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Energía

Un colectivo que funciona con hidrógeno

Un ómnibus ensamblado en Brasil forma parte de los experimentos mundiales que apuntan a la disminución de la contaminación del aire

Onibus1Eduardo CesarUn autobús impulsado por hidrógeno empezará a rodar probablemente durante este mes de junio en una línea convencional urbana entre los barrios de Jabaquara, en la zona sur de São Paulo, y São Mateus, en la zona este, pasando por las localidades de São Bernardo do Campo, Diadema, Santo André y Mauá, dentro de la Región Metropolitana de São Paulo. Es un hecho inédito en Brasil y llega con muchas novedades. Los vehículos accionados mediante esta tecnología son silenciosos y no emiten contaminantes. Lanzan en el ambiente solamente vapor de agua y aportan beneficios a la salud ya que no contribuyen al surgimiento de enfermedades respiratorias, además de humidificar el aire de las grandes ciudades.

Junto a los biocombustibles y a los vehículos eléctricos, el hidrógeno es visto por los expertos como una real alternativa a los derivados del petróleo que emiten contaminantes y tienden a escasear en el futuro porque las reservas de crudo y gas natural son finitas, tanto por el agotamiento debido a los años de explotación como por el aumento del consumo mundial. Por eso, la experiencia brasileña se encuadra dentro de una serie de experimentos que se realizan en el mundo con automóviles y autobuses movidos por hidrógeno en lugar de usar gasolina o gasoil con el objetivo de disminuir la emanación de gases nocivos para las personas y el planeta.

El ómnibus fue ensamblado en Brasil con financiamiento de Global Environment Facility (GEF), el fondo Global para el Medio Ambiente, una agencia vinculada al Banco Mundial que financia iniciativas de desarrollo sostenible en varios países. “Estructuramos asociaciones en Brasil y en el exterior para montar el ómnibus y transferir la tecnología al país porque al principio el proyecto era para comprar los ómnibus listos en Europa. El argumento fue que Brasil es el mayor productor de ómnibus del mundo [en 2008 se fabricaron 44.111 autobuses, siendo 27.948 exportados, de acuerdo con la Asociación Nacional de Fabricantes de Vehículos Automotores (Anfavea)] y tenemos una larga tradición en la industria de carrocerías de ómnibus”, dice Carlos Zündt, gerente de planificación de la Empresa Metropolitana de Transportes Urbanos (EMTU), vinculada a la Secretaría de Transportes Urbanos del Estado de São Paulo, institución que quedó a cargo del desarrollo y la administración del proyecto y que pondrá el autobús de hidrógeno en el corredor metropolitano exclusivo de 33 kilómetros (km). El objetivo en este caso es incorporar, integrar y desarrollar tecnología de uso del hidrógeno como combustible y preparar las empresas para ese futuro mercado.

Mercedes-Benz Citaro FuelCELL-HybridDAIMLEREn otros proyectos similares realizados en el mundo prevaleció la compra de ómnibus terminados, principalmente de Mercedes-Benz, que posee un modelo de la serie Citaro que funciona con hidrógeno y rueda en varias ciudades europeas, principalmente en Berlín, Alemania, que posee 18 vehículos. En Europa, desde 2004, el proyecto Clean Urban Transport for Europe (Cute), el Transporte Urbano Limpio para Europa, financiado por la Unión Europea, permitió que 38 ómnibus Citaro movidos por hidrógeno circulasen por nueve ciudades: Londres, Madrid, Barcelona, Ámsterdam, Hamburgo, Stuttgart, Luxemburgo, Porto y Estocolmo. Los mismos rodaron ya 135 mil horas y la experiencia demuestra que es ambientalmente sostenible. Otros tres proyectos fueron realizados en Reykjavik, en Islandia, Beijín, en China, y en Perth, en Australia. En total se utilizaron 47 autobuses. El proyecto cuenta con 31 socios entre órganos de los gobiernos, industrias y universidades. Todos, incluso el brasileño, son proyectos de demostración y prueba de la tecnología en condiciones reales y ninguno tuvo objetivos meramente comerciales. En el caso brasileño, la EMTU, como compromiso previsto en la inversión, deberá probar el ómnibus y presentar los resultados y la experiencia ante el GEF, que podrá distribuir informes de la experiencia en otros países.

En Brasil, el proyecto se inició en 2004 y reunió a un consorcio internacional de empresas constructoras y proveedoras. El ómnibus cuenta con nueve cilindros de hidrógeno, y un aparato de aire acondicionado en el techo. Todos los otros equipamientos se ubican en la parte de atrás del vehículo. En el Citaro el diseño es diferente. Todos los equipamientos están instalados en el techo, lo que requiere una suspensión electrónica especial y muy cara. Pero es igualmente dependiente de la célula de combustible. Es ésta la que transforma el hidrógeno en electricidad y mueve el ómnibus por medio de dos motores eléctricos. La célula está formada por un conjunto de placas de electrodos, normalmente de grafito, que, en la forma de un sándwich, contiene también entre las placas una membrana polimérica llamada Membrana de Intercambio de Protones (PEM, por su sigla en inglés). Al pasar por ella, las moléculas de hidrógeno (H2) se rompen y los electrones son liberados, generando electricidad. Para realizar este proceso electroquímico, el hidrógeno también se une al oxígeno captado en el aire formando vapor de agua al final. Esta tecnología -componente clave de todo el sistema- fue adquirida a Ballard, una empresa canadiense que empezó a desarrollar células de combustible en 1983 y entre 1992 y 1994 presentó los primeros prototipos.

En 2007, Daimler -holding titular de Mercedes-Benz- y Ford se convirtieron en socias mayoritarias en una subsidiaria de Ballard, Automotive Fuel Cell Cooperation (AFCC) o Cooperación para la Célula de Combustible Automotriz. Más allá de los sistemas de transporte de hidrógeno y control electrónico, las dos células visualmente son dos cajas metálicas de 81 centímetros (cm) de longitud por 25 cm de profundidad y 30 cm de ancho cada una. Son dos células independientes que trabajan interconectadas entre sí, igual que la que va en el coche Classe A movido por hidrógeno de Mercedes-Benz, que también está en demostración en Europa desde 2003, y el Ford Focus presentado en 2006 en Estados Unidos, Canadá y Europa. Cada célula de Ballard genera 68 kilovatios (kW) de potencia máxima, o 91 horses power (HP). A efectos comparativos, una casa con dos dormitorios y una pareja de clase media con dos hijos requieren una potencia de 5 kw.

Onibus2Eduardo CesarBrasil cuenta al menos con tres empresas, Electrocell, Unitech (lea en Pesquisa FAPESP, ediciones 92 y 103) y NovoCell – todas paulistas y con financiamiento del Programa Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe) de la FAPESP-, que están desarrollando células de combustible y piezas para este aparato en proyectos puntuales para generadores de energía eléctrica estacionarios, principalmente para empresas y no automotores.

Los sistemas auxiliares de la célula del ómnibus, tales como la inyección y la circulación de hidrógeno y del aire atmosférico, a la presión y humedad requeridas por el equipo principal y parte de la electrónica de control, fueron desarrollados por la empresa alemana Nucellsys, que también tiene a Ford y Daimler como socias. La gestión de todos los sistemas, incluso los test de durabilidad, está a cargo del Instituto de Investigación Fuerza Eléctrica Internacional (EPRI, sigla en inglés), con sede en California, Estados Unidos, que aporta su experiencia en gestión de proyectos de esta naturaleza.

Cooperación nacional
Del lado brasileño del consorcio, la carrocería es de Marcopolo, uno de los mayores fabricantes de carrocerías del mundo, con tres fábricas en Brasil y 11 en el exterior, en países como China, la India, Rusia, Portugal, Argentina, México y Egipto. El modelo impulsado por hidrógeno es de la serie Gran Viale, destinada a ómnibus urbanos, con 12,5 metros de longitud, y puede transportar a 63 pasajeros sentados y 21 de pie. La adaptación del ómnibus al sistema de célula de combustible y demás equipos del sistema de hidrógeno estuvo a cargo de otra empresa brasileña, Tuttotrasporti, una firma de brasileños de origen italiano con sede en Caxias do Sul, Río Grande do Sul. La misma se especializa en la producción y modificación de chasis (la estructura metálica que soporta al vehículo, con los ejes de las ruedas incluidos) para vehículos especiales, tales como autobuses a gas o híbridos, con baterías y a gasoil, con segundo piso, o dos ejes delanteros, o también vehículos con dirección invertida apropiados para la exportación a países como Inglaterra o Japón. “Tuttotrasporti fue la mayor beneficiada brasileña, porque sus ingenieros y técnicos adquirieron conocimiento en la adaptación, el montaje y la integración de los sistemas, incluso la CPU [unidad central de procesamiento], que abarca a los procesadores que administran la energía eléctrica del ómnibus como así también la presión del hidrógeno y otros sistemas”, dice Zündt. “Moldeamos el software para controlar todos los puntos. Cada subsistema, como las células, tiene su procesador que indica por ejemplo su temperatura [funciona a entre 60°C y 80°C]. Éstos están conectados a una computadora mayor que tiene acceso a todos los protocolos de funcionamiento y permiten gerenciar totalmente al ómnibus”, dice el ingeniero Sidney de Oliveira Sobrinho, de Tuttotrasporti.

A F-Cell, (W169), 2008Mercedes-BenzEnergía constante
El ómnibus de hidrógeno brasileño también es un vehículo híbrido porque puede acumular energía en baterías especiales. Son tres baterías de níquel-sodio de alto desempeño, provistas por la empresa suiza MSDea, que son capaces de guardar grandes cantidad de energía. Tanto éstas como las células transfieren energía eléctrica a dos motores eléctricos refrigerados con agua de la marca Siemens, fabricados en Alemania. “La célula envía energía de manera constante. Cuando el ómnibus está parado, la energía no utilizada en el momento va a las baterías. El accionamiento de los frenos también genera energía que puede almacenarse. Con las baterías es posible rodar otros 50 km, además de los 300 km con hidrógeno. En el corredor donde operará, los ómnibus impulsados por gasoil ruedan 250 km por día”, dice Zündt. Hasta que Mercedes-Benz presentó este año un modelo híbrido del Citaro Fuel Cell (célula de combustible), el brasileño era el único ómnibus híbrido. Quedó listo en julio de 2008 en Caxias do Sul y a partir de entonces empezó a hacer una serie de pruebas, al cabo de casi tres años de proyecto y construcción. Hasta el mes de mayo, cuando llegó a São Paulo, había rodado 2.200 km. un trayecto que no incluyó el viaje de Caxias do Sul a la capital paulista porque en el camino no había manera de reabastecerlo con hidrógeno.

El conocimiento adquirido por las empresas brasileñas será útil para los tres nuevos vehículos de la serie previstos que se construirán en Brasil, además del primero, considerado un prototipo. Deberán rodar en el mismo corredor de ómnibus, pero tenderán modificaciones, habida cuenta de la experiencia adquirida. “Las lecciones de este primer prototipo se aplicarán en los próximos ómnibus, que así podrán ser fabricados en serie por Tuttotrasporti”, dice Zündt.

“El tamaño del compartimiento de motorización donde están instalados los equipos, tales como la célula, los motores eléctricos, los radiadores y otros aparatos, tendrá que reducirse un 50%”. Los próximos autobuses, aún sin fecha de entrega, tendrán 15 metros de longitud y tres ejes, y algunos otros componentes y equipamientos nacionalizados. “El eje, que es húngaro, podrá hacerse acá, así como existen posibilidades de que los motores eléctricos y otros dispositivos tales como los radiadores y convertidores de tensión se fabriquen en Brasil”, dice Sobrinho. “Se realizarán estudios para reducir costos, nacionalizando lo que sea posible, y se utilizará el conocimiento para otros proyectos.”

El precio total del ómnibus no es revelado por las partes. Se sabe solamente que es más caro que aquéllos impulsados por gasoil. Lo que sí se sabe es la inversión total del Proyecto Ómnibus Brasileño de Hidrógeno, por valor de 38,5 millones de reales, contando los otros posibles tres vehículos, como así también la unidad de producción y abastecimiento de hidrógeno que está en construcción en la sede de la EMTU. El GEF, mediante el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD), que brinda apoyo técnico y administrativo al proyecto, financió 22,3 millones de reales. El Ministerio de Minería y Energía, con recursos de la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep), costeó otros 8,3 millones de reales, mientras que la EMTU invirtió 3,09 millones de reales y las empresas otros 4,75 millones de reales.

Ônibus_INFO_EspPuesto en el garaje
Entre las empresas nacionales que invierten en el proyecto se encuentran Petrobras y Eletropaulo. Ambas están involucradas en la unidad de producción de hidrógeno. Este gas no existe en forma aislada en la naturaleza, si bien que está presente en el agua, en el etanol, en el gas natural y en la gasolina, y de allí puede extraérselo mediante la rotura de las moléculas de estas sustancias que así lo liberan. El abastecimiento del ómnibus se hará en el garaje de EMTU en São Bernardo do Campo, donde quedan guardados los ómnibus que operan en el corredor. Una estación de producción será construida en el garaje y será operada por BR, distribuidora de Petrobras. El sistema utilizado será la electrólisis del agua, que es cuando una corriente eléctrica separa las moléculas de hidrógeno y oxígeno. Esta unidad de producción y abastecimiento proviene de la empresa canadiense Hydrogenics, especializada en la producción de hidrógeno por electrólisis. Eletropaulo construirá una red especial para el funcionamiento de la estación en la forma menos costosa posible, con la provisión preferencial de energía para la fabricación de hidrógeno elaborado fuera de los horarios pico. Como la estación está siendo construida, en los primeros meses de pruebas del vehículo el hidrógeno llegará en camión proveniente de una refinería de Petrobras ubicada en la localidad de Cubatão.

Un factor preocupante cuando se habla de hidrógeno o de cualquier gas es la seguridad. “Las paredes del cilindro son de acero inoxidable y muy gruesas, y  el hidrógeno es una molécula muy pequeña que puede escaparse en escala molecular si no se sella bien con el material y la técnica adecuados”, dice Zündt. Pero existen sistemas de sensores y válvulas que rápidamente cierran los nueve cilindros en caso de impacto del ómnibus. Los tanques de hidrógeno, que son de origen estadounidense, cargan 5 kilos (kg) de ese gas cada uno. En total son 45 kg sometidos a una presión de 300 bares, la misma de una inmersión a 300 metros de profundidad en el fondo del mar. En la célula la presión se reduce a 2 bares mediante un sistema de válvulas. Pero al comienzo del proceso de la producción en la estación se lo almacena a 700 bares. En la estación también es posible almacenar el oxígeno liberado en la reacción. Es muy puro y puede usarse para fines medicinales, si los costos fueran favorables. Con relación al precio del kilo de hidrógeno, es más caro que el gasoil. El kilo en el mercado (que usa el producto para fines industriales y alimenticios en las  grasas hidrogenadas, y lo extrae del gas natural mediante el empleo de unos aparatos llamados reformadores) no es competitivo en relación con el gasoil, incluso en la producción propia vía electrólisis, porque el gasto de energía y sus costos son grandes.

Para Zündt, la tecnología para el uso en el transporte es aún cara con relación a las tradicionales si no se considera el costo ambiental y de salud. El sistema utilizado en el proyecto brasileño es un ciclo cerrado donde se empieza y se termina con agua, que sale en forma de vapor a la atmósfera. Otro aspecto por considerarse es que los sistemas de célula de combustible poseen un nivel de eficiencia energética muy superior a los demás. “En cada kilo se aprovecha hasta un 90% del potencial de energía, mientras que un litro de gasoil rinde en promedio un 25% de eficiencia energética”, dice Zündt. Los gastos del ómnibus ciertamente serán mejor percibidos al cabo de algunos meses de funcionamiento en el corredor metropolitano donde el vehículo transitará. Pero, incluso antes de entrar en operación, el ómnibus brasileño de hidrógeno llama la atención de futuros compradores. “Un grupo europeo del área de transportes nos hizo una consulta sobre la tecnología y el costo del ómnibus con el objetivo de venderlo a países asiáticos”, dijo Zündt sin revelar mayores datos porque son confidenciales.

“El ómnibus de hidrógeno en Brasil forma parte de un programa mundial que tiene el objetivo de no emitir carbono (CO2) con los vehículos y tiene el mérito de ser un proyecto de demostración”, dice el profesor Ennio Peres, coordinador del Centro Nacional de Referencia en Energía del Hidrógeno (Ceneh), instalado en el Laboratorio de Hidrógeno (LH2) de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp). “Es sumamente importante que la tecnología del hidrógeno se vuelva conocida, mostrar sus ventajas y saber que su uso no es peligroso.”

Reemplazo total
Las centrales hidroeléctricas pueden producir hidrógeno

El abastecimiento es considerado un obstáculo para el mercado automovilístico de hidrógeno. Las estaciones de reabastecimiento en mayor cantidad existen únicamente en el estado de California, Estados Unidos, en Japón y en Islandia, con el hidrógeno extraído del agua por electrólisis, o del gas natural. En Brasil, una buena oportunidad está en las centrales hidroeléctricas. Además de la energía barata producida durante la madrugada, cuando cae el consumo, es posible utilizar la llamada energía vertida turbinable, que es la electricidad que se aprovecha del agua que cae en el vertedero en situaciones de llenado excesivo de los reservorios o en horarios en que no hay demanda. El agua es derrochada porque la energía eléctrica no puede almacenarse. La idea es transformarla en hidrógeno.

Los profesores Ennio Peres, del Laboratorio de Hidrógeno, y Carla Cevaluero, de la Facultad de Ingeniería Mecánica, ambos de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), junto con el investigador paraguayo Gustavo Riveros-Godoy, de la Universidad Nacional de Asunción, hicieron un estudio de producción y distribución de hidrógeno para ómnibus urbanos en la ciudad de Foz de Iguaçu, estado de Paraná, donde está la sede brasileña de la Central Hidroeléctrica de Itaipú. Presentaron un trabajo en el marco del 4° Workshop Internacional sobre Hidrógeno y Células de Combustible realizado en octubre de 2008 en la Unicamp, que demuestra la factibilidad operativa de cambiar ómnibus de gasoil por vehículos impulsados por hidrógeno en las cuatro empresas de Foz, una ciudad de 309 mil habitantes.

Sin considerar el costo de los ómnibus, se valieron de datos del modelo de hidrógeno de Mercedes-Benz, el Citaro Fuel Cell. El mejor modelo de producción del gas sería la forma centralizada en la propia Itaipú, donde los ómnibus se abastecerían una vez por día. El costo del hidrógeno por kilo (kg) sería de 2,86 dólares y el promedio de consumo de 0,205 kg por kilómetro rodado. En términos económicos, el gasoil sigue ganando, pero el hidrógeno tiene ventajas ambientales que son tenidas en cuenta cada vez más.

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