OPINIÓN    

Litio e hidrógeno para automotores

Jorge Espinoza



El litio no es un combustible como la gasolina o el diésel, por lo que no produce energía, sino la almacena aprovechando su alta densidad energética. El hidrógeno sí es combustible. Veamos su aplicación en automotores.

Baterías de iones de litio. La inestabilidad en el suministro del cobalto y el níquel está llevando a empresas como Tesla y Volkswagen a plantearse el uso de celdas con tecnologías como las de cátodos con litio-hierro-fosfato (LFP), que no han dejado de mejorar y convertirse en una posibilidad real. Estas celdas son ligeramente menos densas energéticamente que las NCA (níquel-cobalto-aluminio), que tradicionalmente emplea Tesla para sus coches eléctricos. Según Elon Musk las baterías NCA redujeron el porcentaje de cobalto a menos del 3%.

Los cátodos de LFP están compuestos de hierro, fosfato, oxígeno y, a veces, una parte de manganeso. Además, precisan sales de litio, separadores de polímeros, ánodos de grafito, colectores de corriente de cobre y aluminio y una carcasa de aluminio. Todos estos materiales son abundantes en la naturaleza, lo que abarataría mucho su costo. Los cátodos LFP han ocupado el 90% del mercado de los autobuses eléctricos y otros vehículos pesados que tienen requisitos de autonomía modesta, pero requieren muchos ciclos de trabajo. Las celdas LFP cumplen con estas necesidades: se pueden cargar y descargar a niveles de potencia más elevada que las NCA y pueden soportar más ciclos de uso antes de que comiencen a degradarse, lo que brinda una vida más larga en aplicaciones de alto rendimiento.

Gracias a los avances químicos, las celdas LFP están comenzando a alcanzar densidades energéticas suficientes como para ofrecer una autonomía decente a los vehículos eléctricos para particulares. Actualmente las baterías LFP desarrolladas por CATL (Contemporary Amperex Technology) han alcanzado capacidades de al menos 160 Wh/kg. A modo de comparación, las celdas 2170 de Tesla fabricadas por Panasonic tienen alrededor de 247 Wh/kg. Si las celdas de CATL alcanzasen los 180 Wh/kg, Tesla no tendría que tocar el empaquetamiento. El Tesla Model 3 SR+, uno de los coches eléctricos más eficientes, espera una autonomía de 350 a 420 Km y se carga en más de 30 horas en un enchufe normal y en 35 minutos con un súper cargador de 250 kW.

Baterías de estado sólido. Son una evolución de la batería de iones de litio. La de estado sólido funciona con el mismo principio que una de iones de litio, la principal diferencia está en el electrolito. En el primer caso es un líquido y en el segundo un material sólido. En las baterías actuales, su autonomía es muy limitada y el tiempo necesario para su recarga demasiado largo. En un coche equipado con una batería de estado sólido se eliminan esos dos puntos débiles además de tener una mayor vida útil. Toyota -a través de Panasonic- comenzó a trabajar en estas baterías en 2017 y cree que en 2025 podrá lanzarlas al mercado. Será más barata, tendrá más autonomía (500 Km), requerirá tiempo de recarga muy corto (10 minutos) y tendrá mayor seguridad (en un accidente no se incendiaría). Se dice que puede almacenar tres veces más energía que una batería de iones de litio. Si este tipo de batería cumple estas ventajas, se impondrá definitivamente al motor de combustión.

Pilas de combustible de hidrógeno. ¿Se puede usar hidrógeno cómo fuente de energía alternativa? El gran problema es cómo obtenerlo y almacenarlo de forma eficiente. En una pila de combustible de hidrógeno, la energía contenida en el combustible (hidrógeno) y el oxidante (oxígeno), mediante reacciones electroquímicas se transforma en energía eléctrica, dejando como residuo vapor de agua. Para obtener hidrógeno se necesita descomponerlo de algún compuesto que lo contenga (normalmente agua o algún combustible fósil), siendo totalmente limpio cuando se obtiene del agua. A partir de hidrocarburos: Este método es el que presenta mayor eficiencia de conversión (la energía del combustible a transformar se usa para la transformación), pero también libera emisiones de CO2. Por ejemplo, si se convierte gas natural se obtiene un 80% de rendimiento. A partir de agua: la más conocida es la electrólisis, este método es poco eficiente (alrededor del 30%), por lo que la energía necesaria es más útil usarla cómo electricidad que transformarla.

El hidrógeno contiene más energía que otros combustibles comunes por peso, pero al ser el elemento más ligero y estar en estado gaseoso, hace que contenga menos energía por volumen que cualquier otro combustible. Por ello se comprime en tanques presurizados, de forma que su densidad sea mayor y necesite menos espacio para almacenar la misma energía. Esto hace el proceso de obtención de hidrógeno más costoso e ineficiente, puesto que se necesita comprimir el gas dentro del tanque. A todo esto, hay que sumar su peligrosidad, puesto que es uno de los gases más inflamables que existen, que obliga a extremar la seguridad de los tanques y sistemas de transporte del gas.

Komatsu implementará nuevas tecnologías en su combustible, cambiando el diésel por el hidrógeno, en la mina Mogalakewna de Anglo American en Sudáfrica. El KOMATSU HD 605-7 será el vehículo eléctrico más grande del mundo, con una capacidad de carga de 300 toneladas. Esta primera volqueta de hidrógeno contará con ocho pilas de combustible de 100 kW de potencia cada una, dando un total de 800 kW (1.088 Hp). La energía necesaria para obtener el hidrógeno provendrá de los paneles solares que hay en la misma mina, por lo que será un proceso totalmente limpio, lo que se llama hidrógeno limpio. Recuérdese que los procesos de obtención del litio, cobalto, níquel, cobre, hierro etc., contaminan o dañan las condiciones medioambientales.

En la región de Baja Sajonia (Alemania), operan más de dos años los primeros trenes de hidrógeno de pasajeros en el mundo. Los trenes Coradia iLint, construidos por la compañía francesa TGV Alstom, pueden recorrer sin repostar unos mil kilómetros y sus pilas se recargan en unos 15 minutos. Otros países como Italia, Francia, Reino Unido y los Países Bajos también han mostrado su interés en estas locomotoras.

En suma, ambientalmente el hidrógeno verde tiene ventaja sobre el litio. Pueden utilizarse simultáneamente varias pilas para aumentar la potencia, lo que no es posible con el litio, pero su repostaje es muy caro (ductos y tanques con elevadas presiones, sistemas para evitar su inflamación) y no pueden instalarse en cualquier lugar. Por tanto, su uso sería conveniente en vehículos pesados, que recorren grandes distancias con rutas preestablecidas que se repiten. No podría competir con los vehículos ligeros accionados con baterías de litio, que se mueven por doquier.

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