Por Ana Luisa Guerrero, Agencia Informativa Conacyt
Cuernavaca, Morelos.- En momentos en que los altos niveles de contaminación son una noticia cotidiana en las grandes ciudades, investigadores mexicanos han desarrollado un vehículo que no deja huella de carbono en el planeta, debido a que no utiliza ningún tipo de combustible fósil.
Se trata de un vehículo utilitario eléctrico y de alta eficiencia energética que opera con gas hidrógeno como combustible, produciendo únicamente emisiones de agua pura. Fue desarrollado por científicos del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL, antes IIE), del Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (Cenidet), del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (Ipicyt), de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP) y del Centro de Investigación en Mecatrónica Automotriz (CIMA) del Tecnológico de Monterrey, campus Toluca.
Surgió del proyecto “Vehículo Eléctrico Utilitario con Celdas de Combustible a Hidrógeno” realizado con recursos del Fondo Sectorial Conacyt-Secretaría de Energía-Sustentabilidad Energética, de 2012 a 2016, cuyos resultados de pruebas de desempeño ya fueron entregados al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt).
Fue diseñado como transporte utilitario que se emplea en diversas industrias y actividades, por ejemplo, en aeropuertos para traslado de equipaje, personal u otras cargas útiles, o bien en flotillas de reparto. Está diseñado para soportar un peso de alrededor de 450 kilogramos y tiene una autonomía de 60 kilómetros (km) de recorrido con el uso de medio kilogramo de hidrógeno y 20 km adicionales si se utiliza la energía almacenada en las baterías y supercapacitores.
De acuerdo con el reporte Ecozonas, una propuesta para mejorar la calidad del aire y la movilidad en la Megalópolis (realizado por el Centro Mario Molina), 31 por ciento de la contaminación por partículas suspendidas menores a 2.5 micras en la Zona Metropolitana del Valle de México proviene de los vehículos automotores, generando severos problemas de salud pública.
Los automóviles eléctricos que existen actualmente en el mercado funcionan con baterías que se recargan a través de tomas eléctricas, con electricidad producida en plantas generadoras de energía a partir de la quema de combustibles fósiles, emitiendo gases de efecto invernadero a la atmósfera en los sitios donde son ubicadas. Es así que este proyecto de desarrollo tecnológico representa una oportunidad para potenciar el uso de vehículos realmente amigables con el medio ambiente al usar un combustible que puede producirse a partir de fuentes renovables de energía.
Investigación aplicada
En la Gerencia de Energías Renovables del INEEL, desde hace varios años investigadores trabajan en el desarrollo de celdas de combustible de membrana de intercambio protónico (generadores eléctricos que operan bajo principios electroquímicos) alimentadas de gas hidrógeno.
A partir de los conocimientos que tienen en la materia, el Grupo de Hidrógeno y Celdas de Combustible convocó a investigadores de diversas instituciones que tuvieran las capacidades técnicas y experiencia necesarias para desarrollar el prototipo o plataforma vehicular, y participó en la convocatoria del Fondo Sectorial. Fue así que los especialistas del Cenidet se hicieron cargo de la electrónica de acondicionamiento de potencia (convertidores CD/CD) y sistemas auxiliares de almacenamiento de energía (baterías y supercapacitores); los investigadores del INEEL implementaron la tecnología de celdas de combustible (conjuntos de celdas, balance de planta y su control electrónico) de desarrollo propio; mientras que los expertos del Ipicyt desarrollaron el control general del vehículo y el manejo de la energía.
El área de Mecánica y Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la UASLP se encargó de los elementos electromecánicos, en tanto que investigadores del CIMA realizaron el diseño y manufactura del vehículo. Es así como este proyecto representó un esfuerzo multidisciplinario, en el que la adecuada coordinación permitió alcanzar los objetivos planteados en el proyecto.
El maestro Félix Loyola Morales, investigador del INEEL y que participó en la conformación e integración de las celdas de combustible, explica a la Agencia Informativa Conacyt cómo se conformó este grupo de investigación.
“Dadas las capacidades del Cenidet como líder reconocido en electrónica de potencia, así como la experiencia en control para transporte eléctrico del Ipicyt, ambas instituciones fueron invitadas a formar parte del consorcio. Asimismo, el CIMA, como centro en mecatrónica automotriz fue considerado para aportar al proyecto su experiencia en el tema de diseño y manufactura vehicular, mientras que el área de Electricidad y Mecánica de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí fue también invitada a colaborar en el tema de componentes electromotrices. Finalmente, el INEEL, quien convocó a la formación de este consorcio, ha sido reconocido líder en el tema de celdas de combustible y sus aplicaciones, y por ello estaría encargado del desarrollo de la planta de potencia basada en esta innovadora tecnología”, indica.
A lo largo de cuatro años, y bajo la coordinación administrativa del Cenidet, por acuerdo del consorcio, este equipo de trabajo desarrolló el proyecto que, al tratarse de una tecnología emergente, requirió plantear propuestas de solución en el manejo de energía híbrida, en el empaquetamiento de los diversos elementos tecnológicos desarrollados, almacenamiento y despacho de combustible, así como en el diseño automotriz adecuado.
Celdas de combustible
Félix Loyola, miembro de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno desde 2007, señala que el hidrógeno es un combustible adecuado debido a su alto contenido energético y a la alta eficiencia de conversión durante la generación de electricidad a partir de celdas de combustible. Una de las principales ventajas del hidrógeno es el hecho de que solamente produce emisiones de agua pura, además de que se puede extraer de fuentes sustentables como el biogás y principalmente del agua a partir de un proceso de electrólisis. La combinación de este último proceso con fuentes renovables de energía se traduce en la producción limpia y sustentable del combustible.
En entrevista, el pasante de doctor en ingeniería explica el principio por el que funcionan las celdas de combustible, las cuales son generadores eléctricos que transforman la energía química de un combustible directamente en electricidad.
“Vista de una manera simple, la celda es un sistema electroquímico al que se alimenta gas hidrógeno y un oxidante, que puede ser oxígeno puro o aire. Estos elementos se hacen reaccionar al interior de la celda produciendo electricidad (como principal producto) y agua (como residuo de la reacción)”, dice.
La conformación del generador a partir de celdas de combustible se realiza en tres etapas. La primera es el ensamble membrana-electrodo (EME), que consta de un electrolito y capas catalíticas, lugar en donde ocurren las reacciones electroquímicas que generan la electricidad. La segunda es el diseño y construcción del conjunto de celdas (conocido como stack), tomando en cuenta los voltajes y corrientes adecuados a la aplicación; esta etapa también incluye realizar simulación de flujo de fluidos, térmica y comportamiento mecánico de los elementos del conjunto de celdas durante su integración. Una vez que se hace la simulación, se valida el desarrollo y se procede a la fabricación de todos los componentes del stack. La tercera etapa consiste en el desarrollo del balance de planta (BOP) y su control, el cual consiste en integrar todos los elementos neumáticos (válvulas, reguladores de presión y tubería) y electrónicos (sensores de corriente, voltaje, presión, temperatura), así como del desarrollo de la electrónica y estrategia de control, que hacen posible la operación automática de la planta de celdas de combustible.
En su caso, el prototipo del vehículo consta de una planta de potencia de cuatro módulos de celdas de combustible (de 100 celdas cada uno), baterías de ion litio y supercapacitores (para la recuperación de energía de frenado) integrados en una configuración eléctrica en paralelo. La capacidad de cada una de las fuentes del sistema híbrido se definió a través de la evaluación del requerimiento energético del vehículo, en función de su aplicación como tipo utilitario.
El desarrollo de la planta de potencia corrió a cargo del Grupo de Hidrógeno y Celdas de Combustible del INEEL liderado por el doctor Ulises Cano e integrado por los doctores José Roberto Flores Hernández y Tatiana Romero Castañón; los maestros Félix Loyola, Irma Lorena Albarrán y Manuel de Jesús López; así como del doctor Javier de la Cruz, investigador adscrito al programa Cátedras Conacyt y comisionado al INEEL.
Sistema de potencia híbrida
La fuente principal de energía eléctrica que requiere el vehículo proviene del hidrógeno que reacciona en las celdas de combustible; sin embargo, es necesaria una etapa de acondicionamiento de esta energía generada para poder sumarla a la producida por las otras fuentes auxiliares (baterías y supercapacitores) que, en su conjunto, conforman el sistema de potencia híbrida. El dimensionamiento de estas fuentes auxiliares, así como el desarrollo de las etapas de acondicionamiento de potencia, corrió a cargo del Cenidet, bajo la batuta del doctor Abraham Claudio Sánchez.
El vehículo eléctrico híbrido es uno de los desarrollos en los que participa el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INNEL). Puedes conocer más de este desarrollo en este video.
En entrevista, el investigador nacional nivel I detalla que su trabajo consistió en acondicionar el sistema de energía.
“Usamos una serie de capacitores, que son los que se utilizan para garantizar la energía que demanda el acelerado, y compensada también con la batería, aunque en este caso, la fuente principal de energía está garantizada por las celdas de combustible”, indica.
El también profesor del Departamento de Ingeniería Electrónica del Cenidet refiere que, a nivel tecnológico, el reto fue involucrarse con las diferentes áreas y subsistemas que integran un vehículo eléctrico, más allá de la parte técnica relacionada con el desarrollo de cada uno de los subsistemas.
Indica que el desarrollo del proyecto le brinda una satisfacción no solo por los resultados obtenidos, sino porque también permitió la formación de recursos humanos y la publicación de trabajos derivados de este.
Tecnología disponible para la industria
El maestro Félix Loyola indica que esta tecnología no está siendo utilizada en nuestro país por la industria, pues a la fecha no existen comercialmente vehículos tipo utilitarios que tengan una planta híbrida que incluya celdas de combustible.
“En nuestro vehículo híbrido se buscó potenciar las ventajas y minimizar las limitaciones de cada una de las tecnologías de almacenamiento de energía y generación a bordo que se incluyeron. En México no hay una empresa que esté haciendo integración de plantas híbridas o que esté comercializando este tipo de vehículos”, dice.
Por tal motivo, este desarrollo es totalmente susceptible de ser transferido, porque tecnológicamente es factible de producir. No obstante, señala que debe resolverse el tema relacionado con los costos de fabricación de las celdas de combustible, pues su precio actual es cinco a diez veces el requerido para que un vehículo como el desarrollado, sea completamente competitivo con la tecnología convencional de vehículos.
“Esto no obedece a que los materiales per se sean caros sino a una baja escala de producción actual. Si esto se convierte en algo masivo, entra justamente en la dinámica de economía de masas que permite que se abaraten todos los procesos de producción y, con ello, los productos finales. Bajo ese esquema, el vehículo eléctrico con celdas de combustible a hidrógeno es totalmente factible”, concluye.
