El transporte marítimo y las infraestructuras portuarias son fuentes importantes de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Según la Organización Marítima Internacional, el transporte marítimo genera más de 900 millones de toneladas de CO2 al año. Las economías mundiales dependen del transporte marítimo para hacer llegar sus productos al consumidor, ya que hasta el 90% de todas las mercancías extranjeras fluyen a través de los puertos en buques portacontenedores, pero el peaje para el medio ambiente es considerable. Y quienes viven cerca de puertos marítimos muy transitados están expuestos a niveles peligrosos de contaminación atmosférica causada por las emisiones de los motores diésel de los vehículos comerciales del puerto.
Por ejemplo, los grandes vehículos industriales llamados manipuladores de contenedores cargan y descargan los contenedores de los portacontenedores. Cada manipulador de contenedores emite hasta 144 toneladas de CO2 al año, y un gran puerto puede tener cientos de estas máquinas en sus instalaciones. Cambiar el motor diésel de un solo manipulador de contenedores por una alternativa ecológica tendría el mismo efecto que retirar de nuestras carreteras 32 turismos de gasolina.
Desde los turismos hasta los camiones de largo recorrido, las locomotoras y la maquinaria pesada, los motores de combustión interna se están sustituyendo por alternativas más ecológicas. Los vehículos eléctricos de batería han acaparado gran parte de la atención, con un número cada vez mayor de opciones a disposición de los consumidores, tanto en modelos de coche como en puntos de recarga. Pero en los puertos, los motores diésel de los vehículos industriales pesados, como camiones, carretillas elevadoras y manipuladores de contenedores, son los más utilizados. Las baterías y la infraestructura de recarga necesaria no sirven para muchas de estas operaciones.
Ahí es donde las pilas de combustible pueden ayudar.
Electrificación en Práctica
Las pilas de combustible son idóneas para lugares con equipos pesados que deben funcionar durante largos turnos con un tiempo de inactividad mínimo para repostar. Repostar una pila de combustible de hidrógeno lleva aproximadamente el mismo tiempo que llenar un depósito de gasolina de tamaño similar, mientras que recargar una batería para vehículos eléctricos pesados llevaría horas. Las pilas de combustible ofrecen la densidad de potencia y la autonomía necesarias para que el vehículo aguante un turno de 8 horas. Nuvera es una empresa dedicada a la tecnología de pilas de combustible para vehículos comerciales.
«Las pilas de combustible son mejores que las baterías cuando se necesita una gran autonomía o cuando la carga de las baterías lleva demasiado tiempo, por lo que son adecuadas para barcos, aviones, camiones, autobuses y vehículos de respuesta a emergencias», afirma Gus Block, empleado fundador y director de Nuvera Fuel Cells.
«También son necesarias cuando las baterías son demasiado grandes para caber en un vehículo o tan pesadas que comprometerían la carga útil», dice Block. «Por ejemplo, la batería necesaria para el manipulador eléctrico de contenedores tendría el tamaño de un elefante pequeño».
Una alternativa eléctrica que no necesita recarga
Una pila de combustible sólo produce calor y agua. Sin partes móviles, su diseño es sencillo en principio: una membrana se intercala entre dos electrodos. Cuando el hidrógeno se encuentra con el ánodo, se divide en un protón y un electrón. El protón atraviesa la membrana hasta el cátodo, donde se encuentra con el oxígeno. El electrón toma una ruta más larga entre los electrodos, viajando a través de un circuito eléctrico. El flujo de electrones crea la energía para el motor. En el cátodo, los protones, electrones y oxígeno se combinan para formar agua.
El uso del modelado y la simulación en tiempo real permite a los ingenieros de Nuvera iterar rápidamente en su diseño y experimentar sin poner en peligro un motor real.
La ciencia es sencilla, pero perfeccionar la receta de una fuente de energía de alto rendimiento es difícil. Son muchos los factores que rigen las múltiples reacciones de una pila de combustible, y un sistema de control por software debe tenerlos en cuenta para exprimir al máximo la potencia y la eficiencia del dispositivo. El sistema de control realiza correcciones constantes en función de la información recibida.
«Uno de los mayores retos del diseño es mantener una hidratación adecuada de las células», explica Pierre-François Quet, ingeniero jefe de Nuvera. «Si no hay suficiente agua, los protones no pasan; si hay demasiada, las células se inundan».
Su sistema gestiona la hidratación cambiando la temperatura del refrigerante y manipulando el flujo de aire para aumentar o disminuir la evaporación. Para diseñar el software que controla su motor de pilas de combustible -que suele incluir cientos de pilas de combustible apiladas con refrigerante fluyendo entre ellas, además de una bomba de refrigerante y un compresor de aire- Nuvera utiliza MATLAB® y Simulink®. Según Quet, en Simulink también se implementa un modelo de planta del motor de pila de combustible, que comprende ecuaciones que rigen las reacciones eléctricas y químicas y las temperaturas y presiones del agua, los gases y el refrigerante. Con esta simulación, Nuvera escribe algoritmos para perfeccionar aspectos como el flujo de refrigerante con el fin de obtener el mejor rendimiento. Una vez finalizado el algoritmo, Simulink lo traduce en código que se ejecutará en un procesador integrado en el motor de la pila de combustible.
Los algoritmos de control también tienen en cuenta muchas condiciones de funcionamiento. En la simulación, Nuvera prueba el sistema a temperaturas ambiente altas y bajas, y en entornos de humedad alta y baja.
Para experimentar con sus algoritmos en un entorno más realista, Nuvera realiza pruebas hardware-in-the-loop: Cargan su modelo de motor en un ordenador personalizado fabricado por Speedgoat que se adapta para tener las mismas entradas y salidas que el motor físico, y pueden simular su funcionamiento en tiempo real. El mismo ordenador integrado que hace funcionar el motor de pila de combustible está conectado a la caja de Speedgoat y se programa a partir de código C generado a partir de Simulink.
Esta configuración añade rigor al tiempo que permite a los ingenieros de Nuvera iterar rápidamente sobre su diseño. También permite experimentar sin poner en peligro un motor real.
Un Híbrido Diferente
Prácticamente todos los vehículos de pila de combustible son híbridos eléctricos, alimentados tanto por pilas de combustible como por baterías. En algunos casos, las pilas de combustible proporcionan una carga lenta para mantener cargada la batería, mientras que en otras configuraciones tanto la pila de combustible como la batería alimentan los motores a través de un bus eléctrico. Las baterías también se emplean para aceptar la energía regenerada de un vehículo, como cuando una carretilla elevadora frena o baja una carga.
El equipo de Quet tuvo que crear primero un modelo de la batería de iones de litio en Simulink, a partir de los datos facilitados por el fabricante y recopilados internamente. También escribieron algoritmos capaces de estimar el estado de carga de la batería a partir de lo que podían medir: su tensión y su corriente. Después utilizaron Simulink para programar el algoritmo de control. El sistema debe mantener un nivel ideal de carga de la batería, de modo que siempre haya energía suficiente para los picos de carga y capacidad suficiente para reabsorber energía. El equipo de Nuvera también diseñó el tamaño óptimo de varios componentes del sistema probando los algoritmos en una serie de escenarios simulados de carretillas elevadoras y cargas.
Lo Mejor de Ambos Mundos
Las pilas de combustible comparten puntos fuertes con las baterías y los motores de combustión interna. Al igual que las baterías, son escalables y silenciosas, y no producen emisiones nocivas. Pero los vehículos de pila de combustible también ofrecen la gran autonomía y la rapidez de repostaje de los vehículos de gasolina y diésel con motor de combustión interna. El hidrógeno puede almacenarse a presión en un depósito de combustible que le permite contener mucha más energía que una batería de las mismas dimensiones, por lo que, en lugar de parar para recargar o cambiar una batería, se puede conducir el vehículo durante el mismo tiempo o más que un equivalente alimentado por batería y dedicar unos minutos a llenar el depósito de combustible.
Uno de los usos de los motores de pila de combustible de Nuvera es en las carretillas elevadoras de su empresa matriz, Hyster-Yale Group. Nuvera también ha integrado dos de sus motores de pila de combustible E-45 en un manipulador de contenedores Hyster® que se utilizará en el puerto de Los Ángeles, similar al modelo que aparece en la fotografía. Sólo con la sustitución del motor diésel por un sistema de propulsión eléctrico alimentado por pilas de combustible en este vehículo, pueden evitarse 128 toneladas métricas de CO2 al año. Los motores diésel de los vehículos comerciales e industriales son una fuente de emisiones de carbono y contaminantes criterio que disminuyen la calidad del aire. Nuvera trabaja con otros fabricantes para utilizar pilas de combustible en la electrificación de autobuses, trenes y vehículos especiales, con el fin de reducir significativamente sus emisiones.
Las pilas de combustible son escalables y silenciosas, no producen emisiones nocivas y ofrecen la gran autonomía y el breve tiempo de inactividad de los vehículos de gasolina y diésel con motor de combustión interna.
