“Continuamos examinándolo, pero por el momento esta tecnología no es adecuada para Porsche. Por un lado, la salida típica de una pila es de aproximadamente 100 kilovatios, por lo que, si desea más potencia, aún necesita incluir una batería grande para proporcionar una salida máxima. Eso significa que necesita aún más espacio para su instalación.

En segundo lugar, la eficiencia energética general del sistema es muy pobre porque se necesita mucha electricidad para dividir el agua en hidrógeno, distribuirla en estaciones de combustible y convertirla nuevamente en electricidad”

Son las declaraciones que podíamos leer la semana pasada del máximo responsable de I+D de Porsche Michael Steiner.

Al igual que pasara con el gas, el hidrógeno es otra de las fuentes de energía por las que nos preguntan en números ocasiones cuando tratamos el tema de la descarbonización del suministro energético. Sobretodo cuando hablamos de los vehículos eléctricos y los tiempos de recarga de las baterías de litio (In english below).

A partir de aquí nuestro análisis:

Representación gráfica de una recarga de H2

 

Hidrógeno (H2): el elemento químico más abundante y limpio del universo

Es un gas incoloro, inodoro y muy reactivo que se halla en todos los componentes de la materia viva. Es absolutamente limpio, ya que de su combustión sólo se emite agua (si al hidrógeno le añado oxígeno además de energía obtengo agua).

Su uso esta muy extendido en muchos procesos industriales:

  • La industria química: para la síntesis de los plásticos.
  • La industrial del vidrio: en la obtención del vidrio plano.
  • La industria de hidrocarburos: se emplea en los procesos de refinado.
  • La industria alimentaria: hidrogenación de las grasas (margarina).
  • La industria química: para materias primas de algunos fertilizantes (Amoniaco NH) y anticongelantes (Metanol)
  • En el ámbito energético:
    • En el espacio: es un carburante ligero y eficaz (1 kg de hidrógeno contiene 3 veces mas energía que 1kg de gasolina).
    • Reactor nuclear: se usa en el campo de la fisión nuclear (para frenas neutrones) y fusión nuclear (en proceso de investigación).

A priori es el combustible del futuro, tan solo tenemos que solventar 3 inconvenientes, si es que lo son:

  1. Para disociar el hidrógeno del oxígeno en el agua se consume más energía que la que produce el hidrógeno al quemarse.

Desafortunadamente, el hidrógeno puro no existe (no existen yacimientos, como en el gas natural). El hidrógeno hay que obtenerlo – o más bien, extraerlo – a partir de los compuestos de lo que forma parte: agua, gases, hidróxidos, elementos orgánicos como la biomasa y por supuesto… los hidrocarburos. Y el proceso no es fácil y viable económicamente cuando buscamos hacerlo en grandes cantidades y de manera sostenible (en el futuro descarbonizado al que nos dirigimos, Agenda 2030).

Su extracción: reformado y electrólisis

  • En torno al 95% del hidrógeno se obtiene extrayéndolo de los hidrocarburos (metano, propano, gas natural, etc…) a través de un proceso denominado reformado. Mediante un aporte de vapor a alta temperatura y un catalizador se rompe el enlace hidrógeno-carbono de estas sustancias.
  • El 5% restante se consigue de una forma mucho más limpia, extrayéndolo o del agua mediante electrolisis, en la que usa electricidad para disociar la molécula de agua, aislando así el hidrógeno.

Este es el dilema de la economía del hidrógeno, y uno de los principales caballos de batalla que los científicos quieren abordar. Ninguno de los procesos (sostenible o no) es fácil, o lo que es lo mismo, barato:

  • Los catalizadores. Son elementos sólidos o líquidos que funcionan a modo de acelerador. Que permiten acelerar y facilitar el rendimiento del proceso de extracción del hidrógeno. Materiales escasos y caros. Es el caso del platino o del rutenio, por ejemplo, que además se utilizan en la fabricación de otros muchos productos, con lo que tienen mucha demanda. Por si fuera poco, con el tiempo van perdiendo efectividad, con lo que hay que remplazarlos.
  • Gastar energía para crear energía. Tanto para el reformado como para la electrolisis es necesario el uso de energía. En el caso del reformado en grandes cantidades. Y aquí reside una cuestión fundamental: el hidrógeno puede usarse como energía limpiaporque de su combustión sólo se genera agua, ¿qué ocurre con la energía que usamos para obtenerlo? Sólo podría hablarse de un ciclo verdaderamente sostenible de la energía de hidrógeno si se utiliza energías renovables –por ejemplo, fotovoltaica- para disociar el elemento de los compuestos en los que se haya incluido.

Destaca la investigación del Dr. Felix Urbain del IREC (Instituto Catalán para el estudio de la energía) que busca implementar métodos más baratos para producir hidrógeno a partir del agua a gran escala. Su intención es utilizar la energía solar para ello (obtuvieron el record de eficiencia a nivel mundial gracias a sus catalizadores).

Aprovechando la buena relación que nos une, le preguntamos su opinión al respecto (hidrógeno o batería de litio en el transporte) y si bien apunto que se podía constatar la densificación de la red de estaciones, en cuanto al desarrollo de soluciones económicamente viables reconoció estar bastante mas lejos que el litio.

Montaje con panel solar para la producción de hidrógeno

  1. El almacenaje y transporte. No se puede conservar licuado (necesitaría muchísima presión o unas temperaturas bajísimas) y en estado gaseoso ocupa muchísimo volumen.

El hidrógeno es difícil de almacenar y transportar. Es tan ligero que requiere de una enorme cantidad de presión para comprimirlo o licuarlo de la misma forma que se opera con otros gases, como el butano. Y para que sea eficiente, debe estar almacenado a alta presión y con baja temperatura. Eso hace muy difícil su manejo y uso cotidiano.

Es necesario, además, habilitar nuevas infraestructuras para la distribución y el suministro de hidrógeno, igual que ocurre, por ejemplo, con el gas natural. En este punto es importante apuntar que las redes de gas natural (gaseoductos) también servirían y no nos cabe que lo harán para suministrar hidrógeno (el reformado para la obtención del hidrógeno se lleva acabo a partir del metano, principal componente del gas natural).

Existen empresas que venden hidrogeneradores (generadores de hidrógeno) como pueden ser los asturianos de www.hidrogena.com que permitan ubicar la generación de hidrogeno (a pequeña escala), allí donde sea necesario. Reduciendo considerablemente su coste de producción.  

Logotipo “Hidrogena”

 

  1. Es un gas muy inflamable y precisa de sistemas de seguridad que incrementan su costo

Las propiedades físicas y químicas de los combustibles gaseosos como el metano, propano e hidrógeno son bastante diferentes de los combustibles líquidos más comúnmente usados como la gasolina. El hidrógeno no es ni más ni menos peligroso en sí que la gasolina, el propano o el metano.

El más ligero de los elementos, con una densidad mucho menor que el aire, con una mayor difusión que otros gases combustibles, es incoloro, inodoro e insípido y no es tóxico. Inflamable al aire en un amplio rango de concentraciones entra en ignición con una cantidad de energía muy pequeña. Fácil que detone cuanto este confinado (no al aire libre), con una velocidad de llama mayor que otros combustibles, pero con mayor temperatura de ignición que los combustibles comunes.

El peligro depende fuertemente de las condiciones específicas bajo las cuales el hidrógeno es liberado y/o confinado. Normalmente a altas presiones y bajas temperaturas.

 

El hidrógeno en el transporte

Potencia limitada

Como ya ocurre con los convertidores de corriente alterna a continua para recargar los vehículos eléctricos con baterías de litio, el tamaño y el espacio disponible en el vehículo son un problema.

Los vehículos eléctricos con baterías de litio necesitan cambiar la forma de la energía que les suministra la red eléctrica, de alterna a continua, para poder recargas las baterías. Cuando queremos subir en potencia para recargar mas rápido, ese conversor se hace mas grande limitando el espacio para la batería dentro del vehículo.  Es por eso que se opta por ponerlo fuera, en monolitos comúnmente conocidos como cargadores rápidos. La conversión se hace fuera del coche.

Ilustraciones del conversor AC/DC

El caso del vehículo eléctrico con pila de combustible se asemeja, el papel de la pila es generar electricidad, pero la cantidad genera no responde siempre a la demanda del coche en cada momento. Se necesita de un sistema de almacenaje que permita garantizar que se tendrá la energía suficiente cuando se acelera.

Pensar en un grifo que tiene un caudal pequeño y constante, en el momento que queramos darnos una ducha puede que sea insuficiente. Necesitamos de un deposito de agua donde vayamos acumulándola ese pequeño caudal para el momento de la ducha. El deposito de agua en el mundo de la energía es una batería. Por lo que según para que potencias (Porsche menciona mas de 136CV o 100kW) necesitaríamos una batería con un tamaño difícilmente compatible con la pila de combustible y el espacio que ofrece el vehículo.

La pila o celda de combustible

Esquema de un coche eléctrico con pila de combustible (en rojo)

La celda de combustible es una membrana en la que se mezclan el hidrógeno y el aire de la atmósfera (en rojo en el gráfico anterior). De su unión surge una corriente eléctrica que sirve para mover un motor eléctrico en el caso de los vehículos. El residuo, como ya hemos comentado, es solo agua.

La primera celda de combustible fue construida en 1839 por Sir William Grove, un juez y científico gales que demostró que la combinación de hidrógeno y oxígeno generaba electricidad además de agua y calor.

Puede generar electricidad combinando hidrógeno y oxígeno electroquímicamente sin ninguna combustión. Estas celdas no se agotan como lo haría una batería, ni precisan recargar, ya que producirían electricidad y calor en tanto en cuanto se les provee de combustible (hidrógeno).

Energéticamente menos eficiente

Del pozo a la rueda

Perdidas de energía en el trayecto desde su generación hasta su uso (del pozo a la rueda) Litio vs H2. Fuentes : Grupo VW y T&E

Teniendo en cuanta las gráficas anteriores donde se estiman las perdidas de energía producidas desde su fuente de generación hasta su empleo en el motor de un vehículo eléctrico (es decir de 100 unidades de energía cuantas llegan hasta la rueda partiendo de la misma fuente):

Del pozo a la rueda (desde la generación hasta su uso) Según Grupo VW Según T&E
Batería de litio 70-90% 73%
Hidrógeno 25-35% 22%

En el mejor de los casos para el hidrógeno y en el peor de los casos para el litio. El coche eléctrico de pila de combustible de hidrógeno, obtenido este por electrolisis, consume mediante este proceso 2 veces mas energía que un coche eléctrico alimentado con baterías de litio. Esa diferencia aumenta hasta casi 3 veces mas energía, si tomáramos los datos medios.

Esto implica que, para producir un kilo de hidrógeno, en el mejor de los casos se consumen 40 kWh de electricidad (sin contar la necesaria para la compresión). Permitiendo recorrer teóricamente 100 km (1kgH2/100km ITM Power). Por lo tanto, tenemos un consumo de 40 kWh a los 100 km, frente a los 20kWh necesario para recorrer la misma distancia usando baterías de litio.

Si hablamos de costes por consumo, actualmente el hidrógeno se vende a unos 12€/kg (el coste de producción del reformado ronda €1,5/ kg y del procedente de la electrólisis entre 3,5€-5€/kg). El punto de inflexión a partir del cual repostar hidrógeno saldría rentable – sin considerar el coste de adquisición del vehículo – se sitúa alrededor de los 8€/kg. Que viene a ser 8€ a los 100km; 0,2€ por kWh (algo más de la mitad del precio de las hidrogeneras en Alemania).  En el mismo rango de precios que la gasolina/diésel.

Combustible Consumo cada 100km Precio litro Coste por km
Diésel 7 l. 1,1 € 0,08 €
Gasolina 9 l. 1,3 € 0,14 €

En la tabla se muestran valores característicos de precio por kilómetro usando como combustible el diésel y gasolina. Se ha usado consumos característicos del parque actual (12 años de antigüedad media y consumo mixto carretera-urbano).

Fuente: Endesa. La eficiencia energética y ambiental de los modos de transporte en España. Monzón, Pérez y Di Commo, 2009.

En cuanto a las baterías de litio, aplicando la oferta de una comercializadora como Endesa energía. Considerando un consumo homogéneo para la tarifa (una media): 0,149983€/kWh (potencias >15kW). El coste del kWh para el consumidor/conductor a partir del hidrógeno sería un 33% más caro (además de necesitar el doble de kWh) llegados a los 8€/kg y un 100% mas caro en los precios actuales, 12€/kg.

 

Conclusiones

No creemos que exista un único medio de electrificación. Al igual que entendemos la recarga móvil y fija complementarias también entendemos que el transporte con hidrógeno tendrá su espacio. A favor diremos que los tiempos de espera con el hidrógeno no serían un problema.

Costes variable

A menos que el precio de la gasolina y gasóleo se dispare en los próximos años, resultará realmente difícil vender el hidrógeno como el futuro de la movilidad con un coste entorno 3 veces más que usar un coche eléctrico con baterías electroquímicas (en el mejor de los casos).

Costes fijos

En la actualidad, un coche de pila de combustible es más caro que cualquier otra clase de vehículo (un Hyundai Nexo cuesta casi 70.000 euros). A largo plazo, se pronostican. considerando unos costes estimados de 45 €/kW para las pilas de combustible y 100 €/kWh para las baterías.

El impacto dependerá de la reducción del coste del hidrógeno, la amortización de la red de suministro y el coste de la producción de electricidad. Pero dado el estadio de las baterías de litio y las nuevas químicas que están por venir (baterías del estado solido para el 2025 en una segunda generación de vehículos eléctricos liderados por Toyota), parece poco probable que su impacto no se circunscriba (en el ámbito de la movilidad) a determinadas flotas como los autobuses o camiones, para cuando el hidrogeno sea una realidad económicamente viable.

 

  

Hydrogen VS Lithium in electrification Substitutes?

«We are still examining it, but at the moment this technology is not suitable for Porsche. For one thing, the typical output of a battery is approximately 100 kilowatts, so if you want more power, you still need to include a large battery to provide maximum output. That means you need even more space for installation.

Secondly, the overall energy efficiency of the system is very poor because it takes a lot of electricity to split the water into hydrogen, distribute it to fuel stations and convert it back into electricity.”

These are the statements we could read last week from Porsche’s head of R&D Michael Steiner.

Just as with gas, hydrogen is another energy source that we are asked about on numerous occasions when we discuss the decarbonisation of energy supply. Especially when we talk about electric vehicles and the charging times for lithium batteries.

From here our analysis:

Graphical representation of an H2 recharge

Hydrogen (H2): the most abundant and cleanest chemical element in the universe

It is a colorless, odorless and highly reactive gas that is found in all components of living matter. It is absolutely clean, since only water is emitted from its combustion (if I add oxygen to the hydrogen in addition to energy I obtain water).

It is widely used in many industrial processes:

  • The chemical industry: for the synthesis of plastics.
  • The glass industry: in obtaining flat glass.
  • The hydrocarbon industry: it is used in the refining processes.
  • The food industry: hydrogenation of fats (margarine).
  • The chemical industry: for raw materials of some fertilizers (Ammonia NH) and antifreeze (Methanol)
  • In the energy field:

o In space: it is a light and efficient fuel (1 kg of hydrogen contains 3 times more energy than 1 kg of petrol).

o Nuclear reactor: it is used in the field of nuclear fission (for neutron braking) and nuclear fusion (in the process of research).

A priori it is the fuel of the future, we only have to solve 3 disadvantages, if they are:

  1. To dissociate hydrogen from oxygen in water, more energy is consumed than that produced by hydrogen when it is burned.

Unfortunately, pure hydrogen does not exist (there are no deposits, as in natural gas). Hydrogen has to be obtained – or rather, extracted – from the compounds of which it is a part: water, gases, hydroxides, organic elements such as biomass and of course… hydrocarbons. And the process is not easy and economically viable when we seek to do so in large quantities and in a sustainable manner (in the decarbonized future we are heading for, Agenda 2030).

Its extraction: reforming and electrolysis

  • About 95% of hydrogen is obtained by extracting it from hydrocarbons (methane, propane, natural gas, etc.) through a process called reforming. The hydrogen-carbon bond of these substances is broken by means of high temperature steam and a catalyst.
  • The remaining 5% is achieved in a much cleaner way, by extracting it or from water by electrolysis, in which electricity is used to dissociate the water molecule, thus isolating the hydrogen.

This is the dilemma of the hydrogen economy, and one of the main battle horses that scientists want to address. None of the processes (sustainable or not) is easy, or in other words, cheap:

  • The catalysts. They are solid or liquid elements that work as an accelerator. They accelerate and facilitate the performance of the hydrogen extraction process. Scarce and expensive materials. This is the case of platinum or ruthenium, for example, which are also used in the manufacture of many other products, so they are in great demand. In addition, over time they become less effective and must be replaced.
  • Spending energy to create energy. Both reforming and electrolysis require the use of energy. In the case of reforming in large quantities. And here lies a fundamental question: hydrogen can be used as clean energy because only water is generated from its combustion, what happens to the energy we use to obtain it? A truly sustainable hydrogen energy cycle can only be achieved by using renewable energies – for example, photovoltaics – to decouple the element from the compounds in which it is included.

The research of Dr. Felix Urbain of IREC (Catalan Institute for the Study of Energy) is noteworthy, as it seeks to implement cheaper methods to produce hydrogen from water on a large scale. His intention is to use solar energy for this purpose (they obtained the world record of efficiency thanks to their catalysts).

Taking advantage of the good relationship that unites us, we asked him his opinion on the matter (hydrogen or lithium battery in transport) and although he pointed out that the densification of the station network could be seen, in terms of the development of economically viable solutions he admitted to be much further away than lithium.

Solar panel mounting for hydrogen production

  1. Storage and transport. It cannot be stored in a liquid state (it would need a lot of pressure or very low temperatures) and in a gaseous state it takes up a lot of volume.

Hydrogen is difficult to store and transport. It is so light that it requires an enormous amount of pressure to compress or liquefy it in the same way as other gases, such as butane. And to be efficient, it must be stored at high pressure and low temperature. That makes it very difficult to handle and use on a daily basis.

It is also necessary to set up new infrastructure for the distribution and supply of hydrogen, as is the case with natural gas, for example. At this point it is important to point out that natural gas networks (pipelines) would also serve and we do not think that they will serve to supply hydrogen (the reforming to obtain hydrogen is carried out from methane, the main component of natural gas).

There are companies that sell hydrogenerators (hydrogen generators), such as the Asturian company www.hidrogena.com, that allow hydrogen generation (on a small scale) to be located wherever it is needed. Reducing their production cost considerably.  

Logo «Hydrogena»

 

 

  1. It is a highly flammable gas and requires safety systems that increase its cost

The physical and chemical properties of gaseous fuels such as methane, propane and hydrogen are quite different from the more commonly used liquid fuels such as gasoline. Hydrogen itself is neither more nor less hazardous than gasoline, propane or methane.

The lighter of the elements, with a much lower density than air, with a higher diffusion than other combustible gases, it is colourless, odourless and tasteless and is not toxic. Flammable to air in a wide range of concentrations, it ignites with a very small amount of energy. Easily detonates when confined (not outdoors), with a higher flame rate than other fuels, but with a higher ignition temperature than common fuels.

The danger depends strongly on the specific conditions under which the hydrogen is released and/or confined. Usually at high pressure and low temperature.

Hydrogen in transport

Limited power

As is already the case with AC-DC converters for recharging electric vehicles with lithium batteries, the size and space available in the vehicle is an issue.

Lithium battery electric vehicles need to change the form of the energy supplied to them by the electric grid, from alternating to direct, in order to recharge the batteries. When we want to increase the power to recharge faster, that converter gets bigger limiting the space for the battery inside the vehicle.  That’s why we choose to put it outside, in monoliths commonly known as fast chargers. The conversion is done outside the car.

Illustrations of the AC/DC converter

The case of the fuel cell electric vehicle is similar, the role of the battery is to generate electricity, but the amount generated does not always respond to the demand of the car at all times. A storage system is needed to guarantee that there will be enough energy when accelerating.

Think of a tap that has a small and constant flow, at the time we want to take a shower may be insufficient. We need a water deposit where we can accumulate this small flow for the moment of the shower. The water tank in the world of energy is a battery. So according to that power (Porsche mentions more than 136CV or 100kW) would need a battery with a size hardly compatible with the fuel cell and the space offered by the vehicle.

The battery or fuel cell

Schematic of a fuel cell electric car (in red)

The fuel cell is a membrane on which hydrogen and air in the atmosphere are mixed (in red in the graph above). From its union, an electric current emerges that serves to move an electric motor in the case of vehicles. The residue, as we have already mentioned, is only water.

The first fuel cell was built in 1839 by Sir William Grove, a Welsh judge and scientist who proved that the combination of hydrogen and oxygen generated electricity as well as water and heat.

It can generate electricity by combining hydrogen and oxygen electrochemically without any combustion. These cells do not run out as a battery would, nor do they need to be recharged, as they would produce electricity and heat as long as they are supplied with fuel (hydrogen).

Less energy efficient

From the well to the Wheel

Energy losses on the way from its generation to its use (from the well to the wheel) Lithium vs H2. Sources : VW Group and T&E

Taking into account the previous graphs where the losses of energy produced from its source of generation to its use in the motor of an electric vehicle are estimated (that is to say of 100 units of energy how many arrive to the wheel starting from the same source):

From well to wheel (from generation to use) According to VW Group According to T&E
Lithium battery 70-90% 73%
Hydrogen 25-35% 22%

At best for hydrogen and at worst for lithium. The hydrogen fuel cell electric car, obtained by electrolysis, consumes by this process 2 times more energy than an electric car powered by lithium batteries. That difference increases to almost 3 times more energy, if we take the average data.

This implies that, to produce one kilo of hydrogen, at best 40 kWh of electricity are consumed (not counting the necessary for compression). Allowing to travel theoretically 100 km (1kgH2/100km ITM Power). Therefore, we have a consumption of 40 kWh at 100 km, compared to 20kWh needed to travel the same distance  using lithium batteries.

If we talk about costs per consumption, currently hydrogen is sold at about 12 euros per kg (the production cost of reforming is about 1.5 euros/kg and that of electrolysis between 3.5 and 5 euros/kg). The turning point from which refuelling hydrogen would be profitable – without considering the cost of purchasing the vehicle – is around EUR 8/kg. That comes to EUR 8 per 100km; EUR 0.2 per kWh (just over half the price of hydrogen generators in Germany).  In the same price range as petrol/diesel.

Fuel Consumption per 100km Price per litre Cost per km
Diesel 7 l. 1,1 € 0,08 €
Gasoline 9 l. 1,3 € 0,14 €

The table shows characteristic values of price per kilometer using diesel and gasoline as fuel. The characteristic consumption of the current park (12 years of average age and mixed road-urban consumption) has been used. Source: Endesa. Energy and environmental efficiency of transport modes in Spain. Monzón, Pérez and Di Commo, 2009.

With regard to lithium batteries, applying the offer of a marketing company such as Endesa Energía. Considering a homogeneous consumption for the tariff (an average): 0.149983 euros/kWh (powers >15kW). The energy cost of kWh from hydrogen would be 33% more expensive (in addition to needing twice as much kWh) reaching 8 euros/kg and 100% more expensive at current prices, 12 euros/kg.

Conclusions

We do not believe that there is a single means of electrification. Just as we understand complementary mobile and fixed recharging, we also understand that transport with hydrogen will have its space. In favour we would say that waiting times with hydrogen would not be a problem.

Variable costs

Unless the price of petrol and diesel shoots up in the next few years, it will be really difficult to sell hydrogen as the future of mobility at around 3 times the cost of using an electric car with electrochemical batteries (at best).

Fixed costs

Today, a fuel cell car is more expensive than any other kind of vehicle (a Hyundai Nexo costs almost 70,000 euros). In the long term, they are predicted. considering estimated costs of 45 euros/kW for fuel cells and 100 euros/kWh for batteries.

The impact will depend on the reduction of the cost of hydrogen, the amortization of the grid and the cost of electricity production. But given the stage of lithium batteries and the new chemicals that are coming (solid state batteries by 2025 in a second generation of electric vehicles led by Toyota), it seems unlikely that their impact will not be limited (in the area of mobility) to certain fleets such as buses or trucks, by the time hydrogen becomes an economically viable reality.

 Sources: Volkswagen, Porsche, T&E, Toyota, Endesa, AEDIVE, Cambio Energetico, National Geographic, Comision Europea, IDAE, INE.