estudio de la factibilidad para la implementación de las

Universidad de La Salle Universidad de La Salle

Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle

Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería

1-1-2005

Estudio de la factibilidad para la implementación de las celdas de Estudio de la factibilidad para la implementación de las celdas de

combustible en un sistema de transporte masivo con adaptación combustible en un sistema de transporte masivo con adaptación

técnica para las diferentes alturas de las ciudades importantes de técnica para las diferentes alturas de las ciudades importantes de

Colombia Colombia

Samer Arias Sepúlveda Universidad de La Salle, Bogotá

Lady Zulemmy Urrego Ávila Universidad de La Salle, Bogotá

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ESTUDIO DE LA FACTIBILIDAD PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE EN UN SISTEMA DE TRANSPORTE MASIVO

CON ADAPTACIÓN TÉCNICA PARA LAS DIFERENTES ALTURAS DE LAS CIUDADES IMPORTANTES DE COLOMBIA

SAMER ARIAS SEPÚLVEDA

LADY ZULEMMY URREGO ÁVILA

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ D.C. 2005

ESTUDIO DE LA FACTIBILIDAD PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE EN UN SISTEMA DE TRANSPORTE MASIVO

CON ADAPTACIÓN TÉCNICA PARA LAS DIFERENTES ALTURAS DE LAS CIUDADES IMPORTANTES DE COLOMBIA

SAMER ARIAS SEPÚLVEDA

LADY ZULEMMY URREGO ÁVILA

Proyecto de Grado para optar al título de

Ingeniero Electricista

Director

FABIO ALDANA Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ, D.C. 2005

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Lady Zulemmy Urrego Ávila Samer Arias Sepúlveda

UNIVERSIDAD DE LA SALLE Educar para Pensar, Decidir y Servir

Nota de Aceptación

_____________________________

_____________________________

_____________________________

________________________________ Director de proyecto: Fabio Aldana

___________________________________ Jurado: Marco Bonnet

___________________________________

Jurado: Fernando Gómez

Bogotá, 9 de agosto de 2005




A Dios y a nuestros padres

les debemos todo lo que somos, así que a ellos,

les dedicamos el siguiente proyecto de grado.




...creo que el agua un día será empleada como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, usados juntos o separados constituirán

una inagotable fuente de luz y calor, de una intensidad superior a la del carbón... Por lo tanto (...), el agua será el carbón del futuro.

Julio Verne.




Ni la universidad, ni el asesor, ni el jurado calificador, son responsables por las ideas expuestas por los graduados




CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN 23 CAPITULO I 24

1 GENERALIDADES DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE 24

1.1 CARACTERÍSTICAS 24

1.1.1 Celda de combustible 24

1.1.2 Tipos de celdas de combustibles 25

1.1.2.1 Celda de combustible alcalina 25

1.1.2.2 Celda de combustible de ácido fosfórico (PAFC) 26

1.1.2.3 Celda de combustible de carbonatos fundidos (MCFC) 27

1.1.2.4 Celda de combustible de cerámico protónico (PCFC) 28

1.1.2.5 Celda de combustible de cinc – aire (ZAFC) 28

1.1.2.6 Celda de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM) 29




1.1.2.7 Celda de combustible de metanol directo (DMFC) 30 1.1.2.8 Celda de combustible de óxido sólido (SOFC) 30

1.1.2.9 Celda de combustible regenerativas (RFC) 31

1.2 CLASIFICACIÓN 31

1.2.1 Fabricantes 32

1.2.1.1 Ballard power system 32

1.2.1.2 Nuvant systems inc. 33

1.2.1.3 ONSI corporation 33

1.2.1.4 Technologies unidas corp – UTC 34

1.2.2 Marcas comerciales que la aplican 35

1.2.2.1 Universidad de Georgetown 36

1.2.2.2 H-Power 37

1.2.2.3 MAN 38

1.2.2.4 Neoplan 38




1.2.2.5 DaimlerChrysler 38

1.2.2.6 Toyota 39

1.2.2.7 Hyundai motor company 41

1.2.2.8 Nissan 41

1.2.2.9 BMW 42

1.2.2.10 Renault V.I 42

1.2.2.11 Servicio del grupo SunLine 42

1.2.2.12 Industrias Thor 43

1.2.2.13 Irisbus 43

1.2.3 Programas de implementación 43

1.2.3.1 Alemania 44

1.2.3.2 Australia 44

1.2.3.3 Canadá 44

1.2.3.4 España 45




1.2.3.5 Estados Unidos 45

1.2.3.6 Francia 47

1.2.3.7 Inglaterra 47

1.2.3.8 Japón 48 1.3 APLICACIONES DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE 48

1.3.1 Estacionarias 49

1.3.2 Residencial 49

1.3.3 Transporte 49

1.3.4 Potencia portátil 49

CAPITULO II 50

2. CELDAS DE COMBUSTIBLE PARA TRANSPORTE MASIVO 50 2.1 BENEFICIOS DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE 50

2.1.1 Apertura en el mercado 50

2.1.2 Confiabilidad energética 50




2.1.3 Aseo y eficiencia 51

2.1.4 Reducción de emisiones 51

2.2 DISEÑO DEL SISTEMA 52

2.2.1 Confiabilidad técnica 54

2.2.2 Evaluaciones de costos 54

CAPITULO III 55

3 TRANSPORTE MASIVO EN COLOMBIA 55

3.1 TRANSPORTE URBANO DE LAS CIUDADES COLOMBIANAS 55 3.1.1 Comportamiento primer semestre de 2004 55

3.1.2 Comportamiento mensual (sin Transmilenio) 58

3.1.2.1 Enero de 2004 58

3.1.2.2 Febrero de 2004 59

3.1.2.3 Marzo de 2004 60

3.1.3 Tendencias 62




3.1.4 Comportamiento por tipo de vehículo (Buses, Busetas, Microbuses) 64

3.1.5 Movimiento por ciudades 66

3.2 INDICADOR DE PRODUCTIVIDAD, PRIMER SEMESTRE DE 2004 67

3.3 ESTADÍSTICAS DE TRANSMILENIO 68

3.4 FICHA METODOLÓGICA 70

CAPITULO IV 72

4 ESTUDIO DE FACTIBILIDADES 72 4.1 IDENTIFICACIÓN DE PROBLEMAS 72 4.1.1 Problemas económicos 72

4.1.2 Problemas técnicos 72

4.1.2.1 De la celda de combustible 72

4.1.2.2 De la obtención de hidrógeno 73

4.1.3 Problemas comerciales 73

4.1.4 Problemas en el sistema de transporte 74




4.2 PLANTEAMIENTO DE SOLUCIONES 75

4.2.1 Factibilidad en la obtención de hidrógeno 76

4.2.2 Factibilidad de uso y/o Implantación de la celda de combustible para transporte masivo 79 4.2.2.1 Celdas de combustible para el transporte masivo tipo PEM 79

4.2.2.2 Celdas de combustible para el transporte masivo tipo PAFC 80

4.2.2.3 Ficha técnica de las celdas de combustible 83

4.2.3 Selección de las ciudades a implementar el sistema 84

4.2.4 Factibilidad en el sistema de transporte 84

CAPITULO V 86

5 DETERMINACIÓN DEL TIPO Y DISEÑO DEL DISPOSITIVO DE CELDA DE COMBUSTIBLE 86 5.1 TENSIÓN DE SALIDA DE LA CELDA IDEAL 86

5.2 DESCRIPCIÓN DETALLADA DE CADA COMPONENTE DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE 89 5.2.1 Componentes de un stack 90




5.2.2 Electrodo y catalizador 93

5.2.3 Sustrato 94

5.2.4 Matriz 95

5.2.5 Ácido fosfórico 96

5.3 ADAPTACIÓN TÉCNICA 96

5.3.1 Modulo termoeléctrico Peltier 97 5.3.2 Aplicaciones 102 5.3.3 Cualidades específicas 103

CAPITULO VI 104

6 ANÁLISIS DE COSTOS 104 6.1 ANÁLISIS COMPARATIVO DE COSTOS Y DE REDUCCIÓN DE EMISIONES EN DIVERSOS SISTEMAS DE BUSES 104 6.1.1 Bus diesel avanzado 105 6.1.2 Bus GNC 108

6.1.3 Bus GLP 111




6.1.4 Bus etanol 113

6.1.5 Bus eléctrico 115

6.1.6 Bus híbrido 117

6.1.7 Bus a celda de combustible 121

6.2 COSTO INFRAESTRUCTURA DE HIDRÓGENO 122

6.3 COSTO COMBUSTIBLE 123 6.3.1 Sector gas natural en Colombia primer trimestre 2004 123 6.3.2 Marco legal 123 6.3.3 Precios promedio GNV principales ciudades 124

CAPITULO VII 126

7 ANÁLISIS ECONÓMICO 126

7.1 EVALUACIÓN ECONÓMICA 126 7.1.1 Costo de operación de los vehículos 127

7.1.1.1 Condiciones iniciales del proyecto 128




7.1.1.2 Características de los vehículos analizados 129

7.1.1.3 Costos de combustible 129

7.1.1.4 Costo de aceite 130

7.1.1.5 Costo de neumáticos 130

7.1.1.6 Costo de operación, administración y mantenimiento 131 7.1.1.7 Costo de depreciación 132

7.1.1.8 Costo de tripulación 133

7.1.1.9 Ingresos 133

7.1.1.10 Resultados 133

7.2 ANÁLISIS FINANCIERO 134

7.2.1 Valor presente neto 135

7.2.2 Tasa interna de retorno 137

7.2.3 Relación beneficio costo 138

7.3 CONCLUSIÓN DE LA EVALUACIÓN ECONÓMICA 138




8 CONCLUSIONES 139

9 RECOMENDACIONES 141

BIBLIOGRAFÍA 142

ANEXOS 143




LISTA DE CUADROS

pág.

Cuadro 1. Movimiento de buses, busetas y microbuses, Ier trimestre 2003. 57

Cuadro 2. Movimiento de buses, busetas y microbuses, Ier trimestre 2003. 58

Cuadro 3. Movimiento de buses en 23 ciudades, Ier trimestre 2003. 60

Cuadro 4. Movimiento de busetas en 23 ciudades, Ier trimestre 2003. 61

Cuadro 5. Movimiento de microbuses y colectivos, Ier trimestre 2003. 61

Cuadro 6. Distribución del parque automotor, Ier trimestre 2004. 66

Cuadro 7. Distribución del parque automotor en Bogotá D.C. Ier trimestre 2004. 69

Cuadro 8. Buses actuales a celdas de combustible tipo PAFC y PEM. 82

Cuadro 9. Alturas y temperaturas de los diferentes pisos térmicos en Colombia Cuadro 10. Estándares de emisiones US/UE de NOx y MP 107

Cuadro 11. Costos según Estándares de Emisiones UE año 2000. 108

Cuadro 12. Comparación de costos Buses Diesel Vs GNC, GLP año 2000. 113

Cuadro 13Comparación de costos Buses Diesel Vs Eléctricos Híbridos. 120

Cuadro 14. Comparación de costos Buses Diesel Vs Celdas de combustible. 121

Cuadro 15. Costo de infraestructura de hidrógeno a partir de gas natural instalada en SunLine año 2000. 122

Cuadro 16. Precios promedio GNV principales ciudades de Colombia. 125 Cuadro 17. Comparación económica entre los sistemas que utilizan la tecnología Diesel avanzado y celdas de combustible. 134




LISTA DE ILUSTRACIONES Y FIGURAS pág.

Figura 1. Partes de un Bus a Celda de Combustible. 53

Gráfico 1. Distribución porcentual del parque automotor, Ier trimestre 2004. 56

Gráfico 2. Tendencia del promedio mensual de vehículos, Ier trimestre 2004. 62

Gráfico 3. Tendencia del promedio mensual de vehículos, Ier trimestre 2004. 63

Gráfico 4. Tendencia de pasajeros transportados (miles), Ier trimestre 2004. 63

Gráfico 5. Distribución porcentual del parque automotor, Ier trimestre 2004. 64

Gráfico 6. Distribución porcentual de pasajeros, Ier trimestre 2004. 65

Gráfico 7. Distribución porcentual del parque automotor en Bogotá D.C. 70

Gráfico 8. Producción de Hidrógeno a partir de fuentes de energía primaria 77

Gráfico 9. Producción de Hidrógeno a partir de fuentes de energía secundaria 77

Gráfico 10. Curva de funcionamiento 87

Figura 3. Stack Celdas en serie 88

Figura 4. Estructura básica de una celda PAFC 89

Figura 5. Paso de gas rico en hidrógeno a través de la celda 91

Figura 6. Estructura de la celda 92

Figura 7. Circuito efecto Peltier 98

Figura 8. Circuito efecto Seebeck 99

Figura 9. Esquema de un TE 100

Figura 10. Fuente DC para un TE de 6 A 101




LISTA DE ANEXOS

pág.

Anexo A. Proceso de obtención de electricidad de una celda de combustible 143

Anexo B. Partes celda de combustible alcalina 144

Anexo C. Celdas de combustible de carbonatos fundidos 145

Anexo D. Celda de combustible tipo PEM 146

Anexo E. Celda de combustible de óxido sólido 147

Anexo F. Celda de combustible de óxido sólido forma comercial 148

Anexo G. Tabla movimiento del parque urbano automotriz de pasajeros según ciudades y niveles de servicio 149




GLOSARIO ADG: Gas anaerobio del digestor. BEV: Vehículos eléctricos a batería. CFC: Clorofluorocarbonato. DOC: Catalizadores de oxidación diesel. DOE: Departamento de Energía de los Estados Unidos de América. DPF: Filtros de particulado diesel. EGR: Recirculación de gases de escapes. EV: Vehículo eléctrico. GDE: Electrodo de difusión de gas. HEV: Vehículo eléctrico híbrido. ICE: Internal combustion engine o motor de combustión interna. IEA: International energy agency o agencia internacional de energía. LSD: Diesel de bajo azufre. MP: Material particulado. NGV: Vehículo de Gas Natural. PTFE: Politetrafeniletileno llamado teflón. SCR: Reducción catalítica selectiva. TE: Módulo termo eléctrico. ZEV: Vehículo cero de emisiones locales.




RESUMEN La presente investigación es el resultado de hacer un análisis de la factibilidad del uso de las celdas de combustible en el transporte masivo para las ciudades importantes de Colombia, así como una adaptación técnica para facilitar su funcionamiento a cualquier altura. Antes de iniciar el análisis de la factibilidad en términos económicos, es necesario escoger la celda de combustible adecuada para el transporte masivo de pasajeros. Para garantizar lo anterior, conviene entender cómo funciona la celda de combustible, los tipos de celda que se construyen según la composición química del electrolito, las empresas que las fabrican, las marcas comerciales que las utilizan, los programas de implementación que están instituidos en diferentes países del mundo y sus diferentes aplicaciones. Las anteriores generalidades de las celdas de combustible se encuentran consignadas en el capitulo I. En el capitulo II se establecen los beneficios del uso de las celdas de combustible en el transporte masivo de pasajeros, con respecto a la apertura en el mercado, la confiabilidad energética, la eficiencia en reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, como también, del diseño del sistema en relación a la confiabilidad técnica y a la evaluación de costos. El capitulo III proporciona información estadística sobre el número de vehículos del parque automotor y del número de pasajeros transportados en 23 ciudades de Colombia en el primer trimestre del 2004. Información que permite concluir en que ciudades es factible aplicar este trabajo de grado. En el capitulo IV se realiza el estudio de factibilidades del proyecto, razón por la cual, se identifican los problemas económicos, técnicos, comerciales, de la implementación de un sistema de transporte masivo de pasajeros que utilice la tecnología de las celdas de combustible. En este capitulo se plantean las soluciones para cada uno de los problemas descritos. La determinación del tipo y del diseño del dispositivo de la celda de combustible que permite su uso a cualquier altura se consulta en el capitulo V. En análisis de costos y la evaluación financiera del proyecto pertenecen a los capitulo VI y VII, respectivamente. Capítulos que permiten concluir si el proyecto es factible de ejecutar desde el punto de vista económico.


-23- Lady Zulemmy Urrego Ávila Samer Arias Sepúlveda


INTRODUCCIÓN El desarrollo de la humanidad se ha logrado gracias al uso de los combustibles fósiles no renovables (carbón, petróleo y gas natural), pero con un costo medioambiental muy alto. También, el uso acelerado de estos, en particular por los países desarrollados, en los que habita cerca del treinta por ciento de la población mundial, ha llevado a la disminución de los rendimientos de las minas y los cuerpos de agua. De acuerdo con cifras de proyecciones energéticas, está cercano el momento en que la demanda supere a la extracción y que el precio del petróleo crezca incontroladamente. Además, su negativa influencia medioambiental, que amenaza la existencia de las especies vivientes, constituye un costo adicional que no se carga de forma adecuada al de los combustibles fósiles. Por lo tanto, es necesario, buscar la aplicación de otras fuentes de energía, sobre todo renovables y limpias. En este contexto, el hidrógeno se presenta como el portador energético ideal, que se puede obtener del agua u elementos ricos en éste y su combustión produce agua. Es decir, es un ciclo que no introduce desbalance en la naturaleza. En la actualidad una de las mayores preocupaciones es la de desarrollar tecnologías limpias en aras de preservar los recursos naturales, escasos como consecuencia de la indiferencia con el planeta tierra. La tecnología del hidrógeno tiene el potencial para resolver los problemas de contaminación y consumo excesivo de recursos naturales; ofrece energía sana, segura, confiable y producida localmente. Los vehículos de celda de combustible pueden reemplazar a aquellos impulsados por motores de combustión interna, los cuales son responsables de hasta el 70% de los gases que provocan el efecto invernadero y el smog. El smog es responsable de las enfermedades respiratorias y de pérdidas millonarias en daños a los cultivos. Por eso los beneficios del uso de hidrógeno podrían mejorar enormemente nuestra calidad de vida. Con el desarrollo de este Trabajo de Grado se efectuará un análisis de la implantación de este tipo de tecnología en un sistema de transporte masivo en donde aparte de escoger el tipo de celda de combustible más apta para Bogotá y para las ciudades más importantes de Colombia, se hará una investigación de las adecuaciones adicionales que se deben implementar a una celda de combustible de acuerdo con a la ubicación geográfica de cada sitio.




CAPITULO I 1 GENERALIDADES DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE Aunque el principio en el cual se basa el funcionamiento de las celdas de combustible es el mismo, la tecnología empleada en la fabricación de las celdas de combustible es muy variada, porque se experimenta con diferentes elementos químicos para construir el electrolito y las demás partes de la celda. Por tanto, es necesario conocer las características de la celda, el funcionamiento de la celda y los tipos de celda según la forma de construcción del electrolito; su clasificación, apartado que da cuenta de los fabricantes, marcas comerciales que la aplican y los programas de implementación que en las diferentes naciones funcionan; además, es necesario conocer el contexto nacional del transporte masivo para decidir el tipo de celda a utilizar en Colombia. 1.1 CARACTERÍSTICAS Las características de las celdas de combustible están determinadas por su funcionamiento y su tipo, éste se define por la forma de construcción del electrolito. 1.1.1 Celda de combustible Una Celda de Combustible es un dispositivo que produce electricidad, agua y calor cuando se le suministra hidrógeno como combustible. La celda está compuesta por dos electrodos, llamados ánodo y cátodo, a cada lado de un electrolito. El ánodo es alimentado por hidrógeno y el cátodo es alimentado por oxigeno del aire. Se emplea el estimulo de un catalizador en el ánodo para lograr que el átomo de hidrógeno se divida en un protón y en un electrón, los cuales toman caminos separados y diferentes, antes de llegar al cátodo. El protón pasa a través del electrolito y el electrón por un material conductor de electricidad. La circulación de electrones en el conductor genera electricidad. Cuando los electrones y los protones del hidrogeno llegan al cátodo reaccionan con el oxigeno formando moléculas de agua.




El agua que es resultado de la reacción química en el cátodo se divide de nuevo en átomos de hidrógeno y de oxigeno para continuar generando electricidad mediante el proceso ya descrito. Por tanto se dice que las Celdas de Combustible están basados en un ciclo cerrado y continuo, se comportan similar a una batería eléctrica, no se agotan y tampoco necesitan ser recargadas. El hidrógeno que alimenta al ánodo puede provenir de cualquier hidrocarburo. Son utilizables combustibles como gas natural, metanol e incluso gasolina para obtener los átomos de hidrógeno. Como se recurre a un proceso completamente químico no utiliza la combustión del hidrocarburo, la celda no emite ninguna sustancia contaminante perjudicial al medio ambiente que la rodea1. 1.1.2 Tipos de celdas de combustibles Las Celdas de Combustible presentan diferentes tipos de clasificación según la forma y los elementos que se empleen para la operación del electrolito. 1.1.2.1 Celda de combustible alcalina El electrolito de esta celda está constituido por una matriz en donde se sumerge una solución acuosa alcalina de hidróxido de potasio. Su eficiencia es de hasta 70%. Operan a una temperatura de 150 °C a 200 °C. La potencia generada es de 300 W a 5 kW2. Ventajas: La reacción en el cátodo es más rápida en un electrolito alcalino, lo cual representa un mayor desempeño del dispositivo. _____________ 1HIRSCHENHOFER, J.H., STAUFFER, D.B., ENGLEMAN, R.R. y KLETT, M.G. Manual de la célula del combustible. 5ta. Edición. Washington, D.C.: Ministerio de Energía - Oficina de Energía Fósil. 2000. p. 1. En el anexo A se observa el proceso de obtención de electricidad de una celda de combustible. 2Ibid,. p. 4. En el anexo B se distinguen las partes de una celda de combustible alcalina.




Desventajas: Su alto costo para aplicaciones comerciales, sin embargo existe compañías que buscan recursos para reducir costos y mejorar la flexibilidad en su operación. Usos: Fueron usadas en las naves Apolo para proveer electricidad y agua para beber. Ventajas: 1.1.2.2 Celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) El electrolito lo forma un ácido fosfórico líquido impregnado en una matriz porosa. Las PAFC´s generan electricidad a una eficiencia de 40% sin cogeneración. Si se utiliza el vapor producido por la celda en la cogeneración se alcanzan hasta el 85% de eficiencia. La temperatura de operación está en el rango de 150 °C a 200 °C. Con temperaturas más bajas, el ácido fosfórico es un mal conductor iónico, y puede ocurrir envenenamiento severo por monóxido de carbono (CO) en el ánodo del catalizador platino (Pt). Las PAFC´s tienen salidas de potencia de 200 kW hasta 1 MW3. Ventajas: Además de su cerca del 85% de eficiencia en cogeneración, este tipo de celda de combustible puede utilizar hidrógeno poco puro como combustible. Pueden tolerar concentraciones de CO de hasta 1.5%, lo cual amplía la elección de combustibles que pueden ser usados. Si se utiliza gasolina, el azufre debe ser removido. Desventajas: Utilizan platino que, es un material costoso como catalizador, genera baja corriente y potencia comparada con otras celdas de combustible, y generalmente tiene un tamaño y peso grandes. ____________ 3CASTILLO CANO, Ulises. Las celdas de combustible: verdades sobre la generación de electricidad limpia y eficiente vía electroquímica . México D.F.: Boletín iie, 1999. p. 3.




Usos: Este tipo de Celda de Combustible está disponible comercialmente hoy. Más de 200 sistemas de Celda de Combustible han sido instalados alrededor del mundo, en hospitales, casas de cuidado, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas de generación de potencia, transporte, una Terminal de Aeropuerto, rellenos sanitarios y plantas de tratamiento de agua. 1.1.2.3 Celda de combustible de carbonatos fundidos (MCFC) Estas celdas de combustible usan una solución líquida de carbonatos de litio, sodio y de potasio, sumergidos en una matriz para formar el electrolito. Estas celdas alcanzan eficiencias de conversión de combustible a electricidad hasta del 60% sin utilizar cogeneración, y del 85% con cogeneración, y maniobran a unos 650 °C. La alta temperatura de operación es necesaria para alcanzar una suficiente conductividad del electrolito4. Ventajas: Las altas temperaturas de operación, tienen una gran ventaja ya que ello implica mayores eficiencias y flexibilidad para usar más tipos de combustibles y catalizadores menos costosos, ya que las reacciones para romper los enlaces entre el carbono de hidrocarburos de cadenas más largas, ocurren más rápido a medida que la temperatura se incrementa. Desventajas: Una desventaja es que las altas temperaturas aumentan la corrosión y la falla de componentes de la celda de combustible. Usos: Están dirigidas principalmente a aplicaciones de generación de potencia estacionaria. Las celdas de combustible de carbonatos estacionarias han ____________

4VIELSTICH, Lobo., LAMM, Arnold y GASTEIGER, Hubert. Manual de las células del combustible: Fundamentales, tecnología, usos, sistema. 4ta. Edición. Washington, D.C.: Hardcover. 2003p. 13. En el anexo C se aprecia el esquema de funcionamiento de una celda de combustible de carbonatos fundidos.




sido exitosamente demostradas en Japón e Italia. 1.1.2.4 Celdas de combustible de cerámico protónico (PCFC) El electrolito de esta celda de combustible está constituido por un material cerámico protónico que posee una alta conductividad protónica a elevadas temperaturas. Operan a una temperatura de 700 °C, parecidas a las ventajas térmicas y cinéticas de las celdas de carbonatos fundidos. La alta temperatura de operación es necesaria para alcanzar la alta eficiencia eléctrica (en cogeneración del 85 %) con combustibles a partir de hidrocarburos. Las celdas PCFC´s oxidan electroquímicamente combustibles fósiles directamente en el ánodo; lo que significa que se obtiene el hidrógeno sin necesidad de un reformador de combustible para ser utilizado como combustible en la celda5. Adicionalmente, las celdas PCFS´s tienen un electrolito sólido que no se “seca” como en las celdas PEM, ni puede fugarse líquido como con las celdas PAFC´s. 1.1.2.5 Celda de combustible de cinc – aire (ZAFC) En estas celdas hay un electrodo de difusión de gas (GDE), un ánodo de cinc separado por un electrolito y separadores de un tipo de forma mecánica. El electrodo GDE es una membrana permeable que permite el paso del oxígeno atmosférico. Después de que el oxigeno se convierte en iones de hidroxilo y agua, los iones de hidroxilo viajan a través de la membrana y alcanzarán el ánodo de cinc. Aquí, el ión reacciona con el cinc formando óxido de cinc. Este proceso genera un potencial eléctrico; cuando un grupo de celdas ZAFC son conectadas, el potencial eléctrico combinado de las mismas puede ser usado como fuente de poder eléctrica6. Este proceso electroquímico es muy parecido al de una celda tipo PEM, pero el reabastecimiento de combustible y comparte ciertas características con las baterías. ___________ 5Celda de combustible ZAFC. www.fuelcells.org/basics/fags/html. conceptos básicos. 2005 6HIRSCHENHOFER, J.H., STAUFFER, D.B., ENGLEMAN, R.R. y KLETT, M.G. Manual de la célula del combustible. 5ta. Edición. Washington, D.C.: Ministerio de Energía - Oficina de Energía Fósil. 2000. p. 12.




Ventajas: La mayor ventaja que la tecnología de cinc-aire tiene sobre otras baterías es su alta energía específica, la cual es un factor clave que determina el tiempo de dura ción de una batería con respecto a su peso. Cuando las celdas ZAFCs son usadas para energizar vehículos eléctricos (EVs), han probado grandes distancias de manejo entre cada reabastecimiento de combustible, mayores que baterías para EV de similar peso. Debido a la abundancia de cinc sobre la tierra, los costos del material para las celdas ZAFCs y las baterías cinc-aire son bajos. Usos: La tecnología cinc-aire tiene un potencial amplio de aplicaciones, desde EVs, equipo electrónico hasta militar. Powerzinc en el sur de California actualmente comercializa su tecnología cinc/aire para un número de diferentes aplicaciones. 1.1.2.6 Celda de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM) El electrolito está constituido por una hoja de plástico delgado, que permite que iones de hidrógeno pasen a través de ella, dicha hoja se denomina “Membrana de intercambio protónico”. La membrana está cubierta en ambos lados con partículas de aleación altamente dispersa (principalmente platino) que funcionan como catalizadoras. El electrolito utilizado es un polímero ácido orgánico poliperflourosulfonico. Estas celdas trabajan a baja temperatura. La construcción de celdas combustible está todavía como desarrollo de prototipos incluso en los países con alta tecnología. Un hecho importante es que la eficiencia de la celda varía muy poco con la potencia entregada. Así, se encuentran funcionando celdas de alta potencia (>200kW) y se están desarrollando celdas de baja potencia (20-50 W)7. Ventajas: El electrolito sólido tiene la ventaja de reducir la corrosión y otros problemas de funcionamiento. La salida de la celda generalmente está en el rango de 50 a 250 kW. ____________ 7REJÓN GARCÍA, Leonardo. Infraestructura de uso de hidrógeno y materiales para celdas de combustible: clave para su pronto uso. México D.F.: Boletín IIE, 2000. p. 4-6. En el anexo D se aprecia el esquema de funcionamiento de una celda de combustible tipo PEM.




Desventajas: Este tipo de celda de combustible es sensible a impurezas presentes en el combustible. Por su baja temperatura no es apta para cogeneración. Usos: Son las precisas para vehículos de trabajo ligero, para edificios y potencialmente para muchas aplicaciones pequeñas tal como reemplazo de baterías. 1.1.2.7 Celdas de combustible de metanol directo (DMFC) Estas celdas usan una membrana de polímero como electrolito como las celdas PEM; pero en las DMFC el catalizador del ánodo adquiere el hidrógeno del metanol líquido, descartando la necesidad de un reformador de combustible. La eficiencia que se alcanza es cercana al 40 %, trabajando a una temperatura de 50 °C a 100 °C. A medida que se aumenta la temperatura de operación se alcanzan mayores eficiencias8. Ventaja: No es necesario reformar el combustible para obtener el hidrógeno. Desventajas: Un problema serio, es el permeado del combustible desde el ánodo hacia el cátodo sin generar electricidad. Usos: Este tipo de celda sirve para aplicaciones desde muy pequeñas hasta tamaños medios, por ejemplo energizar teléfonos celulares y laptops. Compañías se encuentran trabajando con prototipos de DMFC utilizados para energizar equipo militar electrónico en campo. ____________ 8HIRSCHENHOFER, J.H., STAUFFER, D.B., ENGLEMAN, R.R. y KLETT, M.G. Manual de la célula del combustible. 5ta. Edición. Washington, D.C.: Ministerio de Energía - Oficina de Energía Fósil. 2000. p. 31.




1.1.2.8 Celda de combustible de óxido sólido (SOFC) El electrolito es un sistema de óxido sólido conformado por un material cerámico de óxido de zirconio sólido y una pequeña cantidad de itria, en lugar de un electrolito líquido, permitiendo que las temperaturas de operación alcancen los 1000 °C. Las eficiencias alcanzadas por las SOFC´s son de 60% a 85 % con cogeneración y la salida de potencia de la celda hasta 100kW9. Usos: Podría ser utilizada en grandes aplicaciones de alta potencia, industrial y estaciones centrales de generación de electricidad a gran escala. También para aplicaciones en vehículos automotores y se están desarrollando unidades de potencia auxiliares con este tipo de celda de combustible (APUs). 1.1.2.9 Celda de combustible regenerativas (RFC) El agua es dividida en hidrógeno y oxigeno mediante un electrolizador solar. El hidrógeno y el oxígeno alimentados en la celda de combustible generan electricidad, calor y agua. El agua es entonces recirculada de regreso hacia el electrolizador alimentado con energía solar y el proceso comienza de nuevo10. 1.2 CLASIFICACIÓN La clasificación de las celdas de combustible está dada por las empresas que las fabrican, las marcas comerciales que la aplican y los programas de implementación que están instituidos en diferentes países del mundo. ____________ 9CASTILLO CANO, Ulises. Las celdas de combustible: verdades sobre la generación de electricidad limpia y eficiente vía electroquímica . México D.F.: Boletín iie, 1999. p. 4. En el anexo E se aprecia el esquema de funcionamiento de una celda de combustible de óxido sólido. 10AGREDANO, Jaime. “Generación de Hidrógeno mediante energía Solar para un generador de Celda de Combustible”, México D.F.: Boletín iie, 2000. p. 2.




1.2.1 Fabricantes Existen varios fabricantes de celdas de combustible que venden plantas de energía integradas. Actualmente, la mayoría de estos fabricantes venden prototipos o plantas de energía de forma pre-comercial, es decir que su comercialización es aún limitada. 1.2.1.1 Ballard power system El sistema de energía de esta empresa se reconoce en el mundo por ser el líder en la fabricación y en la comercialización de celdas de combustible del tipo PEM ó membrana de intercambio de protón para vehículos de cero emisiones. Ballard11 está comercializando los motores de la celdas de combustible para el mercado del transporte, las impulsiones eléctricas para la célula del combustible y los vehículos eléctricos con pilas, la electrónica de energía y los sistemas de la celdas de combustible para los mercados móviles e inmóviles de la generación de energía. Esta empresa provee de materiales de fricción con grado 1 a la industria del automóvil para las transmisiones automáticas así como un distribuidor de las capas de la difusión del gas del papel de la fibra del carbón (GDL) a la industria de la celda de combustible. El primer vehículo de demostración real usando tecnología moderna de celdas de combustible fue un autobús de 32 pies de largo rodado por Ballard Power Systems en asocio con XCELLSIS Fuel Cell en 1993. Luego de la demostración, este vehículo fue adquirido por la SunLine Transit Agency, que es la agencia de transporte de Palm Springs, California, E.U. Ballard Power Systems proporcionó los motores de celda de combustible (que operan con hidrógeno gas) para tres autobuses a la ciudad de Chicago en los Estados Unidos –vehículos que fueron financiados por la autoridad de transporte de la ciudad- para realizar las demostraciones de su operación. Igualmente, la provincia canadiense de Columbia Británica adquirió de Ballard Power Systems los autobuses para conformar una flota piloto que funcionará en la ciudad de Vancouver. ____________ 11Página web de Ballard power system.http://www.ballard.com/.información comercial.2005. En el anexo F se aprecia una celda de combustible de óxido sólido en su forma comercial.




1.2.1.2 NuVant systems inc Esta empresa tiene su centro de atención en Chicago, se especializó en asesorar a investigadores y a fabricantes para que mejoren los materiales empleados en la construcción de la celda de combustible, utilizando tecnologías rentables e innovadoras. Sus componentes se diseñan para ayudar a la comercialización de las celdas de combustible en mercados inmóviles y de transporte de la energía. La investigación y desarrollo tecnológico se enfocan en la optimización del catalizador de la celda de combustible, las celdas intermedias del combustible para control de la temperatura, los montajes del electrodo de la membrana de la celda del combustible y las celdas directas para uso con metanol. NuVant12 produce y vende el equipo de prueba de rendimiento de procesamiento para los catalizadores, membranas, y otros componentes del electrolito del polímero (PEM). NuVant también vende los componentes de la celda de combustible para los sistemas directos del combustible para uso con metanol (DMFCs). 1.2.1.3 ONSI corporation También, se conoce a nivel mundial la corporación ONSI13 que en 1997, vendió la celda del combustible modelo PC25C al sistema eléctrico de Nueva Inglaterra, para ser usada en la planta de tratamiento de aguas residuales de la isla de los ciervos bajo la autoridad de los recursos de agua de Massachussets (MWRA). La celda de combustible generó electricidad usando el gas anaerobio del digestor (ADG), un subproducto del tratamiento de las aguas residuales. El modelo ONSI PC25C, puede funcionar directamente con gas natural o ADG. La celda de combustible opera a un rendimiento óptimo si se utiliza en un proceso adicional de cogeneración. Otro modelo de la celda de combustible fabricado por la corporación ONSI que, ahora es una subsidiaria de UTC es el Qty 1. Ésta celda de combustible es de ____________ 12Página web de NuVant. http://www.nuvant.com/.información comercial. 2005. 13Página web de ONSI corporation. http;//www.onsicorp.com/. información comercial. 2005.




ácido fosfórico (PAFC) con una potencia de 200 kW, al igual que modelo PC25C,con salida trifásica de 480 V. El paquete completo de la celda de combustible consiste en la célula del combustible, el cambiador de calor, la unidad del tratamiento previo del gas, todos los manuales (incluyendo instalación) de la celda de combustible. Ésta celda de combustible acepta el gas del digestor de las aguas residuales como entrada en la unidad del tratamiento previo del gas, o puede quemarse este gas metano directamente en otro proceso térmico. 1.2.1.4 Technologies unidas Corp – UTC Entre los fabricantes más reconocidos internacionalmente está la UTC que es una corporación global de la tecnología con una historia larga en la innovación en cuanto a sistemas para la aviación, celdas de combustible de hidrógeno para sistemas de generación distribuida y celdas de combustible para los usos del espacio y del transporte. UTC ha establecido una alianza estratégica con Capstone Turbine Corp. para integrar, vender y mantener las microturbinas de ésta para los usos combinados del calor y de la energía. UTC instaló en Hartford, Connecticut, ciudad de E.U., una unidad generadora con tecnología de celdas de combustible. Esta empresa proporciona productos de alta tecnología y servicios a los edificios comerciales y a las industrias aeroespaciales. La unidad de energía del UTC, situada en Windsor del sur, connecticut, ha estado produciendo la energía de la central eléctrica desde 1991; proporciona soluciones en el sitio de la generación de energía incluyendo sistemas comerciales de la célula del combustible. UTC es pionera en la tecnología de la celda tipo PEM que se está aplicando al desarrollo de las centrales eléctricas de celda de combustible para los vehículos, incluyendo los autobuses. Ha trabajado en asocio con las industrias Thor, el constructor más grande de autobuses de tamaño mediano de Norteamérica, e Irisbus, uno de los fabricantes europeos más grandes de autobuses, para construir la celda de combustible accionada con cero emisiones. El 2 de noviembre de 2004 en Windsor del sur, connecticut E.U., UTC desarrolló el primer modelo PC25™ de la casa matriz. El PC25™ rebautizado como PureCell™200 genera 200 kilovatios de electricidad limpia, confiable y 900.000 BTU de calor para ser aplicables en sistemas de cogeneración. Con una vida útil de cinco años de forma continua y con un 85 por ciento de eficacia, el PureCell™




200 es el sistema estándar para la confiabilidad y la eficacia de la célula del combustible. El PureCell™ 200, ha sido instalada en 19 países, en cinco continentes, extendiéndose desde una comisaría de policías de la ciudad New York hasta a un centro de ciencia en Japón. El PureCell™ 200 es certificado bajo el estándar ambiental más riguroso del mundo, el “tablero 2007 de recursos de aire de California”. Su diseño flexible para la instalación en el interior o al aire libre permite fácilmente las conexiones para uso general, para el gas de la ciudad, la distribución eléctrica y el agua de uso diario. Comparado con las plantas tradicionales que usan la tecnología de la combustión, el PureCell™ 200 elimina 40.000 libras de lluvia ácida y niebla con humo que causan agentes contaminantes del ambiente cada año. El sistema de energía también reduce emisiones del bióxido de carbono por más de 2,4 millones de libras por año y no produce ningún humo maligno u otras emisiones. La celda de combustible del PureCell™ 200 utiliza tecnología de ácido fosfórico (PAFC); éste tipo de celda tiene una eficacia de funcionamiento total del 85 por ciento cuando se utilizan la electricidad y el calor de la unidad. Además de fabricar las celdas de combustible tipo PEM y tipo PAFC, UTC14 también fabrica las células alcalinas del combustible (AFC), con electrolito de hidróxido de potasio. Las celdas tipo PAFC´s se utiliza principalmente para los usos inmóviles; las tipo PEM´s, para los autos y los autobuses; y las tipo AFC´s, para los usos aeroespaciales incluyendo la lanzadera de espacio de la NASA. 1.2.2 Marcas comerciales que la aplican La mayoría de fabricantes europeos y norteamericanos llevan a cabo investigación, demostraciones ó evaluaciones de esta tecnología. Las celdas de combustible están siendo desarrolladas para una gran variedad de aplicaciones de transporte masivo, incluyendo locomotoras, autobuses urbanos o taxis. A continuación se presenta la información de instituciones y/o marcas comerciales de vehículos de transporte que más han desarrollado y comercializado la tecnología de celdas de combustible. _____________ 14Página web de Technologies unidas Corp. http://www.utcpower.com/. Información comercial. 2005




1.2.2.1 Universidad de Georgetown En 1983 el Departamento de Transporte de Estados Unidos concedió a la Universidad de Georgetown el contrato para manejar un estudio de la viabilidad de las celdas de combustible en buses. Este contrato es ampliado más adelante, para ser financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), que asume la dirección del programa de desarrollo del autobús con la celda de combustible. El estudio de la viabilidad es concedido al laboratorio nacional de Los Álamos por el DOE. En 1985 se termina el estudio de viabilidad para el uso de las celdas de combustible a los autobuses. La conclusión es que los autobuses de transporte masivo se podían alimentar de la energía de las celdas de combustible de manera satisfactoria, y que esta tecnología se madurará bastante en el futuro cercano para tratar las desventajas. En 1987 a la Engelhard Corporation de nueva Jersey y a la corporación de la investigación en materias (ERC) de Connecticut les conceden, a cada una, los contratos para desarrollar las centrales eléctricas de la celda de combustible del ácido fosfórico del brassboard de 25 kilovatios. El DOE le concede a la universidad de Georgetown un contrato técnico y un programa de ayuda para la gerencia, para ser desarrollado junto con el laboratorio nacional de Argonne. Después de la revisión de los sistemas de celdas de combustible del brassboard, para 1990, la recomendación es que el sistema de enfriado por líquido de la celdas de combustible debe ser utilizado para accionar un autobús de transporte masivo llamado 30-foot. Para 1991 los contratos se conceden para desarrollar tres autobuses con la cama de prueba de la celda de combustible que fueron llamados 30-foot (TBBs) Los autobuses funcionaron encendiendo un combustible líquido (metanol) y se configuraron como vehículos híbridos. Cada TBB utilizaba 50 kW que proporciona la celda de tipo PAFC como la fuente energía principal, provista por Fuji eléctrico (corporación socia de Engelhard) bajo la misma licencia de Engelhard. La Universidad de Georgetown es parte del equipo de la gerencia del programa junto con el laboratorio nacional de Argonne y el DOE, éstos vehículos son conocidos como de la generación Ira. En 1993 la universidad recibe una concesión del departamento de transporte de los E.U. para desarrollar los buses de la generación IIa, o 40 – foot accionados por la celda de combustible con el objetivo de demostrar que eran comercialmente viables.




En 1994, en el día de la tierra transita el primer TBB 30-foot de la generación Ira. Ese mismo año la UTC recibe en concesión un contrato de la universidad para desarrollar una celda de combustible de ácido fosfórico de 100 kW para alimentar un bus urbano. En 1998 transita el primer autobús urbano que opera alimentado por la energía generada por una celda de combustible PAFC suministrada por la UTC, de la generación II 40-foot de 100 kW de potencia de salida, en una demostración pública americana de la asociación de transito en Phoenix, en el Estado de Arizona en los Estados Unidos. La Universidad de Georgetown15 introdujo un autobús de pasajeros con celda de combustible comercialmente viable en Mayo de 1998. El autobús utiliza un motor de celda de combustible de ácido fosfórico de 100 kW de la compañía UTC Fuel Cells y es alimentado con metanol dando un alcance de 350 millas. En el 2000, la Universidad de Georgetown reveló en su campus su segundo autobús de pasajeros con celda de combustible, de 40 pies de largo, gracias a un programa con la Administración Federal de Tránsito (Federal Transit Administration). El autobús tiene una plataforma Novabus RRTS, un sistema de tracción eléctrica de Lockheed Martín Control Systems, un controlador del sistema del vehículo de Booz-Allen and Hamilton y una celda de combustible PEM de 100 kW desarrollada por XCLLSIS. La más reciente demostración se llevo acabo en el 2001 en la conferencia eléctrica de la Sociedad de la Celda de Combustible de California (CaFCP), en la sede de Sacramento, cuando transitó el autobús de la generación II, 40 – foot desarrollado por la Ballard (empresa fabricante que ganó una concesión de la Universidad de Georgetown), la celda de combustible tiene una potencia de salida de 100 kW y es del tipo PEMFC. 1.2.2.2 H-Power H-Power16 integró el sistema en el programa original DDOE/Georgetown y ahora ____________ 15Página web de la universidad de Georgetown. http://www.georgetown.edu/. Información del programa. 2005

16Página web H-power. http://www.hpower.com/. información comercial. 2005.




fabrica celdas de combustible tipo PEM para una variedad de aplicaciones móviles especiales. 1.2.2.3 MAN MAN17 demostró en mayo de 2004 en Munich Alemania un autobús de 12 metros de largo con celda de combustible PEM de 120kW 400 V de Siemens / KW. El combustible hidrógeno es almacenado en el techo del autobús, conteniendo un volumen total de 1548 litros, los cuales alcanzan para 250 Km. (156 millas). Después de más pruebas, el autobús será usado en servicio de transporte público a finales del 2000 en las ciudades de Nuemberg y Erlangen. MAN planea una segunda generación de autobuses alimentados con hidrógeno líquido para demostrar en Berlín, Lisboa y Copenhague. 1.2.2.4 Neoplan Neoplan18 lanzó su primer autobús en Octubre de 1999. El autobús estándar de 8 metros recibe potencia de una celda de combustible PEM de 50kW de la compañía DeNora y es alimentada por hidrógeno comprimido, contando además con baterías para suministrar una potencia total de 150kW. Neoplan y Proton Motor Fuel Cell GMBH demostraron un autobús híbrido con celda de combustible PEM de 80 kW 400 V. La energía extra para aceleración y subidas es provista por un sistema tipo flywheel de 100kW. 1.2.2.5 DaimlerChrysler Desde los años noventa es pionero en el desarrollo de vehículos que utilizan las celdas de combustible. En ese lapso de tiempo construyó 20 vehículos y prototipos, para demostrar su viabilidad técnica. A comienzos del 2004 entregó, 60 vehículos que operan con la energía de la célula del combustible del hidrógeno ____________ 17Página web del grupo MAN. http://www.fuelcellbus.com/. información comercial. 2005 18Página web de Neoplan. http://www.neoplanusa.com/. información comercial. 2005.




en la serie Clase -Uno de Mercedes Benz, a sus clientes en los Estados Unidos, Europa, Japón y Singapur. Antes de terminar este año, DaimlerChrysler19 tendrá más de 100 vehículos con celda de combustible operando, más que cualquier otro fabricante de vehículos. El centro de investigación y del desarrollo de la tecnología de DaimlerChrysler SIM en Shangai está ayudando al gobierno central chino con los componentes de la electrónica del primer vehículo chino de la celda de combustible. 1.2.2.6 Toyota Desde el 2002 esta empresa proyectó establecer “comunidades” para el uso de vehículos que operan con celdas de combustible en California. Constituyó alianzas con el gobierno, empresas y las universidades para abordar lo relacionado al producto, la infraestructura y los retos de los consumidores en las condiciones de la vida real. El 2 de diciembre del 2002 en Torrance, California E.U., Toyota Motor Sales (TMS), entregó los dos primeros vehículos impulsados por celdas de hidrogeno, listos para su comercialización, a la Universidad de California Irvine (UCI) y a la Universidad de California Davis (UCD). Los dos vehículos entregados son los primeros de un total de seis automóviles propulsados por celdas, "Toyota FCHV" en la UC. Los cuatro vehículos adicionales, fueron entregados un año después. El programa, 100% propiedad de Toyota, desarrolló las celdas de combustibles, inició en 1992 y terminó en 1997; durante este tiempo otorgó mas de 2 millones de dólares en becas a la Universidad de California, para la investigación en sistemas avanzados de transporte, incluyendo vehículos de combustible celular. El Instituto para Estudios del Transporte (ITS) de la UCD y el Centro Nacional para Investigación de Celdas de Combustible (NFCRC), de la UCI, proyectaron una flota de automóviles de combustible celular, para analizar los tres principales retos que deben ser resueltos antes de que los vehículos de combustible celular sean lanzados al mercado de forma masiva. El plan de Toyota20 para establecer comunidades-modelo totalmente funcionales y adaptadas al combustible de hidrogeno en el norte (UCD) y en el sur (UCI) de ____________ 19Página web de DaimlerChrysler. http://www.daimlerchrysler.com/dccom/. Información comercial. 2005

20Página web de Toyota. http://www.toyota.com/. información comercial . 2005




California, es promovido mediante el desarrollo y expansión de una infraestructura de reabastecimiento de hidrogeno. Mediante trabajo conjunto con el Comité de Recursos del Aire de California (CARB) y el Comité de Manejo de la Calidad del Aire de la Costa Sur (SCAQMD), así como con corporaciones como Stuart Energy and Air Products, las comunidades-modelo en el norte y en el sur fueron diseñadas para operar en una red de seis estaciones de reabastecimiento de combustible, incluyendo una nueva estación en las oficinas centrales de TMS en Torrance, 40 millas al noreste del campus UCI. Con un rango actual máximo de aproximadamente 180 millas, la flota del sur de vehículos Toyota FCHV operan en un rango de manejo capaz de cubrir la mayor parte de los condados de Los Ángeles y Orange. El Toyota FCHV representa un avance respecto del vehículo de celdas de hidrogeno FCHV-4, que fue sometido a 18 meses de pruebas en condiciones reales de manejo, tanto en California como en Japón, acumulando mas de 80,000 millas de evaluación en pistas de prueba y autopistas publicas. El vehículo ha pasado por rigurosas pruebas de colisión durante las evaluaciones previas a su comercialización. Durante este tiempo, el sistema de combustible de hidrogeno del vehículo ha probado ser confiable, durable y amigable con el usuario. Los vehículos Toyota FCHV-4 y FCHV están basados en el vehículo utilitario deportivo (SUV) Toyota Highlander, de tamaño mediano para cinco pasajeros. Su depósito de celdas de combustible es desarrollado y fabricado exclusivamente por Toyota. El sistema Toyota FCHV tiene cuatro tanques de combustible de hidrogeno de 5000 PSI. El gas de hidrogeno es transferido a un compartimiento de celdas de combustible donde es combinado con oxigeno. La reacción química, derivada de combinar hidrogeno y oxigeno para formar agua, genera un pico de electricidad de 90 kW. La electricidad formada en las celdas de combustible es usada para propulsar el motor eléctrico de 109-hp (194 lbs-ft de torque) y para cargar las baterías híbridas de metal de níquel del vehículo, que también alimentan al motor eléctrico, según sus requerimientos. El escape del vehículo emite vapor de agua. Mediante la aplicación de tecnologías híbridas, depuradas por Toyota en el vehículo híbrido gasolina-electricidad Prius, el sistema eléctrico de celda de combustible del Toyota FCHV regula de manera precisa el flujo de poder desde el deposito de celdas de combustible y la batería, para lograr alta eficiencia, excelente aceleración y un manejo silencioso y suave. El FCHV tiene una velocidad tope de 96 mph. Tiene una carrocería más ligera que la Highlander, gracias al uso de aluminio en toldo, defensas y otros componentes. Con 0.326 Cd, la FCHV es una de las SUVs,




más aerodinámicas del mundo, gracias a que la parte inferior de su chasis es totalmente plana y completamente sellada. Además de haber sido certificado como un vehículo cero emisiones por CARB, el Toyota FCHV tienen un sistema de aire acondicionado que utiliza CO2 como refrigerante, en lugar del clorofluorocarbonatos o CFC. 1.2.2.7 Hyundai Motor Company Se asoció con la UTC, quien fabricó las celdas de combustible, para demostrar su viabilidad técnica en el año 2000 en la Sociedad de la Celda de California. Las celdas de combustible de la UTC integraron la serie 300 dentro de un vehículo Hyundai21. En junio de 2003, las células del combustible del UTC y Hyundai firmaron un acuerdo para desarrollar en común una central eléctrica autogeneradora capaz de funcionar en condiciones de congelación, que es uno de los problemas que falta por resolver antes de desarrollar las células del combustible para los automóviles. 1.2.2.8 Nissan La sociedad entre la UTC con Nissan comenzó en febrero de 2002, con la firma de un acuerdo de común desarrollo. La UTC proporcionó las celdas de combustible para funcionar en tres Nissan X-arrastran, los vehículos híbridos diseñados para ser alimentados por la celdas de combustible. En diciembre de 2002 los vehículos Nissan22 fueron presentados, para comenzar las pruebas de camino, después de ser aprobados por el ministerio japonés de la tierra, la infraestructura y el transporte. Nissan y las celdas de combustible del UTC firmaron un acuerdo, para continuar en febrero de 2003, el desarrolló en común de la tecnología de la celdas de combustible. Según el acuerdo Nissan, obtuvo los derechos de la tecnología del PEM de las células del combustible del UTC para ser usada en los vehículos. ____________ 21Página web de Toyota. http://www.hyundaiusa.com/ información comercial . 2005

22Página web del instituto para el análisis de la seguridad global de Nissan. http://www.iags.org/. 2005




1.2.2.9 BMW Desde 1999 se asoció con la UTC para recibir de ella las celdas tipo PEM y las celdas de combustible de una potencia auxiliar entregada por una unidad APU en la feria del auto en Francfort, Alemania, en 1999. Las unidades APU proporcionó la energía para todas las necesidades eléctricas de siete vehículos BMW23, incluyendo control de clima para cuando el auto estaba apagado. Esta unidad de 5 kW funciona con hidrógeno puro, razón por la cual no emite contaminación alguna al medio. 1.2.2.10 Renault V.I Renault V.I.24 junto con Iveco iniciaron pruebas de campo a un autobús de celda de combustible PPEM de 60 kW alimentada con hidrógeno en la ciudad de Torino al norte de Italia en Junio del 2001. El proyecto es financiado de manera compartida por el sector privado y público, podría conducir a la compra de más vehículos con cero emisiones durante la segunda mitad de esta década. 1.2.2.11 Grupo SunLine Services El grupo SunLine Servicies25, en la ciudad de Palm Desert, opera una flotilla de vehículos con celdas combustible y es la sede de una estación de abastecimiento de hidrógeno combustible. La flotilla incluirá dos autobuses con hitano (mezcla de gas natural comprimido e hidrógeno) y uno con celda de combustible PEM. SunLine también estará trabajando con Coval H2 para convertir un autobús urbano eléctrico a sistema híbrido con la instalación de una celda de combustible PEM y extender así su alcance. ___________ 23Página web de BMW. http://www.bmw.com/. Información comercial. 2005

24Página web de Renault. http://www.renault.com/. Información comercial. 2005

25Página web de SunLine. http://www.sunline.org/. Información comercial. 2005




SunLine eventualmente comprará cinco autobuses con celda de combustible con el financiamiento de 2 millones de dólares por parte del Federal Transit Authority. También, ha recibido un autobús impulsado por un motor comercial de celda de combustible de Ballard Power Systems y XCELLSIS Fuel Cell Engines en Septiembre del 2000. 1.2.2.12 Industrias Thor Es el fabricante más grande de autobuses de mediano tamaño de los Estados Unidos y en asocio con la UTC desde el 2000, desarrolló en noviembre de 2002, un autobús accionado por una central eléctrica de las células del combustible suministrada por la UTC. El autobús era el primer híbrido que operaba alimentado por la energía de la celda de combustible para ser incorporado en el servicio de transporte de pasajeros en la ciudad de California. El autobús 30-foot ThunderPower26 operó bajo la supervisión de la agencia de transito SunLine, demostrando que puede transportar pasajeros hasta una distancia de 161 Km. La central eléctrica de la celda de combustible de 75 kW está instalada en la parte posterior del autobús y produce la electricidad para el motor eléctrico que alimenta al autobús. 1.2.2.13 Irisbus Es el fabricante europeo más grande de autobuses. Irisbus27 se asoció con la UTC en el 2000 para comenzar el servicio de transporte de pasajeros con dos autobuses híbridos accionados por celdas del combustible de la UTC. Los autobuses están diseñados para prestar sus servicios en Madrid, España y en Turín, Italia. 1.2.3 Programas de implementación ____________ 26Página web de Industrias Thor http://www.utc.com/. Información comercial. 2005 27Página web de Irisbus. http://www.irisbus.com/. Información comercial. 2005




En el ámbito institucional las naciones más desarrolladas están implementando programas orientados en el uso masivo de celdas de combustible en el transporte de pasajeros como se describe a continuación: 1.2.3.1 Alemania Alemania utiliza el programa Zentrum pue Rechnen (ZPR)28 para hacer simulaciones de tránsito en este país. 1.2.3.2 Australia Australia utiliza el Programa ARRB Transport Research Ltd29, para hacer investigación de la aplicación de ITS (Intelligent Transport Systems), nuevas tecnologías y otras soluciones como políticas de eficiencia. 1.2.3.3 Canadá Canadá utiliza los Programas: - Natural Resources Canada Office of Energy Efficiency NECan (OEE) 30 en el área de transporte; esta organización se centra en tres secciones principalmente, vehículos personales, flotillas y combustibles alternos. - British Columbia Ministry of Environment31; esta dependencia gubernamental tiene como objetivo fundamental reducir la contaminación producida por las ____________ 28Página web de Transito de Alemania. http//www.zpr.or.al/ Información comercial. 2005 29Página web del programa de transporte de Australia. http//www.arrb.org.au/. Información comercial. 2005

30Página web de OEE. http//www.oee.nrcam.gc.ca/. Información general. 2005

31Página web del ministerio de Medio Ambiente Canada. http//www.bc.gov.ca/. Información general. 2005




emisiones de los automóviles, mediante políticas y estándares para programas de vehículos y combustibles eficientes. - BC Reserch Inc. Centre for Alternative Transportation Fuels32, esta organización maneja información acerca de varios tipos de combustibles alternos (GNC, propano, etanol, metanol, hidrógeno, etc.), así como de vehículos y combustibles. - Canadian Urban Transit Association (CUTA)33, su trabajo es reconocido en el ámbito internacional gracias a sus programas de control de tránsito. 1.2.3.4 España España utiliza el programa IDEA34, Instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía. 1.2.3.5 Estados Unidos Estados Unidos implementa los programas: - U.S. Department of Transportatios (DOT)35, instancia gubernamental que se desenvuelve en cinco áreas: valoración técnica, aceptación del usuario, valoración de impacto, evaluación socio-económica y financiera. - Energy Efficiency and Renawable Energy Network (EREN)36 U.S. Departament of Energy (DOE), en esta dependencia del Departamento de Energía de los Estados ____________ 32Página web de Vizonscitec. http//www.vizonscitec.com/. Información general. 2005 33Página web de la CUTA. http//www.cutaactu.on.ca/. Información general. 2005 34Página web de IDEA. http//www.idae.es/. Información general. 2005

35Página web del Departamento de transporte de U.S. http//www.dot.gov/. Información de transito. 2005 36Página web de EREN. http//www.eere.energy.gov/. Información de recursos renovables. 2005




Unidos es posible encontrar información relacionada con combustibles y vehículos alternos, proyectos energéticos por ciudad y programas de investigación y desarrollo para vehículos híbridos. - Eagle Traffic Control Systems37: esta compañía se dedica principalmente al desarrollo de sistemas avanzados de administración del transporte; California Transportation Comisión (CTC) U.S. Departament of Transportation, esta comisión trabaja con base en proyectos con presupuesto federal en aspectos de ambiente y transporte y políticas energéticas. - National Institute for Advanced Transportation Technology (NIATT)38, instituto dedicado a la investigación de nuevas tecnologías, entre ellas podemos destacar: tecnología de vehículos eficientes, infraestructura del sector transporte, operaciones y control de tránsito; Environmental protection Agency (EPA) Office of Transportation and Air Qualityantes Office of Mobile Sources (OMS), esta oficina de EPA se encarga de manejar políticas y estándares aplicados al transporte, a los combustibles y el medio ambiente principalmente. - The Fuel Ecomomy Site39, este es un sitio de Internet con gran calidad en la información que manejan en algunas secciones como: comparación de vehículos, ahorro de combustible, tecnología avanzada e incluso presenta una guía de ahorro de combustible. - La Sociedad de la Celda de Combustible de California (CaFCP)40 es una colaboración entre los fabricantes de autos, los surtidores del combustible, los fabricantes de la celda de combustible, y los gobiernos federales y del estado. Su jefatura está establecida en Sacramento, California, los E.U., la CaFCP fue creada para demostrar y para probar los vehículos de la celda de combustible bajo condiciones diarias de conducción, para investigar y para demostrar la viabilidad de la tecnología alternativa de la infraestructura, para promover la conciencia pública del combustible de la membrana del intercambio de protón de la celda que acciona ____________ 37Página web de Sistemas de control. http//www.controlspecialists.com/. Transito. 2005

38Página web de NIATT. http//www.uidaho.edu/niatt/. Información de tecnología.2005

39Página web de Economía del combustible. http//www.fueleconomy.gov/. comparaciones. 2003

40Página web de CaFCP. http//www.cafcp.org/. Información de tecnología. 2004




los vehículos, y explora la trayectoria a la comercialización identificando problemas y soluciones potenciales. 1.2.3.6 Francia Francia Adelanta los siguientes programas

- Afence de I’Environnement et de la Maîtrise de I’Énergie (ADEME)41, es la división de transporte de esta agencia que persigue sus objetivos a través de cuatro programas principalmente: transporte urbano, transportación de bienes entre ciudades, vehículos limpios y eficientes y por último valoración de efectos dañinos relacionados con el transporte. - AFT-IFTIM42, este organismo es líder en el ramo de la capacitación, la cual va dirigida principalmente a conductores de autobuses, camiones, técnicos en transporte, logística y directivos. 1.2.3.7 Inglaterra Inglaterra tiene los programas: - Transportaction43, programa del Gobierno británico en pro del medio ambiente y ahorro de energía. - Energy Saving Trust44, programa de eficiencia de energía. _____________ 41Página web de ADEME. http//www.ademe.fr/. Información de tecnología. 2003

42Página web de AFT-IFTIM http//www.aft-iftim.com/. Logística. 2005 43Página web de Ahorro de energía. http//www.transportenergy.org.uk/. transporte. 2004 44Página web de Seguridad de la energía.http//www.est.org.uk/. ahorro.2005




1.2.3.8 Japón Japón tiene los programas: -Yamagata College of Industry and Technology45, presenta capacitación, instrucción e investigación en diseño de sistemas óptimos de transporte. - Vehicle, Road and Traffic Intelligence Society (VERTIS)46, esta sociedad presenta principalmente tres objetivos: seguridad óptima, tránsito fluido y un mejor medio ambiente. - Energy Conservation Center47, organismo Japonés a favor del ahorro de energéticos y su optimización. - Japan Automobile Manufactures Associaction48, industria automotriz japonesa. - Japan Automobile Research Institute49, instituto de Investigación Automotriz Japonés; Seguridad, eficiencia y performance automotriz. 1.3 APLICACIONES DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE Mediante las celdas de combustible se puede energizar autobuses, barcos, trenes, aviones, y aún bicicletas. Hay por ejemplo máquinas de vendimia alimentadas por celdas de combustible, aspiradoras y señalización de carreteras. Las celdas de combustible miniatura para teléfonos celulares, laptops y equipo electrónico portátil están camino a los mercados. Hospitales, centros de tarjetas de crédito, estaciones de policía y bancos, están usando celdas de combustible para proveer de potencia a sus instalaciones. Plantas de tratamiento de aguas residuales y rellenos sanitarios, están usando celdas de combustible para convertir gas metano que producen para generar electricidad. Las posibilidades son infinitas. ____________ 45Página web de la universidad de Yamagata. http//www.yamagata-cit.ac.jp/. tecnología e industria. 2005 46Página web de VERTIS. http//www.its-jp.org/. Eficiencia en el transporte. 2004 47Página web de ECC. http//www.ecaj.or.jp/. conservación y calidad de la energía. 2005 48Página web de JAMA. http//www.jama.org/. Constructores japoneses de automóviles. 2004 49Página web de JARI. http//www.jari.or.jp/. Investigación automotriz. 2004




1.3.1 Estacionarias Sistemas de celdas de combustible se han instalado, en hospitales, clínicas, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas de potencia, que suministran potencia primaria ó de respaldo. En edificios de gran escala, las celdas de combustible pueden reducir costos del servicio de energía de las instalaciones en un 20% a un 40% sobre el servicio de energía convencional. 1.3.2 Residencial Para generar potencia, para proveer potencia suplementaria y aseguramiento de respaldo para áreas críticas, ó instaladas como generadores independientes de la red para servicio on-site en áreas que son inaccesibles para líneas eléctricas. Ya que las celdas de combustible operan de manera silenciosa, reducen la contaminación por ruido, así como la contaminación del aire. El calor subproducto de una celda de combustible puede ser usado para proveer agua caliente ó calefacción para una casa. Muchos de los prototipos que están siendo probados y demostrados para uso residencial extraen hidrógeno de propano ó del gas natural. 1.3.3 Transporte Con respecto al transporte que ha sido energizado a partir del uso de las celdas de combustible el lector puede referirse al numeral 1.2.2 que corresponde a las marcas comerciales que la aplican. 1.3.4 Potencia portátil Las celdas de combustible cambiarán el mundo de las telecomunicaciones, celdas en miniatura, ayudarán a los consumidores a hablar hasta un mes en un teléfono celular sin recarga, los laptops y las palms durarán más horas que las baterías. Otras aplicaciones para celdas de combustible en miniatura son pagers, cámaras videograbadoras, herramientas de potencia portátil y dispositivos remotos de baja potencia como aparatos para sordera, detectores de humo, alarmas contra robos, seguros en hoteles y lectores de medidores. Estas celdas de combustible miniatura generalmente utilizan metanol.




CAPITULO II 2. CELDAS DE COMBUSTIBLE PARA TRANSPORTE MASIVO 2.1 BENEFICIOS DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE 2.1.1 Apertura en el mercado Según estudios de la compañía Business Communications Company, el mercado en el 2003 para celdas de combustible en Estados Unidos fue de cerca de $218 millones y de $2.4 mil millones en el 2004, aumentaría a los $7 mil millones para el 2009. Los estudios concluyeron que las inversiones para el 2004 en el mercado de las celdas de combustible son las siguientes: $850 millones - generación de potencia eléctrica $750 millones - vehículos automotores $200 millones - equipo electrónico portátil $300 millones - militar/aeroespacio $400 millones - otros 2.1.2 Confiabilidad energética Los países desarrollados tienen una dependencia energética cada vez más grande y por ende las importaciones de petróleo crecerán. Solo los vehículos de transporte masivo consumen unos 6 millones de barriles de petróleo en un día, equivalente al 85% de las importaciones de petróleo. -Si para Estados Unidos el 20% de los autos utilizara celdas de combustible, se dejaría de importar 1.5 millones de barriles cada día. -Si cada vehículo nuevo vendido fuera de celda de combustible de 60kW, se podría duplicar el suministro de electricidad disponible en los países desarrollados. -10,000 vehículos con celda de combustible alimentados con combustibles distintos al petróleo reducirían el consumo de petróleo en 6.98 millones de galones por año.




- El mercado de las celdas de combustible para el 2010 puede aumentar hasta 1.2 millones de vehículos, constituyendo el 7.6% del total del mercado de autos nuevos de los Estados Unidos. De acuerdo con K. Atakan Ozbek, analista en jefe de energía de Allied Business Intelligence, se proyecta que habrá millones de vehículos con celdas de combustible en los caminos para el 2010, después, la fabricación en masa de automóviles con celdas de combustible dará como efecto, abundancia en el suministro de petróleo mundial y por ende rechazo del petróleo como combustible para transporte. 2.1.3 Aseo y eficiencia Se puede conseguir la reducción de la contaminación del aire en zonas urbanas, disminuir las importaciones de petróleo con el uso de las celdas de combustible. El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) proyecta que si el 10% de automóviles en Estados Unidos fueran energizados mediante celdas de combustible, los contaminantes regulados en el aire disminuirían en un millón de toneladas por año y 60 millones de toneladas de dióxido de carbono serían eliminadas. Las celdas de combustible operan silenciosamente, entonces reducen la contaminación por ruido al mismo tiempo que la contaminación del aire, además el calor subproducto de las celdas de combustible puede suministrar agua caliente ó calefacción. 2.1.4 Reducción de emisiones Los buses de celdas de combustibles solo emiten vapor de agua en el punto de uso, por eso ellos pueden ser considerados vehículos de emisiones locales cero (ZEVs). Conjuntamente la eficiencia del sistema de los buses a celdas de combustible es mayor que la eficiencia de los buses a diesel, lo que resultaría un consumo de combustible menor. MAN, por ejemplo, espera una eficiencia del 40% comparada con la eficiencia de menos del 30% de un bus diesel. Si para producir hidrógeno se usa fuentes de energía renovables (ejemplo, energía hidroeléctrica, solar o del viento) entonces el uso de las celdas de combustible ahorran montos significativos de gases de efecto invernadero en comparación a la




combustión de combustibles fósiles. Pero si la energía requerida para producir hidrógeno se obtiene de los combustibles fósiles, entonces se generará dióxido de carbono en el lugar de producción en cantidades similares, o incluso mayores, que si los combustibles fósiles fueran usados directamente en el auto. Aunque el uso directo de combustibles fósiles ricos en hidrógeno, como por ejemplo, gas natural en las celdas de combustible, produciría emisiones mucho menores que si el mismo combustible fuera quemado por combustión del vehículo. En tal caso se tendrá que tomar en consideración las condiciones locales específicas, como para determinar los efectos ambientales totales del uso de celdas de combustibles, comparadas con el combustible diesel. 2.2 DISEÑO DEL SISTEMA Como ya se describió anteriormente la celda de combustible es, en esencia, una batería que usa un suministro de combustible externo, conectada a un motor eléctrico. El hidrógeno es el combustible más limpio y más eficiente para un vehículo propulsado con celda de combustible en el largo plazo, pero otros combustibles están siendo ensayados como portadores de hidrógeno. Las celdas de combustible difieren del sistema de motor de combustión interna. Muchas de las características, expectativas y problemas respecto de los buses de celdas de combustibles son similares a aquellos de los buses eléctricos. Un sistema de celda de combustible que usa hidrógeno, como el de la figura 1, incluye los siguientes componentes:

• Celdas de combustibles • Compresor de aire • Estanques de almacenamiento de hidrógeno • Motor eléctrico

• Componentes adicionales de equilibrio de planta.

Otros combustibles se pueden usar, requiriéndose de un reformador de combustible con sigo. Si el hidrógeno es producido en el sitio mismo, esto incluye:




• Electrolizador o reformador que produzca hidrógeno a través de la electrólisis del agua o la reformación de vapor de gas natural, respectivamente

• Módulo procesador de hidrógeno y un compresor de hidrógeno • Estanques de almacenamiento de hidrógeno • Tecnología de llenado de combustible

Es necesaria una red de distribución para transporte del combustible. Figura 1. Partes de un bus a celda de combustible.

DISEDISEÑÑO DEL SISTEMAO DEL SISTEMAcompresor de aireTanque de

Hidrógeno Celda de combustible

Aire acondicionado

TransmisiónMotor Eléctrico

Componentes auxiliares

Fuente. Irisbus modelo City Class Fuel Cell50.

____________

50Página web de Irisbus. http://www.irisbus.com/. Información comercial. 2004




2.2.1 Confiabilidad técnica Las celdas de combustible aún están en una etapa temprana de desarrollo, por ende la confiabilidad de los buses a celdas de combustible no puede ser debidamente valorada. Puede que la durabilidad de las celdas de combustible sea limitada en comparación con los motores diesel, sin embargo las celdas de combustibles no tienen partes móviles, por ende pueden ser más confiables y requieran de menos mantenimiento que los motores de combustión interna una vez que la tecnología haya avanzado. De todas maneras hay que tener en cuenta que la tecnología diesel ha demostrado ser muy durable durante muchos años. 2.2.2 Evaluaciones de costos Las evaluaciones de costos están en una etapa temprana de desarrollo. Hasta el momento sólo existen buses de celdas de combustible estereotipos en investigación científica, ellos son exageradamente costosos, en comparación con los buses actuales con motor de combustión interna. Los buses de celdas de combustible tienen el potencial de hacerse rentables respecto de los buses diesel sobre la base de un ciclo de vida. Balances de los costos de ciclo de vida totales muestran que los buses de celdas de combustible a hidrógeno, después de haber logrado sus objetivos de costos de producción serie y durabilidad, serían más baratos que los trolebuses y hasta un 30% respecto a los costos de los buses diesel.




CAPITULO III 3. TRANSPORTE MASIVO EN COLOMBIA En este capitulo se analiza la información estadística de tipo cuantitativo del censo que se realizó en el primer trimestre del 2004, a todas las empresas prestadoras del servicio de transporte urbano publico legalmente constituidas, en 23 ciudades capitales de los departamentos de Colombia. Dicho análisis comprende el tipo de vehículo utilizado en transportar a los pasajeros, el número de vehículos afiliados a las empresas, el promedio diario de vehículos en servicio, el número de pasajeros transportados para cada una de las ciudades. De esta investigación se concluirá qué ciudades del país son idóneas para implementar un sistema de transporte masivo de pasajeros que este energizado con celdas de combustible, de acuerdo con un indicador de productibilidad que relaciona el promedio de pasajeros transportados y el promedio diario de vehículos en servicio para un determinado periodo. 3.1 TRANSPORTE URBANO DE LAS CIUDADES COLOMBIANAS En Colombia las ciudades importantes se caracterizan por tener sistemas de transporte en los cuales más del 70% corresponde al servicio público. Esto es por el bajo nivel de ingreso de la población; ésta situación no es muy diferente a la observada en otras partes de Latinoamérica. Sin embargo, el uso de vehículos particulares ha obtenido mayor importancia en las ciudades colombianas, debido entre otros aspectos a la reducción de los precios de los vehículos por la apertura de la economía a principios de la década, y por los servicios financieros que han facilitado el acceso de la población al vehículo particular, así como la reducción de precios de los vehículos usados. 3.1.1 Comportamiento primer semestre de 2004 Para el primer trimestre de 2004, el parque automotor de transporte urbano de pasajeros en las 23 principales ciudades, disminuyó en un 0,72% con relación al




primer trimestre de 2003, en tanto que el número de pasajeros reportado por las empresas transportadoras bajó en 3.62% (cuadro 1). De un promedio 48 531 vehículos afiliados a las empresas de transporte urbano en las 23 ciudades estudiadas, 42 636 prestaron efectivamente el servicio, lo que equivale a una utilización del 87,85% del parque automotor. Con respecto del año anterior, el promedio de vehículos en servicio varió positivamente en un 0,53%. Para las 23 ciudades estudiadas, el parque automotor (48 531 vehículos de transporte masivo de pasajeros) está distribuido así: el 38,76% son buses; el 30,41%, busetas, y el 30,83% corresponde a microbuses. El 41,68% de los pasajeros fueron movilizados en bus; el 30,73% en busetas, y el 27,59% se desplazó en microbuses. Estas tres modalidades transportaron el 91,23% de los pasajeros del primer trimestre, el restante lo hizo en Transmilenio. Este comportamiento se indica en el gráfico 1. Gráfico 1. Distribución porcentual del parque automotor y pasajeros transportados por tipo de vehículo, en 23 ciudades colombianas I trimestre 200451

38.76

30.41

30.83

41.68

30.73

27.59

020406080

100

Porc

enta

je

1 2

1. Promedio Mensual de vehículos afiliados 2. Pasajeros transportados (miles)

Microbuses y ColectivosBusetasBuses

FUENTE: DANE ____________

51DANE.Transporte urbano automotor en 23 ciudades. Bogotá D.C. Estadísticas oportunas y confiables, 2004. p. 2.




Cuadro 1. Movimiento de buses, busetas y microbuses - colectivos, en 23 ciudades I trimestre (2003 - 2004) 52

TIPO DE

VEHÍCULO

VARIABLES

2004

2003

VARIACIÓN %

Promedio mensual de vehículos afiliados

48.531

48.883

0.72

Promedio mensual de vehículos en servicio

42.636

42.412

0.53 TOTAL

Pasajeros transportados* (miles)

962.372

998.480

-3.62


18.812

19.322

-2.64


16.450

16.322

-1.09 BUSES


401.106

438.658

-8.56


14.757

14.924

-1.12


13.026

13.060

-0.26 BUSETAS


295.761

303.309

-2.49

Promedio mensual de vehículos afiliados 14.962

14.638

2.21

Promedio mensual de vehículos en servicio 13.160

12.721

3.46 MICROBUSES Y

COLECTIVOS Pasajeros transportados* (miles)

265.505

256.513

3.51

FUENTE: DANE * Incluye buses, busetas y microbuses – colectivos. No incluye Transmilenio ____________ 52DANE.Transporte urbano automotor en 23 ciudades. Bogotá D.C. Estadísticas oportunas y confiables, 2004. p. 1.




3.1.2 Comportamiento mensual (sin Transmilenio) Para cada uno de los meses del primer trimestre del 2004, se registra el comportamiento del parque automotor de transporte masivo de pasajeros sin tener en cuenta al sistema Transmilenio de la ciudad de Bogotá D.C, en relación al número de pasajeros transportados, al tipo de vehículo utilizado y su variación con respecto al mismo periodo del año anterior. 3.1.2.1 Enero de 2004 En enero de 2004, el parque automotor de transporte urbano de pasajeros en las 23 principales ciudades, registró una baja del 0,53%, con relación a igual periodo de 2003, mientras que el número de pasajeros transportado también bajó en un 3,81% (cuadro 2). Cuadro 2. Movimiento de buses, busetas y microbuses colectivos, en 23 ciudades Total por mes I trimestre (2003 -2004)53

VARIABLES

MES

2004

2003

VARACIÓN %

ENERO 48.539 48.797 -0.53 FEBRERO 48.484 48.907 -0.86

Promedio mensual de vehículos afiliados MARZO 48.570 48.946 -0.77

ENERO 42.514 42.056 1.09 FEBRERO 42.627 42.498 0.30

Promedio mensual de

vehículos en servicio MARZO 42.767 42.683 0.20

ENERO 315.153 327.645 -3.81 FEBRERO 319.752 328.625 -2.70

Pasajeros Transportados

(miles) MARZO 327.467 342.211 -4.31 FUENTE: DANE ____________ 53DANE.Transporte urbano automotor en 23 ciudades. Bogotá D.C. Estadísticas oportunas y confiables, 2004. p.2.




En este mes hubo en promedio 48 539 vehículos afiliados en las empresas de transporte urbano en las 23 ciudades. De estos, 42.514 prestaron efectivamente el servicio, lo que equivale a una utilización del 87,58% del parque automotor. El número de buses afiliados (18 895 vehículos) representó el 38,93 del total y en ellos se transportó el 41,9% de los pasajeros (132,1 millones). Con respecto de enero de 2003 se presentó una disminución en el parque automotor y de pasajeros de 2,02% y 8,45% respectivamente. Igualmente, en esta comparación se observa que también en busetas hubo una disminución en el número de vehículos afiliados (-1,17%) y pasajeros transportados (-3,28%), mientras que en microbuses colectivos estas variaciones fueron positivas (2,10% y 3,48% respectivamente). 3.1.2.2 Febrero de 2004 En febrero el parque automotor de transporte urbano de pasajeros en las 23 ciudades principales, registró una disminución del 0,86%, con relación a igual período de 2003; igualmente el número de pasajeros tuvo también una disminución de 2,70% (cuadro 2). El parque automotor disminuyó, con respecto de enero de 2004 a 48.484 vehículos afiliados en promedio en febrero. De estos, 42.627 prestaron efectivamente el servicio, lo que equivale a una utilización del 87,92% del parque automotor, cifra similar a la del mes anterior. Por tipo de vehículo, se observó que el número de buses afiliados se redujo en 131 vehículos respecto del mes anterior. El promedio mensual de buses representó el 38,7% del total y en ellos se transportó el 41,6% de los pasajeros (132,8 millones). Con respecto de febrero del año anterior se presentó una disminución en el parque automotor y de pasajeros del 3,04% y el 8,48%, respectivamente. En las busetas se presentó el mismo comportamiento: disminución en el parque automotor como en el número de pasajeros (-1,14% y – 1,01%), modalidad que movilizó el 31% de los pasajeros transportados. Por el contrario, en microbuses se registró un incremento del parque automotor y del número de pasajeros (2,30% y 5,35%) con respecto al mismo mes el año anterior, modalidad que desplazó el 27,4% de pasajeros transportados.




Cuadro 3. Movimiento de buses en 23 ciudades Total por mes I trimestre (2003 - 2004)54

VARIABLES

MES

2004

2003

VARACIÓN %

ENERO 18.895 19.285 -2.02

FEBRERO 18.764 19.353 -3.04

Promedio mensual de vehículos afiliados MARZO 18.778 19.327 -2.84

ENERO 16.499 16.471 0.17

FEBRERO 16.400 16.717 -1.90

Promedio mensual de vehículos en

servicio MARZO 16.450 16.707 -1.54

ENERO 132.136 144.330 -8.45 FEBRERO 132.899 145.211 -8.48

Pasajeros Transportados

(miles) MARZO 136.070 149.117 -8.75 FUENTE: DANE 3.1.2.3 Marzo de 2004 Entre febrero y marzo de 2004, se observó un incremento en todas las modalidades de transporte en cuanto a parque automotor, vehículos en servicio y pasajeros transportados se refiere. Sin embargo, respecto del mismo mes del año anterior, sólo se incrementaron los vehículos en servicio. Se registró un decremento en parque automotor del 0,77%, con relación a igual período de 2003, mientras que el número de pasajeros tuvo también un decremento del 4,31% (cuadro 2). En marzo de 2004, el parque automotor pasó a 48.570 vehículos. De éstos, 42.767 prestaron efectivamente el servicio, lo que equivale a una utilización del 88% del parque automotor. Se observó como los buses afiliados cayeron en un 2,84% respecto al mismo mes el año anterior. Los buses afiliados en las empresas de transporte urbano ____________





representaron el 38,7% del total y en ellos se transportó el 41,6% de los pasajeros (136 millones). Las busetas afiliadas cayeron en un 1,04% respecto al mismo mes el año anterior, ellas representaron el 30,4% del total, y transportaron el 30,9% de los pasajeros (101,2 millones), ver cuadro 4. Los microbuses afiliados aumentaron en un 2,23% respecto al mismo mes el año anterior, y representaron el 30,9% del total; además transportaron el 27,5% de los pasajeros (90,1 millones), ver cuadro 5. Cuadro 4. Movimiento de busetas en 23 ciudades Total por mes I trimestre (2003 - 2004)55

VARIABLES

MES

2004

2003

VARACIÓN %

ENERO 14.748 14.923 -1.17 FEBRERO 14.749 14.919 -1.14 Promedio mensual de

vehículos afiliados MARZO 14.774 14.929 -1.04 ENERO 12.946 13.002 -0.43 FEBRERO 13.039 13.065 -0.20 Promedio mensual de

vehículos en servicio MARZO 13.093 13.113 -0.15 ENERO 95.427 98.668 -3.28 FEBRERO 99.100 100.115 -1.01 Pasajeros Transportados

(miles) MARZO 101.234 104.526 -3.15

FUENTE: DANE Cuadro 5. Movimiento de microbuses y colectivos Total por mes I trimestre (2003 - 2004)56

VARIABLES

MES

2004

2003

VARACIÓN %

ENERO 14.896 14.589 2.10 FEBRERO 14.971 14.635 2.30 Promedio mensual de

vehículos afiliados MARZO 15.018 14.690 2.23 ENERO 13.069 12.583 3.86 FEBRERO 13.188 12.716 3.71 Promedio mensual de

vehículos en servicio MARZO 13.224 12.863 2.81 ENERO 87.590 84.647 3.48 FEBRERO 87.753 83.298 5.35 Pasajeros Transportados

(miles) MARZO 90.163 88.568 1.80

FUENTE: DANE ____________

55DANE.Transporte urbano automotor en 23 ciudades. Bogotá D.C. Estadísticas oportunas y confiables, 2004. p. 3. 56Ibid,. P. 3




3.1.3 Tendencias Entre enero y febrero hubo una reducción de 55 automotores en el promedio de vehículos afiliados. Este comportamiento se debe principalmente a desafiliación de 131 buses (principalmente en Neiva, Florencia, Pereira e Ibagué), lo cual fue muy superior a la afiliación de busetas y microbuses (1 y 75, respectivamente). Sin embargo, en el mes de marzo el promedio de vehículos afiliados se incrementó en 86 automotores, porque hubo aumento en la todas las modalidades (14, 25 y 47 en buses, busetas y microbuses, respectivamente) (gráfico 2). Tales comportamientos mensuales muestran como resultado final que el parque automotor en el trimestre haya decrecido en un 0.42% con respecto al mismo periodo de 2003. Gráfico 2. Tendencia del promedio mensual de vehículos afiliados, en 23 ciudades I trimestre 200457

4844048460484804850048520485404856048580

ENERO FEBRERO MARZO

MESES

PRO

MED

IO

FUENTE: DANE Se percibe un incremento en el promedio mensual de vehículos en servicio durante los tres primeros meses del año, explicable por la necesidad de atender la demanda generada por el inicio del año escolar. Aunque en febrero disminuyen en promedio 99 buses, también aumentan 93 busetas y 119 microbuses; en marzo todas las modalidades de transporte aumentan: 50 buses, 54 busetas y ____________ 57DANE.Transporte urbano automotor en 23 ciudades. Bogotá D.C. Estadísticas oportunas y confiables, 2004. p. 2.




36microbuses en promedio (gráfico 3). Gráfico 3. Tendencia del promedio mensual de vehículos en servicio, en 23 ciudades I trimestre 200458

42300

42400

4250042600

42700

42800

ENERO FEBRERO MARZO

MESES

PRO

MED

IO

FUENTE: DANE

También el comportamiento del promedio de número de pasajeros transportados en las 23 ciudades, capitales de los antiguos departamentos, crece como consecuencia del aumento de actividad laboral y educativa (gráfico 4).

Gráfico 4. Tendencia de pasajeros transportados (miles), en 23 ciudades I trimestre 200459

305000310000315000320000325000330000

ENERO FEBRERO MARZO

MESES

MILES DE PASAJEROS

FUENTE: DANE

____________

58DANE.Transporte urbano automotor en 23 ciudades. Bogotá D.C. Estadísticas oportunas y confiables, 2004. p. 5. 59Ibid,. P. 3




3.1.4 Comportamiento por tipo de vehículo (Buses, Busetas, Microbuses) En el primer trimestre de 2004 el promedio mensual de buses cayó con respecto al primer trimestre del año inmediatamente anterior en todos los meses. Para enero, los buses representaron el 38,93% del trimestre, en febrero cae al 38,70% y en marzo a 38,66% (gráfico 5). Las cifras del primer trimestre del año pasado fueron: el 39,52%, el 39,57% y el 39,49% para cada uno de los meses. Gráfico 5. Distribución porcentual del parque automotor por tipo de vehículo, en 23 ciudades I trimestre 200460

38,93

38,7

38,66

30,38

30,42

30,42

30,69

30,88

30,92

0%

20%

40%

60%

80%

100%

POR

CEN

TAJE

ENERO MARZOMESES

MICROBUSESBUSETASBUSES

FUENTE: DANE Para las busetas la participación en cada uno de los tres primeros meses del año 2004 disminuye con respecto a la del año 2003. En efecto, en enero esta participación fue del 30,38% (30,58% en el 2003); en febrero, del 30,42% (30,50% en febrero de 2003) y en marzo, del 30,42% (30,50% en marzo del año anterior). En los microbuses las participaciones para enero, febrero y marzo del 2004 son 30.69%, 30.88% y 30.92% respectivamente. Estas participaciones para los ____________ 60DANE.Transporte urbano automotor en 23 ciudades. Bogotá D.C. Estadísticas oportunas y confiables, 2004. p. 4.




mismos meses del año inmediatamente anterior fueron: 29.90%, 29.92% y 30.01% respectivamente. Con respecto de los pasajeros transportados en el periodo enero – marzo de 2004, hubo una disminución de 36,2 millones lo cual equivale a una disminución del 3,61% con respecto del mismo periodo del año anterior. De otro lado, al analizar el total por tipo de vehículo las participaciones de buses en enero, febrero y marzo fueron: en buses el 41,93%, el 41,56% y el 41,55%, respectivamente (en el 2003 los porcentajes de participación fueron 44.05%, 44.19% y 43.57%); en busetas el 30,28%, el 30,99% y el 30,91% (30,11%, 30,46% y 30,54% para 2003). En microbuses los porcentajes de participación fueron el 27,79%, el 27,44% y 27,53% (25,84%, 25,35% y 25,88% para 2003 (gráfico 6). Gráfico 6. Distribución porcentual de los pasajeros transportados por tipo de vehículo, en 23 ciudades I trimestre 200461

41,93

30,28

27,79

41,56

30,99

27,44

41,55

30,91

27,53

0%

20%

40%

60%

80%

100%

POR

CEN

TAJE

S

ENERO FEBRERO MARZO

MESES

MICROBUSESBUSETASBUSES

FUENTE: DANE Al realizar el análisis por modalidad de transporte las participaciones de buses con respecto al total de vehículos al mes son: el 33,48%, el 33,25% y el 33,27% para enero, febrero y marzo, respectivamente. Para las busetas las participaciones son: el 33,31%, el 33,32% y el 33,37%. Para los microbuses son: el 33,19%, el 33,35% y el 33,46%. ____________ 61DANE.Transporte urbano automotor en 23 ciudades. Bogotá D.C. Estadísticas oportunas y confiables, 2004. p. 4.




3.1.5 Movimiento por ciudades De acuerdo con los resultados del cuadro 6, durante el primer trimestre la ciudad que concentró el mayor parque automotor, se movilizó el mayor número de pasajeros, fue Bogotá, D.C., con el 43,01% de vehículos y el 37,44% de usuarios, reunió un parque automotor de 20 873 vehículos y un promedio diario de 4 049 913 pasajeros. Cali, Barranquilla, Medellín, Cúcuta, Bucaramanga, Cartagena, Villavicencio, Pereira, e Ibagué, concentraron en conjunto el 44,97% de los vehículos y transportaron el 49,78% de los pasajeros. Cuadro 6. Distribución del parque automotor y de los pasajeros, según ciudades I trimestre 200462

Ciudades

Promedio mensual

de vehículos afiliados1

% vehículos

Pasajeros Transportado

s (miles)1

% Pasajeros

Promedio diario

pasajeros (miles)1

Total general 48 531 100.00 962 372 100.00 10 816Bogotá D.C. 20 873 43.01 360 330 37.44 4 050Cali 4 583 9.44 81 341 8.45 914B/quilla 4 176 8.61 109 790 11.41 1 234Medellín 3 757 7.74 86 082 8.94 967Cúcuta 2 123 4.38 39 390 4.09 443B/manga 2 010 4.14 46 978 4.88 528Cartagena 1 986 4.09 48 410 5.03 544V/cio 1 071 2.21 18 309 1.90 206Pereira 1 063 2.19 31 170 3.24 350Ibagué 1 054 2.17 17 598 1.83 198Resto 5 834 12.02 122 973 12.78 1 382

FUENTE: DANE 1No incluye Transmilenio ____________ 62DANE.Transporte urbano automotor en 23 ciudades. Bogotá D.C. Estadísticas oportunas y confiables, 2004. p. 5.




Igualmente, se puede observar que en las 23 ciudades con el parque automotor disponible se transportaron en el trimestre un promedio diario de 10 815 527 pasajeros. 3.2 INDICADOR DE PRODUCTIVIDAD, PRIMER SEMESTRE DE 2004 El indicador de productividad63 refleja la cantidad de pasajeros movilizados por vehículo y puede calcularse para cada una de las ciudades, tipos de vehículo y modalidades de servicio. Promedio pasajeros transportados en el período Productividad = Promedio diario de vehículos en servicio en el período Fuente Dane En los anexos 2 a 4 se encuentran los resultados sobre movimiento de buses, busetas y microbuses, respectivamente, con los cuales se generan los indicadores. Para el caso de Bogotá, D. C., se tiene: Productividad buses

202 466 69 = ────────── = 9564

7263 Fuente Dane En promedio, un bus transportó 9 564 pasajeros por mes durante el primer trimestre de 2004 en Bogotá, D.C., cifra equivalente a 318 pasajeros diarios, aproximadamente. Productividad busetas

717 933 47 = ────────── = 6974

6873 Fuente Dane ____________





Durante enero – marzo, en promedio, una buseta transportó mensualmente 6 974 pasajeros en Bogotá, D.C., con un promedio diario de 232 pasajeros. Productividad microbuses

285 422 23 = ────────── = 5723

4093 Fuente Dane En promedio, un microbús transportó mensualmente, durante el primer trimestre, 5 723 pasajeros en Bogotá, D.C., con un promedio diario de 190 personas. 3.3 ESTADÍSTICAS DE TRANSMILENIO En el trimestre enero –marzo de 2004, el servicio de transporte Transmilenio registró los siguientes resultados para Bogotá D.C. Un parque automotor de 537 buses troncales (en promedio para el trimestre), con un promedio diario de 441 buses en servicio, en los cuales se transportaron 62 137 039 pasajeros, cifra equivalente al 14,71% del total de personas movilizadas en Bogotá, D.C. (422 466 614), y 240 buses alimentadores en servicio que transportaron 30 374 199 pasajeros. Esta última cifra no se incluye en las sumatorias, puesto que se efectúa un único pago por el servicio combinado alimentador - troncal (cuadro 7). En este mismo período, la modalidad de buses, con un parque automotor de 7.917 vehículos, transportó 146’261.568 usuarios en Bogotá, D.C.; la modalidad de busetas, con un parque automotor de 8.064 vehículos, transportó 143’801.151 usuarios; y por último la modalidad de microbuses, con un parque automotor de 4.892 vehículos, transportó 70’266.856 usuarios.




Cuadro 7. Distribución del parque automotor y de pasajeros en Bogotá D.C. I trimestre 200464

Tipo de Vehículo

Promedio mensual

de vehículos afiliados

Porcentaje Vehículos

Total Pasajeros Transportados

(miles)* Porcentaje pasajeros

Bogotá D.C. 21 683 100.00 422 467 100.00

Alimentadores 273 1.26

Bus corriente 2 750 12.68 46 425 10.99

Bus ejecutivo 1 675 7.73 26 428 6.26

Bus intermedio 3 476 16.03 72 987 17.28

Bus súper ejecutivo 16 0.07 422 0.10

Buseta corriente 69 0.32 1 942 0.46

Buseta ejecutiva 6 058 27.94 106 486 25.21

Buseta súper ejecutiva 1 937 8.93 35 373 8.37

Microbuses y colectivos 4 892 22.56 70 267 16.63

Troncal 537 2.48 62 137 14.71

FUENTE: DANE *No incluye pasajeros transportados en buses alimentadores, porque son registrados globalmente por Transmilenio ____________





Gráfico 7. Distribución porcentual del parque automotor en Bogotá D.C. I trimestre 200465

7,73%22,56%

12,68%

8,93%

27,94% 0,32%0,07%

1,26%2,48%

16%

ALIMENTADORESBUS CORRIENTEBUS EJECUTIVOBUS INTERMEDIOBUS SUPEREJECUTIVOBUSETA CORRIENTEBUSETA EJECUTIVABUSETA SUPEREJECUTIVAMICROBÚS- COLECTIVOTRONCAL

FUENTE: DANE 3.4 FICHA METODOLÓGICA Esta ficha suministra información estadística sobre el número de vehículos (parque automotor) y número de pasajeros movilizados descritos en el capítulo III, para que facilite el análisis y la planeación de este proyecto de grado. Tipo de investigación: censo en 23 ciudades. Universo: está compuesto por todas las empresas prestadoras del servicio de transporte urbano público legalmente constituidas, que operan en las 23 ciudades capitales de los departamentos del país. ____________





Fuentes: empresas de transporte urbano de pasajeros legalmente constituidas. Periodicidad de recolección: mensual. Periodicidad de publicación: trimestral. Cobertura: 23 principales ciudades del país (Anexos 1- 4) Método de recolección: por autodiligenciamiento. Cada empresa registra periódicamente la información solicitada en un cuestionario. Variables: Para cada tipo de vehículo y nivel de servicio se investigó, el número de vehículos afiliados a la empresa, promedio diario de vehículos en servicio, número de pasajeros transportados en el mes. Dominios de estudio: Geográfico: por ciudades. Topo de vehículo: buses, busetas y microbuses-colectivos. Modalidad del servicio: corriente, ejecutivo, intermedio, superejecutivo, troncal y alimentador. Indicadores: productividad mensual promedio pasajeros transportados al mes productividad mensual = ───────────────────────────────── promedio diario de vehículos en servicio.




CAPITULO IV 4 ESTUDIO DE FACTIBILIDADES 4.1 IDENTIFICACIÓN DE PROBLEMAS 4.1.1 Problemas económicos El principal problema para la comercialización de celdas de combustible es su costo de producción. El costo de fabricación de cualquier sistema de celdas de combustible es más alto que el de equipos equivalentes con tecnología convencional. Esto se debe a varias causas. En este momento no hay una gran economía de volumen para las celdas de combustible, o sea, se producen pocas unidades. Los materiales de alto costo, especialmente el uso de metales preciosos para catalizar las reacciones internas, como el platino, son excesivamente costosos. Otro problema es la escasa flexibilidad respecto del combustible. Hasta el momento sólo existen buses de celdas de combustibles prototipos, los cuales son exageradamente caros, en comparación con los sistemas diesel. 4.1.2 Problemas técnicos 4.1.2.1 De la celda de combustible Si se comparan los sistemas tradicionales con las unidades de celdas de combustible que se están produciendo se observa que las primeras son de baja potencia, en consecuencia sería una rica economía de escala. A pesar de esto, la construcción de las celdas de combustible se ha desarrollado en laboratorios y no en fábricas; no han sido aún desarrolladas las técnicas para la optimización de la producción.




La complejidad de los sistemas de celdas de combustible y los dispositivos requeridos para operarlas presentan complicaciones de diseños que difieren con la simplicidad propia de las celdas de combustible. Las celdas de combustible operan óptimamente con hidrógeno puro. Sin embargo, deberían ser capaces de utilizar combustibles de hidrocarburos fósiles para que se constituyan en un producto comercial viable. 4.1.2.2 De la obtención de hidrógeno Las celdas de combustibles pueden utilizar: - Fuentes de energía primarias: disponibles en la naturaleza, pero en cantidades limitadas.

- Fuentes de energía secundarias: obtenidas mediante la utilización de procesos en los que se consumen fuentes primarias. - Fuentes renovables: que se regeneran continuamente mediante procesos naturales de conversión sin intervención de los humanos. En cualquier caso, el hidrógeno no se encuentra disponible como tal en la naturaleza, sino que se produce industrialmente, producción que se ha considerado como tecnología común en el último siglo. A pesar de su amplia utilización como agente químico, su aplicación energética es menos común y, hasta el momento, únicamente se emplea como combustible para vehículos espaciales. La obtención de hidrógeno en experimentos de laboratorio se logra mediante reacciones químicas como las producidas al sumergir zinc en ácidos o bases fuertes. Esta técnica, sin embargo, no resulta práctica para las aplicaciones industriales debido a alto su costo económico. 4.1.3 Problemas comerciales Los problemas comerciales surgen a raíz de importantes dificultades técnicas que deben ser solucionadas antes de su producción en gran escala, en el ámbito




comercial. El mercado tiende a ser precavido en cuanto a la incorporación de nuevas tecnologías sin probar su viabilidad práctica. El desarrollo de unidades prácticas de bajo costo, de bajo nivel de contaminación, con flexibilidad de combustible son elementos necesarios para la reducción de costos. Además, las diferentes técnicas y procesos de manufactura deben ser puestos a punto para permitir celdas de combustible económicas con altos volúmenes de producción. También, para incrementar la flexibilidad de uso de combustible se requieren reformadores más eficientes e innovaciones que reduzcan el costo del proceso tradicional de reformado de combustibles.

Para que las celdas de combustible puedan competir realmente con la tecnología de generación de energía actual, deben ser más competitivas en cuanto a costos de instalación por kilovatio requerido. En el mercado de las centrales eléctricas las celdas de combustible serán competitivas si logran un costo de instalación igual o menor a 1.000 US$ por kW. Actualmente, las celdas de combustible producidas por ONSI cuestan 3.800 US$ por kW. En el sector transporte masivo, un costo competitivo estaría en el orden de los 50 US$ por kW debido a que los motores de celdas de combustible tienen una vida más corta y diferentes características de operación que las plantas estacionarias.

Otros elementos que afectan la comercialización de las celdas de combustible incluyen las regulaciones y legislaciones gubernamentales aún no determinadas que especifiquen la instalación, cobertura de seguro y la certificación de los productos de celdas de combustible. La introducción de dichos productos dependerá a su vez de características económicas tales como la tasa de depreciación y la manera en que los bancos otorguen dinero para la compra de celdas. 4.1.4 Problemas en el sistema de transporte Usando el transporte público, la calidad del servicio prestado por los sistemas de transporte de las ciudades ha ido deteriorándose. Por la congestión se ha reducido la velocidad de operación y aumentado los tiempos de viaje tanto de los usuarios de transporte público como del privado. La accidentalidad es alta, esto no deja, que los usuarios de transporte público y privado obtengan servicios confiables y cómodos. Por lo anterior, se puede generalizar a todas las ciudades y en algunos como Bogotá, ha llevado a un muy bajo nivel de servicio, donde la congestión y la baja




calidad resultante se hacen presentes prácticamente a todo lo largo del día. En otras ciudades de tamaño importante como Medellín y Cali la crisis se resalta en las horas pico. De no contribuir el desarrollo del transporte urbano actual, más y más ciudades colombianas se verán expuestas a los graves problemas que ya observan las ciudades más grandes. Las ciudades están sufriendo los efectos negativos que generan los sistemas de transporte urbano inadecuados. En lugar de contribuir al desarrollo urbano de las ciudades, la evolución desordenada del transporte ha tenido consecuencias en los patrones de crecimiento que han originado presiones en los costos y tardanzas en la prestación de otros servicios públicos. Igualmente, se ha dificultado el control en el uso del suelo y se han inducido procesos de densificación en zonas que carecen de la infraestructura necesaria para ello, creando condiciones que facilitan la invasión del espacio público y dificulta la vida ciudadana. Por último, los niveles de congestión han producido en ciertas zonas de nuestras ciudades, niveles de contaminación del aire y auditivas que atentan contra la salud pública. 4.2 PLANTEAMIENTO DE SOLUCIONES El avance de sistemas integrados de celdas de combustible inducirá futuras innovaciones. Por ejemplo, los sistemas que incluyen celdas de combustible de alta eficiencia junto con tecnología de cogeneración y sistemas híbridos de celdas de combustible con máquinas térmicas, podrían ofrecer beneficios adicionales. Deben ser aplicadas tecnologías de control para obtener una operación confiable y económica de las celdas de combustible y para producir energía de alta calidad. Se deberá considerar la optimización y los costos de elementos tales como bombas, válvulas, conductos, controles y electrónica de potencia. Las leyes regulatorias sobre la polución podrían ser más restrictivas en el futuro, lo que conduciría a la instalación y uso obligatorio de celdas de combustible. Otro hecho que facilitaría la inserción de las celdas de combustible en el mercado serían los créditos y financiaciones subsidiados por el gobierno tendientes a la reducción de gases que contribuyen al cambio del clima global, tal como el dióxido de carbono. A pesar de sus altos costos de instalación, las celdas de combustible han ingresado exitosamente en nichos del mercado por su bajo costo de operación. Su alta eficiencia permite amortizar los altos costos de instalación con el combustible




economizado. Además, al no tener partes móviles, el mantenimiento y el tiempo de reparación podrían ser mucho menores que lo requerido para sistemas de combustión. Un ejemplo de las consideraciones técnicas y económicas anteriores es el que se aprecia de la puesta en marcha del proyecto que se denomina Clean Urban Transport for Europe (CUTE), el cual es una iniciativa de la comunidad europea, desde el 2003, para realizar pruebas de la tecnología de las celdas de combustible en el transporte masivo de pasajeros en nueve ciudades de Europa. El proyecto evaluó la factibilidad de un sistema de transporte que sea alternativo, sin emisiones, eficiente en energía, de bajo ruido y sostenible en las ciudades de Madrid y Barcelona (en España), Oporto (en Portugal), Londres (en el Reino Unido), Ámsterdam (en Holanda), Hamburgo y Stuttgart (en Alemania), Estocolmo (en Suecia) y en Luxemburgo.

4.2.1 Factibilidad en la obtención de hidrógeno Como el hidrógeno molecular no se encuentra disponible a precios comparables con los de combustibles fósiles convencionales, se requiere una etapa de procesamiento del combustible (petróleo, gas natural o carbón) para convertirlo en un gas enriquecido en hidrógeno. Esta conversión es llevada a cabo por el procesador de combustible. Además, cada tipo de electrolito posee sus propios requerimientos. Así, a las PAFCs apenas les perjudican ciertos componentes ácidos del gas de alimentación como el dióxido de carbono, no requieren una completa eliminación del monóxido de carbono y toleran trozos de otros contaminantes. Por el contrario, las pilas alcalinas son muy sensibles a los componentes ácidos; las de polímeros sólidos lo son al monóxido de carbono; Mientras que las de carbonatos fundidos pueden aceptar altos niveles de este gas, pero requieren sustanciales cantidades de dióxido de carbono en el gas oxidante para compensar la transferencia de carbono al otro electrodo. El hidrógeno puede producirse en grandes cantidades a partir de fuentes de energía primarias, tales como combustibles fósiles (petróleo 23%, gas natural 76%, carbón y otros 1%), y de fuentes de energía secundaria (productos de refinería del petróleo 47%, amoniaco 36%, metanol 10% y otros 7%) y de fuentes alternativas como biomasa, biogás y materiales de deshecho. El gráfico 8 presenta los porcentajes a nivel mundial de la producción de hidrógeno de acuerdo a la fuente de energía primaria con se cuenta y el gráfico 9 presenta el porcentaje de la producción de hidrógeno a partir de fuentes de energía secundaria.




Gráfico 8. Producción de Hidrógeno a partir de fuentes primarias66

PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO

OTROS1%

PETRÓLEO23%

GAS NATURAL

76%

OTROS PETRÓLEO GAS NATURAL

FUENTE. International Energy Agency (IEA)

Gráfico 9. Producción de hidrogeno a partir de fuentes de energía secundaria67

PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE FUENTES DE ENERGÍA SECUNDARIA

36% 47%

10%7%

SINTESIS DE METANOLREFINADO DE PETRÓLEOSINTESIS DE AMONÍACOVARIOS

FUENTE. International Energy Agency (IEA)

____________ 66Página web de IEA. http://www.cleanairnet.org/. Consumo de hidrógeno. 2005 67Página web de IEA. http://www.cleanairnet.org/. Producción de hidrógeno. 2005




También se puede obtener por electrólisis del agua, consistente en la liberación del hidrógeno y el oxígeno mediante la utilización de electricidad, y que puede considerarse como una fuente de energía secundaria producida a partir de la combustión de combustibles fósiles o biológicos por medio de ciclos térmicos, a partir de la energía solar por conversión foto-voltaica o a partir de la energía cinética utilizando la conversión mecánica. La electrólisis del agua es un proceso muy común utilizado para pequeñas aplicaciones del hidrógeno. Sin embargo, si el hidrógeno va a ser usado para aplicaciones energéticas, la conversión eléctrica y la eficiencia del transporte, sumadas a la eficiencia de la conversión de la electrólisis del agua, hacen que se aproveche menos del 30% del contenido energético de la fuente de energía primaria. La energía nuclear también presenta aplicaciones en la obtención del hidrógeno. Así, las centrales nucleares podrían conectarse, durante la fase de valle de la demanda eléctrica, a plantas de electrólisis de agua para la producción de hidrógeno y oxígeno; de esta forma se haría posible el mantenimiento de grandes centrales nucleares en su régimen de producción óptimo. Esta solución también podría aplicarse a otras plantas de producción eléctrica (centrales hidroeléctricas, solares, etc.). El hidrógeno así producido y transportado en botellas o en forma líquida resultaría más barato y cómodo para el suministro energético de localidades aisladas que las líneas eléctricas. El uso de carbón para la producción de hidrógeno ha sido muy común durante al menos un siglo. También lo es la gasificación del carbón cuando no está disponible el gas natural. Así, en Sudáfrica se utiliza este gas para producir productos de refinería sintéticos. Fundamentalmente, tanto los hornos como las plantas de gasificación de carbón convierten el hidrógeno contenido en las moléculas de agua por reacción a elevadas temperaturas sobre el carbono. El proceso de obtención de hidrógeno a partir de biomasa o de material de deshecho resulta similar al anterior. Plantas de este tipo fueron habituales en Europa Central durante la II Guerra Mundial ante la escasez de petróleo. La gasificación a partir del coque del petróleo también ha sido considerada en las refinerías para la producción de hidrógeno destinado al uso interno ya que cuanto más pesado es el crudo de partida, más hidrógeno se requiere para el procesamiento de los productos y mayor cantidad de coque se genera. Normalmente, estas refinerías se ven forzadas a importar gas natural extra para producir el hidrógeno necesario y, además, el coque de petróleo supone problemas logísticos y medioambientales. Su utilización como materia prima en plantas de




gasificación aportaría hidrógeno reduciendo el aporte extra de gas natural y solventando las dificultades derivadas de su eliminación. También se obtiene hidrógeno como subproducto en la fabricación de estireno, metanol y amoniaco. Uno de los más factibles para Colombia, por ser comercialmente viable, es el reformado con vapor de agua del gas natural que representa alrededor de las tres cuartas partes de la producción total de hidrógeno. El proceso se basa en la reacción del vapor de agua y el metano a alta temperatura sobre un catalizador, es decir a través de una celda de combustible, se utilizaría el combustible gas natural directamente. Otros gases que contienen hidrocarburos también son adecuados para la producción de hidrógeno; tal es el caso de diferentes gases (biogases) procedentes de la fermentación anaerobia de biomasa y residuos. 4.2.2 Factibilidad de uso y/o implantación de la celda de combustible para transporte masivo 4.2.2.1 Celdas de combustible para el transporte masivo tipo PEM Para aplicaciones de las celdas de combustible al transporte, los desarrollos más importantes involucran la producción, manipulación y el procesado del combustible. Por ejemplo, las celdas de combustible PEM, consideradas el principal candidato para aplicaciones en el área de transporte, necesitan hidrógeno limpio y puro. Las celdas de combustible PEM, que tienen las mejores expectativas para su uso en autobuses, provienen de una tecnología relativamente nueva. Por lo tanto, aún es incierto su tiempo de duración. Según experiencias en buses de transporte algunas celdas de combustible han operado confiablemente por varios años, y se estima que deberán durar por lo menos otros 20 años, o más, sin necesidad de reemplazarlas. El desarrollo de un reformador de hidrógeno compacto, eficiente, económico, y de alta pureza, es un requerimiento fundamental. Una alternativa que podría solucionar la necesidad de un reformador transportado, es el almacenamiento y uso directo de hidrógeno, no obstante que esta alternativa requiere significativos avances en el almacenamiento de hidrógeno, utilizando hidruros metálicos, nanotubos de carbón o tanques de hidrógeno a alta presión a prueba de choques. A su vez se requerirá de un significativo desarrollo de infraestructura para la producción de hidrógeno, cosa que en Colombia aún no es viable.




Costo: Las celdas de combustible PEM tienen un costo de unos 20 dólares estadounidenses aproximadamente (en el año 2000) por vatio producido, dependiendo de su tamaño y aplicación. En el futuro, con el mejoramiento de la tecnología y producción a gran escala de las celdas de combustible en industrias, el costo se rebajará considerablemente y las celdas de combustible serán una alternativa competitiva en el mercado de producción de energía por las ventajas en costos operacionales y la continua reducción de costos de instalación debido a mejoras en materiales y en su fabricación. Ventajas: De las tecnologías estudiadas, es la que funciona a menor temperatura. Aunque necesitan unos 3 minutos para alcanzar su máxima potencia, proporciona el 50% de ella inmediatamente tras su encendido. Son las que proporcionan un mayor rendimiento a menor tamaño y son, además, las más baratas. Puede operar, además de con hidrógeno puro, con hidrocarburos reformados sin que sea necesario eliminar el CO2. Desventajas: Es necesario el reformado externo del combustible. Necesitan la eliminación del CO, al menos oxidándolo a CO2. No son aptas para cogeneración, por su baja temperatura de operación. 4.2.2.2 Celdas de combustible para el transporte masivo tipo PAFC La Pila de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC), es la tecnología más madura en cuanto a desarrollo y comercialización se refiere. Lleva más de 20 años en desarrollo y ha recibido una inversión mundial total cercana a los 500 millones de dólares. La Pila de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC) tuvo un crecimiento considerable hace unos años ya que se creía que de todas las tecnologías de baja temperatura, era la única que podía proporcionar una tolerancia relativa a




combustibles provenientes de hidrocarburos reformados, por lo que su implantación sería más fácil a corto plazo. En 1984, Appleby hizo que este tipo de celda de combustible fuese viable económicamente cuando descubrió que el carbón era estable en las condiciones de trabajo del sistema, por lo que utilizó este componente para desarrollar los colectores, los electrodos y los soportes de los catalizadores. Este tipo de celdas pueden ser usadas en vehículos grandes tales como autobuses y locomotoras. Este tipo de celdas son las más factibles para Colombia ya que, como toleran el CO2 pueden funcionar con combustibles derivados del carbono como metanol, etanol, comercialmente asequible en Colombia. Además estas celdas son las más desarrolladas y la comercialmente más utilizada en la actualidad. Sus rangos de capacidad varían entre 200 KW y 100 MW. Los mayores progresos esperados están en las áreas de reducción de costos de capital, aumento de la vida útil de la pila, y reducción de costos de operación y mantenimiento. Costo: Uno de los puntos más importantes de la celda de combustible son los catalizadores pues es el corazón de la misma. En los años iniciales de esta tecnología con celda de baja temperatura el platino, dentro de los metales nobles, era el más usado. Se necesitaban cerca de 25 mg/cm2 de platino en los electrodos, esto representaba (respecto al año 1991) un costo de 10.000 dólares / KW. Este alto costo y la vida promedio del electrodo (cientos de horas) hacían esta tecnología excesiva. En la actualidad (año 2005) se necesitan alrededor de 0,1 mg/cm de platino lo cual lleva al costo de KW a un precio competitivo con el resto de las tecnologías convencionales. Ventajas: No necesitan un hidrógeno tan puro (admiten hasta un 1,5% de CO) como combustible como las AFCs. Es el tipo de células de combustible más desarrollado comercialmente, incluso algunas utilizándose desde hace años en diversas partes del mundo. Desventajas: No tan baja temperatura como para no necesitar ciertas medidas de seguridad que complican su portabilidad.




Los componentes de la celda deben resistir la corrosión producida por el ácido, lo cual la encarece. Necesitan mantenimiento para reponer las pérdidas de electrolito. En el cuadro 8 se presenta la información que recopila las empresas que han construido buses que utilizan las celdas de combustible tipo PAFC y PEM a nivel internacional. Cuadro 8. Buses actuales a celdas de combustible tipo PAFC y PEM68

Empresa Año Tipo de tecnología

Celda de

Combustible tamaño / tipo

Alcance Velocidad Máxima Combustible

Bus Manufacturing U.S.A. Inc. 1994 Híbrido Celda de

Combustible / batería 50kW/PAFC 402km 90km/h Metanol

Bus Manufacturing U.S.A. Inc. 1995

Híbrido Celda de Combustible / batería 50kW/PAFC 402km 90km/h Metanol

Bus Manufacturing U.S.A. Inc. 1995 Híbrido Celda de

Combustible / batería 50kW/PAFC 402km 90km/h Metanol

NovaBus Corporation 2000 Híbrido Celda de

Combustible / batería 100kW/PEMFC 563km 106km/h Metanol

NovaBus Corporation 2000 Híbrido Celda de

Combustible / batería 240kW/PEMFC 563km 106km/h Metanol

New Flyer Industries Ltda. 1993 Híbrido Celda de

Combustible / batería 205kW/PEMFC 400km 95km/h Hidrogeno comprimido

New Flyer Industries Ltda. 1995 Híbrido Celda de


EvoBus: una compañía de

Daimler Chrysler1997

Híbrido Celda de Combustible / batería 205kW/PEMFC 250km 80km/h Hidrogeno

comprimido

EvoBus: una compañía de

D i l Ch l1999

Híbrido Celda de Combustible / Batería 205kW/PEMFC 250km 80km/h Hidrogeno

comprimido

EvoBus: una compañía de 2003 Híbrido Celda de


Gillig Corporation 2004 Híbrido Celda de

Combustible / batería 205kW/PEMFC 200km 80km/h Hidrogeno

Irisbus 2001 Híbrido Celda de Combustible / batería 60kW/PEMFC 200km 80km/h Hidrogeno

comprimido

MAN "Bavaría 1" 2000

Híbrido Celda de Combustible / batería 120kW/PEMFC 250km 80km/h Hidrogeno

comprimido

FUENTE. International Energy Agency (IEA) ____________ 68Página web de IEA. http://www.cleanairnet.org/. Buses de celdas de combustible tipo PAFC y PEM. 2005




4.2.2.3 Ficha técnica de las celdas de combustible CELDA TIPO PAFC Electrolito: Ácido Fosfórico (H3PO4) Catalizador: Platino Reformador: No necesita Combustible: H2, metanol T° operación: 175 – 200 °C Eficiencia % PCI: 36 – 45 Potencia: 200 KW – 100 MW Eficiencia: 40 – 85% Aplicaciones: Cogeneración, Transporte, Estacional. CELDA TIPO PEM Electrolito: Polímero Sólido, Poly-Perfluorosulfonic Catalizador: Platino Reformador: Externo Combustible: H2, reformado T° operación: 60 – 100 °C




Eficiencia % PCI: 32 – 40 Potencia: 100W – 10 MW Eficiencia: 40 – 50% Aplicaciones: Transporte, Portable, Estacional. 4.2.3 Selección de las ciudades a implementar el sistema En el Capitulo III, de acuerdo con los resultados del Cuadro 6, durante el primer trimestre la ciudad que concentró el mayor parque automotor, se movilizó el mayor número de pasajeros, fue Bogotá, D.C., con el 43,01% de vehículos y el 37,44% de usuarios, reunió un parque automotor de 20 873 vehículos y un promedio diario de 4 049 913 pasajeros. Cali, Barranquilla, Medellín, Cúcuta, Bucaramanga, Cartagena, Villavicencio, Pereira, e Ibagué, concentraron en conjunto el 44,97% de los vehículos y transportaron el 49,78% de los pasajeros. El censo según ficha metodológica (numeral 3.4), se hizo en 23 ciudades. Dadas las condiciones de producción de combustible, su manejo, requerimientos, etc. se justifica la implantación de celdas de combustible para transporte masivo, sólo en aquellas ciudades que utilicen mayor número de vehículos tipo buses, es decir, Bogotá, Barranquilla, Medellín, Cúcuta, Bucaramanga, Cartagena, Villavicencio, Pereira, e Ibagué. 4.2.4 Factibilidad en el sistema de transporte En el capítulo III, al analizar el total por tipo de vehículo las participaciones de buses en enero, febrero y marzo fueron: en buses el 41,93%, el 41,56% y el 41,55%, respectivamente (en el 2003 los porcentajes de participación fueron 44.05%, 44.19% y 43.57%); en busetas el 30,28%, el 30,99% y el 30,91% (30,11%, 30,46% y 30,54% para 2003). En microbuses los porcentajes de participación fueron el 27,79%, el 27,44% y 27,53% (25,84%, 25,35% y 25,88% para 2003 (gráfico 6). Según estos porcentajes la mayor participación es de buses y por tanto el sistema que mayor satisface las necesidades en las ciudades importantes de Colombia.




Además es el sistema que mayor productividad obtuvo; en promedio, un bus transportó 9 564 pasajeros por mes durante el primer trimestre de 2004 en Bogotá, D.C., cifra equivalente a 318 pasajeros diarios, aproximadamente. Hasta este momento, diferentes buses a celdas de combustible prototipo se han mostrado en E.U., Canadá y Europa. Se encuentran comercialmente disponibles en una base limitada desde antes del 2003. Para los buses, la demanda específica de energía y emisiones contaminantes por persona transportada son mucho menores que los vehículos particulares (siempre que sean usadas a un grado suficiente). Esta comparación sólo es válida cuando un vehículo particular es una alternativa (económica u otra) para un porcentaje importante de la gente que elige modalidad de transporte. Sin embargo, en términos absolutos, aún contribuyen significativamente al problema de la contaminación del aire. Ya que tienden a usarse en los corredores urbanos más densamente poblados, su impacto sobre la salud pública puede ser desproporcionado en relación a su número. Por lo tanto, una transición a sistemas de buses más limpios, además de otras medidas no tecnológicas, podría tener un efecto positivo sobre la calidad del aire local y la salud pública, y podrían, también, contribuir a la protección climática global.




CAPITULO V 5 DETERMINACIÓN DEL TIPO Y DISEÑO DEL DISPOSITIVO DE CELDA DE COMBUSTIBLE

5.1 TENSIÓN DE SALIDA DE LA CELDA IDEAL

Para calcular la tensión de salida que se puede conseguir de una celda de combustible alimentada con Hidrógeno se aplican las siguientes ecuaciones (Manual de fórmulas técnicas, kurt Gieck, Alfaomega):

Tensión de la celda: ∆V = ∆G/nF, en donde G es la energía de Gibbs de intercambio de reacción libre, n es la cantidad de moles de Hidrógeno que participan en el intercambio y F es la constante de Faraday de 96.487 J / V. También: ∆G = ∆H - T∆S siendo ∆H la entalpía y ∆S la entropía de la reacción. De estas ecuaciones y partiendo de unas condiciones de 25 ºC, la presión de 1 atm. (condiciones ideales de temperatura y presión normal) y 1 mol de Hidrógeno, la celda ideal daría 1,23V. La misma celda de 85ºC puede obtener como máximo una tensión de salida de 1,18V. Debido al contenido de humedad que es necesario para el correcto funcionamiento de la membrana de intercambio protónico, la tensión máxima que se puede conseguir con una celda alimentada por hidrógeno es de 1,16V. Tal como se puede ver en el gráfico 10, la carga con corriente cero será de 1,16V, y según aumenta la corriente, se reduce la tensión a la salida de la celda. Si la celda opera a 0,7 V genera alrededor de 60% de la energía generable por la celda. Si la misma celda se utiliza a 0,9V de tensión se genera 77,5% de la carga extraíble. El restante hasta completar todo el porcentaje se convierte en calor y no es aprovechable. Este calor tendrá que ser evacuado ya que por otro lado la temperatura reduce la tensión extraíble de la carga.




Gráfico 10. Curva de funcionamiento

FUENTE. Manual de las celdas de combustible69. Para conseguir tensiones aplicables a los motores que deben mover todo el vehículo, se realiza una acumulación de celdas en serie (ver figura 3). Aumentando la cantidad de celdas agrupadas en serie se aumenta la tensión de salida y aumentando la superficie de cada una de ellas se aumenta la corriente de salida. De esta manera la potencia entregada esta directamente relacionada con el volumen de la celda. ____________

69HIRSCHENHOFER, J.H., STAUFFER, D.B., ENGLEMAN, R.R. y KLETT, M.G. Manual de la célula del combustible. 5ta. Edición. Washington, D.C.: Ministerio de Energía - Oficina de Energía Fósil. 2000. p. 37.




Figura 3. Stack Celdas en serie70

FUENTE. DaimlerChrysler. Uno de los vehículos que utiliza este tipo de celda de combustible es el NECAR 4 de DaimlerChrysler, se le puede encontrar defectos a esta tecnología. El primer inconveniente es que al ser el combustible H2, se debe acumular en tanques de alta presión o bajo condiciones criogénicas. Se almacenan por tanto en tanques de metal o de fibras de carbono a presiones entre 200-300 bar. Este tipo de almacenamiento tiene potenciales peligros en un vehículo, ya que aunque el hidrógeno tiene su punto de inflamación a 560ºC, requiere de una muy baja energía de activación para que se inflame. Por tanto, en caso de fuga de producto el hidrógeno se dispersaría y/o podría inflamarse, pero en caso de accidente es muy fácil que se produjera una chispa con la suficiente energía para que se incendiará el hidrógeno. Las medidas de seguridad en cuanto al almacenamiento deberían por lo tanto extremarse. ____________ 70Página web de DaimlerChrysler. http://www.daimlerchrysler.com/dccom/. Información del Stack. 2005

Stack con terminales

Componentes de la Celda

Celda

Electrodo

Catalizador

Membrana Intercambio H

² Aire (O2)

Y Agua




Otro de los inconvenientes que se presentan es que, aunque el proceso de recarga del hidrógeno se podría realizar en pocos de minutos (similar a un vehículo gasolina) no existe infraestructura para distribuir este hidrógeno. Si se ejecutara este tipo de vehículos se tendría que crear toda la infraestructura. 5.2 DESCRIPCIÓN DETALLADA DE CADA COMPONENTE DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE La estructura básica de una PAFC consiste en un electrolito (ácido fosfórico) que está contenido en una matriz, la cual se encuentra introducida entre dos electrodos, que son el ánodo y el cátodo, como muestra la figura (4): Figura 4. Estructura básica de una celda PAFC71

FUENTE. Manual de las celdas de combustible. ____________

71VIELSTICH, Lobo., LAMM, Arnold y GASTEIGER, Hubert. Manual de las células del combustible: Fundamentales, tecnología, usos, sistema. 4ta. Edición. Washington, D.C.: Hardcover. 2003p. 104




El objetivo de la matriz no es sólo mantener el ácido fosfórico como una parte integral de la célula sino que impide el cruce de los gases reactantes hacia los electrodos opuestos. Los iones de hidrógeno son transferidos desde el ánodo al cátodo a través del electrolito, y los electrones del ánodo al cátodo vía circuito externo. La matriz que contiene al electrolito conduce sólo iones. La corriente eléctrica no la conduce. Normalmente, una célula simple genera entre 0.6-0.7 V para una densidad de corriente de unos 200 mA/cm2 (el voltaje de salida depende mucho de las condiciones de trabajo, de las que hablaremos más adelante). Las celdas son conectadas en serie para formar un stack (ver numeral 5.2.1). 5.2.1 Componentes de un stack Los stacks de una celda de combustible de ácido fosfórico se componen de los siguientes componentes básicos:

- electrodos (ánodo y cátodo). - matriz conteniendo el electrolito (ácido fosfórico).

- separador platos de enfriamiento.

- sistema de entrada múltiple (manifolds).

- otros componentes más pequeños

A través de los "manifolds" (huecos), el gas rico en hidrógeno y el aire alimenta al stack. Las reacciones electroquímicas tienen lugar en la capa porosa del catalizador perteneciente al sustrato poroso. El gas rico en hidrógeno alimenta el sustrato poroso a través de los huecos del ánodo. El paso de los huecos al sustrato se realiza por difusión, también para pasar del sustrato a la capa porosa de catalizador. El hidrógeno ionizado en la capa porosa de catalizador es transferido a la misma capa de catalizador del cátodo. Dicha capa es adyacente al sustrato poroso del cátodo. Este paso se realiza a través de la matriz que contiene el electrolito. El oxígeno se difunde hasta la capa de catalizador a través del sustrato poroso del cátodo. La figura 6. muestra un modelo fundamental de una celda.




Figura 5. Paso de gas rico en hidrógeno a través de la celda72

FUENTE. Manual de las celdas de combustible. Las reacciones, tanto en el ánodo como en el cátodo, ocurren en la llamada zona de tres fases. Recibe este nombre porque en esa zona están presentes las tres fases:

- fase sólida (catalizador -Pt-). - fase líquida (ácido fosfórico). - fase gas (hidrógeno y oxígeno).

La estructura de una celda es la siguiente: ____________ 72VIELSTICH, Lobo., LAMM, Arnold y GASTEIGER, Hubert. Manual de las células del combustible: Fundamentales, tecnología, usos, sistema. 4ta. Edición. Washington, D.C.: Hardcover. 2003p. 105




Figura 6. Estructura de la celda73

FUENTE. Manual de las celdas de combustible. ____________ 7371VIELSTICH, Lobo., LAMM, Arnold y GASTEIGER, Hubert. Manual de las células del combustible: Fundamentales, tecnología, usos, sistema. 4ta. Edición. Washington, D.C.: Hardcover. 2003p. 105




Para que esta reacción tenga lugar eficientemente, la capa porosa de catalizador debe ser fabricada de manera que tenga suficientes poros para que los gases se difundan libremente y el ácido penetre adecuadamente, ofreciendo un contacto suficiente sobre la superficie de catalizador de Pt. La entrada del gas y del ácido debería ser controlada en la zona de las tres fases. El agua producida en dicha zona de la capa de catalizador del cátodo es llevada hacia los huecos, a través del sustrato poroso del cátodo, y eliminada por el flujo de aire que no ha reaccionado. La subestructura del stack está equipada con "manifolds" que están situados normalmente en la cara externa de los stacks. La primera función de los "manifolds" es alimentar los reactivos gaseosos hasta cada celda. Es importante la alimentación de la corriente de H2 y de CO2 debido a su diferencia de densidades. 5.2.2 Electrodo y catalizador El electrodo está compuesto de una capa de catalizador donde tiene lugar la reacción electroquímica y un sustrato donde la capa de catalizador esta soportada mecánicamente. Los componentes de la capa de catalizador son:

- carbón para soporte del catalizador. - el catalizador (Pt) altamente dispersado.

- un agente hidrofóbico como el PTFE (teflón).

La utilización del Pt es debido a que la reacción ocurre a una temperatura de trabajo baja comparada con las demás pilas de combustible, por lo que dicha reacción debe ser promovida por un catalizador. La reacción química tiene lugar en la zona de tres fases. Para incrementar la densidad de corriente el número de puntos de contacto debe ser el máximo, la presión parcial de los reactivos gaseosos debe mantenerse alta y debe ser mínima la oposición a la difusión de los gases. La conductividad del electrolito debe de ser alta para reducir la resistencia óhmica en el electrodo. El flujo elevado de electrolito impide la correcta difusión de los gases y una sobre difusión de éstos provoca que el electrolito no tenga libre acceso al área de contacto. La hidrofovidad del electrodo debe ser máxima para favorecer la difusión de los gases y el “empapamiento” por parte del electrolito.




Para prever que el ácido contacte con el catalizador se emplea el teflón, utilizando además sus características hidrofóbicas. Para evitar la sobre difusión de los gases en la capa de catalizador, ésta posee una alta capilaridad en la zona adyacente a la matriz donde se encuentra el electrolito. La actividad del Pt depende de la clase del catalizador, de su talla y de la superficie de contacto. La talla de los cristales de Pt es de 20 amstrongs y la superficie de contacto de 100 m2/g. El espesor de la capa porosa de catalizador es de 0.1 mm. Las funciones del carbón como soporte son:

- dispersar el Pt. - proveer de numerosos microporos al electrodo. - incrementar la conductividad eléctrica de la capa de catalizador.

Se suelen emplear dos tipos de carbón: el negro acetileno y el negro ceniza. El primero es de alta resistencia a la corrosión, baja conductividad eléctrica y baja superficie de contacto; el otro, viceversa. 5.2.3 Sustrato El sustrato del electrodo, que actúa como material de refuerzo adyacente a la capa de catalizador, permite el paso de electrones además de los gases reactivos. Desde el punto de vista del rendimiento, el sustrato debería ser:

- estable bajo las condiciones de trabajo y de la naturaleza del ácido fosfórico. - conductividad electrónica y térmica.

- poroso, para que el reactante pueda difundirse efectivamente.

- mecánicamente fuerte bajo condiciones de trabajo presurizado.

A la temperatura de trabajo, el ácido fosfórico es muy corrosivo. Se utiliza como material carbón grafitizado. Los sustratos son fabricados por moldeo de fibras de grafito y fibras baratas de resinas de fenol, seguido por un cocimiento y estructuramiento a alta temperatura. La porosidad es del 60-65% y la talla del poro es de 20-40 µm de diámetro.




Los sustratos porosos también tienen la habilidad para reservar ácido. La estructura de sustrato acanalado es la utilizada por este fin. El espesor del sustrato es de 1.5 mm. El espesor de los acanalamientos es de 0.7 mm.. Los acanalamientos están en contacto con el separador, mientras que la cara contraria está en contacto con la capa porosa de catalizador. La disposición en el ánodo y en el cátodo es ortogonal para situar mejor los “manifolds”. 5.2.4 Matriz El ácido fosfórico está contenido en la matriz propiamente dicha. La función de la matriz es contener el ácido fosfórico por acción capilar. La matriz normalmente usada está compuesta SIC con una pequeña cantidad espolvoreada de PTFE (politetrafeniletileno llamado teflón). El espesor de la matriz debería ser lo más pequeño para así minimizar la resistencia interna, el espesor es de 0.15 mm. Los requerimientos básicos de la matriz que contiene el ácido fosfórico son los siguientes:

- Elevada acción capilar para retener el ácido. - Prevenir el cruce de los gases dentro de la celda.

- Estabilidad química a elevadas temperaturas.

- Alta conductividad térmica.

- Suficiente resistencia mecánica.

La estructura de la matriz corriente puede cumplir todas estas condiciones exceptuando la de resistencia mecánica. El circuito eléctrico de la celda está completado por un camino externo para los electrones debido a la conductividad de los separadores.




La presión de vapor del ácido fosfórico es muy baja, lo que no impide que este se vaya evaporando después de muchas horas de funcionamiento. Ésta disipación depende de la velocidad de los gases y de la densidad de corriente. Las celdas de sustrato acanalado con un 40% de ácido se evaporarían después de 40000 h de trabajo continuado con unas condiciones de trabajo como son: presión de 8.2 bar y 205 °C de temperatura. Como se sabe la matriz está situada entre el ánodo y el cátodo. Así pues, la matriz tiene un rol de prevención del cruce de los dos gases reactantes que son alimentados a ambos electrodos bajo unas condiciones de operación. La diferencia de presión, en alguna variación de las condiciones, entre los electrodos de unos milímetros de agua, debería, la matriz, de ser capaz de restituir esa diferencia de presión de una forma mecánica. Éste es el gran inconveniente de la matriz pues sólo soporta una caída de presión de 1000 mm. de agua. 5.2.5 Ácido fosfórico El ácido utilizado como electrolito es el fosfórico por las siguientes razones:

- Buen rendimiento bajo condiciones de alta temperatura. - Tolerancia al CO2. - Baja presión de vapor. - Alta solubilidad para el O2. - Buena conductividad iónica a alta temperatura. - Baja velocidad de corrosión a altas temperaturas.

5.3 ADAPTACIÓN TÉCNICA El ácido fosfórico es incoloro, viscoso y un líquido higroscópico. El ácido no está libre en la celda sino que está contenido en una matriz porosa fabricada de SIC. El ácido fosfórico tiene un punto de solidificación de 42 °C, por eso a temperatura




ambiente el ácido fosfórico contenido en la matriz se solidifica, lo que incrementa su volumen. Este aumento de volumen se puede producir según las condiciones de carga y de descarga. Este cambio de volumen puede dañar los electrodos y la matriz, produciendo una bajada del rendimiento de la celda. Entonces es necesario que la temperatura de la pila no baje nunca de la temperatura de solidificación del ácido fosfórico. El punto de solidificación del ácido fosfórico depende de su densidad. Por ejemplo, para un 62.5% en peso de ácido fosfórico la temperatura de solidificación es de -85°C, mientras que para un 10% es de 0°C. El de baja densidad es utilizado para el transporte de la celda desde el depósito al emplazamiento final. Por lo anterior se debe implementar un dispositivo para mantener la temperatura en valores adecuados para las diferentes alturas de las ciudades importantes de Colombia. En este contexto, la posición geoastronómica del país, que está completamente en la zona tórrida hace que el país disfrute de los rayos solares durante todo el año. Las condiciones climáticas están condicionadas por la altitud y la acción de los vientos. Por cada 180 m se disminuye un grado 1°C de temperatura, razón que sirve para clasificar el país en pisos térmicos. En el cuadro 9 se relacionan la altura y temperatura de las ciudades seleccionadas en el numeral 4.2.3, de acuerdo al piso térmico al que están ubicadas. Cuadro 9. Alturas y temperaturas de los diferentes pisos térmicos en Colombia

PISO TÉRMICO ALTURA m.s.n.m TEMPERATURA °C CIUDADES QUE APLICA

CALIDO 0-1000 >25

CALI BARRANQUILLA

CARTAGENA CÚCUTA

VILLAVICENCIO IBAGUÉ

TEMPLADO 1000-2000 17-25 BUCARAMANGA

MEDELLÍN PEREIRA

FRÍO 2000-3000 12-17 BOGOTÁ

PÁRAMO >3000 <12 NINGUNA

FUENTE Instituto geográfico Agustín Codazzi 5.3.2 Modulo termoeléctrico Peltier Un módulo termoeléctrico Peltier (TE) es un componente electrónico basado en un semiconductor que funciona como una pequeña bomba de calor. Aplicándole una




baja tensión DC, el calor será movido a través del módulo de un lado al otro, es decir, una cara del módulo será enfriada mientras que la otra será calentada simultáneamente. Es importante destacar que este fenómeno es reversible, cambiándole la polaridad de la fuente. Como consecuencia, un TE puede usarse para calentar o enfriar, con una gran precisión en la temperatura deseada. Los TE y los refrigeradores mecánicos están gobernados por la misma ley termodinámica. En un refrigerador mecánico, el compresor genera la presión en un líquido refrigerante y la hace circular a través del sistema. En el evaporador o “freezer” el refrigerante hierve absorbiendo energía del medio, causando enfriamiento. El calor absorbido en el freezer es movido al condensador en el cual el líquido se condensa, liberando la energía que había absorbido en el freezer. En un TE, un semiconductor dopado, esencialmente toma el lugar del líquido refrigerante, el condensador es remplazado por un disipador de calor, y el compresor por una fuente DC. En 1834, Jean Peltier, un relojero francés y científico aficionado, descubrió que el pasaje de una corriente eléctrica I a través de una juntura A de dos conductores similares X e Y en una cierta dirección produce enfriamiento, Tc. Hay un calentamiento, Th , muy distinto al efecto Joule, cuando la corriente pasa por la juntura B, como se puede ver en la Figura 7. Figura 7. Circuito efecto Peltier74

FUENTE. K. W. Whitten, R. E. Davis, M. L. Peck, Química General, 5º Edición, Mc Graw Hill, 1998 ____________

74Página web. http://www.upc.edu./AIT/German./libro/pagina1.htm/. efecto Peltier. 2004




Los experimentos de Peltier fueron seguidos a los de Thomas Seebeck, quien en 1821 descubrió que una fuerza electromotriz V0 puede ser producida por el calentamiento a una temperatura Th de una juntura B entre dos metales, X e Y. Se puede apreciar en la Figura 8. Figura 8. Circuito efecto Seebeck75

FUENTE. K. W. Whitten, R. E. Davis, M. L. Peck, Química General, 5º Edición, Mc Graw Hill, 1998 Un TE consiste de dos o más elementos de material semiconductor que están conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. Esos elementos y sus conectores están montados entre dos sustratos de cerámica. El sustrato sirve para mantener mecánicamente la estructura y para aislar eléctricamente los elementos individuales y del montaje externo.

CALOR APLICADO




Figura 9. Esquema de un TE76

FUENTE. C. E. Cuellar Santanilla, Generación y Aprovechamiento de Energía Termoeléctrica, 2004 El funcionamiento puede entenderse de la siguiente manera: los electrones pueden viajar libremente en el cobre, pero no así en los semiconductores. Como los electrones abandonan el cobre y entran en el lado caliente del tipo p, deben llenar un “agujero” para poder moverse a través del material. Cuando esto pasa, se libera energía. Esencialmente, los agujeros en el tipo p son movidos desde la parte fría hacia la parte caliente. Luego, como los electrones pasaron del tipo p al cobre, se absorbe energía en este proceso. Nuevamente, los electrones se mueven libremente a través del cobre, hasta que alcanzan la zona fría del semiconductor tipo n. Al ingresar en éste, ellos deben aumentar el nivel de energía para poder moverse a través del semiconductor, absorbiendo energía. Finalmente, cuando los electrones abandonan el lado caliente del tipo n, se pueden mover libremente en el cobre, liberando energía. ____________ 76Página web. http://www.upc.edu./AIT/German./libro/pagina2.htm/. Modulo termoeléctrico. 2005

ESQUEMA DEL MODULO TERMOELÉCTRICO74




En resumen el calor siempre es absorbido en el lado frío de los tipo n y p. Las cargas eléctricas (agujeros o electrones) siempre viajan desde el lado frío al lado caliente, y el calor siempre es liberado en el lado caliente. Todo lo dicho anteriormente se puede observar en la figura 9. Los TE operan con una fuente no regulada DC, o con un control de temperatura “close loop”. En aplicaciones en donde la carga térmica es razonablemente constante, una fuente DC manual otorga un control de temperatura de ± 1 ºC en un período de varias horas. Cuando el control de la temperatura tiene que ser preciso (± 0,1 ºC), se utiliza el sistema “close loop” dicho anteriormente. La figura 10 muestra una sencilla fuente DC para un TE de 6 A. Figura 10. Fuente DC para un TE de 6 A77

FUENTE. Ferrotec Co ____________ 77Página web. http://www.upc.edu./AIT/German./libro/pagina2.htm/. Fuente DC. 2005

Puente rectificador 10 A / 50 PIV

MODULO

71 CPL 6 A




La figura 11 ilustra un típico controlador de temperatura closed-loop. Este sistema es capaz de mantener la temperatura deseada y corregir variaciones. Figura 11. Controlador de temperatura closed-loop78

FUENTE. Ferrotec Co 5.3.2 Aplicaciones

• Calorímetros. • Intercambiadores de calor compactos.

• Baños de temperatura constante.

• Generadores de potencia (pequeños).

• Dispositivos de enfriamiento de precisión (LASER).

____________ 78Página web. http://www.upc.edu./AIT/German./libro/pagina2.htm/. Controlador de temperatura closed-loop. 2005




• Deshumidificadores.

• Punto frío de referencia. • Detectores infrarrojos.

• Coolers microprocesadores.

• Refrigeradores (Autos, hoteles, farmacéutico)

5.3.3 Cualidades específicas

• Pequeño peso y tamaño. • Capacidad de enfriar y calentar en el mismo módulo.

• Control preciso de la temperatura (± 0,1 ºC).

• Alta confiabilidad.

• Eléctricamente estable (no genera ruido).

• Opera en cualquier orientación (no le afecta la gravedad).




CAPITULO VI

6 ANALISIS DE COSTOS 6.1 ANALISIS COMPARATIVO DE REDUCCIÓN DE EMISIONES Y DE COSTOS EN DIVERSOS SISTEMAS DE BUSES El presente estudio compromete los vehículos de transporte masivo de pasajeros que cumplan con el estándar internacional de emisiones EURO 2, entre ellos tenemos los modelos de autobuses Citaro, para la Mercedes-Benz, en versiones rígidas de 12, 13 y 15 metros, así como también, el articulado de 18 metros; City Class Fuel Cell 12 metros, de Irisbus, XCELLSIS Fuel Cell de la compañía Ballard, para la tecnología de Celda de Combustible. Con respecto a la tecnología de Diesel avanzado tenemos los vehículos fabricados por la Mercedes-Benz de 200 ppm y 50 ppm. Todas las aproximaciones mencionadas en este numeral tienen diferentes características en términos de emisiones de tubos de escapes y de costos. La mayoría tiene el potencial para ser más apropiadas que los autobuses convencionales a diesel, por sus efectos ambientales, tanto regionales como globales, pero sólo si se implementan cuidadosamente. Es importante observar que hay varios factores no técnicos que influencian el impacto medioambiental de los buses de transporte público. La organización del sistema de transporte público, los tipos de estructura de propiedad de los buses, los servicios de las líneas de buses, el diseño de la red de líneas, la administración de las operaciones de buses, la renovación de la flota de buses y la capacitación de los conductores influirán en el rendimiento medioambiental. A continuación se presenta una breve descripción de los sistemas de buses que tienen el potencial de reducir los impactos ambientales fabricados a finales de 2003.

El bus a diesel avanzado usa novedosos sistemas de motor y dispositivos de reducción de emisiones de post-tratamiento, usualmente en conjunto con combustibles de más bajo azufre.




El bus a gas natural comprimido (GNC) usa un motor de encendido por chispa para quemar gas natural el cual contiene mayoritariamente metano que se obtiene de recursos fósiles.

El bus de gas de petróleo licuado (GPL) usa mayoritariamente gas propano

para la combustión.

El bus a etanol funciona con alcohol que puede producirse a partir de una variedad de recursos biológicos renovables.

El bus eléctrico a batería es potenciado por baterías electroquímicas que se

cargan usando electricidad de plantas de energías estacionarias.

El bus eléctrico híbrido usa una combinación de baterías eléctricas y un motor de combustión para su propulsión.

El bus a celdas de combustible emplea una nueva tecnología totalmente

diferente al motor de combustión interna, la que convierte energía química directamente a energía eléctrica usada para mover el vehículo.

6.1.1 Bus diesel avanzado Los buses diesel convencional producen cantidades significativas de emisiones contaminantes especialmente material particulado (MP) y óxidos de nitrógeno (NOx), que causan un deterioro de la calidad del aire y que tienen como consecuencia impactos hostiles en la salud pública. Para reducir estas emisiones, los buses diesel avanzados se están desarrollando con varias tecnologías de control de emisiones. El término "bus diesel avanzado" aquí se refiere a un bus que cumple, al menos, con los estándares de emisiones US 2004/ EU 2005 sin la necesidad de modificaciones. Hay dos tipos de sistemas de componentes que permiten que los buses diesel avanzados produzcan menores emisiones de contaminantes que los buses diesel regular:

1. El sistema de combustión del combustible: tecnologías avanzadas se refieren a la optimización de la combustión, inyección de combustible mejorada y turbo-alimentadores de geometría variable.




2. Dispositivos de control de emisiones de post- tratamiento, incluyendo:

Filtros de particulado diesel (DPFs).

Catalizadores de oxidación diesel (DOCs).

Reducción catalítica selectiva (SCR).

Absorbedores NOx.

Recirculación de gases de escapes (EGR) que extraen una porción de los gases de escape y los usa para modificar el mismísimo proceso de combustión.

Estas tecnologías requieren el uso de diesel de bajo azufre (LSD) para el óptimo rendimiento. Reducción de emisiones Los Estados Unidos (E.U) y la Unión Europea (UE) están introduciendo, sucesivamente, estándares de emisiones más estrictos para motores de vehículos. El cuadro 10 los estándares respecto de los contaminantes más importantes, NOx y MP, para el calendario hasta el 2010. Todas las pruebas se efectúan con el uso de un dinamómetro de motor. Debido a que las condiciones bajo las cuales estos estándares deben cumplirse (procedimiento de prueba) difieren en los E.U. y la UE los valores dados sólo suministran una opinión general de las exigencias legales, no una comparación exacta y directa. Las tecnologías incluyen el uso de una cantidad piloto de combustible antes del evento de inyección principal y dividir la inyección de combustible principal en dos o más eventos. La configuración de la tasa de inyección ha demostrado simultáneamente reducir el NOx en 20% y el MP en 50%, bajo ciertas condiciones de operación. Algunos métodos de inyección de combustible demostraron lograr una efectiva configuración de la tasa, incluyendo el conducto común, la unidad inyectora accionada mecánicamente y controlada electrónicamente, y la unidad inyectora accionada hidráulicamente y controlada electrónicamente.




Cuadro 10. Estándares de emisiones US/UE de NOx y MP79

BUSES ACTUALES A CELDAS DE COMBUSTIBLE

TIPO PAFC Y PEM

ÓXIDOS DE NITRÓGENO (NOX)

G/KWH (G/BHP-HR)

MATERIAL PARTICULADO (MP)

G/KWH (G/BHP-HR)

Año Estados Unidos

Unión Europea

Estados Unidos

Unión Europea

1998 (US 98) 5,3 (4,0)

0,07 (0,05)**

2000 (EURO III)

5,0 (3,8) 0,1 (0,075)

2004 (US 04)*** 3,3 (2,5)* 0,07 (0,05)**

2005 (EURO IV)

3,5 (2,9) 0,02 (0,015)

2007 - 10 (US 07 - 10) 0,27 (0,20)

0,013 (0,01)

2008 (EURO V)

2,0 (1,5)

0,02 (0,015)

*incluyendo 0,67 (0,5) hidrocarburos no metánicos (NMHC) - Los fabricantes tienen la flexibilidad de certificar sus motores a una o dos opciones, siendo la alternativa un límite combinado de 3,2 (2,4) NOx+NMHC ** Estándar MP en uso 0,09 (0,07) *** Como parte de un acuerdo con el gobierno de E.U., la mayoría de los fabricantes diesel debió cumplir con estos estándares en octubre de 2002.

FUENTE. International Energy Agency (IEA) Costo Una estimación aproximada de los costos que aumentan al cumplir con los diferentes estándares de motores se puede ver en el cuadro 11. Debiera observarse que la experiencia típica ha sido que una y otra vez estos costos tienden a bajar a medida que los fabricantes se hacen más expertos en diseñar sus motores y las economías de escalas surten efectos. ____________ 79Página web. http://www.dieselnet.com/standards.htm/. Datos IEA. 2005




Cuadro 11. Costos según Estándares de Emisiones UE año 20008080

ESTÁNDARES DE EMISIÓN ESTIMACIONES DE COSTOS APROXIMADOS

Euro 1 US$ 500

Euro 2 US$ 2.500

Euro 3 US$ 3.500

Euro 4 US$ 4.000

Euro 5 US$ 7.000

FUENTE: US EPA Environmental Protection Agency Costos adicionales que deben considerarse incluyen inspección y mantenimiento, ganancia de economía de combustible y combustible bajo en azufre. Los costos emergentes reales serán una operación de las aplicaciones y situaciones individuales. La US EPA estimó un costo adicional para el combustible de bajo azufre (15 ppm máximo comparado a 500 ppm máximo) en 4 - 5 centavos por galón. 6.1.2 Bus GNC El gas natural (85% a 99% metano) es un combustible fósil, se quema limpiamente, es barato y abundante en muchas partes del mundo. Debido a que el gas natural es, mayoritariamente, metano, los Vehículos a Gas Natural (NGVs) tienen emisiones de hidrocarburos no metánicos mucho menores que los vehículos a gasolina, pero mayores emisiones de metano. Puesto que el sistema de combustible está cerrado, no hay emisiones evaporativas y las emisiones del llenado de combustible son insignificantes. Las emisiones de partidas en frío de los NGVs también son bajas, debido que no se requiere del enriquecimiento en la partida en frío; esto reduce las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV) y CO. Las emisiones NOx de los NGVs no controlados pueden ser mayores ____________ 80Página web. http://www.dieselnet.com/standards.htm/. Datos IEA. 2005




o menores que los vehículos de gasolina comparable o diesel, dependiendo de la tecnología del motor, pero son típicamente un poco menores. Como un sustituto para los motores diesel convencionales con combustible de alto azufre, los NGVs de alguna manera deberían tener menores emisiones de NOx y sustancialmente menores emisiones de MP. Hay tres tipos de vehículos a gas natural, que pueden ser manufacturados específicamente para operar con él o ser convertidos a partir de convencionales:

1. Bio-combustibles, donde el vehículo puede operar con gas natural o gasolina.

2. Combustible -dual, donde el vehículo opera con diesel solamente o diesel y

gas natural, con la combustión del diesel usada para quemar el gas natural. Para más información sobre esta opción, ver la sección "Buses en uso: Conversiones".

3. Dedicados, que operan completamente a gas natural.

La mayoría de los buses a gas natural comprimido (GNC) están equipados con un motor diesel modificado a motor de ignición de chispa que está optimizado para el uso de gas natural. Se instalan cilindros de gas que pueden ser llenados en estaciones de servicios con gas natural comprimido. Tales motores pueden ser de dos tipos básicos:

Estequiométrico - este tipo hace posible el uso de un convertidor catalítico de tres vías como los autos de gasolina común.

Mezcla Pobre (alta proporción aire / combustible: exceso de aire en relación

a la mezcla estequiométrica)– este tipo es 10% - 20% más eficiente en combustible que los motores estequiométricos, pero también tiene mayores emisiones de NOx. Un convertidor catalítico de tres vías es inadecuado, pero pueden usarse catalizadores de oxidación. La gran mayoría de los motores a gas natural de carga pesada son de este diseño.

En general, los buses GNC son entre 17% a 41% menos eficientes en combustible que los buses diesel convencional. Tienen sustancialmente menor autonomía de conducción que los buses diesel - ejemplo: en los buses GNC tienen una autonomía de conducción de 300 millas aproximadas (por cierto, dependiendo de la




capacidad de los cilindros de gas) comparados a un poco más de 400 millas para los buses diesel. Reducción de Emisiones Existe un gran potencial para lograr bajas emisiones cuando el GNC se usa como combustible. Material Particulado (MP): reducciones de 60% a 97% comparadas con buses diesel convencionales con combustible alto en azufre. Aunque los buses diesel avanzados equipados con filtro de particulado diesel y quemando combustible bajo en azufre tienen emisiones comparables, o incluso menores emisiones, de PM que los buses GNC. También debiera observarse que el número de partículas ultrafinas de un bus llenado con GNC puede ser bastante alto, bajo ciertas modalidades de conducción.

Óxidos de Nitrógeno (NOx): reducciones de 25% a 86% comparadas al diesel convencional.

Monóxido de carbono (CO): reducciones de 52% a 84% comparado con

diesel convencional.

Hidrocarburos totales (HC): significativamente mayores para GNC. Sobre el 80% de estas emisiones están compuestas de metano, el cual tiene un bajo potencial para reaccionar en la atmósfera para crear ozono a nivel del suelo (smog de verano), pero es un poderoso gas de invernadero.

Respecto de parámetros adicionales: los vehículos a gas natural tienen

significativamente menores niveles de ruido y vibración del motor.

A menos que estén equipados con un catalizador de oxidación, los vehículos GNC normalmente tienen emisiones de aldehídos mucho mayores que un diesel típico.

Costo Según la International Energy Agency (IEA), al año 2000 un bus GNC tenía un costo de US$ 25.000 a US$ 50.000 más que un bus diesel comparable (menos en países en desarrollo)" Según Cleanairnet, un bus diesel típico tiene un costo entre US$ 250.000 y US$ 275.000, un bus de gas natural entre 15% y 25% (US$ 40.000 a US$ 65.000 aproximadamente) más.




Los costos adicionales incluyen lo siguiente:

El costo incremental de un motor a gas natural y equipamiento asociado (cilindros de gas, cañerías, válvulas, etc) en comparación con un motor diesel equivalente.

El costo relacionado a la infraestructura de combustible requerida para el uso

de GNC o GNL.

El diferencial de costo entre GNC/GNL y combustible diesel.

El costo de operación y manutención relacionado con el uso de vehículos a gas natural en comparación con vehículos diesel.

La compra de buses GNC es más cara que aquella de buses diesel. Los

gastos de operación son significativamente más altos. Los costos exactos dependen de la situación individual.

6.1.3 Bus GLP El GLP se produce en la extracción de líquidos más pesados a partir del gas natural, y como un subproducto en la refinación de petróleo. Actualmente, la oferta de GLP excede la demanda en la mayoría de los países refinadores de petróleo, en consecuencia el precio es bajo comparado con otros hidrocarburos. Sin embargo, dependiendo del escenario, los costos adicionales de transportar y almacenar el GLP pueden más que descompensar esa ventaja. El propano, o gas licuado de petróleo (GLP), es usado en vehículos menores, pero hasta el momento es comparativamente escaso en buses de transporte público de tamaño grande, en contraste con los buses GNC, los cuales son habitualmente más usados en esta categoría. La tecnología de motor para los vehículos GLP es muy similar a aquella de los vehículos a gas natural. Reducción de emisiones Los motores de buses a propano generalmente tienen menores emisiones que sus contrapartes en motores diesel, aunque generalmente no tan bajos como los motores a gas natural o metanol. Según una fuente del Propane Vehicle Council, la estructura molecular simple del propano elimina el material particulado. Además,




buses experimentales a propano operados en una agencia de tránsito con sede en California fueron sometidos a pruebas que indicaron emisiones de óxido de nitrógeno muy bajas. En 1997, un motor de bus GPL con "bajos valores de emisiones” (fuente: Cleanairnet). Tenía emisiones de NOx de menos de 3,7g/bhp-h y emisiones de material particulado de 0,075 g/bhp-h, Según un informe más reciente de la Comisión de Energía de California, dos motores GPL comercialmente disponibles IMPCO y Cummins, han sido certificados a los estándares opcionales de créditos de bajo NOx para carga pesada de California. Costo Alternative Fuels Data Center afirma lo siguiente:

Los costos de propano en las flotas van típicamente de un 5% a 30% menos que los de la gasolina.

El costo de las estaciones de llenado de combustible es similar, o menor que,

el de un sistema dispensador de gasolina de tamaño comparable.

Se requeriría probablemente de servicio y equipamiento de diagnóstico si el acceso a las instalaciones comerciales de manutención de vehículo propano no está disponible.

Los buses GPL tienen un costo mayor que los buses diesel convencionales e incluso avanzados. Adicionalmente la eficiencia del combustible es más pobre con GPL y el alcance de conducción es menor. Los países y las ciudades que han querido bajar a emisiones de estos vehículos GPL, por lo tanto, han tendido a reducir o eliminar el impuesto al combustible GPL para hacer el combustible económicamente competitivo. Debiera observarse que los costos del propano pueden variar ampliamente por país y dentro del país. La International Energy Agency (IEA) presenta la siguiente comparación de costos:




Cuadro 12. Comparación de costos Buses Diesel vs. GNC, GLP año 200081

CATEGORIA COSTO DEL BUS (MILES DE US$) OTROS COSTOS

Bus nuevo diesel producido en países en desarrollo por compañías de buses internacionales que cumplen Euro II

30-150 Algunos costos de recapacitación y posiblemente costos de repuestos más altos

Bus diesel estándar OECD Euro II* 180-350

Diesel con avanzados controles de emisiones

5-10 más que un bus diesel comparable

Si es diesel azufre bajo, hasta10 centavos por litros costo de combustible más alto (para pequeños lotes importados)

Buses GNC, GPL 25-50 más que bus diesel

comparable (menos en países en desarrollo)

Costos de infraestructura de combustible podrían elevarse a varios millones de US$ por ciudad

FUENTE. Datos IEA* Este rango de precios incluyen buses de transporte tanto en Europa como en Norteamérica. Los buses en Europa generalmente son menos caros que en Norteamérica, con los precios en Europa para los buses no articulado generalmente debajo de los US$ 275.000. 6.1.4 Bus etanol El etanol se produce primariamente por la fermentación del almidón de granos (mayormente maíz) o del azúcar de la caña de azúcar. Es más usado comúnmente como un oxigenado en la gasolina reformulada y en una mezcla de gasolina llamada "gasohol". Estos combustibles pueden quemarse en los motores a gasolina. Motores especializados se necesitan para quemar etanol puro. El etanol se considera un buen candidato como combustible alternativo para usarse en los buses de transporte porque es un combustible líquido que tiene varias propiedades físicas y de combustión similares al diesel y a la gasolina. Por ____________ 81Página web. http://www.dieselnet.com/comparaciones.htm/. Datos IEA. 2005




ejemplo, estas propiedades son tan similares que el mismo motor básico y tecnologías de sistemas de combustible pueden usarse tanto para el combustible etanol. Sin embargo, si se usa en su forma pura en vez de en una mezcla con combustibles convencionales, son necesarias ciertas modificaciones al motor. El etanol también puede usarse como combustible en motores con encendido por chispa. El término "bus a etanol" aquí se referirá a un bus que usa combustible diesel y como para el que contenga al menos 85% de etanol y que tiene un motor funcionando según el principio diesel. Debido a que el etanol tiene una menor densidad de energía que el diesel, los buses a etanol tienen una menor autonomía de conducción (en un ciclo de pruebas usado por el fabricante sueco Scania, los buses a diesel y etanol usaron 45 y 80 litros de combustible respectivamente para cubrir 100 kilómetros. Esto lleva al requerimiento de estanques más grandes y más pesados, los que a su vez aumentan el consumo de energía. Reducción de emisiones Los buses a etanol tienen el potencial de emitir menores niveles de ciertos contaminantes que los buses diesel convencional. Según información del fabricante, los buses a etanol pueden cumplir estándares de EURO IV y llegar a reducciones de emisión de 20% o 30% para MP y NOx, comparados con un bus diesel de línea básica que cumpla límites de emisiones EURO III de 5 g/kWh NOx y 0.10 g/kWh MP. De la misma manera, un estudio de NREL concluye que en general los buses probados con etanol parecen emitir niveles significativamente menores de MP que los buses diesel sin trampas de partículas, y niveles similares a los buses diesel equipados con trampas. Además la mayoría de los buses a etanol emitían menores niveles de NOx, aunque ellos tenían emisiones significativamente mayores de HC y CO comparados con los buses diesel. Debiera observarse que en este estudio los resultados de los buses a alcohol variaban considerablemente de lugar en lugar y de bus en bus. Otros estudios confirman que los buses a etanol tienen menores niveles de emisiones MP y NOx, pero en cuanto a CO y HC, hay afirmaciones contradictorias. Costo Los costos increméntales reales al para los buses a etanol al año 2.000 fueron aproximadamente US$ 25.000 a US$ 35.000. (Fuente US-Transit Cooperative




Research Program). Se estimó un costo incremental de US$ 20.000 (en dólares de 1994). Debido al uso limitado de los buses de tránsito a etanol no hay una estimación definitiva de las alzas los costos de mantenimiento. Según un estudio de DOE en 1996, los costos de mantenimiento de los motores de bus a etanol y los sistemas de combustibles fueron significativamente mayores que aquellos de buses diesel. Los precios del etanol son relativamente altos, incluso cuando están exentos de impuesto a los combustibles. Esto, de hecho, ha descartado su uso como combustible de motor, excepto en lugares donde es subsidiado en gran medida, como en Brasil y E.U. 6.1.5 Bus eléctrico Los buses eléctricos usan electricidad por medio de un cable superior (trolebús) o un sistema de almacenamiento a bordo, es decir, una batería. De estos dos, actualmente sólo se discuten los Vehículos Eléctricos a Batería (BEVs). Su principio general es simple: la energía eléctrica - de cualquier fuente - puede almacenarse en baterías a bordo del vehículo. Cuando se requiere, la energía se extrae de las baterías y se transforma en fuerza motriz por el uso de un motor eléctrico. Cuando la energía almacenada se agota, las baterías deben ser recargadas, transfiriendo electricidad hacia ellas. La práctica actual es conectar los buses a una red de generación de electricidad durante la noche. Los vehículos eléctricos a baterías (BEVs) poseen varias ventajas sobre los otros sistemas alternativos de conducción, quizá la más prominente sea que son vehículos verdaderamente de cero emisión local (ZEV: del inglés zero emission vehicle), es decir, no producen emisiones en su lugar de uso. Los buses eléctricos a baterías poseen las siguientes ventajas:

Producen cero emisiones en el lugar de uso.

Pueden utilizar energía renovable (de estaciones de energía).

Son silenciosos y de baja vibración en su operación.




Tienen mayor eficiencia de energía en conducción de detención-partida comparada con los vehículos ICE - internal combustion engine (motor de combustión interna).

Pueden recuperar energía cinética vía frenado regenerativo.

Por otro lado, las desventajas incluyen:

Alto costo capital del vehículo (por ejemplo, debido al alto costo de las baterías).

Autonomía del vehículo limitada debido a la cantidad de energía que puede

almacenarse en las baterías.

Tiempo típico de recarga de batería de 6 a 8 horas (carga lenta).

Masa del vehículo aumentada por el paquete de baterías que eleva la masa del vehículo en 300 a 900 Kg. y, por ende, el consumo de energía.

Potenciales problemas con las emisiones derivadas de la producción

eléctrica, especialmente plantas de energía antiguas que funcionan a carbón. Campo electromagnético.

Requerimientos significativos de espacio para el paquete de baterías. Reducción de emisiones Los vehículos eléctricos a batería no emiten contaminantes en su punto de uso, así contribuyen a la calidad del aire local, lo que hace su uso ideal en áreas densamente pobladas. Por lo tanto, el impacto ambiental de los vehículos eléctricos reside principalmente en la generación de electricidad; a través de ella, por ejemplo, se liberan los gases de efecto invernadero. La exacta naturaleza y extensión de estos impactos depende de los medios de producción de electricidad: si se usa energía renovable, entonces el rendimiento ambiental general de los buses eléctricos será mejor que si se usaran combustibles convencionales. Costo Los buses eléctricos actualmente cuestan aproximadamente 50% a 100% más que sus contrapartes convencionales. Según GAO United States General Accounting Office, la inversión de capital de los buses eléctricos a baterías son sustancialmente mayores que los buses diesel de transporte publico de similar tamaño. Un bus de




transferencia de batería eléctrica de 25 pies es levemente más de dos veces más caro que un modelo diesel comparable cuando el bus eléctrico a batería está equipado con un paquete de baterías de ácido de plomo. Con los buses más grandes de 33 pies, el recargo por costo para los buses eléctricos a batería declina aproximadamente en 33%. Los costos para los buses eléctricos a batería "que pueden diferir de aquellos de los buses de motor diesel incluyen costos de energía, manutención y los de ahorro asociados con menores o mayores disponibilidades de vehículos. Los costos de energía por milla reportados para los buses eléctricos a batería son similares a aquellos para los buses diesel de tamaño parecido" Fuente GAO. Debido a la relativamente limitada experiencia con los buses eléctricos hasta el momento, estimaciones exactas de los costos de manutención, etc son difíciles de obtener. 6.1.6 Bus híbrido Los vehículos eléctricos híbridos (HEV) tienen dos fuentes de energía. Una convierte el combustible en energía usable, y la otra, un motor eléctrico propulsado por un avanzado dispositivo de almacenamiento de energía, disminuye la demanda puesta sobre la primera fuente de poder. Cuando las dos fuentes de poder del HEV están ordenadas en paralelo, una o ambas pueden ser usadas, dependiendo de la situación. El motor eléctrico puede potenciar el HEV por si solo, en la conducción de ciudad o sobre terreno plano. Cuando el híbrido está acelerando y escalando cerros, las dos fuentes de poder pueden trabajar juntas para un rendimiento óptimo. En un híbrido de configuración en serie, un combustible primario es convertido en energía eléctrica por un conjunto generador interno (usualmente, el motor y un motor eléctrico que funcionan como generador). Un bus híbrido usualmente combina un motor de combustión interna de un vehículo convencional con la batería y un motor eléctrico de un vehículo eléctrico. Los HEVs tienen las siguientes partes:

1. Un sistema de almacenamiento de energía. 2. Un generador.




3. Un sistema de propulsión del vehículo. Hay dos configuraciones básicas de HEV

Configuración híbrida de serie: aquí el motor de combustión maneja un generador que alimenta al motor eléctrico o la batería.

Configuración híbrida paralela: aquí, tanto el motor como el motor eléctrico

están unidos a la transmisión de manera que cualquiera de ellos, o ambos al mismo tiempo, puedan proveer la potencia para hacer girar las ruedas.

Ventajas

Los vehículos pueden funcionar en el modo de emisión cero cuando se requieren (ejemplo, en la ciudad).

Los vehículos pueden ser propulsados "convencionalmente", ejemplo, fuera

de la ciudad y cuando se requieren mayores velocidades.

El motor de combustión funciona mayoritariamente bajo condiciones óptimas, de este modo se reducen el consumo de energía y las emisiones.

El motor puede ser reducido en comparación con un tren de conducción convencional con el mismo rendimiento, lo que significa menor peso del motor y mayor eficiencia.

La capacidad de frenado regenerativo ayuda a minimizar la pérdida de

energía y puede recuperar la energía usada para bajar la velocidad de un vehículo.

Autonomía de conducción más larga comparada con la mayoría de los buses

eléctricos a batería.

Desventajas

Equipamiento de dos sistemas lleva a incremento del peso y, por lo tanto, consumo de energía adicional, (aunque normalmente los ahorros de energía del frenado regenerativo y otras características híbridas más que compensan esta penalización.

Dos diferentes sistemas pueden necesitar requerimientos de manutención

adicionales.




Reducción de emisiones Los vehículos eléctricos híbridos diesel ofrecen reducidas emisiones de ciclo de conducción en relación con buses diesel convencional, comparable a lo logrado por los buses GNC y en la mayoría de los casos establecen el punto de referencia en uso. Sólo las emisiones de óxido de nitrógeno de los híbridos fallaron para establecer el punto de referencia en cuando al rendimiento. El proyecto confirmó significativos beneficios de economía de combustible de más de un ciento por ciento en comparación a un bus GNC comparable cuando se operó en severos ciclos de servicios, tales como los buses de New York (fuente Clenairnet). Debido a que los vehículos híbridos tienen el potencial para usar menos combustible, su uso puede también llevar a menores emisiones de gas de efecto invernadero comparados a los buses diesel convencional. Los primeros híbridos en el mercado cortarán las emisiones contaminantes de calentamiento global desde un tercio hasta un 50%, y modelos posteriores pueden cortar las emisiones por un margen mayor. Costo En diciembre de 1999, la NYCT contrató con Orion la compra de 125 buses híbridos a un costo de US$ 385.500 por bus. La cifra excede bastante el precio de un bus diesel estándar, el cual cuesta aproximadamente US$ 270.000, y el más reciente precio de los buses GNC, el cual fue US$ 302.000 en una orden de compra de 125-buses en diciembre de 1999. La NYCT no prevé que el precio de los buses híbridos se aproxime al costo de los buses diesel, pero la agencia dice que el precio debiera bajar al nivel de los buses GNC, ya que la tecnología madura y el volumen de las órdenes de compra aumenta. Críticamente, no son necesarias las modificaciones en las bodegas para los buses eléctricos- diesel híbridos, lo que representa un ahorro de costos espectacular al compararse con el uso de buses GNC. Según Cleanairnet, el costo mayor de los buses híbridos (cerca de 50% más que los buses convencionales), estando en una etapa muy temprana de comercialización, se debe en parte a los siguientes factores:

El sistema de control electrónico.

El paquete de baterías para el almacenamiento de energía.

El motor de conducción eléctrico.




La recuperación de la inversiones de I&D (Investigación y Desarrollo). Electra bus Híbrido de Brasil ha desarrollado un bus híbrido eléctrico diesel relativamente simple que ella estima tiene 20 - 30% menores costos operacionales que un diesel convencional. El consumo de combustible en operación real se encontró que era de 33% a 39% mejor que un diesel convencional con una vida de servicio más larga para el diesel, debido a que opera a una velocidad constante. Las emisiones de NOx son menores que Euro III y las emisiones de MP son menores que Euro V. La International Energy Agency (IEA) da la siguiente tabla de estimaciones de costos

Cuadro 13. Comparación de costos Buses Diesel Vs Eléctricos Híbridos año 200082

CATEGORÍA COSTOS DEL BUS (MILES DE US DÓLARES) OTROS COSTOS


Diesel con controles de emisiones avanzados

5-10 más que diesel comparable

Si es diesel de azufre bajo, hasta 10 centavos por litro más caro en cuanto al costo de combustible (para pequeños lotes importados)

Buses eléctricos híbridos (sobre una base de producción limitada)

100-150 más que un bus diesel (menos en países

desarrollados)

Costos significativos para recapacitar o re entrenar, manutención y repuestos

FUENTE. Datos IEA * Este rango de precios incluye buses de tránsito tanto en Europa como en Norteamérica. Los buses en Europa son generalmente menos caros que en Norteamérica, con los precios en Europa para los buses no articulados generalmente por debajo de los US$ 275.000. ____________ 82Página web. http://www.dieselnet.com/standards.htm/. Datos IEA. 2000




6.1.7 Bus a celda de combustible Léase numerales 1.1.1 y 2.2, para descripción del sistema La International Energy Agency (IEA) da la siguiente comparación de costos: Cuadro 14. Comparación de costos Buses Diesel Vs Celdas combustible año 200083

CATEGORÍA COSTOS DE BUS EN (MILES DE US$) OTROS COSTOS

Bus diesel nuevo fabricado en países en desarrollo por compañías de buses internacionales que cumplen Euro II

30-150 Algunos costos de recapacitación y posiblemente costos de repuestos más altos


Diesel con controles de emisiones avanzados

5-10 más que el bus diesel comparable

Si se trata de diesel de azufre bajo, hasta 10 centavos por litro costo de combustible mayor (para pequeños lotes importados)

Buses de celdas de combustible (sobre una base de producción limitada)

1.000 (1 millón de US$) más que los buses diesel comparable, incluso en los países en desarrollo líderes en esta época

Hasta US$ 5 millones por ciudad para infraestructura que provea combustible y otros costos de sistemas de apoyos**

FUENTE. Datos IEA (1)* Este rango de precios incluye buses de transporte tanto en Europa como en Norteamérica. Los buses en Europa son generalmente menos caros que en Norteamérica con precios en Europa para buses no articulados generalmente bajo los US$ 275.000. ____________ 84Página web. http://www.dieselnet.com/buses.htm/. Datos IEA. 2000




6.2 COSTO INFRAESTRUCTURA DE HIDRÓGENO El cuadro 15 presenta el costo estimado para la infraestructura de hidrógeno instalada en SunLine California, que produce hidrógeno a partir de conversión del Gas Natural. Como esta facilidad es una primera de su clase, las estimaciones deberían considerarse en forma preliminar. El costo de adicionar infraestructura a otra agencia de tránsito podría ser diferente dependiendo de su enfoque, equipamiento específico, el número de buses en servicio, y otros factores. Cuadro 15. Costo de infraestructura de hidrógeno a partir de gas natural instalada en SunLine año 200085

FUENTE. SunLine Transit. ____________ 85Página web. http://www.cleanairnet.org/infopool_es/ /. Datos IEA. 2000

SISTEMA

COMPONENTE

FABRICANTE DE SISTEMA /

MODELO EQUIPO ESTIMADO

COSTO US $

Electrolizador Stuart Energy P3-1A 400 - 600 por kilovatio

Compresor

CompAir Reavell 5000

Incluido en el paquete de Stuart Energy

Reformador Gas

Natural

Hydrogen Burner Technologies

450.000

Producción H2, Limpieza y

Compresión Compresor Pressure Dynamics Incluido en el paquete

de HBT

Transporte en tubería a cilindros (104.000

SCF)

Fiba Technologies

104.000

Almacenaje H2

Cilindros inmóviles No disponible 54.000

Distribución H2 Mezclador y dispensador

Fueling Technologies Inc. HYDH5210

32.000




6.3 COSTO COMBUSTIBLE 6.3.1 Sector gas natural en Colombia primer trimestre 2004 Las empresas transportadoras que forman parte del sistema nacional de transporte de gas combustible son: Empresa Colombiana de Gas EICE ESP- Ecogas, Gasoducto del Tolima S.A. ESP, Promigas S.A. ESP, Promotora de Gases del Sur S.A. ESP, Sociedad Transportadora del Oriente S.A. ESP, Transoccidente S.A. ESP, Transportadora Colombiana de Gas S.A. ESP y Transportadora de Metano S.A ESP. Además se encuentran las nuevas empresas distribuidoras de servicios públicos domiciliaros entre las que se destacan: Promesa S.A ESP: Empresa conformada por los propietarios de los activos existentes en Puente Nacional y que nace para seguir atendiendo el mercado del municipio de Puente Nacional. Espigas S.A ESP: Se constituyó como empresa de servicios públicos para atender el mercado del municipio de Moniquirá. - Proviservicios S.A ESP: Actualmente esta empresa construye las redes del municipio de Miraflores en el departamento de Boyacá; no posee ningún usuario conectado. - Gas Domiciliario de Colombia S.A ESP: Se constituyó como empresa de servicios públicos para atender los municipios de Melgar y Carmen de Apicalá en el departamento del Tolima. 6.3.2 Marco legal La Ley 697 de 2001 declaró asunto de interés social, público y de conveniencia nacional el uso racional y eficiente de la energía, así como el uso de fuentes energéticas no convencionales y en la misma Ley en su artículo 111, en relación con los sistemas integrados de transporte público masivos de alta capacidad, se le entregó la responsabilidad a la Nación de impulsar la utilización de combustibles alternos de bajo nivel contaminante como el gas. El Decreto 802 de 2004 del




Ministerio de Minas y Energía estableció que los productores, transportadores, distribuidores, comercializadores de gas natural y comercializadores de gas natural comprimido ofrecerán características especiales comerciales para los usuarios de gas natural comprimido como combustible en vehículos automotores.

De otra parte, en el mismo Decreto, el Ministerio de Minas y Energía le delegó a la CREG la tarea de dar los incentivos tarifarios para promover el uso de gas natural comprimido de acuerdo con lo de su competencia. En ese sentido, la Comisión de Regulación de Energía y Gas en la sesión 232 de marzo 23 de 2004, puso a consideración el proyecto de circular “Por la cual se da cumplimiento al Artículo 3 del Decreto 802 de 2004 del Ministerio de Minas y Energía, mediante la cual se establecen incentivos para el consumo de Gas Natural Comprimido para uso vehicular. La celda de combustible convierte este gas natural en electricidad y calor por medio de una reacción química (en lugar de un proceso de combustión). Las celdas de combustible evitan la necesidad de construir costosas líneas de transmisión y protegen a los consumidores de interrupciones en la operación. Un beneficio adicional de estas nuevas tecnologías para el uso del gas es que contribuyen al nivel a estabilizar el nivel de demanda de gas. Los picos y valles extremos en el consumo pueden ser suavizados permitiendo un uso más eficiente en los sistemas de entrega. 6.3.3 Precios promedio GNV principales ciudades En el cuadro 16. se presenta los precios promedio en pesos por metro cúbico del GNV para las principales ciudades de Colombia para el ultimo trimestre del 2004 y para los meses de enero y febrero del 2005.




Cuadro 16. Precios promedio GNV principales ciudades de Colombia86

VARIABLE

UNIDAD PRODUCTO GEOGRAFÍA TIEMPO DATO

PRECIOS PROMEDIO PESOS/M3 GNV CALI dic 2003 680

PRECIOS PROMEDIO PESOS/M3 GNV MEDELLIN dic 2003 730

PRECIOS PROMEDIO PESOS/M3 GNV SANTA MARTA dic 2003 640

PRECIOS PROMEDIO PESOS/M3 GNV BUCARAMANGA ene 2004 670

PRECIOS PROMEDIO PESOS/M3 GNV BARRANQUILLA ene 2004 649

PRECIOS PROMEDIO PESOS/M3 GNV BOGOTA D.C ene 2004 732.7

PRECIOS PROMEDIO PESOS/M3 GNV CALI ene 2004 700

PRECIOS PROMEDIO PESOS/M3 GNV MEDELLIN ene 2004 740

PRECIOS PROMEDIO PESOS/M3 GNV SANTA MARTA ene 2004 659

PRECIOS PROMEDIO PESOS/M3 GNV BUCARAMANGA feb 2004 670

PRECIOS PROMEDIO PESOS/M3 GNV BARRANQUILLA feb 2004 649

PRECIOS PROMEDIO PESOS/M3 GNV BOGOTA D.C feb 2004 749

PRECIOS PROMEDIO PESOS/M3 GNV CALI feb 2004 700

PRECIOS PROMEDIO PESOS/M3 GNV MEDELLIN feb 2004 740

PRECIOS PROMEDIO PESOS/M3 GNV SANTA MARTA feb 2004 649

FUENTE. DANE. ____________ 86DANE. Precios promedio GNV principales ciudades de Colombia. Página web DANE. 2005




CAPITULO VII 7. ANÁLISIS ECONÓMICO Se realiza el análisis económico para establecer las bondades financieras del proyecto, valorando económicamente las ventajas y desventajas de su implementación. Tiene como objetivo el decidir si se invierte o no en el proyecto, lo cual, depende de la utilidad que éste brinde en el futuro frente a los ingresos y a las tasas de interés con las que se evalué. Se efectúa mediante el empleo de las herramientas financieras: el costo anual uniforme equivalente (CAUE), el valor presente neto (VPN), el valor presente neto incremental (VPNI), la tasa interna de retorno (TIR), la tasa interna de retorno incremental (TIRI), la relación beneficio costo (B/C) y el periodo de recuperación, entre otras. El estudio de la factibilidad para la implementación de las celdas de combustible en el transporte masivo de pasajeros en Colombia, tema de la presente investigación, debe tener en cuenta los distintos factores que pueden influir en la decisión financiera; fruto del análisis económico del proyecto, como el riesgo inherente al proyecto, el entorno social, político o a la misma naturaleza que circunda el proyecto. En la aplicación de todas las metodologías matemáticas financieras se debe tener cuenta la inversión inicial (C), la vida útil en años (K), el valor de salvamento (S), el costo anual de operación (CAO), el costo anual de mantenimiento (CAM) y los ingresos anuales (IE); como los factores que las estructuran. 7.1 EVALUACIÓN ECONÓMICA En este análisis es necesario obtener y comparar magnitudes, (para esta investigación son los costos y beneficios financieros del proyecto). Los resultados del proceso de la evaluación económica, de cualquier proyecto, deben determinar:

Si el proyecto o programa es el adecuado para lograr las metas trazadas, se debe destacar, la coherencia y la factibilidad de la relación entre los fines y los medios comprometidos.




Si los medios empleados son amplios y suficientes para lograr el fin

propuesto cuando éste ha sido debidamente valorado.

La eficiencia y análisis crítico de los recursos empleados en función de los resultados obtenidos.

El análisis se debe desarrollar, como se mencionó antes, valorando los costos económicos, (equivalente monetario de los bienes y servicios que se consumen durante la ejecución, la puesta en marcha, la operación y las posibles expansiones). Dentro de los costos, están, los costos del tiempo de viaje (CTV) y los costos de operación del vehículo (COV). Junto con los costos inherentes al proyecto, es necesario, estimar el beneficio económico del mismo, el cual es, la diferencia entre los ingresos y los costos obtenidos, por la realización de la actividad económica. 7.1.1 Costo de operación de los vehículos Cada tipo de vehículo establece su propio costo operativo por unidad, es decir, el COV es diferente para automóviles, (ya sean particulares o públicos), busetas y buses de cualquier tamaño, incluyendo los buses articulados. En Colombia el transporte de pasajeros en las carreteras, se desarrolla en su mayoría utilizando buses que utilizan motores convencionales Diesel, por lo cual, el análisis de costos se realiza comparando ésta tecnología con la de celdas de combustible. En el cuadro 13 de la pagina 120, se observa los costos estimados para las tecnologías diesel convencional en comparación de las celdas de combustible. Debido a que hasta el momento sólo existen buses de celdas de combustibles prototipos, ellos son exageradamente costosos. Según la Ficha técnica: “Celdas de Combustible aplicadas al transporte Fuel Cell Fast Sheet”, los buses de celdas de combustible tienen el potencial de hacerse rentables respecto de los buses diesel sobre la base de un ciclo de vida: "comparaciones detalladas de los costos de ciclo de vida totales muestran que los buses de celdas de combustible a hidrógeno, una vez que han logrado sus objetivos de costos de producción en serie y durabilidad, serán más baratos que los trolebuses y dentro de un 30% de los costos de los buses diesel"87. El éxito en reducir los costos depende del avance tecnológico en el funcionamiento de la celda de combustible, logro que están en proceso de investigación.




Es necesario tener en cuenta que la vida útil de las celdas de combustible para los autobuses es en promedio de 5 años. Si el hidrógeno es producido en el sitio mismo, como es el caso que se plantea en el presente estudio, se debe incluir los siguientes componentes:

Un electrolizador o reformador que produzca hidrógeno a través de la electrólisis del agua o la reformación de vapor de gas natural, respectivamente.

Un módulo procesador de hidrógeno y un compresor de hidrógeno.

Tanques de almacenamiento de hidrógeno.

Tecnología de llenado de combustible

En el cuadro 15. (pág. 121) se observa el costo de cada uno de los anteriores elementos. El costo de operación del vehículo (COV), -ya sea de tecnología Diesel convencional o de tecnología de Celda de Combustible- debe tener en cuenta el costo de combustible, el costo de aceite, el costo de neumáticos, costo de operación administración y mantenimiento, el costo de depreciación, costo de tripulación y el costo de administración. 7.1.1.1 Condiciones iniciales del proyecto La evaluación económica está sujeta a unas condiciones iniciales que complementan y definen el horizonte de la misma. Dichos parámetros son: ____________ 87WERNER, Carol. Fuel cell fast. Washington, D.C.: Environmental and Energy Study Institute, 2002. p.3.




La evaluación económica se desarrolla en dólares constantes e igualmente los costos iniciales se determinaran para 1ro de febrero del año 2005.

Los costos de operación y mantenimiento serán asumidos como el 25%88

del costo total del combustible, de acuerdo a estudios realizados en las empresas de transporte urbano en el país por el ministerio de transporte.

7.1.1.2 Características de los vehículos analizados El estudio de factibilidad se dirige hacia vehículos de transporte masivo de pasajeros tales como los autobuses que emplean tecnologías Diesel convencional respecto a Celda de Combustible. 7.1.1.3 Costos de combustible En Colombia el costo del combustible para el motor Diesel actualmente es de US$ 1.1589, es necesario tener presente que, para este combustible ningún impuesto se aplica. Con respecto al combustible empleado por la celda de combustible el costo es de US$ 2.3 por gigajoule90, cuando es extraído del gas natural; la Ecuación 1, que a continuación se presenta, expresa el costo de combustible: $C = $C-A*DPC Ecuación 190

______________ 88DEPARTAMENTO DE ENERGÍA DE LOS ESTADOS UNIDOS. Evaluación de proyectos: Celdas de combustible. Washington, D.C.: Oficina para el uso de tecnologías. 2000. p.11. 89MINISTERIO DE TRANSPORTE DE COLOMBIA. Informe de costos de combustibles. Enero 2005. 90DEPARTAMENTO DE ENERGÍA DE LOS ESTADOS UNIDOS. Evaluación de proyectos: Celdas de combustible. Washington, D.C.: Oficina para el uso de tecnologías. 2000. p.37.




$C = Costo de combustible. Donde: $C-A = Valor del combustible anual. DPC = Demanda promedio de combustible. 7.1.1.4 Costo de aceite Para el aceite lubricante es de US$ 1.91 / Litro91, resultado obtenido después de deducir el impuesto, al valor inicial de US$ 2.45 / Litro. La Ecuación 2 expresa la relación matemática para el costo del aceite. $A =$A-A*DPA Ecuación292

Donde: $A = Costo de aceite. $A-A = Valor del aceite anual. DPA = Demanda promedio de aceite. 7.1.1.5 Costo de neumáticos Para los neumáticos se tiene un costo del 1.5%93 del total de costos de administración, operación y mantenimiento anual del vehículo y se incluye el valor de las ruedas en él, su expresión matemática se determina de acuerdo a la Ecuación 3. $N = $N-A*DP = $AO&M*0.015 Ecuación 394

____________ 91MINISTERIO DE TRANSPORTE DE COLOMBIA. Informe de costos de combustibles. Enero 2005.

92DEPARTAMENTO DE ENERGÍA DE LOS ESTADOS UNIDOS. Evaluación de proyectos: Celdas de combustible. Washington, D.C.: Oficina para el uso de tecnologías. 2000. p.40. 93Ibid., p. 41.

94Ibid., p. 41.




Donde: $N = Costo de neumático. $N-A = Valor de los neumáticos anual. DPN = Demanda promedio de neumáticos. $AO&M = Costo de Operación y Mantenimiento. 7.1.1.6 Costo de operación, administración y mantenimiento Los costos de operación, administración, y mantenimiento ($AOM) serán asumidos como el 25%95 del costo total del combustible, la Ecuación 4 expresa su relación matemática. Los costos AO&M están compuestos por el costo fijo (ecuación 5) y el costo variable, que a su vez relaciona los costos de personal y de insumos, Ecuación 6 y Ecuación 7, respectivamente. $AOM = $C*0.25 Ecuación 496 Donde: $AOM = Costo de administración, operación y mantenimiento. $C = Costo de combustible. $AOM F = $AOM*0.5 Ecuación 597 Donde: $AOM F =Costo operación, administración y mantenimiento fijo. ____________ 95DEPARTAMENTO DE ENERGÍA DE LOS ESTADOS UNIDOS. Evaluación de proyectos: Celdas de combustible. Washington, D.C.: Oficina para el uso de tecnologías. 2000. p.41.

96ibid., p. 41. 97ibid.,p.42.




$AOM VP = $AOM*0.2 Ecuación 698 Donde: $AOM VP = Costo administración, operación y mantenimiento variable asignado al personal. $AOM VI = $AOM*0.3 Ecuación 799

Donde: $AOM VI = Costo administración, operación y mantenimiento variable asignado a los insumos. 7.1.1.7 Costo de depreciación La depreciación es un costo fijo (no efectivo) que representa una estimación de la pérdida de valor de un activo durante un período específico, generalmente un año. Existen varias maneras para calcular la depreciación. Para efectos de la presente investigación, es suficiente considerar el método, denominado depreciación lineal. En la Ecuación 8, se presenta una expresión para calcular el costo de depreciación. Vn - Vr $D = —————— Ecuación 8100 A Donde: $D = Costo de depreciación anual.

____________

98DEPARTAMENTO DE ENERGÍA DE LOS ESTADOS UNIDOS. Evaluación de proyectos: Celdas de combustible. Washington, D.C.: Oficina para el uso de tecnologías. 2000. p.43.

99ibid., p. 42. 100Ibíd., p. 40.




Vn = Valor nuevo. Vr = Valor residual (precio de venta al cumplir al cumplir la vida útil). A = Años útiles. 7.1.1.8 Costo de tripulación Este tipo de costo es el correspondiente, al valor deducido por concepto de capacitación y manejo del vehículo del personal, está implícito en el costo operación, administración y mantenimiento variable asignado al personal ó $OAM VP. 7.1.1.9 Ingresos La generación de electricidad que se obtiene gracias a la implementación de las celdas de combustible en el transporte masivo de pasajeros representa el ahorro en pesos por ser consumida de la red, por lo tanto, es un valor de los ingresos anuales del proyecto. Otro ingreso que se considera en la investigación es el valor histórico por concepto de pasajes en las ciudades estudiadas en los años comprendidos del 2000 al 2004.

7.1.1.10 Resultados De acuerdo con la experiencia del “Programa de demostración de bus de celda de combustible” de la empresa XCELLSIS/Ballard fase 3 en las ciudades de Chicago, en los Estados Unidos de América y en Vancouver, Canada; se establece el costo anual de operación del vehículo COV para los autobuses que utilizan la tecnología de celdas de combustible, respecto de sistema diesel, en el transporte masivo de pasajeros. Información que se observa en el cuadro 17.




Cuadro 17. Comparación económica entre los sistemas que utilizan la tecnología Diesel avanzado y celdas de combustible.

FACTOR POR UNIDAD

DIESEL AVANZADO(MILES DE US$)

CELDA DE COMBUSTIBLE(MILES DE US$)

Impuesto FOB (1.5%) 1.425 15

Terreno 600 1200Infraestructura 1000 5000Vehículo 95 1000

Inversión inicial

SUBTOTAL 1696.425 7215

Costo de Combustible 97.3 2357.5

Costo de Administración, Operación y Mantenimiento 24.325 589

Costo de

operación del vehículo

SUBTOTAL 121.625 2946.5

TOTAL (INVERSIÓN + COV)

1818.05

10161.5

Ahorro de energía 100 35063.25

Pasajes 190000 190000Ingresos

TOTAL

190100

54063.25

7.2 ANÁLISIS FINANCIERO Para determinar la viabilidad del proyecto se emplea el método del Valor Presente Neto (VPN), el método de la Tasa Interna de Retorno (TIR) y, la relación beneficio costo (B/C). Se tendrá en cuenta los siguientes valores, obtenidos a partir de las expresiones matemáticas realizadas anteriormente. $AOM: Costo anual de operación y de mantenimiento, igual a 589,000 dólares . $I: Costo inicial o Inversión inicial, de 10’161,500 dólares.




FNE: Flujo neto de efectivo del periodo n, o Beneficio neto después de impuesto más depreciación, igual a 45’953,762.5 dólares. D: Depreciación igual al 15%. IA: Ingresos anuales. 54’063,250 dólares. K: Vida útil en años, de 20 años. S: Valor de salvamento (25% de la inversión inicial) igual a 2’540,375 dólares. TIO: Tasa interés de oportunidad igual al 18%. 7.2.1 Valor presente neto El método del Valor Presente Neto (VPN) es de fácil aplicación porque los ingresos y egresos futuros se transforman a pesos de hoy, para ver, si los ingresos son mayores que los egresos. Cuando el VPN es menor que cero implica que hay una pérdida a una cierta tasa de interés o por el contrario si el VPN es mayor que cero se presenta una ganancia. Cuando el VPN es igual a cero se dice que el proyecto es indiferente. En la Ecuación 9 se expresa la forma cómo se determina el VPN del proyecto. La condición indispensable para comparar alternativas es que siempre se tome en la comparación igual número de años, pero si el tiempo de cada uno es diferente, se debe tomar como base el mínimo común múltiplo de los años de cada alternativa Al evaluar proyectos con la metodología del VPN se recomienda que se calcule con una tasa de interés superior a la Tasa de Interés de Oportunidad (TIO), con el fin de tener un margen de seguridad para cubrir ciertos riesgos, tales como liquidez, efectos inflacionarios o desviaciones que no se tengan previstas. El valor presente neto es la diferencia entre el valor presente neto de los ingresos y el valor presente de los egresos, en otras palabras:

VPN = Valor presente de los ingresos - Valor presente de los egresos.

VPN = VPNI – VPNE




Para determinar VPNI Y VPNE, se utiliza la ecuación 9. n

Cn = C0 ∑ (1+ i)-n Ecuación 9101 t = 1

Donde : Cn = Fórmula para hallar el valor presente neto. C0 = Valor inicial. n = Periodo. i = Tasa interés de oportunidad anual - TIO. Para una tasa interés de oportunidad anual (TIO) del 18%: 20

VPNI = 54’063,250 *∑ (1+0.18)-20 t = 1

VPNI = 39’472,260.581 dólares 20

VPNE = 10’161,500 *∑ (1+0.18)-20 t = 1

VPNE = 7’419,039.289 dólares

Por tanto:

VPN = VPNI – VPNE = 39’472,260.581 dólares - 7’419,039.289 dólares

VPN = 32’053,221.292 dólares

Otra forma de hallar el VPN es aplicando la ecuación 10 que considera el flujo neto de efectivo del periodo n, el valor de salvamento de los vehículos y, la TIO del proyecto. n FNE S VPN = -$I + ∑——————— + —————— Ecuación 10102 t=1 (1 + TIO)n (1 + TIO)n _______ 101Ecuación de valor presente neto. www.geospoliscom. Análisis financiero.2005. 102Tarquín, Anthony. Ingeniería económica. Cuarta edición. 1999.p. 92.




Donde: FNE = Flujo neto de efectivo del periodo n, o Beneficio neto después de impuesto más depreciación. $I = Inversión Inicial. S = Valor de Salvamento. TIO = Tasa interés de oportunidad anual. 20 45’953,762.5 2’540,375 VPN = -10’161,500 + ∑——————— + —————— t=1 (1.18)20 (1.18)20

VPN = 25'244,681.31 dólares Por tanto, después de remplazar cada uno de los factores anteriores por sus respectivos valores, tenemos que el VPN es igual a 32’053,221.292 Dólares, cuando se aplica la ecuación 9; y de 25'244,681.31 Dólares, cuando se emplea la ecuación 10. 7.2.2 Tasa interna de retorno El Método de la Tasa Interna de Retorno (TIR) consiste en encontrar una tasa de interés en la cual se cumplen las condiciones buscadas en el momento de decidir un proyecto de inversión. Tiene como ventaja frente a otras metodologías como la del Valor Presente Neto (VPN) o el Valor Presente Neto Incremental (VPNI) que se elimina el cálculo de la Tasa de Interés de Oportunidad (TIO). La Tasa Interna de Retorno es aquélla tasa que está ganando un interés sobre el saldo no recuperado de la inversión en cualquier momento de la duración del proyecto. La Ecuación 11 determina la manera de hallar la TIR del proyecto. n FNE S TIR = ∑————— + —————— = 0 Ecuación 11103 t=i (1 + i)n (1 + i)n ____________ 103Ecuación de la tasa interna de retorno. www.geospoliscom. Análisis financiero.2005.




Como desconocemos i de la anterior ecuación, se debe igualar a cero el valor de VPN en la ecuación 9 y así hallar la tasa de interés que ya no se llama TIO. Como resultado tenemos que la TIR es igual al 25.6 %, mayor a la tasa de interés a la cual se ejecución el proyecto (18%), y por tanto, garantiza que la inversión será recuperada. 7.2.3 Relación beneficio / costo Las entidades crediticias internacionales acostumbran a evaluar proyectos y es casi una exigencia que un proyecto con financiación del exterior sea evaluado con el método del Beneficio/Costo. Llevar a cabo un monitoreo es vigilar, que el programa o proyecto no se deteriore integral o parcialmente y se cumpla. Implica determinar puntos en el tiempo para hacer evaluaciones, aunque formalmente, es recomendable una evaluación continua de monitoreo. La relación Beneficio - costo esta representada por la relación: B ∑ VPNI — = ———— Ecuación 12104 C ∑ VPNE B 39’472,260.581 dólares —— = ——————————————— = 5.32% C 7’419,039.289 dólares De acuerdo a la relación de Beneficio – Costo anterior se concluye que por cada dólar invertido en el proyecto se tiene una ganancia de 5.32 %. 7.3 CONCLUSIÓN DE LA EVALUACIÓN ECONÓMICA Los indicadores económicos arrojaron resultados positivos; es decir, el proyecto se debería ejecutar. El anterior resultado no contempla el concepto por reducciones de emisiones bajo el marco legal y comercial del tratado de Kyoto por utilizar una tecnología limpia, lo que aumentaría los beneficios de su implementación. ____________

104Ecuación de la relación Beneficio / costo. www.geospoliscom. Análisis financiero.2005.




8. CONCLUSIONES Aunque la implementación de las celdas de combustible en la electrificación de los vehículos de transporte masivo de pasajeros, aún, está en su etapa de investigación y desarrollo los programas que se están desarrollando en el ámbito internacional demuestran que su rendimiento, es de casi tres veces, más eficiente en comparación con los vehículos de motor de combustión interna. Lo cual, sucede debido a que, para los vehículos accionados con celda de combustible se alcanzan un rendimiento combustible – ruedas del 50%, mientras que, en los vehículos que operan con gasolina es del 16 %. Por tanto, desde el punto de vista técnico, vale la pena realizar el proyecto. La tendencia actual en la mayoría de los fabricantes de vehículos es la utilización de celdas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC). Debido a que, opera, además de con hidrógeno puro, con hidrocarburos reformados sin que sea necesario eliminar el CO2. Razón por la cual, algunos constructores prefieren utilizar hidrógeno como combustible, mientras que otros, metanol para ser reformado a bordo. Las celdas de combustible operan tanto con hidrógeno puro o con combustibles portadores de éste elemento. Por tanto la dependencia que se tiene del petróleo se reduce porque se pude contar con diversos combustibles que contengan hidrógeno. En el caso colombiano se aprovecharía las reservas de gas natural existentes. Una de las ventajas del Hidrógeno es que la obtención de este combustible para vehículos puede ser de distintas fuentes a diferencia de la gasolina y gasóleo de los motores de combustión interna. Por ejemplo de etanol, gas natural, hidrólisis de agua, bio - combustibles etc. De acuerdo a los recursos de que se dispone y a la zona donde se necesite el hidrógeno. La principal ventaja del metanol sobre el hidrógeno es que la infraestructura existente para la distribución de gasolina podría ser fácilmente modificada para la distribución de metanol, e incluso podría servir la misma.




Los buses de celdas de combustibles solo emiten vapor de agua en el punto de uso, por esta razón, son considerados vehículos de emisiones locales cero – ZEVs- las celdas operan silenciosamente, entonces reducen la contaminación por ruido, además el calor subproducto de su trabajo es utilizado para suministrar agua caliente o calefacción. Si para producir hidrógeno se usa fuentes de energía renovables entonces el uso de las celdas de combustible ahorran montos significativos de gases de efecto invernadero en comparación a la combustión de combustibles fósiles. Desde el punto vista medio ambiental, el proyecto debe realizarse porque se reducen drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero y de material particulado. Previniendo de esta forma enfermedades a la población. En Colombia diariamente cerca de once millones de pasajeros, en promedio, se movilizan utilizando el transporte publico. El 37.44 % lo hace en la ciudad de Bogotá D.C. En las ciudades de Cali, Barranquilla, Medellín, Cúcuta, Bucaramanga y Cartagena, se movilizan diariamente en promedio cerca del 42.8 %. En estas ciudades además de presentarse un gran número de usuarios del transporte público se presenta una fuerte contaminación ambiental. Por ende, es en estas ciudades en donde un sistema de transporte masivo de pasajeros basado en el uso de las celdas de combustibles aliviaría en gran medida las consecuencias en la población de los contaminantes producto de la combustion interna de los motores. El alto costo en la inversión inicial en la implementación de las celdas de combustible en el transporte masivo de pasajeros hace necesario que se consideren largos periodos de tiempo (más de veinte años) para efectuar su evaluación económica. Razón por la cual, los capitales de inversión destinados a la investigación y desarrollo provienen de compañías privadas, mientras que, la puesta en marcha y ejecución de los sistemas de transporte es asumida por los gobiernos locales y/o nacionales.




9. RECOMENDACIONES

La comunidad académica del país debe, en asocio con la nación o los gobiernos locales, investigar y desarrollar programas que involucren la electrificación de los vehículos con las celdas de combustible. La evaluación económica de la implementación de las celdas de combustible en el transporte publico se debe realizar teniendo en cuenta las variables por impacto ambiental y social de este tipo de proyectos. Seguir muy de cerca con el programa: “Iniciativa para un aire limpio” del Banco Mundial para América latina. En el cual, se valora los índices de contaminación en las principales ciudades Latinoamericanas, para determinar su impacto en el ambiente. Aprovechar La Ley 697 de 2001 para promover el gas natural comprimido como combustible promotor del Uso Racional y Eficiente de la Energía en el transporte masivo de pasajeros.




BIBLIOGRAFÍA

AGENCIA INTERNACIONAL DE ENERGÍA. Gas en Sudamérica. Washington, D.C., 2002. 258 p. AGENCIA INTERNACIONAL DE ENERGÍA. Transporte sostenible. Washington, D.C., 2001. 26 p. BEER, Tom y GRANT, Tim. Análisis de las emisiones del ciclo de vida de los combustibles alternativos para vehículos pesados. Melbourne. 2000. 148 p. CASTILLO CANO, Ulises. Las celdas de combustible: verdades sobre la generación de electricidad limpia y eficiente vía electroquímica . México D.F.: Boletín iie, 1999. p. 3. COMISIÓN NACIONAL PARA EL AHORRO DE ENERGÍA DE MÉXICO. Ficha técnica: celdas de combustible aplicadas al transporte. Ciudad de México D.F. 2004. 8 p. DEPARTAMENTO DE ENERGÍA DE LOS ESTADOS UNIDOS DE AMÉRICA, Oficina para las tecnologías del transporte. Justo lo básico: celdas de combustible. Washington, D.C., 2000. 22 p. DEPARTAMENTO NACIONAL DE PLANEACIÓN DE COLOMBIA. Guía para la elaboración de indicadores. Bogotá D.C. 2001. 20p. HIRSCHENHOFER, J.H., STAUFFER, D.B., ENGLEMAN, R.R. y KLETT, M.G. Manual de la célula del combustible. 5ta. Edición. Washington, D.C.: Ministerio de Energía - Oficina de Energía Fósil. 2000. p. 1. HUACUZ, Jorge. Generación distribuida con energías renovables: experiencias en México. Cuernavaca. 2002. 32 p. LEONARD, Jonathan y PARISH, Richard. Evaluación de los buses con celdas de combustible de hidrogeno. Sacramento. 1994. 11p. TARQUIN, Anthony. Ingeniería económica. Cuarta edición. 1999.p. 92. WERNER, Carol. Hoja de datos de las celdas de combustible. Washington, D.C., 2001. p. 4




ANEXO A

PROCESO DE OBTENCION DE ELECTRICIDAD DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE

¡Error!

VIELSTICH, Lobo., LAMM, Arnold y GASTEIGER, Hubert. Manual de las células del combustible: Fundamentales, tecnología, usos, sistema. 4ta. Edición. Washington, D.C.: Hardcover. 2003p. 143




ANEXO B

PARTES DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ALCALINA

HIRSCHENHOFER, J.H., STAUFFER, D.B., ENGLEMAN, R.R. y KLETT, M.G. Manual de la célula del combustible. 5ta. Edición. Washington, D.C.: Ministerio de Energía - Oficina de Energía Fósil. 2000. p. 13.




ANEXO C

CELDA DE COMBUSTIBLE DE CARBONATOS FUNDIDOS





ANEXO D

CELDA DE COMBUSTIBLE TIPO PEM





ANEXO E

CELDA COMBUSTIBLE OXIDO SÓLIDO





ANEXO F

CELDA DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO FORMA COMERCIAL

Página web de Ballard power system. http://www.ballard.com/. Información comercial 2005




ANEXO G

MOVIMIENTO DEL PARQUE URBANO AUTOMOTRIZ DE PASAJEROS, SEGÚN CIUDADES Y NIVEL DE SERVICIO I TRIMESTRE (2003-2004)

Ciudades Promedio mensual de vehículos afiliados1

Promedio mensual en vehículos servicio1

Total pasajeros transportados1

2003 2004 VARIACIÓN % 2003 2004 VARIACIÓN

% 2003 2004 VARIACIÓN

%

Total general 48883 48531 -0.72 42412 42636 0.53 998480 962372 -3.62 Armenia 339 335 -1.08 326 325 -0.31 5823 5834 0.20

Barranquilla 4115 4176 1.50 3767 3823 1.50 110046 109790 -0.23

Bogotá D.C 21138 20873 -1.25 17223 17547 1.88 380914 360330 -5.40 Bucaramanga 2007 2010 0.17 1927 1946 0.99 45996 46978 2.14 Cali 4677 4583 -2.02 4157 4032 -3.01 83763 81341 -2.89 Cartagena 1991 1986 -0.23 1894 1885 -0.48 49534 48410 -2.27 Cúcuta 2277 2123 -6.73 1961 1880 -4.11 43346 39390 -9.13 Florencia 150 155 3.56 135 135 -0.25 3247 2855 -12.07 Ibagué 1106 1054 -4.73 1041 949 -8.90 19529 17598 -9.89 Manizales 887 897 1.13 746 750 0.63 19373 20088 3.69 Medellín 3757 3757 -0.02 3541 3534 -0.19 90703 86082 -5.10 Montería 417 429 2.96 314 309 -1.38 9315 7308 -21.54 Neiva 605 637 5.34 511 555 8.54 9972 11027 10.58 Pasto 378 393 3.97 369 381 3.25 8335 8407 0.86 Pereira 1071 1063 -0.68 964 988 2.52 31558 31170 -1.23 Popayán 555 568 2.40 462 485 5.13 8182 7958 -2.73 Quibdo 170 199 16.86 154 171 11.28 2976 3157 6.10 Riohacha 84 78 -7.17 66 50 -24.62 2465 1633 -33.74 Santa Marta 952 956 0.42 900 859 -4.55 36981 35964 -2.75 Sincelejo 263 250 -4.82 204 187 -8.33 4181 3739 -10.57 Tunja 447 486 8.64 420 457 8.89 7591 8866 16.81 Valledupar 444 452 1.80 394 399 1.10 6862 6136 -10.58 Villavicencio 1056 1071 1.42 938 987 5.49 17790 18309 2.92

Fuente DANE 1Incluye buses, busetas y microbuses – colectivos. No incluye Transmilenio. DANE. Transporte urbano automotor en 23 ciudades. Bogotá D.C. Estadísticas oportunas y confiables. 2002. p. 7

estudio de la factibilidad para la implementación de las

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