UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DEL TACHIRA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECNICA INGENIERIA DEL AUTOMOVIL

COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS

TeamJohan Villamizar18.565.214 Jorge Garca 18.257.152 Prof.: Jess Garca

SAN CRISTBAL, MAYO DE 2011

INTRODUCCIN En los comienzos del desarrollo del motor de combustin interna el nico combustible de gran disponibilidad era el alcohol. Con el paso del tiempo y a medida que el automvil se volvi ms popular y omnipresente se comenzaron a utilizar como combustible los derivados del petrleo. En la actualidad, el resurgimiento del alcohol como combustible, adems de ofrecer otras ventajas ecolgicas y econmicas que facilitan el desarrollo sostenible, es una posible solucin para varios pases que no cubren el ciento por ciento de sus necesidades de petrleo, por lo que tienen que importarlo. Una de las principales ventajas del alcohol como combustible radica en que se trata de un recurso renovable, no como los hidrocarburos, que representan una riqueza nica y agotable. De la gran familia de los alcoholes, el etanol y el metanol son los dos compuestos que, mezclados con gasolina y diesel, se estn utilizando como combustibles alternativos en los motores de automviles. Los combustibles no renovables que utilizan la mayor parte de los automviles actualmente son el diesel y la gasolina, y a pesar de que no son renovables, tienen una gran desventaja: al quemarse en los motores de combustin interna de los automviles generan contaminantes y gases txicos como lo son el CO, CO2 y el NOx. Para conocer que se est haciendo actualmente en materia de combustibles alternativos, se deben conocer primero los combustibles tradicionales.

COMBUSTIBLES FSILES

Se llaman combustibles fsiles a aquellas materias primas empleadas en la combustin que se han formado a partir de las plantas y otros organismos vivos que existieron en tiempos remotos en la Tierra. Estos combustibles son: el carbn, el petrleo y el gas natural Los combustibles fsiles son recursos no renovables: no se reponen por procesos biolgicos como por ejemplo la madera. En algn momento, se acabarn, y tal vez sea necesario disponer de millones de aos de una evolucin y descomposicin similar para que vuelvan a aparecer.

La Tierra en combustibles fsiles

DIESEL Y GASOLINA, COMBUSTIBLES MS USADOS EN LA ACTUALIDAD El diesel y la gasolina son una mezcla de hidrocarburos derivados del petrleo que se utilizan como combustible en motores de combustin interna. En cuanto a costos, el diesel es ms econmico y eficiente que la gasolina. Actualmente son los 2 tipos de combustibles ms usados en el mundo automotriz y se han venido utilizando desde finales del siglo XIX, debido a que son fciles de obtener, hay gran disponibilidad de usarlos y las tecnologas automotrices se han desarrollado basndose en ellos. A pesar del desarrollo de motores de combustin interna ms ecolgicos y eficientes para el bolsillo y el medioambiente, adems de haber mejorado los componentes de estos combustibles, las altas emisiones de CO2 que siguen afectando el creciente calentamiento que experimenta el globo terrqueo, los altos precios del petrleo y el hecho de saber que los combustibles fsiles se

estn agotando, han motivado que gobiernos e instituciones desarrollen combustibles alternativos que usarn los vehculos en un futuro no muy lejos, los cuales servirn para disminuir la mayor cantidad de emisiones de CO 2 en su defecto eliminarlas completamente.

Surtidores de combustible

COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS Los combustibles alternativos son carburantes pensados para sustituir a los combustibles fsiles o derivados del petrleo. Petrleo que es cada vez ms escaso y, por tanto, tambin ms cara su obtencin, a la vez que muy contaminante. Los combustibles alternativos deben ser ms econmicos y ecolgicos que los tradicionales. Y, aunque an no han alcanzado la potencia de los combustibles tradicionales, es una tecnologa todava en desarrollo y podran alcanzar en un futuro cercano una mayor eficiencia e incluso superar a la de los derivados del petrleo. El uso de los combustibles alternativos supone tambin la creacin de nuevas tecnologas tanto en los motores de la automovilstica como de la aeronutica o cualquier tipo de motor que funcione con los combustibles derivados del petrleo. Las compaas automovilsticas estn ofreciendo vehculos con motores para combustibles alternativos cada vez ms optimizados y con mejores prestaciones.

La visin de estas compaas, con respecto a la futura rentabilidad de estos vehculos, est convirtiendo en una de sus prioridades el desarrollo y mximo aprovechamiento de esta tecnologa de la automocin. TIPOS DE COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS 1. BIOCOMBUSTIBLES El biocombustible es el trmino con el cual se denomina a cualquier tipo de combustible que se derive de la biomasa (organismos recientemente vivos o sus desechos metablicos, tales como el estircol de la vaca). Los combustibles de origen biolgico pueden sustituir parte del consumo de combustibles fsiles tradicionales como el petrleo y el carbn; algunos los consideran una fuente de energa renovable y que tiene poco impacto ambiental. Dentro de los biocombustibles estn:

1.1. ETANOL:El etanol es un compuesto qumico obtenido a partir de la fermentacin de los azcares que puede utilizarse como combustible, bien solo, o bien mezclado en cantidades variadas con gasolina, y su uso se ha extendido principalmente para reemplazar el consumo de derivados del petrleo. El combustible resultante de la mezcla de etanol y gasolina se conoce como gasohol o alconafta. Dos mezclas comunes son E10 y E85, con contenidos de etanol del 10% y 85%, respectivamente. El etanol tambin se utiliza cada vez ms como aadido para oxigenar la gasolina estndar, reemplazando al ter metil tert-butlico (MTBE). Este ltimo es responsable de una considerable contaminacin del suelo y del agua subterrnea. Tambin puede utilizarse como combustible en las celdas de combustible. Para la produccin de etanol en el mundo se utiliza mayormente como fuente biomasa. Este etanol es denominado, por su origen, bioetanol. El etanol puede producirse de dos formas. La mayor parte de la produccin mundial se obtiene del procesamiento de materia biolgica, en particular ciertas plantas con azcares. El etanol as producido se conoce como bioetanol. Por otra parte, tambin puede obtenerse etanol mediante la modificacin qumica del etileno, por hidratacin.

La fuente ms conocida para hacer etanol (alcohol) es la caa de azcar, que se utiliz en la Argentina en los aos 70. Es utilizada en Brasil, donde toda la nafta est mezclada con etanol e incluso hay autos que marchan slo con este alcohol. En los EE.UU., en cambio, se utiliza etanol proveniente del maz.

Gobernador Arnold Schwarzenegger presentando la Chevrolet Tahoe Flex-fuel 2006 en el Auto Show de los ngeles

MEZCLAS COMBUSTIBLES-ETANOL

o

E10: es una mezcla de un 10% de etanol y un 90% de gasolina que puede

usarse en los motores de la mayora de automviles modernos sin producir daos en ellos, si bien no se conoce el efecto exacto sobre los motores ms antiguos. Son parecidas las mezclas E5 y E7, con un 5 y 7% de etanol, respectivamente. El E10 es ampliamente utilizado en el medio oeste de Estados Unidos y su uso es obligatorio en diez estados, incluyendo Florida, donde la medida entr en vigencia en 2010.

o

E85: es una mezcla de un 85% de etanol y un 15% de gasolina. La mezcla

E85 es el combustible utilizado por los vehculos de combustible flexible en Estados Unidos, especialmente en Minnesota, Suecia y en otros 17 pases europeos. Tailandia introdujo el E85 a finales de 2008 y Colombia comenzar a vender E85 a partir de 2012. Esta mezcla tiene un octanaje cercano a 105, significativamente inferior al del etanol puro pero an mucho ms alto que la gasolina normal. La adicin de una

pequea cantidad de gasolina ayuda a arrancar a un motor convencional usando este combustible bajo condiciones de bajas temperaturas. El E85 no siempre contiene exactamente un 85% de etanol. En invierno, especialmente en los climas ms fros, se aade ms gasolina con el mismo fin de facilitar el arranque.

Logos de vehculos que usan combustibles flexibles

EL USO DE ETANOL EN VENEZUELA Se utiliza solo como aditivo para la gasolina sin plomo (aquella preparada sin la adicin de Tetraetilo de Plomo) llamada comnmente gasolina verde, actualmente Venezuela importa el Etanol de Brasil, sin embargo se estn construyendo plantas de obtencin de Etanol a partir de la caa de azcar, y el maz; para no depender de las importaciones, desde Brasil.

PRODUCCION DE ETANOL EN EL MUNDO Produccin anual de etanol por pas (20042006) Quince mayores pases productores (millones de galones internacionales, todos los grados de etanol) Clasificacin mundial 1 Pas Estados 2006 4.85 2005 4.26 2004 3.53

Unidos 2 Brasil

5 4.49 1 1.01 7 502 251 202 171 153 122 102 93 74 71 66 52 13.4 89

4 4.22 7 1.00 4 449 240 114 198 61 93 103 79 92 65 58 32 12.1 50

5 3.98 9 964 462 219 71 198 61 79 110 74 106 66 53 79 10.7 70

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

China India Francia Alemania Rusia Canad Espaa Sudfrica Tailandia Reino Unido Ucrania Polonia Arabia Saudita Produccin mundial total

Algunos vehculos que usan etanol:

Ford F-150 2010

Ford Escape Hybrid 2010

1.2. BIODIESEL:

Es un biocombustible lquido que se obtiene a partir de lpidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso previo,1 mediante procesos industriales de esterificacin y transesterificacin, y que se aplica en la preparacin de sustitutos totales o parciales del petrodisel o gasleo obtenido del petrleo. El biodisel puede mezclarse con gasleo procedente del refino del petrleo en diferentes cantidades. Se utilizan notaciones abreviadas segn el porcentaje por volumen de biodisel en la mezcla: B100 en caso de utilizar slo biodisel, u otras notaciones como B5, B15, B30 o B50, donde la numeracin indica el porcentaje por volumen de biodisel en la mezcla. A continuacin se detallan las principales materias primas para la elaboracin de biodisel: Aceites vegetales convencionales: Aceite de girasol Aceite de colza Aceite de soja Aceite de coco Aceite de palma Aceites vegetales alternativos: Aceite de Brassica carinata Aceite de Cynara curdunculus Aceite de Camelina sativa Aceite de Crambe abyssinica Aceite de Pogianus Aceite de Jatropha curcas (physic nut, pinho manso, tempate) Aceites de semillas modificadas genticamente: Aceite de girasol de alto oleico Grasas animales: Sebo de vaca Sebo de bfalo Grasa de pollo Grasa de pescado

Aceites de otras fuentes: Aceites de producciones microbianas Aceites de microalgas Algunos vehculos que usan el Biodiesel

Toyota Land Cruiser hybrid 2007

GMC Hummer H1 hybrid

Los Biocombustibles son renovables, a diferencia de los derivados del petrleo. Adems, la quema de hidrocarburos contribuye con el calentamiento global, por las emisiones de dixido de carbono (CO2), fruto de la combustin de los derivados del petrleo.

Los Biocombustibles son menos contaminantes. El alcohol o el biodisel que se queman en un motor vienen de una planta que previamente haba absorbido CO2 del aire. Por eso se considera que las emisiones de los biocombustibles son despreciables en comparacin con las del petrleo.

2. VEHICULOS ELCTRICOSUn vehculo elctrico es un vehculo de impulsado por uno o ms motores elctricos. La traccin puede ser proporcionada por ruedas o hlices impulsadas por motores rotativos, o en otros casos utilizar otro tipo de motores no rotativos, como los motores lineales, los motores inerciales, o aplicaciones del magnetismo como fuente de propulsin, como es el caso de los trenes de levitacin magntica. A diferencia de un motor de combustin interna que est diseado

especficamente para funcionar quemando combustible, un vehculo elctrico obtiene la traccin de los motores elctricos, pero la energa puede ser suministrada de los modos siguientes:

Alimentacin externa del vehculo durante todo su recorrido, con un aporte constante de energa, como es comn en el tren elctrico y el trolebs.

Trolebs de Trujillo (Per)

Energa proporcionada al vehculo en forma de un producto qumico almacenado en el vehculo que, mediante una reaccin qumica producida a bordo, produce la electricidad para los motores elctricos. Ejemplo de esto es el coche hbrido no enchufable, o cualquier vehculo con pila de combustible.

Celda de combustible Chevrolet Equinox

Energa generada a bordo usando energa nuclear, como son el submarino y el portaaviones nuclear.

Portaviones nuclear "USS George Washington"

Energa generada a bordo usando energa solar generada con placas fotovoltaicas, que es un mtodo no contaminante durante la produccin elctrica, mientras que los otros mtodos descritos dependen de si la energa que consumen proviene de fuentes renovables para poder decir si son o no contaminantes.

Vehculo celdas fotovoltaicas Vehculo con con celdas fotovoltaicas

Energa elctrica subministrada al vehculo cuando est parado, que es almacenada a bordo con sistemas recargables, y que luego consumen durante su desplazamiento. Las principales formas de almacenamiento son:o

energa qumica almacenada en las bateras como en el llamado vehculo elctrico de batera, especialmente en bateras de litio que parece ser la tecnologa ms madura a da de hoy. Es preciso destacar las nuevas inversiones que se estn haciendo en el mayor yacimiento de litio (Salar de Uyuni-Bolivia) para la fabricacin de estas bateras.

o

almacenamiento de energa cintica, con volante de inercia sin rozamiento.

Chevrolet Volt 2007

Tambin es posible disponer de vehculos elctricos hbridos, cuya energa proviene de mltiples fuentes, tales como:o

Almacenamiento de energa recargable y un sistema de conexin directa permanente.

o

Almacenamiento de energa recargable y un sistema basado en la quema de combustibles, incluye la generacin elctrica con un motor de explosin y la propulsin mixta con motor elctrico y de combustin.

Toyota Prius Hybrid 2011

Actualmente el nico vehculo totalmente elctrico que se est comercializando en serie es el Chevrolet Volt 2011, es el nico debido a que estos no son rentables econmicamente, la autonoma es muy baja, necesitan ser recargados lo que conlleva a tener el vehculo parado de 6 a 8 horas y son de baja potencia; sin embargo la mezcla entre un motor elctrico y uno de gasolina dio como resultado al Toyota Prius, el vehculo hbrido ms vendido hasta los momentos, el cual trabaja coordinadamente con un motor elctrico en una configuracin denominada hbrida. El motor elctrico ayuda al de gasolina a encontrar condiciones ideales de funcionamiento y, bajo ciertas circunstancias y por determinados lapsos, puede mover independientemente al automvil, el cual entonces se desplaza sin consumir combustible y reduciendo significativamente el ruido producido. El motor elctrico se alimenta de una serie de bateras que se recargan mientras el automvil est en movimiento (lo que se conoce como Hybrid Synergy Drive) y por lo tanto no requiere una fuente externa, problema que sufren los vehculos elctricos que tienen que ser "enchufados" peridicamente para recargarse. Otra estrategia de ahorro de combustible es que el motor de gasolina se apaga en las constantes detenciones que se sufren en el trnsito urbano.

El Prius supera los problemas de poca autonoma, largo tiempo de recarga y escasas prestaciones de los vehculos elctricos y se convierte en el automvil con motor de combustin interna de ms alto rendimiento y ms bajas emisiones disponible en la actualidad, de acuerdo con la normativa de la Unin Europea. Sus especificaciones sealan un rendimiento de 96 g/km en ciclo urbano y aunque estos nmeros generalmente son difciles de alcanzar en el uso real, de todas maneras indican que el Prius casi dobla el rendimiento de vehculos convencionales comparables.

El Chevrolet Volt 2011 es el nico vehculo totalmente elctrico que se comercializa en masa.

Existen otros vehculos que le hacen la competencia al Toyota Prius tales como:

Ford Fusion hybrid 2011

Honda Insight Hybrid

Ford Escape Hybrid 2011

Chevrolet Tahoe Hybrid 2011

3. VEHICULOS DE HIDRGENO

Existen muchas interrogantes con respecto a cmo contrarrestar, eliminar por completo la emisin de gases efecto invernadero en nuestro planeta. Una de las soluciones a la que estn convergiendo los cientficos del mundo, es a la del uso del hidrgeno como combustible reemplazante del petrleo. Qu es el Hidrgeno? El hidrgeno es el elemento qumico de nmero atmico 1 y smbolo H. A temperatura ambiente se lo encuentra como hidrgeno diatmico, un gas inflamable, e inodoro, y es el elemento qumico ms ligero y ms abundante del Universo, estando las estrellas formadas mayormente por este elemento en estado de plasma durante la mayor parte de sus ciclos. Aparece adems en multitud de sustancias como, por ejemplo, el agua y los compuestos orgnicos, y es capaz de reaccionar con la mayora de los elementos, es el elemento ms abundante en la naturaleza. El ncleo del istopo ms abundante est formado por un solo protn. Adems existen otros dos istopos: el deuterio (que adems tiene un neutrn) y el tritio (que tiene adems dos neutrones). El hidrgeno es el elemento qumico ms ligero, estando su istopo ms abundante constituido por un nico par protn-electrn. En condiciones normales de presin y temperatura forma el hidrgeno diatmico (H2). A muy alta presin, tal como la que se produce en el ncleo de las estrellas gigantes de gas, las molculas mudan su naturaleza y el hidrgeno se convierte en un lquido metlico. A muy baja presin, como la del espacio, el hidrgeno tiende a existir en tomos individuales, simplemente porque es muy baja la probabilidad de que se combinen, sin embargo, cuando esto sucede pueden llegar a formarse nubes de H2 que se asocian a la gnesis de las estrellas. Este elemento tiene una funcin fundamental en el universo, ya que mediante la (combinacin de tomos de hidrgeno del que resulta un tomo de helio) proporciona ingentes cantidades de energa. VEHICULOS IMPULSADOS POR HIDRGENO

El vehculo de hidrgeno es un vehculo de combustible alternativo que utiliza hidrgeno diatmico como su fuente primaria de energa para propulsarse. Estos vehculos utilizan generalmente el hidrgeno en uno de estos dos mtodos: combustin o conversin de pila de combustible que es el ms desarrollo tiene. En la combustin, el hidrgeno se quema en un motor de explosin, de la misma forma que la gasolina. En la conversin de pila de combustible, el hidrgeno se convierte en electricidad a travs de pilas de combustible que mueven motores elctricos de esta manera, la pila de combustible funciona como una especie de batera. 1. MOTOR DE HIDRGENO Existen dos tipos bsicos de motor de combustin que emplean hidrgeno como combustible. El primero y ms importante es el motor de combustin de hidrgeno de cuatro tiempos, que es en esencia un motor tpico de combustin interna, y el segundo se trata del motor Wankel. 1.1 MOTOR DE CUATRO TIEMPOS El diseo de este motor es bsicamente el mismo que el de un motor a gasolina, es decir, un motor que sigue el ciclo Otto, con sus pistones, vlvulas y dems sistemas. permiten Esta clase que de las motores especiales el aprovechar

caractersticas

presenta

hidrgeno como combustible, a saber: Alta velocidad de llama en flujo laminar.Motor de 4 tiempos del BMW Hydrogen 7

- Alto nmero de octanos efectivo Ninguna toxicidad y no llega a formar

ozono por esto, con un adecuado diseo podemos conseguir un motor con un rendimiento energtico mayor que el equivalente en gasolina y totalmente ecolgico. El alto nmero de octanos permite elevar la relacin de compresin que redundar en un aumento del rendimiento energtico, mientras que la alta velocidad de llama en flujo laminar contribuye a la reduccin de las emisiones de NOx, pues es posible emplear dosados muy bajos, tan bajos que han llegado al 0,2. Gracias a esta posibilidad se puede aumentar tambin el rendimiento. Con

todo esto se han conseguido aumentos del rendimiento del 25-30% con respecto a los motores equivalentes en gasolina. El motor de hidrgeno se ha convertido en una de las alternativas ms comentadas para los nuevos vehculos no contaminantes. El hidrgeno posee ms potencia en relacin energa/peso que cualquier otro combustible, y adems produce poca o ninguna contaminacin, ya que slo libera vapor de agua en su combustin. Casi todos los grandes fabricantes estn trabajando en nuevos modelos que incluyen motor de hidrgeno (Honda FCX, BMW 745H, Nissan X-Trail FCV, Toyota HighLander FCHV, Opel Zafira Hydrogen 3). 1.2 MOTOR WANKEL Este tipo de motor rotativo parece dar buenos resultados al emplear hidrgeno como combustible, segn lo atestiguan ensayos realizados con dinammetro y una vez resueltos los problemas que presentaba en lo que a estanqueidad se refiere. Estos buenos resultados se deben a la configuracin de este motor, el cual minimiza las dificultades de combustin que se dan en otros tipos de motores. El motor rotativo no suele dar problemas de autoencendido pues, tal y como se puede apreciar en laMotor Wankel

fotografa del motor, la cmara de combustin presenta

una geometra adecuada para la combustin del hidrgeno, o sea, presenta una relacin volumen/superficie muy elevada. De todos modos, suponiendo que los gases de escape fueran responsables del autoencendido, tampoco plantearan problemas en el motor Wankel ya que, cuando los gases frescos entran, la cmara ya se encuentra vaca y los gases de escape se encuentran lejos. En el motor Wankel es posible el aprovechamiento de la alta temperatura de ignicin del hidrgeno. Se est investigando la posibilidad de incluir agua pulverizada en la mezcla de entrada, la cual se evapora al quemarse el hidrgeno llegando a ejercer presiones muy altas de forma elstica, a diferencia de lo que ocurre en el pistn, en el cual se da una detonacin. Actualmente se est tratando de conseguir que la mayor parte de la potencia se deba a la accin del vapor de agua y no al hidrgeno.

Otra ventaja ms de este motor radica en su relacin potencia/peso, este motor desarrolla una alta potencia en comparacin con su tamao lo que permite tener un sistema motriz de alta potencia sin emisiones y de reducido tamao. La compaa Reg Technologies ha conseguido una relacin potencia/peso cerca de los 0,34 kg por caballo 9 de potencia, una cantidad nfima comparada con los 2,72 kg/CV que presenta el motor de mbolo. No obstante, el motor Wankel no est libre de defectos pues presenta un problema en lo que a lubricacin se refiere. El aceite empleado en la lubricacin de los sellos se encuentra en contacto con la mezcla de combustible y aire, con lo que, al producirse la combustin, no slo se quemar el hidrgeno sino que adems lo har el aceite. En realidad este hecho constituye dos problemas, el primero es la desaparicin del lubricante con lo que el consumo del mismo aumentar, mientras que el segundo afectar a las emisiones del motor. El aceite, al ser quemado, producir CO2 adems de otros contaminantes como pueden ser los sulfuros, NOx, etc. Lo cual ha provocado que los automviles con motor rotativo no lleguen a ser considerados Z. E. V., es decir, de emisin cero. Adems esta clase de motor no posee la caracterstica de los motores de pistn de actuar como freno, comnmente llamado freno motor. Otro problema, que an hoy no ha sido resuelto del todo, es el denominado dieseling. El dieseling se produce a causa de la precisin del punto de combustin pues, en caso de retrasarse un poco, puede ocurrir que la combustin comience antes de que el rotor gire por s mismo. En este caso, que se suele dar cuando la velocidad es baja, la explosin empuja al rotor en sentido contrario al ciclo de rotacin y cabe esperar daos en el motor. A pesar de todo, la compaa Mazda ha desarrollado varios modelos de coche que cuentan con este tipo de motor desde los aos 70 y que, segn la propia compaa, ofrecen unas prestaciones casi iguales que la de los motores de cuatro tiempos convencionales. No obstante, en la dcada de los 70 la tecnologa no estaba lo suficientemente desarrollada como para que los motores Wankel fuesen equiparables a los de pistn. Durantes estos aos la compaa japonesa ha adaptado algunos modelos de combustible. son el HR-X1, HRforma que empleen hidrgeno Dichos X2, y el MX-5. como modelos

Esquema de un vehiculo con motor impulsado por hidrgeno

EJEMPLO DE VEHICULOS QUE USAN MOTORES DE HIDRGENO

BMW Hydrogen 7 (usa un motor de 4 tiempos, actualmente BMW tir la toalla en el desarrollo de esta tecnologa)

Mazda Premacy Hydrogen RE (izquierda) y Mazda RX-8 Hydrogen RE (derecha), ambos usan motor wankel impulsado por hidrgeno

Gobernador Arnold Schwarzenegger en su GMC Hummer H2H

2. PILAS DE COMBUSTIBLE Una pila de combustible, tambin llamada clula o celda de combustible es un dispositivo electroqumico de conversin de energa similar a una batera, pero se diferencia de esta ltima en que est diseada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxgeno en contraposicin a la capacidad limitada de almacenamiento de energa que posee una batera. Adems, los electrodos en una batera reaccionan y cambian segn cmo est de cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalticos y relativamente estables. Los reactivos tpicos utilizados en una celda de combustible son hidrgeno en el lado del nodo y oxgeno en el lado del ctodo (si se trata de una celda de hidrgeno). Por otra parte las bateras convencionales consumen reactivos slidos y, una vez que se han agotado, deben ser eliminadas o recargadas con electricidad. Generalmente, los reactivos "fluyen hacia dentro" y los productos de la reaccin "fluyen hacia fuera". La operacin a largo plazo virtualmente continua es factible mientras se mantengan estos flujos. El fabricante de automviles japons Honda, la nica firma que ha obtenido la homologacin para comercializar su vehculo impulsado por este sistema, el FCX

Clarity, en Japn y Estados Unidos, ha desarrollado tambin la Home Energy Station, (HES), un sistema autnomo y domstico que permite obtener hidrgeno a partir de energa solar para repostar vehculos de pila de combustible y aprovechar el proceso para generar electricidad y agua caliente para el hogar.

2.1 TECNOLOGA

Esquema de funcionamiento de una pila de combustible

En el ejemplo tpico de una clula de membrana intercambiadora de protones (o electrolito polimrico) hidrgeno/oxgeno de una celda de combustible (PEMFC, en ingls: proton exchange membrane fuel cell), una membrana polimrica conductora de protones (el electrolito), separa el lado del nodo del lado del ctodo. En el lado del nodo, el hidrgeno que llega al nodo catalizador se disocia en protones y electrones. Los protones son conducidos a travs de la membrana al ctodo, pero los electrones estn forzados a viajar por un circuito externo (produciendo energa) ya que la membrana est aislada elctricamente. En el catalizador del ctodo, las molculas del oxgeno reaccionan con los electrones (conducidos a travs del circuito externo) y protones para formar el agua. En este ejemplo, el nico residuo es vapor de agua o agua lquida. Es importante mencionar que para que los protones puedan atravesar la membrana, esta debe estar convenientemente humidificada dado que la conductividad protnica de las

membranas polimricas utilizadas en este tipo de pilas depende de la humedad de la membrana. Por lo tanto, es habitual humidificar los gases previamente al ingreso a la pila. Adems de hidrgeno puro, tambin se tiene el hidrgeno contenido en otras molculas de combustibles incluyendo el disel, metanol (vase DMFC) y los hidruros qumicos, el residuo producido por este tipo de combustibles adems de agua es dixido de carbono, entre otros. EJEMPLO DE VEHICULOS QUE USAN CELDAS DE HIDRGENO

Honda FCX Clarity con celda de combustible

Chevrolet Equinox 2011 con celda de combustible

Toyota FCHV 2011 con celda de combustible

Mercedes Benz clase B con celda de combustible

El motor de combustin de hidrgeno tiene un funcionamiento similar a los motores de explosin actuales. La nica diferencia? En lugar de usar combustibles fsiles utiliza el hidrgeno en la explosin. Por su parte, la pila de combustible, es una batera, que con la ayuda del hidrgeno, genera electricidad de forma constante, sin necesidad de suministro exterior. La pila de combustible acaba con los principales obstculos que tenan los motores elctricos en la automocin: pobre autonoma (apenas 100 km) y el largo tiempo de carga (ms de cuatro horas). PRINCIPALES VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA PILA DE COMBUSTIBLE VERSUS EL MOTOR DE COMBUSTIN DE HIDRGENO. VENTAJAS: En trminos de eficiencia energtica, siempre es ms eficiente un motor elctrico, pues las prdidas por calor son menores que en el motor de combustin y porque desde el primer momento, a diferencia del motor de

explosin, ofrece toda su fuerza, sin necesidad de una evolucin del ciclo termodinmico hasta alcanzar su rendimiento ptimo. Adems, ofrecen un consumo inferior de energa que los motores convencionales y producen menos ruidos y vibraciones. DESVENTAJAS: Como desventajas, se ha de destacar el alto coste de la pila de combustible, adems de su gran peso y volumen. Existen 2 desventajas principales de los motores de hidrgeno, que son: El hidrgeno es peligroso, porque se guarda a presin y al manipularlo puede explotar. Adems para generar hidrgeno, se utiliza la electrlisis, y para esta reaccin se necesita una gran energa inicial. Si obtuvisemos el hidrgeno con productos qumicos o derivados del petrleo, el coche ecolgico perdera sentido, ya que su combustible necesitara un proceso sucio de fabricacin. De momento, todas las marcas tienen concept cars, coches de pruebas, con motores de hidrgeno. El vehculo con pila de combustible se considera un vehculo de cero emisiones (ZEV) porque el nico subproducto del hidrgeno consumido es el agua, que adicionalmente puede tambin mover una micro-turbina. Al da de hoy (enero 2010), Honda es laHonda FCX Clarity 2010 impulsado por celda de combustible

nica

firma

que para

ha

obtenido

la su

homologacin

comercializar

vehculo impulsado por este sistema, el FCX Clarity, en Japn y Estados Unidos. El FCX Clarity empez a comercializarse en Estados Unidos en julio de 2008 y en Japn en noviembre del mismo ao. De momento, la compaa no ha anunciado planes de comercializarlo en Europa, aunque s se sabe que en el centro de I+D de Honda en Alemania ya trabajan con l. Existen varios obstculos para llevar estos vehculos desde los laboratorios hasta las salas de exhibicin, que son los siguientes: OBSTCULO 1: Produccin

Combustibles fsiles: el 95% del hidrgeno de EU es producido, hoy enda, a partir del gas natural mediante un proceso conocido como reformacin del vapor de metano, las altas temperaturas y presiones rompen el hidrocarburo en hidrgeno y xidos de carbono; esto incluye al CO2, el cual es liberado hacia la atmsfera como un gas de invernadero. Durante los prximo 10 a 20 aos, los combustibles fsiles, sin duda, seguirn siendo la principal fuente generadora de hidrgeno. Y esta es la principal irona: usar energa sucia para producir energa limpia no resuelve nuestros problemas de contaminacin, solo los mueve de un lado a otro. Capturar ese CO2 y almacenarlo bajo suelo, hara que todo el proceso tuviera un menor impacto para el medioambiente.

Electrlisis: La mayor parte del restante hidrgeno es producido en laactualidad mediante la separacin de los elementos bsicos del agua: oxgeno e hidrgeno. Sin embargo, debido a que los combustibles generan ms del 70% de la energa elctrica en Estados Unidos, el hidrgeno producido sera aun una gran fuente de gases de invernadero. Si se logra que otras fuentes alternativas generadoras de electricidad sean ms predominantes, el hidrgeno podr producirse sin emisiones de carbono en absoluto. OBSTCULO 2: Almacenamiento

Licuefaccin: Cuando se enfra cerca del cero absoluto, el hidrgeno sevuelve lquido y contiene de la energa contenida en un volumen equivalente de gasolina. El proceso de enfriamiento consume una gran cantidad de energa: casi 1/3 de la contenida en el hidrgeno; adems los tanques de almacenamiento son pesados, voluminosos y caros.

Compresin: algunos vehculos impulsados por hidrgeno usan tanques atemperatura ambiental con este gas comprimido a impresionantes 10.000 PSI. Resulta relativamente sencillo y rpido repostar el tanque con el hidrgeno comprimido. Pero, incluso comprimido, el gas necesita grandes taques de almacenamiento: cuatro o cinco veces el espacio necesario el gas natural, para rangos similares de kilometraje. De todas maneras, los automviles con celdas de combustible pueden tener tanques ms grandes debido a que utilizan menos partes mecnicas. OBSTCULO 3: Distribucin

El hidrgeno es una sustancia difcil de mover de un lado a otro, incluso si se presenta n forma transportable puede hacer que el acero y otros metales se tornen frgiles y quebradizos, debilitndolos hasta el punto de fractura.

Por carretera: actualmente la mayor parte del hidrgeno es transportadoen forma lquida por tren o como gas comprimido en cilindros por camiones de remolque. Ambos mtodos son my ineficientes. Por ejemplo, para transportar hidrgeno comprimido una distancia alrededor de 240 Km quema el equivalente en diesel al 11% de energa que almacena el hidrgeno.

Gasoductos: una manera de evitar este interminable ir y venir seraenviar el hidrgeno a travs de ductos. Proteger los tubos de tal forma que no se vuelvan frgiles y resistan altas presiones, los hace costosos: cerca de 1 milln de dlares por casa 1.6 km. Pero una vez construidas, son el medio ms barato para distribuir grandes volmenes de hidrgeno.

Produccin local: dada la dificultad para transportar el hidrgeno, Porqu no simplemente se produce donde se necesita?. Para lograrse una solucin libre de gases de invernadero, debera de hacerse uso de energa solar o elica para producir hidrgeno mediante la electrlisis. OBSTCULO 4: Uso

Combustin interna: La aplicacin ms directa es la de quemar elhidrgeno en un modelo adaptado del propio motor de combustin interna. Ya que se necesitan muy pocas modificaciones, estos motores son relativamente baratos, adems de 25% ms eficientes que aquellos que hacen uso de la gasolina. BMW construy su primer motor de combustin interna de hidrgeno en la dcada de los setenta.

Celda de combustible: este dispositivo, inventado en 1839, combinahidrgeno y oxgeno para generar electricidad sin necesidad de partes mviles. Existen diversas variedades, pero slo la ceda de combustible con membrana de intercambio de protones (MIP) es lo suficientemente ligera y sensible como para ser usada de manera prctica por un vehculo. Aunque son 2 veces ms eficientes que los motores de combustin interna, las celdas de combustible MIP se encuentran restringidas debido a sus altos costos. Incluso si se llegaran a producir de forma masiva, cada una de ellas costara en la actualidad cerca de 36.000 dlares.

COMBUSTIBLE ALTERNO USADO EN VENEZUELA El Gobierno venezolano resucit el programa de Gas Natural Vehicular (GNV) en todo el territorio nacional, el cual entr en vigencia el 1 de abril de 2009. Se contempla que en la mencionada fecha, las ensambladoras e importadoras debern comercializar como mnimo el 30 por ciento de sus vehculos con el sistema dual de gas.

Esquema de un automvil con GNV

Lanzado hace nueve aos y suspendido hace menos de siete, el programa de Gas Natural Vehicular (GNV) regres a Venezuela. Segn informacin publicada en el diario zuliano Panorama, el Ministerio de Energa y Petrleo (Menpet) estima retom el plan a partir del 1 de abril de 2009, fecha en que las principales importadoras y ensambladoras comenzaron a comercializar por lo menos 30 por ciento de sus vehculos con el sistema a gas. El plan contempla poner en funcionamiento -inicialmente- 491 puntos de distribucin en el pas (350 nuevos, 141 recuperados) con la promesa de ir expandiendo el servicio paulatinamente en todo el territorio nacional. Algunas de las marcas que, hasta ahora, confirmaron la iniciativa fueron Toyota, Volkswagen, Kia, Nissan, Chrysler y Mitsubishi, puesto que ya tenan listos modelos con el sistema dual de gas natural.

En cuanto a los centros de conversin de vehculos con gasolina a gas, se estim que la cifra llegara a 126 establecimientos antes de finalizar el ao 2009 (cosa que no es as). La distribucin estar liderada por el estado Falcn con 32 puntos, Carabobo con 20, Distrito Capital con 18 y Zulia con 16. El costo de inversin total entre talleres y estaciones se ubica aproximadamente en los 4 mil millones de Bolvares Fuertes. No es la primera vez que el Gobierno de Chvez intenta reemplazar la gasolina por el GNV. En septiembre de 2006 se anunci el mismo plan. La idea planteada por el titular del Menpet es sustituir la gasolina para que estn disponibles ms barriles de petrleo venezolano en el mercado internacional, adicional a aquello de salvar al planeta y usar fuentes energticas menos contaminantes. Faltar ver la receptividad que tenga este ao (considerado como crtico por los analistas econmicos) para ver su amplo desarrollo a partir del 2012.

ANEXOS

LA PRIMERA AUTOPISTA DE HIDRGENO DEL MUNDO

Primera autopista con red de estaciones de servicio de hidrgeno del mundo

Ser en Canad, en el 2009, en la regin de la Columbia britnica. Por ella circularn 20 autobuses que realizarn el recorrido entre Whistler, Vancouver y Victoria. A lo largo de este recorrido se crear una red de estaciones de servicio de hidrgeno o hidrogeneras que abastecern esta flota de autobuses. Se estima que en 2010 esta autopista podra llegar a la ciudad californiana de San Diego. Se convertir as en la primera autopista del mundo en la que un coche alimentado por hidrgeno podr recorrerla de principio a fin sin problemas de repostaje.

HEM (Honda)

Aumentar el nmero de estaciones que brinden recarga de combustible de hidrgeno es uno de los ltimos obstculos que an quedan para generalizar el uso de vehculos con clula de combustible. Honda adopt una postura proactiva con respecto a este desafo; y nuestra investigacin y desarrollo en esta rea estn siempre en marcha. Contamos con experiencia en el desarrollo de estaciones de energa para generar fuentes de calor y electricidad (tecnologa de cogeneracin), y tambin experiencia en vehculos de gas natural y elctricos de recarga domstica. Entonces, este era el siguiente paso lgico para influenciar el aprendizaje e investigar soluciones posibles para este problema de la recarga de combustible de hidrgeno. La Home Energy Station Desde 2003, Honda ha estado operando una Home Energy Station experimental en Torrance, California. La Home Energy Station, que genera hidrgeno derivado del gas natural, est destinada a brindar calefaccin y electricidad para uso domstico a travs de la cogeneracin de clulas de combustible, y a suministrar combustible para los vehculos elctricos de clula de combustible impulsados por hidrgeno. Honda trabaja conjuntamente con su socio tecnolgico Plug Power, Inc. para reducir el tamao y aumentar la comodidad de la Home Energy Station en cada nueva generacin. En el ao 2007, Honda desarroll la Home Energy Station IV, an en fase experimental, que es incluso ms eficaz y est mejor adaptada para el uso domstico que las versiones anteriores. Las emisiones de CO2 para un hogar que emplea una Home Energy Station son un 30% inferiores que las de un hogar promedio que usa un automvil con motor a gasolina y suministro de electricidad y calefaccin brindado por empresas comerciales. Honda cree en una sociedad futura que utilice hidrgeno como energa, y estamos completamente comprometidos en contribuir al desarrollo de soluciones de recarga de combustible tiles.

BIBLIOGRAFIA Artculos de revistas: Jentjens, K., (2006)`Popular Mechanics en espaol. Editorial Televisa, pp 63-77 Jentjens, K., (2008)`Popular Mechanics en espaol. Editorial Televisa, pp 58-65 Jentjens, K., (2008)`Popular Mechanics en espaol. Editorial Televisa, pp 38-39 Jentjens, K., (2006)`Popular Mechanics en espaol. Editorial Televisa, pp 21 Jentjens, K., (2008)`Popular Mechanics en espaol. Editorial Televisa, pp 32-37 Referencias electrnicas: Consutado en: Wikipedia.`Combustible fsil . http://es.wikipedia.org/wiki/Combustible_f%C3%B3sil. (Fecha de consulta: 28/04/2011) Pellini, C. `Los combustibles. http://www.portalplanetasedna.com.ar/combustibles.htm.(Fecha 28/04/2011) Sanchez, J.` Combustibles alternativos, ventajas e inconvenientes. (Fecha de de consulta:

http://www.enbuenasmanos.com/articulos/muestra.asp?art=2369. consulta: 28/04/2011) Consultado en: Sitio oficial Honda.`Home Energy Station.

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