Amb l' tecnologia d'hidrogen han sorgit diversos tipus de motors. D'una banda tenim els vehicles d'hidrogen que usen una cèl·lula de combustible per produir l'energia necessària per circular i de l'altra tenim els motors de combustió d'hidrogen. Això genera molts dubtes, però són molt diferents.
Hauries de conèixer quines són aquestes diferències i el funcionament d'aquests dos vessants tan extremadament diferents, però que usen el mateix combustible per funcionar…
Vehicles de pila de combustible d'hidrogen
Els vehicles de pila de combustible, també coneguts com a FCV o FCEV, són un tipus de vehicle elèctric que utilitza una pila de combustible com a font de l'energia que s'usa per impulsar els seus motors o per emmagatzemar energia en una bateria per utilitzar-la quan calgui.
Les piles de combustible generen electricitat usant generalment oxigen de l'aire i hidrogen comprimit en tancs. No obstant això, hi ha altres piles de combustible que poden fer servir altres elements per generar l'electricitat, però aquí només ens interessa les d'hidrogen.
Aquests vehicles concentren els contaminants de producció de l'hidrogen al lloc on es produeix l'hidrogen (o durant el transport i l'emmagatzematge de l'hidrogen, que també pot generar contaminants pels camions, i altres motors implicats), si és que no es tracta d'hidrogen verd. És a dir, aquests vehicles en si mateixos no emeten cap tipus de contaminant mentre circulen.
Totes les piles de combustible es componen de tres parts fonamentals:
- electròlit: és una substància que conté en la seva composició ions lliures, fent que es comporti com a conductor elèctric.
- Ànode: és un elèctrode o born de la pila que produeix una reacció d'oxidació mitjançant la qual perd electrons. Per tant, es comporta com un pol positiu.
- Càtode: és un elèctrode o born de la pila que pateix una reacció de reducció, és a dir, una reacció per la qual rep electrons. Per tant, es comporta com un pol negatiu.
D'aquesta manera, una cel·la de combustible d'hidrogen funciona com una bateria convencional, produint energia elèctrica per donar energia al motor o emmagatzemar-la a una bateria. Tot i això, mentre la bateria necessita ser carregada, la pila de combustible s'alimentarà del combustible, en aquest cas l'hidrogen.
Majors reptes
Un dels majors reptes a què s'enfronta aquest tipus de vehicle és el fet de necessitar tancs d'emmagatzematge molt segurs per suportar grans pressions i evitar fuites en cas d'accident que podrien generar reaccions molt violentes. Per descomptat, la infraestructura de proveïment tampoc no està estesa, i és difícil trobar punts de proveïment d'hidrogen.
A tot això cal afegir que els primers dissenys de cel·les de combustible tenien un servei de vida reduït, encara que s'han fet alguns avenços sobre això. Per exemple, les cel·les de membrana d'electròlit de polímer o PEM poden tenir fins a 7300 hores en condicions de cicle.
D'altra banda, cal destacar que les cel·les de combustible d'hidrogen són relativament cares de produir, ja que es fan servir materials cars com és el platí que actua com a catalitzador. A més, l'hidrogen també necessita ser produït i emmagatzemat de manera segura, cosa que també encareix aquesta tecnologia. Afortunadament, actualment s'estan desenvolupant noves cel·les de combustible d'hidrogen usant nanopartícules, necessitant molt menys platí i abaratint costos.
Història
El concepte de cel·la de combustible va ser un fenomen demostrat per primera vegada el 1801, per Humphry Davy. No obstant això, la invenció es deu a William Grove. Gràcies als experiments de Grove sobre el que ell va anomenar «bateria voltaica de gas», van demostrar que era possible produir energia a partir de gas hidrogen i oxigen. Això va ser el 1842 va provar que la reacció electroquímica entre l'hidrogen i l'oxigen sobre un catalitzador de platí.
Més tard, l'enginyer Francis Thomas Bacon va millorar el treball de Grove creant diverses cel·les de combustible alcalí entre 1939 i 1959. El primer vehicle que va fer servir aquestes cel·les de combustible va ser un tractor agrícola Allis-Chalmers modificat de l'època, produint fins a 15 kW de potència.
La carrera espacial de la Guerra Freda també va suposar un gran impuls per a aquestes tecnologies de cèl·lules de combustible per ser usades en missions espacials per produir energia elèctrica. Això va suposar un gran avenç, usant-ho en càpsules Apol·lo i mòduls lunars, entre altres.
No obstant això, no seria fins al 1966, quan General Motors va desenvolupar el primer vehicle de carretera que feia servir pila de combustible. Va ser el famós Chevrolet Electrovan. Aquest vehicle tenia una cel·la de combustible PEM i podia recórrer fins a 193 km amb una velocitat màxima de 113 km/h. Es tractava d'un biplaça, ja que no hi havia lloc per a més, perquè el combustible necessari era emmagatzemat en dos grans tancs d'hidrogen i oxigen que ocupaven la part del darrere de la camioneta. Només es va construir una única furgoneta, i el preu va ser prohibitiu.
Als anys 80, les piles de combustible es van reprendre per a aplicacions espacials, com les incloses en el transbordador espacial. Però el tancament del Programa Apol·lo va fer que molts experts en piles de combustible de la NASA anessin a empreses privades, on van seguir els seus desenvolupaments per donar alguns fruits en dècades posteriors.
Vehicle de combustió d'hidrogen
El vehicle amb motor de combustió interna d'hidrogen, també denominat per les sigles en anglès HICEV, és un tipus de vehicle d'hidrogen que no ha de confondre's amb el que usa pila de combustible. En aquest cas ja no parlem d'un vehicle elèctric, sinó que és un motor de combustió com els de benzina o dièsel.
Mentre que els vehicles de cel·les de combustible usen una reacció electroquímica per produir electricitat i així alimentar motors elèctrics, en els de combustió es fa servir un cicle similar als de combustibles fòssils. De fet, és una modificació dels motors de combustió interna convencionals.
Només que, en aquest cas, en comptes de fer servir aire per aportar oxigen i combustible per a la combustió, s'empra hidrogen i oxigen per generar la reacció explosiva que mourà els pistons dels cilindres. La diferència és que durant aquesta reacció no es produeix CO2, hidrocarburs, ni altres partícules contaminants al tub d'escapament, com als combustibles fòssils. En aquest cas només es genera aigua, per la qual cosa les emissions d'aquests vehicles són gairebé zero.
I no són totalment zero per un motiu i és que, mentre que l'hidrogen dels tancs de combustible és pur, en el cas de l'aire té alguna cosa més que oxigen, com ja saps. Per això, alguns d'aquests gasos presents a l'aire podrien reaccionar amb l'hidrogen i emetre òxids de nitrogen o NOx. Tot i això, aquestes emissions són molt menys problemàtiques que les d'altres combustibles.
Emissions contaminants i altres problemes
Mentre que aquests vehicles tenen l'avantatge de no estar limitats per cicles com els de pila de combustible, a més d'altres grans avantatges, continuen tenint el mateix problema de la fabricació de l'hidrogen i l'emmagatzematge que presentaven els de cèl·lula de combustible. Cal destacar quines són les emissions d‟aquests vehicles.
Doncs bé, la combustió d'hidrogen amb l'oxigen produeix com a únic producte vapor d'aigua, que és un dels gasos defecte hivernacle, però, es pot capturar per emmagatzemar-lo i liquar-lo en forma daigua quan es refreda.
2H 2 +O 2 → 2 hores 2 O
En canvi, com hem dit, l'aire té alguna cosa més que oxigen. És aquí on ve el problema, ja que en combinar hidrogen i nitrogen, es poden produir els famosos NOx que he comentat anteriorment. És per això que no es poden anomenar emissions zero. És a dir, la fórmula de la reacció química s'assemblaria més a aquesta altra a la realitat:
H 2 +O 2 +N 2 → H 2 O + NO x
D'altra banda, cal tenir en compte que els motors no són perfectes, i una mica de lubricant podria entrar a la cambra de combustió com també passa als motors de gasolina o dièsel. En aquest cas, els gasos de fuita també podrien tenir oli o subproductes de l'oli deguts a la combustió.
A més, com vaig indicar al primer paràgraf d'aquest apartat, el hidrogen presenta un altre problema, i és el seu emmagatzematge segur. Tingueu en compte que l'hidrogen s'inflama amb facilitat en comparació amb altres combustibles. Per tant, si el gas hidrogen s'escapa o es produeix algun accident, en entrar en contacte amb l'aire, hi haurà una reacció explosiva molt poderosa.
Adaptació dels motors existents
Els diferències d'un motor ICE convencional i un de benzina o dièsel estan especialment centrades en aspectes com:
- Vàlvules i seients de vàlvula endurides.
- Bieles més fortes que als motors tradicionals.
- La barreja d'un motor de combustible tindrà una relació aire/combustible del 29% d'hidrogen i el 71% d'aire, generant una potència que podria ser fins a un 15% superior als motors de gasolina, o un 15% inferior, depenent del tipus .
- L'aire i el combustible (hidrogen), en aquest tipus de motors no es barreja abans, sinó que la càmera de combustió estarà plena només amb aire i després s'hi injectarà l'hidrogen. Si no, l'explosió succeiria fora del cilindre.
- Bugies amb puntes que no són de platí.
- Bobina d'encesa de més voltatge.
- Injectors de combustible que han de ser adaptades per a gas en comptes de líquid.
- Amortidor de cigonyal més gran.
- Junta de culata més resistent.
- Col·lector d'admissió modificat per al sobrealimentador.
- Sobrealimentador de pressió positiva.
- Oli de motor d´alta temperatura.
És a dir, realitzant aquestes modificacions sobre un motor convencional de gasolina es podria adaptar perfectament perquè funcioni amb hidrogen, cosa que resulta un altre gran avantatge, podent aprofitar la tecnologia actual desenvolupada per a aquest tipus de motors o per modificar motors de clàssics perquè pugui funcionar amb un combustible més respectuós amb el medi ambient.
Història
Els motors de combustió interna d'hidrogen van ser dissenyats per primera vegada el 1806 per Francois Isaac de Rivaz. El primer va ser conegut com a motor De Rivaz, que usava una barreja d'hidrogen i oxigen per funcionar. Més tard, el 1863, Étienne Lenoir també va produir Hippomobile, un altre vehicle d'hidrogen.
El 1970 es va produir també un altre esdeveniment important, i és que Paul Dieges va patentar la forma en què es podien modificar els motors de combustió interna de benzina per funcionar amb hidrogen. Mateixa data des que la Universitat de Tòquio va donar importància a aquests motors i va començar a desenvolupar tecnologies relatives a aquests motors i impulsar els vehicles del futur, tant cotxes, com camions, avions, vaixells, etc.
Com bé saps, el fabricant japonès Mazda va desenvolupar un motor tipus Wankel que usava hidrogen com a combustible. L'avantatge de fer servir aquesta ICE Wankel és que la modificació que necessita aquest motor és molt menor que la que necessiten altres ICE alternatius. També altres fabricants japonesos s?han unit als cotxes d?hidrogen, apostant fort, com aquest el cas de Toyota.
Entre el 2005 i el 2007, a Europa, també hi va haver un pas important, quan BMW va provar el seu primer automòbil de luxe que funcionava amb hidrogen. Es tracta del model BMW Hydrogen 7, que podia assolir una velocitat punta de 301 km/h, era més espaiós que altres conceptes anteriors, i tenia una gran autonomia. A partir d'aquí, altres indústries europees van començar a fer el mateix amb els vehicles industrials i civils.
Avantatges i desavantatges dels motors d'hidrogen
Per descomptat, utilitzar l'hidrogen com a combustible té els seus avantatges i desavantatges que veurem aquí:
Avantatges
- Si l'hidrogen és verd, pot ser un combustible molt net i respectuós amb el medi ambient, ja que les emissions són nul·les o gairebé menyspreables, i un dels productes que es produeixen després de la reacció és H2O o aigua.
- Són motors amb tecnologies més eficients. En gairebé 200 anys de desenvolupament, aquest motor ha aconseguit aconseguir el seu màxim rendiment i optimització, amb una eficiència del 80%. És a dir, es fa servir el 80% de l'hidrogen per produir tracció. Mentre que als motors de combustibles fòssils aquesta eficiència pot variar entre el 20 i el 40% en molts casos.
- Pot servir també per a transports pesants com vaixells, trens, etc.
Desavantatges
- Si és hidrogen gris, contamina en la seva producció. Malauradament, un alt percentatge d'hidrogen actual és gris, ja que és el més barat de produir a través de la crema de combustibles fòssils o de gase. No obstant això, també hi ha l'hidrogen blau i l'hidrogen verd, sent el verd el que es produeix amb zero emissions, ja que utilitza energies renovables per a la seva producció i és el futur.
- És un gas perillós de manejar. Tant l'emmagatzematge com el transport són perillosos. Necessita uns tancs que suportin altes pressions i puguin resistir en accidents, ja que altrament es produiran reaccions molt violentes en contacte amb l'aire que podrien acabar amb la vida dels tripulants.
- No hi ha una gran infraestructura per proveir hidrogen, com tampoc n'hi ha per als elèctrics endollables. En aquest sentit, han d'avançar més per posar-se al dia amb les benzineres existents.