haya el mayor número posible de hidrogeneras en todo el mundo.
BMW participa en la empresa H2 MOBILITY que se encarga en Alemania de la planificación y explotación de las hidrogeneras.
Estudios recientes realizados en Alemania demuestran que una infraestructura mixta con puntos de recarga eléctrica y de hidrógeno es globalmente más barata y eficiente que una infraestructura de recarga solo eléctrica.
Sin embargo, el éxito de la pila de combustible y del hidrógeno dependerá de la producción competitiva de cantidades suficientes de hidrógeno (barato) a partir de energía verde (no contaminante), así como de la expansión de la correspondiente infraestructura de surtidores (hidrogeneras), que ya se está intentando en muchos países.
La experiencia de BMW en Leipzig
Cuando BMW tomó la decisión en 2013 de utilizar la pila de combustible de hidrógeno como futuro motor de sus vehículos, una de las primeras cosas que hizo fue construir un punto de repostaje de hidrógeno (hidrogenera) en su fábrica de Leipzig, y fue la primera bajo techo de Alemania. Hoy tiene 5 puntos de repostaje en ella, y el más reciente permite el repostaje totalmente automatizado.
En ellos repostan las más de 130 carretillas elevadoras industriales propulsadas por pila de combustible (tipo toro o de horquilla), la mayor flota de Alemania, y los trenes de remolque interiores de la fábrica.
Además, la fábrica de Leipzig es la primera del mundo en incorporar en su tren de pintura una tecnología de quemador nueva en la que se puede quemar hidrógeno verde junto al gas natural convencional (en este caso no es una pila de combustible).
En el futuro, a partir de mediados de 2027, la fábrica de Leipzig se conectará interiormente por un gasoducto de hidrógeno de casi 2 km de longitud, que abastecerá de hidrógeno a toda la planta. Este gasoducto sustituirá el actual suministro de hidrógeno mediante camión con el consiguiente ahorro.
Además, BMW también está probando el uso de hidrógeno para la descarbonización de los transportes, y participa en los proyectos de investigación H2HAUL para el desarrollo y el uso experimental de camiones con pila de combustible, y el proyecto HyCET que está probando camiones de hidrógeno con motor de combustión en la logística de transporte.
Se prevé que en el futuro los prototipos de vehículos de hidrógeno Neue Klasse se fabriquen en la planta de BMW en Dingolfing,
¿El hidrógeno contamina? Tipos de hidrógeno
El hidrógeno puede fabricarse a partir de combustibles fósiles o utilizando electricidad.
Si se utilizan combustibles fósiles, el vehículo de hidrógeno tiene un impacto negativo sobre el clima, porque contamina. Ese impacto negativo será mayor o menor en función del combustible fósil utilizado. En este sentido, el vehículo de hidrógeno no es distinto a los demás vehículos eléctricos.
Si se utiliza electricidad para producir hidrógeno, y esta procede de fuentes de energía renovables, entonces la producción de hidrógeno no contamina ni deja ninguna huella de carbono.
Aunque el hidrógeno es un gas incoloro, para distinguir la procedencia y el método de fabricación se le han asignado unos colores en función de lo que contaminan.
Tal y como hemos comentado, para producir hidrógeno no contaminante se necesita energía eléctrica, y lo ideal es que se utilice electricidad procedente de fuentes de energía renovables para no contaminar.
Esa electricidad descompone el agua en hidrógeno y oxígeno en un proceso de electrólisis, y el gran inconveniente son las pérdidas durante la electrólisis.
A día de hoy, la eficiencia de todo el proceso energético de un vehículo de pila de combustible FCEV desde la producción de la electricidad hasta el funcionamiento del vehículo es solo la mitad de la eficiencia de un vehículo BEV (eléctrico puro) pero, si tenemos en cuenta el ciclo de vida completo de los FCEV y los BEV, las diferencias entre los dos se reducen mucho.
Además, el hidrógeno se puede producir en momentos en los que hay un exceso de oferta de electricidad procedente de fuentes renovables, aprovechando que la energía eólica o solar que se está generando en ese momento no se está utilizando para ningún otro fin.
El hidrógeno también se puede producir en horas nocturnas o valle en las cuales se produce más electricidad de la que se consume y esta no se puede almacenar.
El hidrógeno también es un subproducto de muchos procesos industriales que se trata como un residuo y se descarta totalmente, por lo que sería interesante capturarlo, almacenarlo y aprovecharlo para la propulsión por pila de combustible, lo que permitiría reciclar todo ese hidrógeno sobrante.
El transporte y el almacenamiento del hidrógeno también son importantes a la hora de valorar el coste global de los vehículos de pila de combustible, porque en función de la tecnología de transporte utilizada (si el hidrógeno se transporta en estado líquido o en estado gaseoso) hay que comprimirlo, refrigerarlo, transportarlo y almacenarlo, lo que tiene un coste económico y energético muy superior al de la gasolina o el diésel.
Pero, y esto es importante, a diferencia de los combustibles fósiles, el hidrógeno se puede generar en cualquier lugar en el que haya electricidad y agua, incluso en las mismas estaciones de servicio y bajo demanda, con el consiguiente ahorro al no necesitar transporte ni almacenaje, tal como se ha demostrado en las estaciones de servicio de Amberes (Antwerp, Bélgica) y Fürholzen (Alemania).
Así pues, en el futuro, con una infraestructura más desarrollada en las estaciones de servicio, se podrían ahorrar muchos costes de transporte fabricando en hidrógeno en las mismas estaciones.
En resumen, si se hace bien, el uso del hidrógeno puede ser muy beneficioso para el medio ambiente en todos los sentidos (producción, transporte y consumo).
Los vehículos FCEV frente a los BEV y PHEV
Según BMW, los vehículos de pila de combustible FCEV tienen un peso parecido al de un vehículo híbrido enchufable PHEV, y muy inferior al de un vehículo eléctrico de baterías BEV.
Pero si analizamos el iX5 G05 FCEV, esto no se confirma. En la ficha de homologación del iX5 G05 FCEV se indica que tiene un peso en orden de marcha de 2.570 kilogramos y un peso bruto autorizado de 3.150 kilogramos.
Si lo comparamos con el iX I20 xDrive50 BEV, este tiene un peso en orden de marcha de 2.585 kilogramos y un peso bruto del vehículo de 3.145 kilogramos.
Si comparamos los dos modelos, FCEV y BEV, tienen pesos muy parecidos, pero resulta que el iX I20 en realidad es un eléctrico de baterías BEV, mucho más pesado que un PHEV, por lo que, de momento no se cumple la promesa de BMW.
Se estima que la pila de combustible de segunda generación del iX5 G05 FCEV tiene un peso de entre 150 y 200 kg para el módulo completo. Además, los dos depósitos de hidrógeno pesan entre 100 y 120 kg, debido a la estructura necesaria para aguantar los 700 bars de presión, y hay que añadir los 6 kg de hidrógeno.
BMW ha confirmado oficialmente que el sistema de pila de combustible de tercera generación del iX5 G65 es un 25% más ligera que la del G05. Además, los componentes periféricos seguramente también son más ligeros. En resumen, se calcula que la nueva pila de combustible podría pesar entre 110 y 140 kg.
Además, al ser el iX5 G65 un vehículo diseñado desde el principio como FCEV de hidrógeno y no una adaptación como el iX5 G05, también podría reducir algo el peso.
Por otra parte, una reducción de peso también ayudaría a aumentar la autonomia, porque la autonomía real del iX5 G05 FCEV se aproxima más a los 375 km que a los 504 km que anuncia BMW.
Así, a la espera de tener los pesos finales del iX5 G65 FCEV, se podría decir que los vehículos FCEV no aportan nada que los vehículos BEV actuales no puedan hacer actualmente.
Y más sabiendo que el hidrógeno actualmente está caro, y sin saber tampoco cual será el precio del iX5 G65 FCEV, seguramente disuasorio o, dicho de otra manera, debería ser muy barato para que aporte ventajas significativas frente a los vehículos eléctricos de baterías BEV.
¿Que es el CFRP de los depósitos de hidrógeno?
El nombre de CFRP significa Polímero reforzado con fibra de carbono (en ingles Carbon Fiber Reinforced Polymer), un material compuesto de color negro muy ligero pero muy resistente que combina fibra de carbono con una base plástica, normalmente resina epoxi. Como ofrece una alta relación resistencia-peso, y es mucho más ligero que el metal, se usa en la industria aeroespacial (en alas de avión, etc.), en automoción (frenos de fórmula 1, puertas de coche, etc,), en edificios y puentes como refuerzo estructural (vigas, paredes, láminas y barras, etc,) para fortalecer estructuras de hormigón, madera, mampostería, pero también en bicicletas de alta gama, raquetas, palos de golf, cañas de pescar, carcasas de portátiles, instrumentos musicales, etc. por su durabilidad y rígidez.
Aunque es costoso de fabricar, y sobretodo de reciclar porque requiere de mucha energía para separar las fibras de la resina, se usa cada vez más en artículos deportivos y de consumo.
Es fuerte, pero puede ser frágil ante impactos violentos, por lo que debe tenerse en cuenta a la hora de diseñarlo.
La experiencia de Toyota
Volviendo a Toyota, en noviembre de 2023 admitió que el Mirai había sido un fracaso comercial, que desde 2014 solo había vendido 22.000 unidades, que no había recuperado la inversión realizada en las dos generaciones del modelo, y que con los costes actuales del hidrógeno los vehículos de hidrógeno no eran viables comercialmente, porque el precio del hidrógeno ha sufrido un repunte en todo el mundo, incluida Alemania, llegando a 30 dólares / kg en California, lo que no es un incentivo precisamente.
¿El Mirai fracasó porque fue un adelantado a su tiempo?
Mientras, BMW sigue confiando en el potencial de la pila de combustible de hidrógeno, y anuncia la comercialización en 2028 del iX5 G65 Hydrogen FCEV.
¿Está el mercado más maduro? ¿Triunfará el iX5?
Más información en:
Historia de los vehículos BMW de hidrógeno
https://www.bmwfaq.org/threads/historia-de-los-vehiculos-bmw-de-hidrogeno.1075219/
El BMW iX5 G05 Hydrogen FCEV de pila de combustible (de hidrógeno)
https://www.bmwfaq.org/threads/el-b...-de-pila-de-combustible-de-hidrogeno.1075224/
La nueva generación de X5 / iX5 G65, X7 G67 y X5M G95
https://www.bmwfaq.org/threads/la-nueva-generacion-de-x5-ix5-g65-x7-g67-y-x5m-g95.1075226/
Saludos.
PDF: Guía de los vehículos de pila de combustible FCEV de hidrógeno.pdf 366,1 KB
En este post hablaremos de la encrucijada que tuvo BMW en 2013 y de porqué escogió a Toyota, de como funciona un vehículo de hidrógeno FCEV, de cuanto cuesta, de si el hidrógeno es seguro, de los tipos de hidrógeno que hay y de si contamina.
Pero también de como funciona una pila de combustible, de su vida útil, de como se fabrica, de si tiene futuro, de donde se fabrica el iX5, de la experiencia de BMW en su fábrica de Leipzig, de que es el CFRP de los depósitos de hidrógeno, y compararemos los vehículos FCEV frente a los BEV y PHEV.
La encrucijada de BMW en 2013
BMW empezó a experimentar con vehículos de hidrógeno en 1979 pero después de 34 años (en 2013) se dio cuenta de que estaba en un callejón sin salida, tenía que volver a empezar casi de cero y realizar dos costosos cambios tecnológicos importantes, o aliarse con un fabricante de pilas de combustible.
Los dos costosos cambios tecnológicos consistían en:
- Cambiar la forma de utilizar el hidrógeno, pasando del motor quemador de hidrógeno utilizado hasta entonces a la nueva pila de combustible (de hidrógeno), mucho más eficiente.
- Cambiar la forma de almacenar el hidrógeno, pasando del hidrógeno líquido criogénico a -253°C utilizado hasta entonces al nuevo estándar mundial de hidrógeno gaseoso a 700 bares de presión.
Y optó por la opción de aliarse con un fabricante de pilas de combustible, Toyota.
¿Porqué Toyota?
Porque BMW ya había tenido acuerdos con Toyota en el pasado, porque Toyota ya había desarrollado una pila de combustible y porque Toyota estaba a punto de lanzar comercialmente (en 2014) el Mirai, el primer vehículo comercializado con pila de combustible de serie, lo cual le serviría a BMW para testear la aceptación del público en general de los vehículos de hidrógeno.
Al final de este post volveremos a hablar de Toyota.
¿Como funciona un vehículo de hidrógeno FCEV?
Un vehículo eléctrico de pila de combustible (FCEV, Fuel Cell Electrical Vehicle) carga hidrógeno a presión en una “hidrogenera” y lo almacena en un depósito (ver foto). El depósito suministra el hidrógeno a la pila de combustible y esta, mediante una reación química, produce electricidad que puede enviarse al motor eléctrico del coche, si está en marcha, o a la batería para almacenarse.
La batería, llamada “batería de tracción” y que guarda la electricidad como depósito intermedio hasta que se necesita, es mucho más pequeña y ligera que las baterías de los vehículos eléctricos puros BEV ya que se recarga constantemente desde la pila de combustible.
*Foto del funcionamiento de un vehículo de pila de combustible (FCEV).
En la pila de combustible se produce un proceso llamado de “electrólisis inversa” en el cual el hidrógeno proveniente del depósito se mezcla con oxígeno del medio ambiente, que reaccionan produciendo electricidad, calor y agua en forma de vapor, por lo que no produce emisiones, ni de CO2, ni de NOx.
Y como el motor eléctrico de un vehículo de pila de combustible (FCEV) es el mismo que lleva un híbrido enchufable PHEV o un eléctrico BEV, en realidad un vehículo de pila de combustible (FCEV) es y se considera un vehículo eléctrico.
Tanto los vehículos FCEV como los PHEV y BEV tienen motor eléctrico, pero la principal diferencia es el acumulador de energía: los PHEV y BEV acumulan electricidad (en las baterías), y los FCEV acumulan hidrógeno gaseoso (en los tanques o depósitos).
Un depósito de hidrógeno pesa mucho menos que un paquete de baterías. Y se carga en 3 ó 4 minutos, un tiempo parecido al de un coche de combustión, pero mucho más rápido que una batería.
A diferencia de los vehículos eléctricos puros BEV y los híbridos enchufables PHEV, los vehículos de pila de combustible FCEV generan la electricidad por ellos mismos y no necesitan de una fuente de electricidad externa.
Y al igual que los BEV y PHEV, los FCEV también pueden recuperar energía de frenado (freno regenerativo) cuando el motor funciona como generador, transformando la energía cinética en energía eléctrica y enviándola a la batería para almacenarla.
Además, la sensación al volante es parecida a la de los BEV, con una rápida aceleración silenciosa, ya que los motores eléctricos entregan todo el par ya desde un régimen de revoluciones bajo.
¿Como funciona una pila de combustible?
Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de un combustible (generalmente hidrógeno) y de un oxidante (el oxígeno del aire), directamente en electricidad, calor y agua. A diferencia de una batería convencional, no se agota ni necesita una recarga eléctrica periódica, funciona sin pararse mientras siga recibiendo un suministo continuo de combustible (hidrógeno).
El hidrógeno, en su forma más común, es el átomo más sencillo que hay: un núcleo con 1 protón (carga positiva) y 1 electrón (carga negativa) orbitando alrededor del núcleo. No tiene neutrones (carga neutra) en el núcleo.
Imaginemos la pila de combustible como un bocadillo de tres capas:
- El ánodo (electrodo negativo) por donde entra el hidrógeno gaseoso (H2)
- El cátodo (electrodo positivo) por donde entra el oxígeno (O2).
- El electrolito, una membrana central que solo permite el paso de ciertas partículas.
La pila más habitual es la de hidrógeno con membrana de protones (PEM) como electrolito. En ella, el proceso es muy simple:
1) Entra el hidrógeno gaseoso (H2) a la pila por el ánodo.
2) Se encuentra un catalizador (platino) que separa el protón y el electrón del hidrógeno.
3) Los protones van hacia la membrana del electrolito, la atraviesan y van hacia el cátodo.
4) Los electrones también van hacia la membrana del electrolito pero no pueden atravesarla, así que salen por un circuito externo. Este flujo de electrones que sale de la pila de combustible es, precisamente, la electricidad que hace funcionar el motor eléctrico del vehículo.
5) Los protones que han llegado al cátodo se encuentran con el oxígeno (O2) que entra por él, y se combinan entre si los protones del hidrógeno y los átomos de oxígeno formando moléculas de H2O (agua) y calor.
*Secuencia de fotos.
1) Por la izquierda entra el hidrógeno (H2, color azul) y por la derecha el oxígeno (O2, color rojo).
2) El hidrógeno se separa en protones (+) y electrones (-). Los protones (+) pasan por la membrana, pero los electrones (-) no la pueden cruzar y salen por arriba creando electricidad.
3) Los protones (+) que han pasado por la membrana se acercan a los átomos de oxígeno.
4) Los protones (+) se combinan con los átomos de oxígeno y forman moleculas de H2O (agua).
5) El agua sale por la parte inferior de la pila, hacia el tubo de escape.
6) Los electrones (-) que salen por arriba creando electricidad van hacia el motor eléctrico trasero y/o hacia la batería “de tracción”.
Como la pila de combustible no tiene partes móviles, a diferencia de un motor de combustión, prácticamente no hace ruido, por el tubo de escape solo sale vapor de agua si el hidrógeno es puro, y es mucho más eficiente porque no quema combustible para generar movimiento, como si hacen los coches de combustión.
En función del eléctrolito o membrana separadora hay varios tipos de pilas de combustible:
| Tipo Electrolito | Temperatura de trabajo | Uso común |
| PEM (Membrana de protones) | Baja (80°C) | Coches y autobuses |
| Óxido sólido (SOFC) | Muy alta (800-1000°C) | Generación eléctrica industrial |
| Alcalino | Media (100-250°C) | Misiones espaciales (NASA) |
¿Que vida útil tiene una pila de combustible?
Pues depende del tamaño de la pila de combustible y para lo que se use (coche, camión o fábrica). Se mide en horas de funcionamiento antes de que la pila pierda cierto porcentaje de su eficacia original (acostumbra a ser del 10 al 20%).
- Si es para coches, se estima una vida útil de 5.000 a 8.000 horas, lo que equivale a 150.000 ó 200.000 km y 10 ó 15 años.
- Para autobuses y camiones, se estima una vida útil de 20.000 a 30.000 horas, para un uso intensivo diario, equivalentes a unos 8 años.
- Para sistemas fijos en fábricas, se estima una vida útil de 40.000 a 80.000 horas, lo que equivale a unos 10 ó 15 años de funcionamiento contínuo.
- Según investigadores de la Universidad de California, están desarrollando nuevos catalizadores que permitirían alargar la vida de las pilas de combustible hasta las 200.000 horas, lo que permitiría a un camión de largo recorrido funcionar durante décadas.
Una pila de combustible funciona de manera óptima en un rango de temperatura de entre 60 °C y 80 °C, y fuera de este rango sufre.
La degradación de una pila de combustible no es mecánica (no hay partes móviles que se mueven o rocen), sino química y de desgaste de materiales. Lo que más desgasta la pila de combustible son:
- Los ciclos de paro y arranque. Cada vez que se enciende o se apaga la pila, se producen picos y cambios de tensión que pueden oxidar el soporte de carbono del catalizador.
- La calidad del hidrógeno. Si el hidrógeno tiene impurezas o restos de otros gases, puede envenenar el catalizador de platino reduciendo su capacidad de reacción de forma permanente.
- La evacuación del vapor de agua y el calor. La pila de combustible necesita mantener la membrana interna húmeda pero no inundada. La membrana necesita estar hidratada para que pasen los protones, y si el ambiente es muy seco y la temperatura sube por encima de los 40 °C, la membrana se reseca, la pila pierde conductividad y potencia y se puede agrietar y destruir. En ambientes muy húmedos, el agua líquida no se evapora suficientemente rápido y bloquea el paso del oxígeno, produciéndose el “colapso por inundación”.
- Las temperaturas bajo cero grados. El residuo de la reacción interna de la pila de combustible es vapor de agua. Si esta agua se congela dentro de la pila, de los conductos o de la membrana cuando el vehículo está parado, el hielo puede expandirse dentro y causar microgrietas permanentes dentro de la pila. Para evitarlo, los vehículos actuales tienen sistemas de purga, pero gastan energía.
- La contaminación del aire y el oxígeno. Para que la pila de combustible funcione se necesita hidrógeno (de los depósitos del coche) y oxígeno (del aire). En el vehículo hay un filtro de carbono activo, mucho más avanzado que el de un vehículo de combustión, que extrae el oxígeno del aire y lo purifica, pero si el filtro no es el adecuado o hay mucha polución y el oxígeno no está muy limpio la pila reduce su rendimiento y no funciona bien.
Por ejemplo, gases como el monóxido de carbono (CO) o el dióxido de azufre (SO₂ / SO2) son letales para el catalizador de platino, porque se adhieren a él y bloquean los sitios donde debería reaccionar el hidrógeno, produciéndose el llamado “envenenamiento del catalizador”.
Los óxidos de nitrógeno (NOₓ / NOx) también son perjudiciales porque pueden reaccionar dentro de la pila y formar ácidos que degraden la membrana polimérica, que es la pieza central que separa los gases.
Y las partículas en suspensión (polvo y hollín) también son perjudiciales porque pueden obstruir los poros de las capas de difusión del gas, impidiendo que el oxígeno llegue al sitio donde debe reaccionar.
*Foto del iX5 G05 en Arjeplog, Suecia.
Para evitar que el agua se congele, el vehículo realiza una purga cada vez que se para, y así la pila de combustible queda seca. Además, el tubo de escape tiene pendiente para que el agua sobrante fluya hacia la salida por gravedad, los conductos tienen el diámetro ampliado para que una pequeña capa de hielo no obstruya totalmente el paso del aire, los conductos están aislados termicamente para mantener el agua líquida o como vapor, y parte del calor residual generado por la pila se utiliza para calentar el tubo de escape y evitar la formación de hielo mientras el coche está en marcha.
Si a pesar de todo el agua se congelase, algunos modelos tienen resistencias eléctricas distribuidas en zonas críticas para descongelarla en pocos segundos, y otros hacen circular una pequeña cantidad de energía para generar calor interno rápidamente.
*Foto del iX5 G05 en Arjeplog, Suecia.
Como curiosidad, se dice que en teoría el agua que sale de la pila de combustible es tan pura que se podría beber (aunque en realidad es agua destilada), pero los fabricantes recomiendan no hacerlo porque podría arrastrar polvo o impurezas alojadas en el tubo de escape.
¿Como se fabrican las pilas de combustible?
En la pila de combustible se produce una reacción química entre el hidrógeno gaseoso almacenado en los depósitos del coche y el oxígeno del aire exterior convenientemente filtrado, por lo que es muy importante, para la eficacia del sistema de propulsión, mantener constante el suministro de hidrógeno y oxígeno a la válvula de entrada de la pila de combustible.
Los equipos completos de pilas de combustible se fabrican en tres fases:
- Primero se fabrican las celdas individuales,
- Después se ensamblan formando la pila de combustible completa,
- Y finalmente se montan todos los demás componentes, como por ejemplo los filtros de aire, el compresor de entrada, la bomba y los circuitos de refrigeración, los sensores, las unidades de control, etc.
Una vez inspeccionadas las celdas individuales para detectar posibles daños, las celdas se comprimen a máquina con una fuerza de cinco toneladas y se colocan dentro de una carcasa exterior fabricada en aluminio.
Esta carcasa se ha fabricado previamente inyectando aluminio fundido dentro de un molde de arena compactada mezclada con resina.
Las celdas y la carcasa se pueden fabricar en fábricas de Toyota o de BMW, aunque actualmente las celdas vienen de Toyota, las carcasas de BMW Landshut, y el ensamblaje final se hace en BMW. Gran parte del proceso está automatizado.
La bomba o compresor que inyecta hidrógeno y oxígeno a la pila de combustible, está fabricada con piezas de plástico fundido y de aleaciones ligeras también en la fábrica de Landshut, y crea una especie de sello estanco que impide la entrada del aire y del agua exterior que podrían dañar la pila de combustible.
Una vez instalado el compresor, se instalan el ánodo y el cátodo de la pila de combustible, la bomba del circuito de refrigeración, el mazo de cables y se realizan pruebas exhaustivas de tensión y de la reacciones químicas en el interior de las pilas.
Una vez comprobado que todo está correcto, se acaban de ensamblar los componentes finales y se entrega el sistema completo de pila de combustible para que se instale dentro del vehículo.
¿Donde se fabrica el iX5?
Las celdas de la pila de combustible las fabrica Toyota.
Los sistemas de pilas de combustible y los iX5 se fabricaron en el Centro de Investigación e Innovación (FIZ) de BMW en Múnich, aunque algunos prototipos y conponentes se construyeron en la fabrica de Steyr, en Austria.
En el Centro de Investigación e Innovación (FIZ) de Múnich se fabrica la primera unidad de cada nuevo modelo de BMW y Mini. Alrededor de 900 personas trabajan allí en el taller de carrocería, montaje, ingeniería de modelos, construcción de vehículos conceptuales y fabricación aditiva. Se encargan de garantizar que tanto el producto como el proceso de fabricación estén listos para la producción en serie.
En el caso del BMW iX5 Hydrogen, los especialistas en tecnología del hidrógeno, desarrollo de vehículos y montaje inicial de nuevos modelos colaboraron estrechamente para integrar la tecnología punta de propulsión y almacenamiento de energía en el chasis de un X5 G05.
¿Es seguro el hidrógeno?
Si, y los vehículos de hidrógeno como el iX5 cumplen todos las normas de seguridad vigentes.
Si el hidrógeno entra en contacto con el oxígeno del medio ambiente puede reaccionar de forma incontrolada e inflamarse. Para evitarlo, un vehículo de pila de combustible debe almacenar el hidrógeno en estado gaseoso en depósitos altamente seguros de paredes gruesas y seguras como el CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer, Polímero reforzado con fibra de carbono).
Se ha realizado muchos tests y pruebas de colisión y confirmaron la seguridad del diseño, porque los depósitos no sufrieron daños ni hubo fugas de hidrógeno.
Además, la tecnología del hidrógeno no es nueva y se utiliza en las refinerías de petroleo como gas de procesamiento del petroleo crudo, y hay canalizaciones y almacenes de hidrógeno desde hace décadas sin problemas.
¿Cuanto cuestan los vehículos de hidrógeno?
En los vehículos propulsados por hidrógeno, al igual que en los vehículos de otras tecnologías, hay tres tipos de costes (de adquisición y de operación):
- El coste del vehículo. Como hay pocos vehículos de pila de combustible de hidrógeno y la mayoría son prototipos, el coste todavía es más elevado que el coste de los vehículos de combustión o eléctricos de batería. A medida que se fabriquen más unidades, los costes por unidad irán bajando.
- El coste elevado de los materiales utilizados como, por ejemplo, el platino que se utiliza como catalizador durante la generación de energía. Pero se ha reducido mucho la cantidad de platino necesaria para las pilas de combustible, se recicla cada vez más el utilizado en los catalizadores, y los vehículos de hidrógeno FCEV dependència menos de las materias primas que los eléctricos puros BEV.
- El coste del combustible, es decir, del hidrógeno por kilómetro puede parecer caro actualmente si lo comparamos con el coste de la gasolina o el diésel pero, si tal como se prevee, la producción de hidrógeno va a aumentar a escala internacional, el coste del hidrógeno bajará significativamente.
Según BMW, un kilogramo de hidrógeno cuesta unos 14 Euros y se pueden hacer unos 100 kilómetros en un vehículo de pila de combustible. Por tanto, el coste es de 14 Eur / 100 km.
Según pruebas reales (electrive.com), el coste del hidrógeno está entre 16,75 y 17,75 Eur por kilogramo de hidrógeno, y el consumo real entre 1,4 y 1,6 kg / 100 kilómetros, lo que da un coste de entre 23,45 y 28,4 Eur / 100 km.
Para comparar, un BMW iX xDrive50 tiene un consumo medio real de 23,7 kWh / 100 km (spritmotor.de) que, con los precios de Ionity, serían 16,56 Eur / 100 km. Con el “Ionity Passport Power” quedarían en 9,36 Eur / 100 km, pero con una cuota mensual de 11,99 Eur / mes.
En un coche de combustión de gasolina, por ejemplo, con un consumo medio de 6 litros / 100 km, y un precio de 1,60 Eur / litro, el coste es de 9,6 Eur / 100 km.
Se prevee que en 2030 el coste del hidrógeno en Alemania sea de entre 4 y 6 Euros el kilogramo, es decir, entre 4 y 6 Eur / 100 km (con consumos de 1 kg / 100 km), lo que es sensiblemente inferior al coste actual de la gasolina o el diésel, que no se prevee que bajen.
Pero con consumos reales de entre 1,4 y 1,6 kg / 100 km, el coste estaría entre 5,6 y 9,6 Eur / 100 km. Es decir, que el precio del hidrógeno tiene que bajar mucho, o la gasolina y el diésel subir mucho, para que los coches de pila de combustible sean rentables.
¿Tiene futuro la pila de combustible y el hidrógeno?
Según un informe de la Agencia Internacional de la energía (AIE), el hidrógeno tiene un enorme potencial como fuente de energía del futuro, en el marco de la transición energética, gracias a su capacidad de almacenamiento y transporte, y porque puede utilizarse en una gran variedad de aplicaciones.
Para que la pila de combustible y el hidrógeno como combustible sean un éxito se necesitan varias cosas:
- Que el hidrógeno sea barato. Ahora mismo hay un repunte en el precio y el hidrógeno es caro, pero se prevé que el precio baje en el futuro.
- Que sea fácil de usar. Para el usuario es tan fácil como en un vehículo de combustión: ir a la hidrogenera, coger la manguera y enchufarla en la boquilla del coche.
- Que los vehículos de pila de combustible cuesten igual o menos que los electricos de baterías BEV e híbridos enchufables PHEV y, a ser posible, que cuesten igual o menos que los vehículos de combustión
- Que haya infraestructura para poder repostar con comodidad, muchas y bien repartidas por el territorio. Son las llamadas hidrogeneras.
- Que se haga pedagogía, que se expliquen bien las ventajas de la pila de combustible, y que se entienda que el vehículo FCEV no es la competencia de los vehículos BEV y PHEV, sino un complemento.
Para ello, BMW participa en varias asociaciones, fundaciones, y empresas para promocionar el hidrógeno.
BMW es uno de los trece miembros fundadores del Hydrogen Council, una iniciativa de alcance mundial en la que participan empresas líderes (energéticas, industriales, del transporte y la logística, fabricantes de vehículos, etc.) para fomentar la colaboración entre los gobiernos, la industria y los inversores con el objetivo de promover la transición hacia un uso del hidrógeno como energía limpia, pero no solo para la automoción, sino también para sistemas de calefacción, generación de electricidad y procesos industriales.
BMW y otros fabricantes de automóviles se han aliado con productores de hidrógeno y operadoras de estaciones de servicio (hidrogeneras) en la iniciativa industrial llamada Clean Energy Partnership para fomentar el despliegue y el desarrollo de las infraestructuras para la movilidad basada en el hidrógeno.
*Foto del iX5 G05 en una hidrógenera.
El consorcio Clean Energy Partnership está formado por empresas como BMW, Toyota, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz, Volkswagen (Audi), Ford, Opel (Stellantis), Shell, TotalEnergies, Air Liquide, Linde, Vattenfall, EnBW, Berliner Verkehrsbetriebe (BVG, operador de transportes de Berlín), Hamburger Hochbahn (operador de transportes de Hamburgo).
Busca estandarizar y crear normas internacionales para las estaciones de servicio de hidrógeno (hidrogeneras), garantizando la interoperabilidad, es decir, que cualquier vehículo pueda cargar en cualquier sitio de forma segura. Es el que ha creado la norma que el hidrógeno se tiene que suministrar a 700 bars de presión en los coches, y a 350 bars en los vehículos pesados (camiones y autobuses), hidrogeneras de carga rápida (de 3 a 5 minutos para un depósito completo, igual que en los coches de gasolina y diésel), y el que valida el funcionamiento de todo tipo de vehículos de pila de combustible en condiciones reales.
*Foto de dos vehículos de pila de combustible FCEV en una hidrogenera: un iX5 G05 y un camión Iveco. En el centro se puede ver el surtidor de hidrógeno (H2), con las mangueras H70, indicando hidrógeno a presión de 700 bars para coches, y H35, indicando hidrógeno a presión de 350 bars para camiones y autobuses. De hecho, viendo las mangueras de los surtidores, los vehículos estan intercambiados: donde está el coche debería estar el camión y al revés, donde esta el camión debería estar el coche, pero entonces la foto no sería tan bonita.
Muchas veces se confunde el consorcio “Clean Energy Partnership” con el organismo “Clean Hydrogen Partnership”, que no son lo mismo ni hacen lo mismo.
Como hemos comentado, el consorcio “Clean Energy Partnership” (CEP) es un proyecto liderado por empresas que trabajan “sobre el terreno” para hacer realidad el transporte no contaminante e implementar soluciones de mercado y movilidad limpias.
En cambio, el “Clean Hydrogen Partnership” es un organismo de la Unión Europea de colaboración público-privada que gestiona fondos multimillonarios para financiar la investigación y la innovación en tota la cadena de valor del hidrógeno dentro del programa Horizon Europe.
Hasta 2021 la Clean Hydrogen Partnership se llamaba FCH JU (Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking), y fue un organismo europeo clave en el desarrollo del hidrógeno, porque coordinaba la Comisión Europea con las asociaciones Hydrogen Europe (más de 260 empresas) e Hydrogen Europe Research (universidades y centros de investigación) para llevar el hidrógeno y las pilas de combustible de los laboratorios hasta el mercado comercial.
En el periodo 2021-2027 tiene un presupuesto de 1.000 millones de euros, más otros 1.000 de inversión privada, de los cuales se han aprobado 185 millones en el 2025 para 7 proyectos dedicados a la producción de hidrógeno renovable, 3 proyectos al almacenaje y distribución, y el resto para financiar Valles de Hidrógeno.
Entre sus principales éxitos hay la financiación de la investigación para reducir el uso del platino (muy caro) en las pilas de combustible, con una reducción de costes muy importante, la financiación del despliegue de autobuses de hidrógeno en las ciudades europeas (JIVE), la producción de hidrógeno verde masivo para descarbonizar la industria pesada (acero, cemento, química) y el transporte a larga distancia (barcos, aviones y camiones), y la creación de una red europea de hidrogeneras (H2ME).
Para el 2026 se está trabajando en reducir el precio del hidrógeno limpio para que cueste entre 1,5 y 3 Eur / kg, y que los costes de distribución bajen de 1 Eur / kg, en mejorar la eficiencia de los electrolizadores como la membrana de intercambio de protones o los de óxido sólido, en desarrollar sistemas de pila de combustible suficientemente potentes y fiables para camiones de larga distancia y barcos, y en los llamados Valles de Hidrógeno, ecosistemas locales donde se produce, almacena y consume hidrógeno en un mismo territorio (podríamos llamarlo hidrógeno de km cero), de los cuales ya hay 21 en Europa y ya se han invertido 1.300 millones.
BMW está invertiendo en instalaciones e infraestructuras de hidrógeno con el proyecto HyMoS (Movilidad de Hidrógeno a Escala), una colaboración entre múltiples socios e instituciones del sector para impulsar el ecosistema del hidrógeno con la introducción de un estándar en las estaciones de servicio que las haga viables, que sirva para todo tipo de vehículos, incluyendo camiones, autobuses y turismos, y que ya está en fase piloto en Alemania y Francia.
HyMoS refuerza los proyectos existentes, fomenta la demanda y facilita las operaciones de las hidrogeneras, pero también recopila información valiosa para expandir las hidrogeneras a zonas urbanas y a otros paises, con el objetivo de que los coches de pila de combustible sean un éxito y de que haya el mayor número posible de hidrogeneras en todo el mundo.
BMW participa en la empresa H2 MOBILITY que se encarga en Alemania de la planificación y explotación de las hidrogeneras.
Estudios recientes realizados en Alemania demuestran que una infraestructura mixta con puntos de recarga eléctrica y de hidrógeno es globalmente más barata y eficiente que una infraestructura de recarga solo eléctrica.
Sin embargo, el éxito de la pila de combustible y del hidrógeno dependerá de la producción competitiva de cantidades suficientes de hidrógeno (barato) a partir de energía verde (no contaminante), así como de la expansión de la correspondiente infraestructura de surtidores (hidrogeneras), que ya se está intentando en muchos países.
La experiencia de BMW en Leipzig
Cuando BMW tomó la decisión en 2013 de utilizar la pila de combustible de hidrógeno como futuro motor de sus vehículos, una de las primeras cosas que hizo fue construir un punto de repostaje de hidrógeno (hidrogenera) en su fábrica de Leipzig, y fue la primera bajo techo de Alemania. Hoy tiene 5 puntos de repostaje en ella, y el más reciente permite el repostaje totalmente automatizado.
En ellos repostan las más de 130 carretillas elevadoras industriales propulsadas por pila de combustible (tipo toro o de horquilla), la mayor flota de Alemania, y los trenes de remolque interiores de la fábrica.
Además, la fábrica de Leipzig es la primera del mundo en incorporar en su tren de pintura una tecnología de quemador nueva en la que se puede quemar hidrógeno verde junto al gas natural convencional (en este caso no es una pila de combustible).
En el futuro, a partir de mediados de 2027, la fábrica de Leipzig se conectará interiormente por un gasoducto de hidrógeno de casi 2 km de longitud, que abastecerá de hidrógeno a toda la planta. Este gasoducto sustituirá el actual suministro de hidrógeno mediante camión con el consiguiente ahorro.
Además, BMW también está probando el uso de hidrógeno para la descarbonización de los transportes, y participa en los proyectos de investigación H2HAUL para el desarrollo y el uso experimental de camiones con pila de combustible, y el proyecto HyCET que está probando camiones de hidrógeno con motor de combustión en la logística de transporte.
Se prevé que en el futuro los prototipos de vehículos de hidrógeno Neue Klasse se fabriquen en la planta de BMW en Dingolfing,
¿El hidrógeno contamina? Tipos de hidrógeno
El hidrógeno puede fabricarse a partir de combustibles fósiles o utilizando electricidad.
Si se utilizan combustibles fósiles, el vehículo de hidrógeno tiene un impacto negativo sobre el clima, porque contamina. Ese impacto negativo será mayor o menor en función del combustible fósil utilizado. En este sentido, el vehículo de hidrógeno no es distinto a los demás vehículos eléctricos.
Si se utiliza electricidad para producir hidrógeno, y esta procede de fuentes de energía renovables, entonces la producción de hidrógeno no contamina ni deja ninguna huella de carbono.
Aunque el hidrógeno es un gas incoloro, para distinguir la procedencia y el método de fabricación se le han asignado unos colores en función de lo que contaminan.
- El hidrógeno gris se produce a partir de gas natural fósil. En el proceso se generan unas diez toneladas de CO2 por tonelada de hidrógeno que se liberan a la atmósfera, lo que es altamente contaminante. Por ello de está sustituyendo este hidrógeno por otros más respetuoso con el clima.
- El hidrógeno azul es el mismo que el hidrógeno gris, pero cuando se produce se intenta capturar todo el CO2 posible y se almacena mediante el proceso CAC (Captura y Almacenamiento de Carbono). Es posible capturar y almacenar un máximo del 90% del CO2. Por lo tanto, se considera que el hidrógeno azul tiene un bajo contenido de CO2.
- El hidrógeno verde se produce por electrólisis del agua, utilizando electricidad procedente de fuentes de energía renovables. Por tanto, el hidrógeno verde no genera emisiones de CO2.
- El hidrógeno naranja se produce a partir de desechos y materiales residuales. Está considerado neutro en CO2.
- El hidrógeno turquesa se produce mediante la descomposición térmica del metano (pirólisis del metano). En lugar de CO2 se genera carbono sólido que, por tanto, no se libera a la atmósfera. El proceso de pirólisis del metano se encuentra actualmente en fase de desarrollo.
Tal y como hemos comentado, para producir hidrógeno no contaminante se necesita energía eléctrica, y lo ideal es que se utilice electricidad procedente de fuentes de energía renovables para no contaminar.
Esa electricidad descompone el agua en hidrógeno y oxígeno en un proceso de electrólisis, y el gran inconveniente son las pérdidas durante la electrólisis.
A día de hoy, la eficiencia de todo el proceso energético de un vehículo de pila de combustible FCEV desde la producción de la electricidad hasta el funcionamiento del vehículo es solo la mitad de la eficiencia de un vehículo BEV (eléctrico puro) pero, si tenemos en cuenta el ciclo de vida completo de los FCEV y los BEV, las diferencias entre los dos se reducen mucho.
Además, el hidrógeno se puede producir en momentos en los que hay un exceso de oferta de electricidad procedente de fuentes renovables, aprovechando que la energía eólica o solar que se está generando en ese momento no se está utilizando para ningún otro fin.
El hidrógeno también se puede producir en horas nocturnas o valle en las cuales se produce más electricidad de la que se consume y esta no se puede almacenar.
El hidrógeno también es un subproducto de muchos procesos industriales que se trata como un residuo y se descarta totalmente, por lo que sería interesante capturarlo, almacenarlo y aprovecharlo para la propulsión por pila de combustible, lo que permitiría reciclar todo ese hidrógeno sobrante.
El transporte y el almacenamiento del hidrógeno también son importantes a la hora de valorar el coste global de los vehículos de pila de combustible, porque en función de la tecnología de transporte utilizada (si el hidrógeno se transporta en estado líquido o en estado gaseoso) hay que comprimirlo, refrigerarlo, transportarlo y almacenarlo, lo que tiene un coste económico y energético muy superior al de la gasolina o el diésel.
Pero, y esto es importante, a diferencia de los combustibles fósiles, el hidrógeno se puede generar en cualquier lugar en el que haya electricidad y agua, incluso en las mismas estaciones de servicio y bajo demanda, con el consiguiente ahorro al no necesitar transporte ni almacenaje, tal como se ha demostrado en las estaciones de servicio de Amberes (Antwerp, Bélgica) y Fürholzen (Alemania).
Así pues, en el futuro, con una infraestructura más desarrollada en las estaciones de servicio, se podrían ahorrar muchos costes de transporte fabricando en hidrógeno en las mismas estaciones.
En resumen, si se hace bien, el uso del hidrógeno puede ser muy beneficioso para el medio ambiente en todos los sentidos (producción, transporte y consumo).
Los vehículos FCEV frente a los BEV y PHEV
Según BMW, los vehículos de pila de combustible FCEV tienen un peso parecido al de un vehículo híbrido enchufable PHEV, y muy inferior al de un vehículo eléctrico de baterías BEV.
Pero si analizamos el iX5 G05 FCEV, esto no se confirma. En la ficha de homologación del iX5 G05 FCEV se indica que tiene un peso en orden de marcha de 2.570 kilogramos y un peso bruto autorizado de 3.150 kilogramos.
Si lo comparamos con el iX I20 xDrive50 BEV, este tiene un peso en orden de marcha de 2.585 kilogramos y un peso bruto del vehículo de 3.145 kilogramos.
Si comparamos los dos modelos, FCEV y BEV, tienen pesos muy parecidos, pero resulta que el iX I20 en realidad es un eléctrico de baterías BEV, mucho más pesado que un PHEV, por lo que, de momento no se cumple la promesa de BMW.
| iX5 G05 FCEV | iX I20 x50 BEV | |
| Peso en orden de marcha | 2.570 kg | 2.585 kg |
| Peso bruto autorizado | 3.150 kg | 3.145 kg |
Se estima que la pila de combustible de segunda generación del iX5 G05 FCEV tiene un peso de entre 150 y 200 kg para el módulo completo. Además, los dos depósitos de hidrógeno pesan entre 100 y 120 kg, debido a la estructura necesaria para aguantar los 700 bars de presión, y hay que añadir los 6 kg de hidrógeno.
BMW ha confirmado oficialmente que el sistema de pila de combustible de tercera generación del iX5 G65 es un 25% más ligera que la del G05. Además, los componentes periféricos seguramente también son más ligeros. En resumen, se calcula que la nueva pila de combustible podría pesar entre 110 y 140 kg.
Además, al ser el iX5 G65 un vehículo diseñado desde el principio como FCEV de hidrógeno y no una adaptación como el iX5 G05, también podría reducir algo el peso.
Por otra parte, una reducción de peso también ayudaría a aumentar la autonomia, porque la autonomía real del iX5 G05 FCEV se aproxima más a los 375 km que a los 504 km que anuncia BMW.
Así, a la espera de tener los pesos finales del iX5 G65 FCEV, se podría decir que los vehículos FCEV no aportan nada que los vehículos BEV actuales no puedan hacer actualmente.
Y más sabiendo que el hidrógeno actualmente está caro, y sin saber tampoco cual será el precio del iX5 G65 FCEV, seguramente disuasorio o, dicho de otra manera, debería ser muy barato para que aporte ventajas significativas frente a los vehículos eléctricos de baterías BEV.
¿Que es el CFRP de los depósitos de hidrógeno?
El nombre de CFRP significa Polímero reforzado con fibra de carbono (en ingles Carbon Fiber Reinforced Polymer), un material compuesto de color negro muy ligero pero muy resistente que combina fibra de carbono con una base plástica, normalmente resina epoxi. Como ofrece una alta relación resistencia-peso, y es mucho más ligero que el metal, se usa en la industria aeroespacial (en alas de avión, etc.), en automoción (frenos de fórmula 1, puertas de coche, etc,), en edificios y puentes como refuerzo estructural (vigas, paredes, láminas y barras, etc,) para fortalecer estructuras de hormigón, madera, mampostería, pero también en bicicletas de alta gama, raquetas, palos de golf, cañas de pescar, carcasas de portátiles, instrumentos musicales, etc. por su durabilidad y rígidez.
Aunque es costoso de fabricar, y sobretodo de reciclar porque requiere de mucha energía para separar las fibras de la resina, se usa cada vez más en artículos deportivos y de consumo.
Es fuerte, pero puede ser frágil ante impactos violentos, por lo que debe tenerse en cuenta a la hora de diseñarlo.
La experiencia de Toyota
Volviendo a Toyota, en noviembre de 2023 admitió que el Mirai había sido un fracaso comercial, que desde 2014 solo había vendido 22.000 unidades, que no había recuperado la inversión realizada en las dos generaciones del modelo, y que con los costes actuales del hidrógeno los vehículos de hidrógeno no eran viables comercialmente, porque el precio del hidrógeno ha sufrido un repunte en todo el mundo, incluida Alemania, llegando a 30 dólares / kg en California, lo que no es un incentivo precisamente.
¿El Mirai fracasó porque fue un adelantado a su tiempo?
Mientras, BMW sigue confiando en el potencial de la pila de combustible de hidrógeno, y anuncia la comercialización en 2028 del iX5 G65 Hydrogen FCEV.
¿Está el mercado más maduro? ¿Triunfará el iX5?
Más información en:
Historia de los vehículos BMW de hidrógeno
https://www.bmwfaq.org/threads/historia-de-los-vehiculos-bmw-de-hidrogeno.1075219/
El BMW iX5 G05 Hydrogen FCEV de pila de combustible (de hidrógeno)
https://www.bmwfaq.org/threads/el-b...-de-pila-de-combustible-de-hidrogeno.1075224/
La nueva generación de X5 / iX5 G65, X7 G67 y X5M G95
https://www.bmwfaq.org/threads/la-nueva-generacion-de-x5-ix5-g65-x7-g67-y-x5m-g95.1075226/
Saludos.
PDF: Guía de los vehículos de pila de combustible FCEV de hidrógeno.pdf 366,1 KB
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