Coautor: Fábio Coutinho Antunes, estudiante de posdoctorado de la Facultad de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Unicamp

Los vehículos de combustión híbridos, electrificados o alimentados con etanol emiten menos dióxido de carbono durante su vida útil desde la cuna hasta la tumba en comparación con los vehículos enchufables puramente eléctricos. Por lo tanto, estas opciones de vehículos deberían ser preferidas por el consumidor y preceder a los vehículos eléctricos, ya que emiten menos gases de efecto invernadero. Al fin y al cabo, la transición energética que estamos viviendo se trata de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, un fenómeno del calentamiento global, potenciado por las actividades humanas.

Estos gases se acumulan entre la estratosfera y la troposfera a 12 kilómetros de altitud, justo debajo de la capa de ozono, e impiden que la radiación infrarroja de la Tierra se libere al espacio exterior, impidiendo que la Tierra se enfríe de forma natural y gradual. A partir de la Revolución Industrial (de 1760 a 1820), comenzamos a emitir una mayor cantidad de Gases de Efecto Invernadero, hecho reconocido por la comunidad científica. El calentamiento global es un problema importante, con reflejos de las actividades humanas en el clima, con inundaciones, sequías prolongadas, olas de calor en épocas más frías y viceversa, y el derretimiento de los casquetes polares en los polos, propiciando un aumento del nivel de los océanos.

Hoy tenemos conciencia social, capacidad técnica, voluntad política y, sobre todo, soluciones que generarían riqueza y empleo para la sociedad. Desde un punto de vista tecnológico, existe un conjunto de tecnologías que nos pueden ayudar, de una forma más inteligente, en esta transformación. En otras palabras, es importante llevar a cabo la transición energética, utilizando lo mejor de cada lugar.

La transición energética será única para cada región del mundo. En Brasil tenemos etanol, un biocombustible bajo en carbono. El vehículo de etanol emite monóxido de carbono e hidrocarburos en su arranque en frío. Los vehículos híbridos, con dos motores, trajeron la ventaja de reducir las emisiones de carbono, además de una mayor autonomía. Pero puede mejorar.

Una de las soluciones es utilizar un sistema de propulsión híbrido de menor complejidad y coste para la generación de energía eléctrica a bordo en el sector de la movilidad. Este sistema está compuesto por un reformador de etanol en gas de síntesis (Hidrógeno Molecular y Monóxido de Carbono). Este gas se convierte directamente en energía eléctrica mediante una pila de pilas de combustible de óxido sólido. La energía eléctrica generada suministra energía a un motor eléctrico de alta eficiencia (95% de eficiencia), mientras carga eléctricamente un módulo mucho más pequeño de baterías de iones de litio. Todo este sistema puede alcanzar hasta un 70% de eficiencia. Mucho más alto que el 35% de eficiencia máxima de un vehículo de combustión interna.

Esta solución aprovecha la red de valor creada hace años por la generación, logística y distribución de etanol en estaciones de servicio. Y lo más importante, llenar con una mezcla de 55% en volumen de etanol y 45% en volumen de agua en 5 minutos. El agua es importante para el reformado eficiente del etanol, produciendo mucho más hidrógeno molecular. Además, se espera que el costo del combustible para el consumidor baje a la mitad del valor actual, y la autonomía debe ser compatible con los vehículos actuales. Aparte de eso, la emisión de carbono será mucho más reducida.

Todavía no hemos dominado por completo la tecnología de celdas de combustible de óxido sólido hasta el punto de llevarla al mercado. Ya se utiliza para generar energía estacionaria con gas natural e hidrógeno molecular puro, pero necesita ser adaptado para el gas de síntesis de etanol reformado y aplicado en movilidad. Es necesario reducir el peso de la pila de estas celdas de combustible y mejorar la eficiencia, lo que debería suceder en los próximos 5 años.

El vehículo enchufable, por otro lado, está listo y lleva la promesa de cero emisiones al no emitir Gases de Efecto Invernadero. Pero esta historia no es tan realista. En su ciclo de vida necesitan recorrer aproximadamente 100.000 kilómetros para igualar las emisiones de dióxido de carbono de un vehículo de combustión alimentado con etanol, es decir, prácticamente toda su vida útil. Además, el costo, el reemplazo de los módulos de batería y el mantenimiento son bastante altos.

Son muchos los reportes de daños a las baterías por desperfectos en las carreteras, problemas en el sistema de carga, necesidad de inversión en infraestructura para la red de distribución y recarga. El costo de generación de electricidad limpia y renovable, distribución (redes) y estaciones de carga para vehículos enchufables en Brasil se estima en 300 mil millones de dólares. Esta inversión en infraestructura podría beneficiar enormemente a la cadena de generación, transmisión y distribución de energía, y la factura no debe recaer únicamente en el vehículo eléctrico. Tampoco tiene sentido tener un vehículo que lo enchufa y carga con energía eléctrica generada por termoeléctricas.



El tema es complejo y requiere reflexión para una mejor clarificación. La siguiente es una breve discusión de las características principales de este sistema de tren motriz híbrido impulsado por etanol, que se presenta a continuación. El siguiente es un desglose del reformador, celda de combustible de óxido sólido, supercapacitores, baterías y motor eléctrico.

Reformadores:
El reformador de etanol es similar a los catalizadores en un vehículo de combustión. El reformador está compuesto por un soporte cerámico monolítico obtenido por extrusión o metálico, con finos canales del tipo unidireccional o alveolar. Los canales están recubiertos con una segunda capa de unión cerámica compuesta por materiales con alta capacidad de almacenamiento y liberación de oxígeno.

Sobre esta capa, varias nanopartículas metálicas activas como catalizadores se apoyan sobre (o incluso en su interior) nanopartículas cerámicas porosas obtenidas por impregnación, infiltración solvotérmica o coprecipitación de soluciones de sales precursoras. Tras un proceso de secado y calcinación se obtienen las fases activas de los catalizadores con alta dispersión y área superficial. Estos catalizadores son los encargados de convertir el etanol en gas de síntesis con alta selectividad de hidrógeno molecular a una temperatura de aproximadamente 650 grados centígrados.

Los materiales de última generación utilizados en los reformadores de etanol son:
1) soportes cerámicos monolíticos de cordierita, con bajo coeficiente de dilatación térmica (5 x 10 menos 6 metros por grado centígrado) y alta resistencia al choque térmico o soportes metálicos en acero inoxidable ferríticos o austeníticos de alta conductividad térmica y resistencia al choque térmico;
2) una capa de adhesión cerámica de Óxido de Cerio, Óxido de Cerio y Óxido de Zirconia de alta capacidad de almacenamiento y liberación de oxígeno, o incluso Óxido de Aluminio u Óxido de Zirconia, dopado con Óxido de Magnesio para mejorar la capacidad de almacenamiento y liberación de oxígeno; y
3) nanopartículas de metales catalizadores tales como Níquel, Níquel Cobalto, Níquel Molibdeno, Níquel Niobio, Níquel Cobre, soportadas sobre nanopartículas cerámicas de los mismos materiales que la capa de adhesión cerámica. El gas de síntesis reformado del etanol rico en hidrógeno molecular se dirige a la pila de celdas de combustible de óxido sólido para que el ánodo de la celda lo convierta directamente en energía eléctrica, calor, agua y dióxido de carbono.

Pilas de combustible de óxido sólido:
una pila de combustible es un dispositivo electroquímico de estado sólido que convierte la energía de los enlaces químicos de un combustible en energía eléctrica, similar a las baterías en las que las reacciones electroquímicas en los electrodos generan electricidad. En las pilas de combustible de óxido sólido, el oxígeno molecular presente en el aire se reduce en el cátodo mediante electrones, formando aniones de oxígeno . Estos aniones de oxígeno pasan a través del electrolito hacia el ánodo para oxidar el hidrógeno molecular liberando electrones al circuito externo y luego estos electrones regresan al cátodo para reducir el oxígeno del aire en aniones de oxígeno. Esta reacción electroquímica no solo produce electrones, sino también calor y agua.

No podemos usar hidrógeno molecular directo porque es un gas que necesita ser criolicuado y almacenado en tanques de alto costo, con riesgos de explosión en caso de colisión. El hidrógeno, por su parte, es un elemento presente en las moléculas de hidrocarburos y biocombustibles, como el etanol. El etanol tiene 6 átomos de hidrógeno que pueden formar 3 moléculas de hidrógeno molecular (Etanol). Es decir, los biocombustibles almacenan hidrógeno en forma líquida. El etanol almacena 18,4 megajulios por litro, mientras que el hidrógeno molecular almacena solo 0,01 megajulios por litro de energía en condiciones normales de temperatura y presión.

La figura destacada presenta un esquema de la celda de combustible de óxido sólido con los componentes, materiales de última generación y los respectivos coeficientes de expansión térmica. Además de la pila de combustible de óxido sólido, podemos ver su pila en la figura. El sistema produce electricidad para alimentar el motor y las baterías. En casos de pico de demanda de energía, como adelantamientos, el módulo de batería o un banco de supercondensadores pueden suministrar rápidamente energía al motor eléctrico.

El asiento se utiliza para reabsorber rápidamente la energía regenerativa del motor eléctrico durante la desaceleración o el frenado del vehículo. En esta configuración, el módulo de batería de iones de litio suprime la fluctuación de energía inherente de la pila de celdas de combustible de óxido sólido. La figura muestra;
A: Ampliación del diseño asistido por computadora de una sección transversal de una celda de combustible de óxido sólido con soporte metálico de celda unitaria y sus componentes,
B: Diseño asistido por computadora de una celda de combustible de óxido sólido con soporte metálico de celda unitaria y sus interconectores,
C: Diseño asistido por computadora de una pila de soporte de metal de celda de combustible de óxido sólido Admite celdas de combustible de óxido sólido.

Los motores eléctricos asíncronos y magnéticos de corriente alterna exhiben un alto par, eficiencia en la conversión de energía eléctrica en cinética y un excelente control de rotación. Los motores de los vehículos enchufables de Tesla y Honda tienen eficiencias de hasta el 92% y el 97%, respectivamente.

Este sistema de tren motriz híbrido tiene las siguientes ventajas:
1) tanque pequeño para llenar con etanol hidratado;
2) la autonomía depende del reformador externo, la cantidad de combustible y las eficiencias del reformador y pila de combustible de óxido sólido y no del módulo de batería;
3) el módulo de batería se puede reducir hasta en una quinta parte en volumen, reduciendo peso y costo, y
4) la cantidad de sustancias tóxicas e inflamables presentes en los electrodos y electrolitos de las baterías de iones de litio será menor, lo que también permitirá la reducción por la demanda de Níquel, Litio, Cobalto, Aluminio, Cobre, Silicio, Zinc, Manganeso y Carbono, a menudo sujeta a fluctuaciones de precios y crisis. La solución brasileña puede beneficiar a 2 mil millones de personas en el planeta para esta y futuras generaciones.