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Ingeniería automotriz

Coches eléctricos impulsados con etanol

Grupos de investigación buscan desarrollar una tecnología que permita utilizar el combustible producido con base en la caña de azúcar en la movilidad eléctrica

Alexandre Affonso

El etanol, un combustible renovable y disponible en abundancia en Brasil, está siendo evaluado como una opción para propulsar vehículos eléctricos, en reemplazo de la electricidad de la red pública y eliminando el sistema de recarga tipo plug-in, por medio de tomacorrientes, de las baterías de litio. En la carrera para que esta alternativa salga al mercado compiten grupos de investigación de universidades, empresas del segmento automotor y centros de estudios de Brasil y de otros países. La solución implica el desarrollo de un modelo de célula de combustible alimentada por etanol que sea técnica y económicamente factible. Las pilas o células de combustible, una especie de baterías que convierten la energía química en eléctrica, utilizan tradicionalmente el hidrógeno como insumo.

Algunas fábricas de automóviles y los fabricantes de autopartes instalados en el país han suscrito acuerdos para el desarrollo de esta tecnología. Parte de esos entendimientos han contado con la participación del Centro de Innovación en Nuevas Energías (Cine), un Centro de Investigaciones en Ingeniería (CPE) apoyado por la FAPESP y la multinacional Shell, del cual forman parte investigadores de las universidades de Campinas (Unicamp) y de São Paulo (USP) y del Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen).

La colaboración más antigua y avanzada es la de la fábrica japonesa Nissan y el Ipen, firmada en 2019 y renovada en junio de este año tras haber logrado avances. “La tecnología de la célula de combustible alimentada con etanol permite abastecer al vehículo con este combustible en cualquier gasolinera del país, como ya ocurre en la actualidad. A partir de ahí, el etanol se transforma [en moléculas de hidrógeno y dióxido de carbono] y el hidrógeno obtenido en ese proceso se inyecta en la célula, generando la energía necesaria para la propulsión del motor eléctrico”, explica el físico Fabio Coral Fonseca, gerente del Centro de Células de Combustible e Hidrógeno del Ipen.

Hoy en día, los vehículos propulsados con hidrógeno producidos y comercializados en el mundo por fabricantes tales como Toyota, Honda, BMW y Hyundai, están equipados con tanques llenos con ese gas. El combustible se bombea al interior de la pila de combustible, donde tienen lugar las reacciones químicas y se genera energía eléctrica, que es la que impulsa el motor. El único residuo que se devuelve a la atmósfera por el caño de escape es vapor de agua. La gran ventaja de esta tecnología reside en que es sostenible ambientalmente.

La célula de combustible con etanol diseñada por Nissan y el Ipen aprovecha el hidrógeno presente en el etanol (C2H6O) para generar energía. El proceso, según explica Coral Fonseca, se inicia cuando un catalizador compuesto por óxido de cerio (CeO2) y metales preciosos, por ejemplo, rompe las moléculas del etanol, separando el hidrógeno. A continuación, este gas se inyecta en un dispositivo que trabaja en un rango de temperaturas que va de 600 a 800 grados Celsius (ºC). Estas son las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC), así llamadas porque su electrolito está compuesto por material sólido, generalmente un óxido. Las reacciones electroquímicas en las SOFC transforman el hidrógeno en electricidad, la cual se almacena en una batería recargable y se utiliza para propulsar el vehículo (véase la infografía).

La ventaja del nuevo sistema radica en que no requiere hidrógeno puro, tal como ocurre en el modelo tradicional, y es apto para funcionar con moléculas presentes en el etanol, como el carbono, que es liberado durante el proceso. “El vehículo, por lo tanto, no está exento de emisiones de gases de efecto invernadero, pero las emisiones son neutralizadas gracias al cultivo de la caña de azúcar”, dice Coral Fonseca. “Es un combustible con una cadena de producción sostenible”.

Las investigaciones del Ipen tienen por objeto reducir la temperatura de trabajo de las SOFC lo más cerca posible de los 600 ºC. También proyectan reemplazar el uso de metales preciosos, tales como el platino y el iridio, que actualmente forman parte de su composición, por otros económicamente más accesibles, tales como el níquel, el circón y el niobio. “Hemos obtenido buenos resultados trabajando a 700 ºC”, informa Coral Fonseca. Un artículo en el que describe este avance salió publicado en enero en la revista International Journal of Hydrogen Energy.

Otra de las ventajas de las SOFC es su eficiencia teórica, entre un 10 % y un 20 % superior a la de las pilas de combustible tradicionales en la conversión de energía química en energía eléctrica. En un primer prototipo de vehículo dotado de una célula de combustible movida con etanol producido por Nissan en 2016, el automóvil, con una carga de 30 litros de etanol, recorrió más de 600 kilómetros.

El gerente sénior de ingeniería de Nissan Brasil, Ricardo Abe, sostiene que las SOFC constituyen una solución para la conversión eléctrica de los vehículos, más que nada debido a la versatilidad de los combustibles que se pueden utilizar. “Se las puede alimentar con etanol, biogás o gas natural y utilizan infraestructuras de abastecimiento ya existentes”, informa. La compañía estadounidense Karma Automotive, cuya especialidad son los vehículos eléctricos, anunció que antes del final de este año tiene previsto realizar pruebas con automóviles impulsados por células de combustible movidas con metanol, también conocido como alcohol metílico.

En Brasil, la automotriz alemana Volkswagen anunció en julio que construirá en el país un centro de investigación y desarrollo (I&D) de biocombustibles, y la pila de combustible a etanol es uno de sus objetivos. En respuesta a una consulta de Pesquisa FAPESP, la empresa informó que el centro de I&D todavía está siendo estructurado y consideró prematuro dar a conocer los trabajos que se llevarán a cabo.

Léo Ramos Chaves Plantación de caña de azúcar en Ipeúna, en el interior del estado de São PauloLéo Ramos Chaves

Un consorcio de empresas que agrupa a las multinacionales Mercedes-Benz, Stellantis (Fiat, Chrysler, Opel, Peugeot y Citroën), Bosch y Umicore, especializada en procesos de producción limpios, y la brasileña Ipiranga, estableció dos acuerdos de colaboración con el Ipen para el desarrollo de tecnologías para el uso de hidrógeno en vehículos. Los proyectos aún se encuentran en su fase preliminar. Uno de ellos incluye el uso de pilas de combustible de baja temperatura, que funcionan a unos 100 ºC, para aprovechar el etanol como combustible en automóviles eléctricos. El otro proyecto tiene como meta un sistema que combine etanol e hidrógeno para alimentar los motores de combustión tradicionales.

Otro consorcio, en este caso integrado por Volkswagen, Stellantis, Toyota, Ford, Shell, Bosch, AVL y la brasileña Caoa, también firmó un convenio de cooperación con la Unicamp para el desarrollo de pilas de combustible alimentada con etanol. El proyecto, coordinado por el físico Hudson Zanin, de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación de la Unicamp, cuenta con el apoyo de la FAPESP y de la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep).

Zanin explica que la propuesta es utilizar células de combustible del tipo SOFC de tercera generación que operan a temperaturas de 500 a 600 ºC. Las pilas serán producidas en la Unicamp mediante el proceso de manufactura aditiva (impresión tridimensional) y se utilizarán aleaciones metálicas, como el acero inoxidable, por ejemplo, para formar capas ultradelgadas, robustas y térmicamente seguras. La empresa inglesa Ceres Power Holdings ya está fabricando un modelo de estas células a escala experimental. En Europa, la nueva pila de combustible está siendo diseñada para poder funcionar con metanol y con gas natural. El trabajo de la Unicamp contempla la fabricación de las pilas de combustible tipo SOFC de tercera generación en Brasil, y el desarrollo de un catalizador adecuado para operar con etanol. “Nuestra expectativa es poder contar con un modelo comercial de aquí a cinco o siete años”, dice Zanin.

Por su parte, Abe prefiere no arriesgar pronósticos acerca de cuándo estará disponible el sistema para salir al mercado. “Aún estamos en la etapa de investigación y desarrollo. Lo cierto es que hemos identificado el potencial y estamos acelerando los estudios centrados en el desarrollo de los componentes para llevar el proyecto a una escala comercial”, dice. Para la química Ana Flávia Nogueira, directora ejecutiva del Cine, la factibilidad de la pila de combustible a etanol dependerá de su internacionalización. “Para alcanzar escala comercial, no puede ser una tecnología circunscrita solamente a Brasil”, subraya. No obstante, Zanin estima que la tecnología despertará el interés de otros países productores de caña de azúcar en África, América Latina y Asia, principalmente en la India, el segundo productor mundial, tan solo detrás de Brasil.

El uso de un combustible renovable como el etanol, en el sistema de propulsión eléctrica de los vehículos tiene el potencial de disipar obstáculos importantes vinculados con la sostenibilidad ambiental. El hidrógeno es una sustancia con alto poder calorífico, casi tres veces superior al diésel, a la gasolina y al gas natural. Aparte es renovable y no emite contaminantes a la atmósfera, sino solamente vapor de agua.

Nissan Prototipo de Nissan equipado con una célula de combustible alimentada con etanolNissan

El problema radica en que la producción de hidrógeno demanda mucha energía. Tradicionalmente, se lo obtiene a través de un proceso de electrólisis, consistente en la separación de la molécula de hidrógeno (H2) del oxígeno (O) del agua. Para que sea ambientalmente sostenible, este gas tiene que estar clasificado como verde, es decir, no puede consumir reservas de agua potable y debe producirse con fuentes de energías renovables, tales como la eólica, la solar o la de los biocombustibles, entre ellos, el etanol.

Otro reto tiene que ver con que el hidrógeno es un elemento inflamable y necesita almacenarse en tanques específicos, aptos para absorber golpes y evitar tanto las explosiones como cualquier tipo de fugas. Asimismo, se necesita construir una red de distribución capaz de abastecer a los vehículos. “El uso del etanol permite aprovechar la red de distribución ya existente y los tanques de combustible comunes que utilizan los vehículos actuales”, dice Fonseca.

Los vehículos eléctricos tradicionales, del tipo plug-in, consumen electricidad de la red de distribución. La matriz eléctrica predominante en todo el planeta emplea combustibles fósiles, lo que reduce la sostenibilidad ambiental de esa solución. Otro problema son las baterías de los vehículos, fabricadas con litio, un mineral que demanda mucha agua y energía durante su proceso de extracción. Además, genera impacto ambiental si su desechado, tras el período de uso de la batería, no se realiza de manera adecuada, dado que se trata de un elemento inflamable. “Para que sea verdaderamente sostenible, el vehículo eléctrico debe tener un combustible sostenible. Y esto es lo que la pila de combustible alimentada con etanol proporciona”, dice Zanin.

Para Brasil, la tecnología también tiene otra utilidad, porque permite la subsistencia del gran parque de producción de etanol, que corre el riesgo de caer en la obsolescencia cuando los motores eléctricos reemplacen a los actuales de combustión, algo que ocurrirá en las próximas décadas. El estudio “Electric vehicle outlook 2020”, de la consultora Bloomberg New Energy Finance, estima que, para 2040, el 58 % de los nuevos vehículos comercializados en el mundo serán eléctricos.

En Brasil, la Asociación Nacional de Fabricantes de Vehículos Automotores (Anfavea), pronostica que en 2031, los vehículos eléctricos ya serán ventajosos en términos de costos y, como mínimo, la tercera parte de los automóviles nuevos del país en 2035 tendrán algún grado de electrificación, ya sea del tipo plug-in o híbridos, en este último caso, una versión que combina el motor de combustión interna y la propulsión eléctrica.

Proyectos
1. Una vía sostenible para la conversión del metano basada en la tecnología electroquímica avanzada (nº 17/11937-4); Modalidad Centros de Investigaciones en Ingeniería (CPE); Convenio BG E&P Brasil (Grupo Shell); Investigador responsable Fabio Coral Fonseca (Ipen); Inversión R$ 6.138.615,40
2. División para el almacenamiento avanzado de energía (nº 17/11958-1); Modalidad Centros de Investigaciones en Ingeniería (CPE); Convenio BG E&P Brasil (Grupo Shell); Investigador responsable Rubens Maciel Filho (Unicamp); Inversión R$ 7.407.307,17
3. División de investigación 1: portadores densos de energía (nº 17/11986-5); Modalidad Centros de Investigaciones en Ingeniería (CPE); Convenio BG E&P Brasil (Grupo Shell); Investigadora responsable Ana Flávia Nogueira (Unicamp); Inversión R$ 7.997.384,81
4. Estudios sobre el uso del bioetanol en las células de combustible (nº 14/09087-4); Modalidad Ayuda de Investigación – Proyecto temático; Investigador responsable Marcelo Linardi (Ipen); Inversión R$ 2.997.714

Artículos científicos
SILVA A. A. A. et al. The role of the ceria dopant on Ni / doped-ceria anodic layer cermets for direct ethanol solid oxide fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy. 09 nov. 2020.
STEIL, M. C. et al. Durable direct ethanol anode-supported solid oxide fuel cell. Applied Energy. 1º ago. 2017

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