La disponibilidad de recursos energéticos es una de las preocupaciones más importantes a las que nos enfrentaremos en los próximos años. Con los precios de la gasolina altamente volátiles y el conocimiento de que la producción de petróleo alcanzará su punto máximo en el futuro cercano, muchos dedican su tiempo a mejorar la eficiencia energética para el transporte. Los investigadores están trabajando en todo, desde mejorar la eficiencia del combustible de los vehículos actuales hasta diseñar técnicas completamente nuevas para operarlos. La mayoría está de acuerdo en que los vehículos de gasolina, si bien cuentan con el mejor respaldo de la infraestructura actual, no son la solución a largo plazo para las necesidades de energía del transporte.
La disponibilidad de recursos energéticos es una de las preocupaciones más importantes a las que nos enfrentaremos en los próximos años. Con los precios de la gasolina altamente volátiles y el conocimiento de que la producción de petróleo alcanzará su punto máximo en el futuro cercano, muchos dedican su tiempo a mejorar la eficiencia energética para el transporte. Los investigadores están trabajando en todo, desde mejorar la eficiencia del combustible de los vehículos actuales hasta diseñar técnicas completamente nuevas para operarlos. La mayoría está de acuerdo en que los vehículos de gasolina, si bien cuentan con el mejor respaldo de la infraestructura actual, no son la solución a largo plazo para las necesidades de energía del transporte.
Dada la infraestructura actual de generación y distribución, la electricidad es una fuente potencial de combustible para vehículos de energía alternativa. Una batería, celda de combustible o ultracondensador evita la combustión de combustible para impulsar el motor directamente para hacer girar las ruedas. Estas soluciones tienen mucho potencial, pero también tienen muchos problemas inherentes a la tecnología. Nuestra infraestructura ahora es perfecta para soportar vehículos de gasolina. Porque no existe un lugar conveniente y extenso para otros tipos de reabastecimiento de combustible. Como resultado, las tecnologías de vehículos de energía alternativa enfrentan desafíos no solo por la investigación requerida para desarrollarlos, sino también por la falta de infraestructura. A medida que sube el precio de la gasolina, otras alternativas se vuelven económicamente más viables.
Aunque la tecnología de celdas de combustible existe desde hace muchos años, aún no es comercialmente viable en automóviles. Una celda de combustible es un dispositivo que extrae energía química de una fuente de combustible en electricidad, que se puede utilizar para impulsar motores y otros dispositivos. Desde que se desarrolló la primera celda de combustible en 1839, se ha utilizado en muchas aplicaciones diferentes. Por ejemplo, Google y otros con grandes granjas de servidores usan Bloom Boxes, un tipo común de celda de combustible, como copias de seguridad en el sitio para computación de alta utilización.
La celda de combustible más común se conoce como celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM). Toman hidrógeno como combustible y rompen las moléculas de hidrógeno para producir dos protones y dos electrones por molécula. Una membrana selectiva permite que los iones de hidrógeno se difundan a través de la membrana y se recombinen con el oxígeno como un subproducto limpio, el agua. Dado que los electrones no pueden fluir a través de la membrana, están restringidos a fluir desde el ánodo al cátodo a través de la carga. Este diagrama se muestra a continuación.
Las celdas de combustible PEM se pueden recargar muy rápidamente, como el tanque de gasolina de un automóvil. Un nuevo tanque de combustible de hidrógeno mantiene la celda funcionando continuamente. La desventaja aquí es que las formas de hidrógeno gaseoso, líquido y sólido son muy difíciles de purificar y almacenar, lo que hace que sea muy difícil transportar hidrógeno de manera económica. Aun así, ocupan demasiado espacio en el vehículo para ser utilizado con eficacia. Además, a diferencia de la gasolina, que tiene la ventaja de ser ubicua, las celdas de combustible no tienen infraestructura de recarga. Una de las ventajas de las celdas de combustible PEM es que los vehículos con celdas de combustible producen emisiones significativamente menos dañinas en comparación con los vehículos de gasolina. Las impurezas como el monóxido de carbono pueden contaminar los catalizadores utilizados para dividir las moléculas de hidrógeno, por lo que no se incluye información de que estas celdas de combustible requieren hidrógeno ultrapuro. La purificación de hidrógeno puede ser muy dañina para el medio ambiente, ya que, de lo contrario, anularía la naturaleza limpia de las celdas de combustible PEM.
Dos alternativas comercialmente viables tanto a las pilas de combustible como a la gasolina son los vehículos eléctricos e híbridos. En términos generales, un vehículo eléctrico tiene la capacidad de funcionar completamente con energía eléctrica almacenada (generalmente una batería o un banco de capacitores). Hoy, Tesla produce vehículos totalmente eléctricos, mientras que muchas empresas como Toyota y Chevrolet producen vehículos comerciales híbridos. Un vehículo híbrido es un vehículo que tiene un motor de gasolina y un motor eléctrico, lo que significa que puede funcionar con ambas fuentes de combustible. Un vehículo completamente eléctrico extrae energía de un paquete de baterías almacenado dentro del vehículo para alimentar un motor eléctrico. Casi todos los vehículos tienen una batería para arrancar el coche, pero la batería de un coche eléctrico se diferencia en que tiene una mayor capacidad y un mayor voltaje. Las baterías automotrices en el mercado actual, como las pilas de baterías de iones de litio y plomo-ácido, constan de varias composiciones químicas diferentes.
En comparación con los vehículos de gasolina, los vehículos eléctricos e híbridos disfrutan de una infraestructura similar y ampliamente disponible. La mayoría de los vehículos eléctricos tienen circuitos de carga complejos y se pueden cargar desde un enchufe doméstico, por lo que puede cargar su vehículo eléctrico donde haya electricidad disponible. Debido a que no hay combustión, los vehículos eléctricos producen muy pocos subproductos. Al igual que con el hidrógeno, esto no tiene en cuenta la generación de combustible. Las centrales eléctricas de carbón proporcionan la mayor parte de nuestra electricidad, por lo que cargar vehículos es costoso y perpetúa el proceso dañino de quemar carbón como combustible.
La carga de estos paquetes de baterías a menudo se da por hecho, ya que el proceso es muy complejo y depende en gran medida de las celdas utilizadas para la carga. Las baterías son susceptibles de sobrecalentamiento, sobrevoltaje y bajo voltaje, las tres condiciones que plantean problemas de seguridad y vida útil de la batería. Por lo tanto, comúnmente se usa un microcontrolador para medir el voltaje y la temperatura de cada celda en la pila. Si la temperatura o el voltaje aumentan demasiado, la celda se retirará de la pila. Incluso las celdas en serie pueden experimentar problemas de sobrecalentamiento y sobrevoltaje. El bajo voltaje también es peligroso para la vida útil de la batería. Por ejemplo, si el voltaje de una celda de batería de plomo-ácido baja demasiado, la celda no se puede volver a cargar. Teniendo en cuenta todas las técnicas que mantienen el paquete de baterías seguro y duradero, las celdas como la que se muestra en la Figura 3 cuestan decenas de miles de dólares y, por lo general, duran de 5 a 10 años.
Los vehículos híbridos son interesantes desde la perspectiva de la infraestructura porque tienen un motor de gasolina y un paquete de baterías. Sin embargo, en comparación con los vehículos eléctricos, las baterías de los vehículos híbridos normalmente se cargan por completo durante el funcionamiento normal del vehículo. Un motor eléctrico arranca el vehículo y permite que funcione con gasolina. La combustión del combustible hace girar un eje que está conectado a un alternador que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. La corriente generada se convierte de CA a CC para cargar la batería. Además, cada vez que el coche frena, parte de la energía se recupera para cargar más la batería. Se han realizado varios estudios sobre la posibilidad de utilizar ultracondensadores, que tienen densidades de energía más bajas que las baterías pero densidades de potencia mucho más altas, para almacenar energía del frenado regenerativo. A continuación se muestra una comparación de la densidad de energía y la densidad de potencia.
Los ultracondensadores tienen una vida más larga en comparación con las baterías y pueden soportar fácilmente cargas y descargas rápidas. Es el mismo tipo de estrés que la batería de un automóvil se desgasta en cinco años. Por lo tanto, la energía recuperada del frenado regenerativo carga un banco de ultracondensadores que se descarga cuando el vehículo necesita energía, como cuando sube colinas o conduce en barro o nieve. Esta tecnología beneficiará no solo a los vehículos eléctricos e híbridos, sino también a los vehículos propulsados por casi cualquier medio.
Mientras las estaciones de servicio predominen mucho más que las estaciones de carga de alta corriente y las estaciones de combustible de hidrógeno, los híbridos tienen más sentido que los vehículos de pila de combustible. Como se mencionó anteriormente, se proyecta que el petróleo alcance su producción máxima y se quede sin reservas. Las nuevas tecnologías que nos permiten recuperar más petróleo requieren tecnología e investigación costosas. Con el tiempo, esto aumentará el precio de la gasolina, lo que hará que estas otras tecnologías sean más económicas a largo plazo. Se necesitan muchas mejoras para mejorar la