Energía y ambiente : pasado, presente y futuro parte tres : sistema energético basado en el hidrógeno

Energy and environment : past, present and future part three : hydrogen-based energy system

El hidrógeno se ha venido usando masivamente en la industria; es el principal insumo para la producción de amoniaco, gasolina y otros procesos petroquímicos y de refinación, y se ha planteado su uso en los motores de combustión interna. Varios estudios demuestran que tres cuartas partes de la energía producida en el mundo para el último cuarto de siglo deben provenir del hidrógeno. Con la crisis energética, muchas compañías han ya redefinido su propósito; un ejemplo de esto es la British Petroleum que ahora se va a denominar Beyond Petroleum, buscando nuevas fuentes de energía mucho más limpias y de carácter renovable. Sin embargo, como el petróleo sigue siendo un recurso mundial de suma importancia, el debate en el uso de otras fuentes que lo suplan genera un fuerte conflicto de intereses en todo el mundo.

En los últimos años se ha intensificado la investigación en las tecnologías del hidrógeno, destacándose dos proyectos ámbito. Uno de ellos es HySolar, realizado conjuntamente entre Arabia Saudita y Alemania para la obtención de hidrógeno por electrolisis, con electricidad generada por células fotovoltaicas; sorprendiendo a todo el mundo, Arabia Saudita, siendo uno de los países con la mayor cantidad de reservas mundiales de petróleo, pretende exportar hidrógeno solar como fuente de energía.

Otro programa exitoso es el Hydro-Hydrogen Pilot Project, que pretende producir hidrógeno líquido a partir de energía hidroeléctrica barata y comercializarlo para diferentes usos en Europa. En Japón también se pretende realizar un proyecto bastante ambicioso en este tema, usando la electrolisis y el reformado de vapor.

Las implicaciones geopolíticas del hidrógeno son enormes. El carbón fue primordial para lanzar a Gran Bretaña y Alemania como potencias mundiales en el siglo XIX, y el petróleo lo fue para Estados Unidos en el siglo XX. El hidrógeno pretende tener tal estatus de decisión, logrando lanzar a un país como dominador del orden energético global. Estas amenazas ha sido eclipsadas por el status quo adoptado para varios países que controlan el orden actual, subsidiando la producción y el consumo de los combustibles fósiles, y solventando la contaminación producida por su uso con costes externos.

El hidrogeno va a ser en pocos años uno de los combustibles predilectos; por ello, muchas compañías automotrices ya invierten grandes cantidades en vehículos que puedan adaptarse a estos desarrollos. No obstante, como aún no es económicamente competitivo comparado con las demás fuentes de energía, todavía hay mucho por hacer en materia de desarrollo; para esto se requiere de inversión científica, voluntad política y apoyo de las multinacionales energéticas como consciencia de desarrollo en varios ámbitos.

Optimizing energy management strategy and degree of hybridization for a hydrogen fuel cell SUV

Optimización de la estrategia de gestión de energía y grado de hibridación para un SUV de celdas de combustible de hidrógeno

Los automóviles híbridos han tomado mucha fuerza en la última década como la respuesta verde al cambio climático global. Consisten en el uso conjunto de motores de generación eléctrica y motores térmicos. Las ventajas ecológicas son evidentes, pero todavía su desarrollo es muy precario; por esto, este estudio propone la optimización local y global del sistema, que abarca el estudio del tamaño total, la variación del peso, la eficiencia, la potencia, el tamaño de cada pieza, entre otras variables de interés. Otro factor interesante es la regeneración, que consiste en recuperar la energía cinética del frenado que se disipa en calor para el uso del vehículo.

Evaluando las variables de diseño, se utilizaron diversos modelos de optimización. Los que no se basan en métodos de gradiente (no requieren calculo de derivadas parciales) mostraron efectividad en encontrar las regiones con la mayor posibilidad de óptimos globales, aunque con tiempos de convergencia sumamente altos y tolerancias largas, lo cual lleva a pensar que es mejor usar métodos de cálculo mucho más robustos.

Este estudio se basó en los vehículos tipo SUV (similares a una Jeep Cherokee), asumiendo sus características tales como peso, radio de las ruedas, peso sin el eje principal, área frontal, etc. Para el modelo se tomaron las siguientes simplificaciones:

La masa total de vehículo permanece constante sin importar el tamaño de los componentes. El tamaño de los componentes varía en pasos discretos.

El administrador de energía se mantendrá constante.

Para la definición del problema de optimización, se tomaron como variables de estudio el sistema de picos de potencia de la celda de combustible, el sistema de picos de potencia del motor, número de módulos de la batería, requerimiento mínimo de potencia, requerimiento máximo de potencia, parámetro de carga de potencia y tiempo mínimo de apagado. Para asegurar que el equipo va a tener las mismas características de una SUV normal, se establecieron las restricciones de rendimiento con al aceleración, el ciclo de manejo, entre otras. Finalmente, se estableció como función objetivo la economización de combustible. Los resultados mas destacados son:

El diseño de las celdas de combustible requiere de un modelo multimodal que conlleva a varios óptimos locales.

El diseño óptimo de la celda de combustible depende fuertemente del ciclo de manejo y del peso promedio del automóvil.

Muy pocos modelos tienen en cuenta las diversas condiciones de manejo a las que se puede ver enfrentada una persona que maneja este tipo de vehículos.