Pila de combustible vs baterías, ¿cómo se descarbonizarán las flotas de camiones?

por | Mar 21, 2022 | Artículo técnico

El sector del transporte por carretera es el responsable de aproximadamente un 6,5 % de las emisiones globales de CO2. Los camiones, cada vez más necesitados para transportar todo tipo de mercancías son tan necesarios para nuestro día a día como perjudiciales para el medio ambiente. Por tanto, y sabiendo que son un sector que no está llamado a reducir su consumo, sino a aumentarlo, se debe encontrar una vía para que la energía consumida por estos vehículos no represente una fuente de emisiones de dióxido de carbono.

Ilustración 1 – Las emisiones de los camiones hoy y en 2030. Fuente Transport&Environment

Dicho esto, hay dos alternativas que se elevan sobre el resto, los vehículos de baterías (BEV) y los vehículos de pila de combustible (FCEV). Ambas tecnologías están todavía en una fase incipiente, aunque la tecnología de los BEV se ha visto muy beneficiada por el desarrollo y el despliegue ya efectuado para surtir al mercado de los vehículos utilitarios. Además, a día de hoy, la cantidad de camiones desplegados BEV es ampliamente superior a la de FCEV, por lo que la tecnología de baterías va uno o dos años por delante con respecto a la de hidrógeno. En este post, realizaremos una comparación entre ambas tecnologías dejando un concepto claro desde el principio; los vehículos BEV y FCEV no son tecnologías rivales, como algunos OEMs nos quieren hacer ver. BEV y FCEV son COMPLEMENTARIAS y nos permitirán descarbonizar el transporte por carretera obteniendo lo mejor de cada tecnología para cada tipo de operación.

Ilustración 2 – Nikola Tre 2 FCEV

Con el objetivo de poder entender dónde puede aportar cada tecnología, vamos a realizar esta comparativa en función de las siguientes variables:

Eficiencia

Como se refleja en la imagen inferior, no hay comparación en esta variable entre los vehículos de baterías y los vehículos de pila de combustible. Sin ninguna duda la batería es mucho más eficiente que la alternativa de hidrógeno. Esto se debe a que en los BEV, los procesos que tienen lugar para ser capaces de propulsar el vehículo desde el momento de la generación de la electricidad son puramente de transporte y almacenamiento de electrones, lo cual es realmente sencillo y eficiente. En cambio, para propulsar un vehículo de hidrógeno, este gas debe generarse, lo que ya implica una gran pérdida de eficiencia, debe transportarse y almacenarse, lo cual también requiere grandes cantidades de energía, y además debe después, en el propio vehículo, reconvertirse a electricidad en la pila de combustible, lo que también provoca pérdidas de aproximadamente la mitad de la energía. Todos estos procesos de transformación son los que hacen que la famosa eficiencia del pozo a la rueda (Well-to-wheel) baje hasta el 30 %, mientras que en un vehículo eléctrico esta podría rondar el 75 %. No vamos a negar que hay posibilidades de mejorar estas eficiencias, quizás hasta un 50 % en el caso del hidrógeno, pero siempre habrá un gap grande entre el BEV y el FCEV.

Pero, ¿por qué es importante la eficiencia?

Cuando hablamos de qué tipo de combustible utilizar para reducir las emisiones, tendemos a obviar que la mejor alternativa es NO consumir energía. Podríamos decir que la eficiencia es el mejor combustible. Además, como veremos en el último apartado, en un vehículo comercial como es el caso de un camión, hoy en día los gastos de combustible representan entre un 30 % y un 40 % de los costes totales del camión a lo largo de su vida útil. Por tanto, ser capaces de reducir este consumo, implicará grandes beneficios económicos para el operador.

Ilustración 3 – Comparación eficiencia ambas tecnologías (desconocido)

Payload

Esta es una de las características que definen a la perfección el hecho de que, cada flota y cada operativa deben de ser evaluadas con el objetivo de poder recomendar la tecnología utilizada para descarbonizarse. El payload es la capacidad de carga útil, es decir, cuanta carga puede llevar un camión hasta alcanzar su peso máximo permitido. Para hacer la comparación, tomaremos como referencia un camión que hoy en día pueda tener una Masa Máxima Autorizada (MMA) de 40 t (payload de aproximadamente 30 t), y una autonomía de 800 km. La autonomía es importante porque en el caso de las baterías, el peso del vehículo aumentará proporcionalmente con la necesidad de almacenar más energía (más batería instalada).

Para una autonomía como la citada, y con un consumo de un camión eléctrico de 1,44 kWh/km, el peso de una batería con una densidad energética de 200 Wh/kg se elevaría hasta los 5.760 kg, y teniendo en cuenta un 20 % de sobredimensionamiento para cuidar la vida de la propia batería (no realizar ciclos de carga/descarga completos), este peso se eleva hasta 7.200 kg.

Por otro lado, un camión de hidrógeno, con un consumo de 9 kg/100 km, debería almacenar aproximadamente 72 kg de hidrógeno, lo que implica un peso de tanques de 1.100 kgH2. Si a esto se le añade el peso de una pila de combustible con una densidad de potencia de 2 kW/kg, un camión de este tipo con un requerimiento de potencia de 150 kW de pila de combustible, podría llevar un sistema de 75 kg de peso. Con una batería de aproximadamente 50 kWh, el peso total del sistema sería de 1.425 kg.

Se asume que tanto el vehículo de baterías como el de hidrógeno estarían llevando un motor eléctrico con un peso similar.

Por tanto, el resultado de la comparación aquí está claro. Un camión de batería, pesaría hasta 5.775 kg más que un camión de hidrógeno para un recorrido de 800 kilómetros.

Sin embargo, este aumento en el peso no es así para el típico caso de un reparto regional, donde la autonomía requerida es de 300 km. En este caso, implicaría un peso de 2.700 kg para el BEV y 910 kg para el FCEV, reduciéndose el efecto sobre el payload.

Es necesario mencionar que los vehículos 0 emisiones, podrán portar hasta 2 toneladas más de peso que aquellos que contaminan. Esto es una ventaja en la comparativa con los camiones diésel, donde un camión de hidrógeno apenas pierde capacidad de carga para altas autonomías, mientras que un vehículo eléctrico podría presentar pérdidas de capacidad total de aproximadamente un 20 %.

Ilustración 4 – FCH JU Heavy-duty trucks

Autonomía

Como se ha mencionado, la autonomía de los vehículos, ya sea de una tecnología u otra, depende básicamente de la dedicación de sistemas de almacenamiento energético, bien sea baterías o depósitos de hidrógeno. Sin embargo, en el caso de las baterías, hoy en día el estado de la tecnología imposibilita irse a rangos de autonomía superiores a los 400 km, que se sitúa como límite superior en los vehículos desplegados. Es importante recalcar además que las baterías sufren una degradación con el paso del tiempo, que reduce la autonomía en un 20 %. Por otro lado, los vehículos de hidrógeno parten con autonomías de hasta 1.000 km para el caso del almacenamiento en forma de hidrógeno líquido, mientras que la mayoría, con almacenamiento a 700 bar, están planteando autonomías de 800 km.

Esto se relaciona directamente con la siguiente variable a considerar, porque, ¿cómo de importante es la autonomía cuando un depósito se puede rellenar en cuestión de minutos? El tiempo de carga de los vehículos y la posibilidad de esperar sin parar las operaciones a que tanto las baterías como los tanques se llenen son especialmente importantes a la hora de decidir qué alternativa sostenible utilizar. Mientras que un vehículo de hidrógeno puede efectuar una recarga completa en 10 minutos, a un ritmo aproximadamente de 120 km/minuto, el ritmo de recarga en los vehículos eléctricos depende de la potencia disponible en los cargadores. La carga más rápida podrá ir desde el MW hasta una carga más lenta de 100 kW de potencia (esto está en constante evolución). Una carga de una potencia similar al MW, podría dar al camión una carga completa en 45 minutos, que es el tiempo de descanso que debe tomarse un camionero cada 4h y media. No obstante, estos números no se reflejan en la práctica, puesto que la velocidad de carga se iría reduciendo para proteger la integridad de la batería.

Al mismo tiempo, imaginémonos un espacio con simplemente 10 camiones cargando al mismo tiempo requiriendo 1 MW de potencia cada uno. La demanda total de 10 MW es una carga que será muy difícil de soportar para la red eléctrica, que vería como aparecen muchos puntos de consumo distribuidos por toda la geografía. A modo indicativo, en España hay unas 12.000 gasolineras de las cuales un número importante podrían convertirse en cargas de gran potencia en los próximos años.

Otro punto importante y relacionado con este factor, es que las empresas que tengan sus propios vehículos, deben considerar si tienen capacidad, tanto de espacio como de disponibilidad de red eléctrica para tener un determinado número de vehículos cargando (aunque sea a carga lenta).

Ilustración 5 – Dispensado de hidrógeno en un Nikola Tre FCEV

Durabilidad

Este es un factor muy relevante, y la verdad es que muy incierto ya que, no se dispone de un gran número de datos representativos de cuántos ciclos puede soportar un sistema de baterías en un camión, o de cuántas horas aguantará una pila de combustible antes de deteriorar su capacidad de producción eléctrica un 10 % con respecto a su nominal. Estos parámetros son fundamentales, puesto que por ejemplo, un sistema de baterías puede costar entre 50.000-100.000 € en función de la autonomía necesaria (asumiendo 150 €/kWh), por lo que tener que efectuar un reemplazo puede implicar grandes pérdidas económicas si no se ha considerado. Hoy en día las baterías ofrecen unos 1.000 ciclos de vida útil, lo que son unos 5 años de operación de un camión aunque ya se están escuchando hasta 3.000 en los próximos años. Por otro lado, las pilas de combustible suelen ofrecer una vida útil de 10.000 horas, aunque fabricantes como Ballard ya ofrecen 30.000, lo que es muy superior a lo necesario.

Ilustración 6 – Disposición de las baterías en un BEV

Inversión inicial

Mientras que hoy en día un camión diésel puede rondar los 80.000-120.000 €, los camiones eléctricos están triplicando estos costes y los de hidrógeno llegan a quintuplicarlos. Incluso en el mejor de los casos, en los próximos 10 años, los camiones eléctricos o de pila de combustible supondrán inversiones iniciales de hasta el doble de lo que es un camión diésel hoy en día. Sin embargo, como hemos adelantado antes, la inversión inicial puede ser un obstáculo para lanzarse a adquirir estos vehículos, pero ni mucho menos es algo decisivo, ya que como hemos comentado hay otros costes que tienen lugar a lo largo de todos los años de uso de un vehículo, como el ya citado combustible o incluso los gastos de mantenimiento y los peajes. La mayor eficiencia tanto de la alternativa de baterías como del hidrógeno, hacen que (en función de los costes) se pueda recuperar esa diferencia en la inversión inicial con respecto a la alternativa diésel. Además, un menor número de piezas móviles ayudan a reducir los costes de mantenimiento y las reducciones de entre un 50 y un 75 % en los peajes propuestas para los próximos años, ayudarán a estas alternativas a tender hacia una paridad en el coste de vida del activo (TCO), que generalmente se evalúa en €/km.

Ilustración 7 – Comparación TCO de camiones diésel, de baterías y de pila de combustible. Fuente Powering the future of mobility (Ballard&Delloite)

Por tanto, si habéis llegado hasta aquí pensando que la respuesta iba a ser blanco o negro, lamentamos la decepción. Aquí, la elección de una alternativa u otra dependerá de las necesidades de operación del operador logístico, de la disponibilidad de espacio para cargar los vehículos eléctricos en caso de escoger la opción de BEV e incluso la flexibilidad que requieren los vehículos a utilizar. También el payload es fundamental a la hora de escoger ya que un transportista que movilice ropa por ejemplo, no tendrá problemas por esto, pero un camión que transporte carga densa, sí necesitará maximizar su capacidad de carga.

En SynerHy tenemos herramientas que permiten calcular el TCO de las flotas de vehículos en función de múltiples variables como las comentadas con las que calcular la mejor opción para cada caso.

Si os interesa, no dudéis en escribirnos a info@synerhy.com y estaremos encantados de poder ayudaros.