¿Qué tan eficientes son las celdas de combustible en comparación con los motores de combustión interna de hidrógeno?

Los motores de combustión interna (ICE) alimentados con hidrógeno son, en el mejor de los casos, eficientes en un 40%, y eso solo si funcionan en un rango de RPM muy estrecho. Si observa la eficiencia en el uso normal, y tiene en cuenta la ineficiencia de una línea de transmisión mecánica frente a una línea de transmisión eléctrica, caen entre el 25% y el 30%:

Página en autonomie.net

Las celdas de combustible, por otro lado, son 55-60% eficientes, y sus líneas de transmisión electrificadas son 90% eficientes, por lo que terminan siendo aproximadamente el doble de eficientes que los ICE alimentados con hidrógeno.

Si los ICE alimentados con hidrógeno tienen una ventaja, es que podría adaptar los vehículos existentes para que funcionen con hidrógeno con un gasto moderado. Solo dudo que sea económico hacerlo a menos que estemos hablando de un vehículo comercial muy grande y costoso, y solo si el combustible alternativo (gasolina o diesel) se vuelve dramáticamente más caro.

Finalmente, si estamos hablando de actualizar los ICE para que funcionen con algo que no sea gas o diesel, el propano y el gas natural son mejores opciones.

Gracias por el A2A. Iba a sentarme con esto, hasta que leyera las otras respuestas, que me parecieron deficientes en un aspecto u otro.

Primero, nunca dijiste la palabra vehículo, así que solo comenzaré comparando la eficiencia de la generación, al menos inicialmente: el vehículo de celda de combustible (o cualquier EV) tiene una línea de transmisión inherentemente más simple y superior a medida que pasamos de la electricidad al motor para la transmisión. mucho más simple que conseguir el par de las ruedas con un IC y una transmisión convencional.

Volviendo a la eficiencia del motor IC: la mejor eficiencia del punto 40%, más o menos, generalmente en un ciclo de conducción real con una transmisión automática, no va a mantener el motor en el mejor punto de eficiencia ni siquiera el 30% de ese ciclo de conducción real. Llámelo un LHV de eficiencia promedio de quizás 30% … seamos demasiado amables y llamémoslo 35%.

Celdas de combustible, celdas de combustible, celdas de combustible …

Existen muchos tipos, pero nadie usa SOFC en un automóvil, al menos no todavía, por lo que afirmar que la eficiencia eléctrica de más del 60% de un SOFC es algo falso o mal informado.

PEM es la celda de combustible automotriz, aún así, como lo era cuando trabajaba en el consorcio Daimler-Benz (Mercedes), Ballard y Ford en 1996–2001 (y ahora no hay muchos más vehículos de celda de combustible en la carretera … pero Toyota, Honda y Hyundai están haciendo un buen trabajo ahora para cambiar eso).

Entonces, para PEM para células, usualmente vamos a lograr una eficiencia de LHV de 40 bajo, en hidrógeno puro. En general, podemos mantenernos cerca de esta eficiencia, la eficiencia de la celda de combustible es mucho menor que el motor IC, probablemente un promedio del 40%.

En este punto, se debe suponer que el hidrógeno para el IC o la celda de combustible provino de la misma fuente renovable (pista, no lo hará en este momento …) o del mismo tipo de reformador de gas natural a gran escala, alrededor del 80% termalmente eficiente. De cualquier manera eso es un lavado.

Las emisiones de la celda de combustible son vapor de agua y calor, y probablemente CO2 del proceso de reforma si se quita las anteojeras.

El IC tiene el detrimento de la alta temperatura de combustión requerida para la eficiencia, que genera NOX, que luego debe emitir o mitigar con un costoso catalizador de escape adicional. Lo va a mitigar (a menos que viva en un lugar como Utah o Idaho, donde se cree que el mundo tiene una capacidad infinita para absorber nuestro abuso). Esto agrega costo.

El costo de la celda de combustible para PEM es algo de lo que he estado desconectado durante mucho tiempo, si el problema de carga de platino se ha resuelto, puede ser un motor a un precio razonable.

Volviendo a su punto original: no hay una gran diferencia en la eficiencia entre los motores, pero le doy a la celda de combustible una ventaja del 5% más o menos en un ciclo de manejo de la vida real.

Respetuosamente,

Jack

En principio, los motores de combustión de hidrógeno pueden ser más eficientes que las celdas de combustible. Un error que comete la gente al referirse a la eficiencia de la pila de combustible es que se refieren a la máxima eficiencia. Para una celda de combustible de cualquier diseño, la eficiencia aumenta a medida que la corriente se acerca a cero y el voltaje alcanza su punto máximo. Esto significa que la eficiencia máxima se logra a potencia cero. No es una definición muy práctica.

Información Adicional:

Tenía un poco de prisa cuando escribí el párrafo inicial sobre esto, y quería actualizarlo un poco.

A medida que aumenta la carga en una celda de combustible, la corriente también aumenta. Esto va acompañado de una disminución en el voltaje. Como P = I • E (potencia = corriente por voltaje), la potencia aumenta hasta cierto punto y luego alcanza su punto máximo antes de disminuir. En el punto en el que la potencia alcanza su punto máximo, la eficiencia es sustancialmente menor que la eficiencia máxima. En un momento vi que las celdas de combustible PEM promocionaban aproximadamente un 35% de eficiencia en este punto.

En contraste, un motor de combustión interna tiene una eficiencia absolutamente pésima a baja potencia (baja velocidad). A medida que aumenta la velocidad del motor, también aumentan la potencia y la eficiencia. En algún momento, el motor de combustión interna alcanza la máxima eficiencia (posiblemente más del 40%), pero la potencia continúa aumentando mucho más allá de ese punto. Hay muchas cosas que se pueden hacer con el diseño del motor para mover la potencia máxima y la eficiencia máxima alrededor del eje de velocidad del motor, pero en general esto sigue siendo cierto.

Ahora todo se reduce a la aplicación. Para aplicaciones de potencia estacionarias en las que la potencia de salida es esencialmente constante, debería ser posible diseñar y operar un motor (que funcione con hidrógeno) con la misma potencia de una celda de combustible, pero con una mayor eficiencia. Sandia National Laboratories (Livermore) estudió esto extensamente en los años 1990 y 2000, y sus resultados apoyan esta conclusión.

Sin embargo, para aplicaciones móviles, lo contrario podría ser cierto. En aplicaciones móviles se requiere mucha potencia para acelerar lejos de una parada o para subir una colina sin perder velocidad. Sin embargo, la mayoría de las veces la fuente de energía está funcionando a una potencia mucho menor que el pico. En este escenario, la eficiencia de la pila de combustible aumenta considerablemente a medida que disminuye la potencia, mientras que el motor de combustión interna pierde eficiencia. Esta es la razón por la cual el Honda Clarity obtiene aproximadamente 72 mpgge mientras tiene características de rendimiento general de un tren de potencia V-6 con una salida de potencia máxima comparable.

Bastante bueno, alrededor del doble de la eficiencia de un motor de combustión interna. El problema es dónde se obtiene y cómo se almacena el hidrógeno. Esa es la parte de baja eficiencia y alto costo.

Aproximadamente el doble o 100% más eficiente a favor de la pila de combustible. Un motor IC está limitado por la temperatura del interior y el exterior del cilindro según lo predice el ciclo de Carnot y está cerca del 30%, mientras que el PEM FC moderno obtiene más del 60% de la energía del hidrógeno para convertirse en corriente eléctrica. Si logramos usar algo de la generación de calor, podemos alcanzar el 70%.