Con la tecnología de hidrógeno han surgido varios tipos de motores. Por un lado tenemos los vehículos de hidrógeno que usan una célula de combustible para producir la energía necesaria para circular y por otro tenemos los motores de combustión de hidrógeno. Esto genera muchas dudas, pero son muy diferentes.
Deberías conocer cuáles son estas diferencias y el funcionamiento de estas dos vertientes tan extremadamente diferentes, pero que usan el mismo combustible para funcionar…
Vehículos de pila de combustible de hidrógeno
Los vehículos de pila de combustible, también conocidos como FCV o FCEV, son un tipo de vehículo eléctrico que usa una pila de combustible como fuente de la energía que se usa para impulsar sus motores o para almacenar energía en una batería para usarla cuando sea preciso.
Las pilas de combustible generan electricidad usando generalmente oxígeno del aire e hidrógeno comprimido en tanques. No obstante, existen otras pilas de combustible que pueden usar otros elementos para generar la electricidad, pero aquí nos interesa solo las de hidrógeno.
Estos vehículos concentran los contaminantes de producción del hidrógeno en el sitio donde se produce el hidrógeno (o durante el transporte y almacenamiento del hidrógeno, que también puede generar contaminantes por los camiones, y demás motores implicados), si es que no se trata de hidrógeno verde. Es decir, estos vehículos en sí mismos no emiten ningún tipo de contaminante mientras circulan.
Todas las pilas de combustible se componen de tres partes fundamentales:
- Electrolito: es una sustancia que contiene en su composición iones libres, haciendo que se comporte como un conductor eléctrico.
- Ánodo: es un electrodo o borne de la pila que produce una reacción de oxidación mediante la cual pierde electrones. Por tanto, se comporta como un polo positivo.
- Cátodo: es un electrodo o borne de la pila que sufre una reacción de reducción, es decir, una reacción por la cual recibe electrones. Por tanto, se comporta como un polo negativo.
De este modo, una celda de combustible de hidrógeno funciona como una batería convencional, produciendo energía eléctrica para dar energía al motor o almacenarla en una batería. Sin embargo, mientras la batería necesita ser cargada, la pila de combustible se alimentará del combustible, en este caso el hidrógeno.
Mayores retos
Uno de los mayores retos a los que se enfrenta este tipo de vehículo es el hecho de necesitar tanques de almacenamiento muy seguros para soportar grandes presiones y evitar fugas en caso de accidente que podrían generar reacciones muy violentas. Por supuesto, la infraestructura de repostaje tampoco está extendida, y es difícil encontrar puntos de repostaje de hidrógeno.
A todo esto hay que agregar que los primeros diseños de celdas de combustible tenían un servicio de vida reducido, aunque se han hecho algunos avances al respecto. Por ejemplo, las celdas de membrana de electrolito de polímero o PEM, pueden tener hasta 7300 horas en condiciones de ciclo.
Por otro lado, hay que destacar que las celdas de combustible de hidrógeno son relativamente caras de producir, ya que se usan materiales caros como es el platino que actúa como catalizador. Además, el hidrógeno también necesita ser producido y almacenado de forma segura, lo que también encarece esta tecnología. Afortunadamente, en la actualidad se están desarrollando nuevas celdas de combustible de hidrógeno usando nanopartículas, necesitando mucho menos platino y abaratando costes.
Historia
El concepto de celda de combustible fue un fenómeno demostrado por primera vez en 1801, por Humphry Davy. Sin embargo, la invención se le debe a William Grove. Gracias a los experimentos de Grove sobre lo que él denominó «batería voltaica de gas», demostraron que era posible producir energía a partir de gas hidrógeno y oxígeno. Esto fue en 1842 probó que la reacción electroquímica entre el hidrógeno y oxígeno sobre un catalizador de platino.
Más tarde, el ingeniero Francis Thomas Bacon mejoró el trabajo de Grove creando varias celdas de combustible alcalino entre 1939 y 1959. El primer vehículo que usó estas celdas de combustible fue un tractor agrícola Allis-Chalmers modificado de la época, produciendo hasta 15 kW de potencia.
La carrera espacial de la Guerra Fría también supuso un gran impulso para estas tecnologías de células de combustible para ser usadas en misiones espaciales para producir energía eléctrica. Esto supuso un gran avance, usándolo en cápsulas Apolo y módulos lunares, entre otros.
Sin embargo, no sería hasta 1966, cuando General Motors desarrolló el primer vehículo de carretera que usaba pila de combustible. Fue el famoso Chevrolet Electrovan. Este vehículo tenía una celda de combustible PEM y podía recorrer hasta 193 km con una velocidad máxima de 113 Km/h. Se trataba de un biplaza, ya que no había sitio para más, debido a que el combustible necesario era almacenado en dos grandes tánques de hidrógeno y oxígeno que ocupaban la parte trasera de la camioneta. Solo se construyó una única furgoneta, y su precio fue prohibitivo.
En los años 80, las pilas de combustible se retomaron para aplicaciones espaciales, como las incluidas en el transbordador espacial. Pero el cierre del Programa Apolo hizo que muchos expertos en pilas de combustible de la NASA fueran a empresas privadas, donde siguieron sus desarrollos para dar algunos frutos en décadas posteriores.
Vehículo de combustión de hidrógeno
El vehículo con motor de combustión interna de hidrógeno, también denominado por sus siglas en inglés HICEV, es un tipo de vehículo de hidrógeno que no debe confundirse con el que usa pila de combustible. En este caso ya no hablamos de un vehículo eléctrico, sino que se trata de un motor de combustión como los de gasolina o diésel.
Mientras que los vehículos de celdas de combustible usan una reacción electroquímica para producir electricidad y así alimentar motores eléctricos, en los de combustión se usa un ciclo similar a los de combustibles fósiles. De hecho, se trata de una modificación de los motores de combustión interna convencionales.
Solo que, en este caso, en vez de usar aire para aportar oxígeno y combustible para la combustión, se emplea hidrógeno y oxígeno para generar la reacción explosiva que moverá los pistones de los cilindros. La diferencia es que durante esta reacción no se produce CO2, hidrocarburos, ni otras partículas contaminantes en el tubo de escape, como en los combustibles fósiles. En este caso solo se genera agua, por lo que las emisiones de estos vehículos son casi cero.
Y no son totalmente cero por un motivo y es que, mientras que el hidrógeno de los tanques de combustible es puro, en el caso del aire tiene algo más que oxígeno, como bien sabes. Por esto, algunos de esos gases presentes en el aire podrían reaccionar con el hidrógeno y emitir óxidos de nitrógeno o NOx. No obstante, estas emisiones son mucho menos problemáticas que las de otros combustibles.
Emisiones contaminantes y otros problemas
Mientras que estos vehículos tienen la ventaja de no estar limitados por ciclos como los de pila de combustible, además de otras grandes ventajas, siguen teniendo el mismo problema de la fabricación del hidrógeno y el almacenamiento que presentaban los de célula de combustible. Hay que destacar cuáles son las emisiones de estos vehículos.
Pues bien, la combustión de hidrógeno con el oxígeno produce como único producto vapor de agua, que es uno de los gases de efecto invernadero, sin embargo, se puede capturar para almacenarlo y licuarlo en forma de agua cuando se enfría.
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
En cambio, como hemos dicho, el aire tiene algo más que oxígeno. Es aquí donde viene el problema, ya que al combinar hidrógeno y nitrógeno, se pueden producir los famosos NOx que he comentado anteriormente. Es por eso que no se pueden denominar de emisiones cero. Es decir, la fórmula de la reacción química se parecería más a esta otra en la realidad:
H 2 + O 2 + N 2 → H 2 O + NO x
Por otro lado, hay que tener en cuenta que los motores no son perfectos, y un poco de lubricante podría entrar en la cámara de combustión como también sucede en los motores de gasolina o diésel. En este caso, los gases de escape también podrían tener aceite o subproductos del aceite debidos a la combustión.
Además, como indiqué en el primer párrafo de este apartado, el hidrógeno presenta otro problema, y es su almacenamiento seguro. Ten en cuenta que el hidrógeno se inflama con facilidad en comparación con otros combustibles. Por tanto, si el gas hidrógeno se escapa o se produce algún accidente, al entrar en contacto con el aire, se producirá una reacción explosiva muy poderosa.
Adaptación de los motores existentes
Las diferencias de un motor ICE convencional y uno de gasolina o diésel están especialmente centradas en aspectos como:
- Válvulas y asientos de válvula endurecidas.
- Bielas más fuertes que en los motores tradicionales.
- La mezcla de un motor de combustible tendrá una relación aire/combustible del 29% de hidrógeno y 71% de aire, generando una potencia que podría ser hasta un 15% superior a los motores de gasolina, o un 15% inferior, dependiendo del tipo.
- El aire y el combustible (hidrógeno), en este tipo de motores no se mezcla antes, sino que la cámara de combustión estará llena solo con aire y luego se inyectará el hidrógeno en ella. De lo contrario, la explosión sucedería fuera del cilindro.
- Bujías con puntas que no son de platino.
- Bobina de encendido de mayor voltaje.
- Inyectores de combustible que deben ser adaptadas para gas en vez de líquido.
- Amortiguador de cigüeñal más grande.
- Junta de culata más resistente.
- Colector de admisión modificado para el sobrealimentador.
- Sobrealimentador de presión positiva.
- Aceite de motor de alta temperatura.
Es decir, realizando estas modificaciones sobre un motor convencional de gasolina se podría adaptar perfectamente para que funcione con hidrógeno, lo que resulta otra gran ventaja, pudiendo aprovechar la tecnología actual desarrollada para este tipo de motores o para modificar motores de clásicos para que pueda funcionar con un combustible más respetuoso con el medio ambiente.
Historia
Los motores de combustión interna de hidrógeno fueron diseñados por primera vez en 1806 por Francois Isaac de Rivaz. El primero fue conocido como motor De Rivaz, que usaba una mezcla de hidrógeno y oxígeno para funcionar. Más tarde, en 1863, Étienne Lenoir también produjo Hippomobile, otro vehículo de hidrógeno.
En 1970 se produjo también otro acontecimiento importante, y es que Paul Dieges patentó la forma en la que se podían modificar los motores de combustión interna de gasolina para funcionar con hidrógeno. Misma fecha desde que la Universidad de Tokio dio importancia a estos motores y comenzó a desarrollar tecnologías relativas a estos motores e impulsar los vehículos del futuro, tanto coches, como camiones, aviones, barcos, etc.
Como bien sabes, el fabricante japonés Mazda desarrolló un motor tipo Wankel que usaba hidrógeno como combustible. La ventaja de usar esta ICE Wankel es que la modificación que necesita este motor es mucho menor que la que necesitan otros ICE alternativos. También otros fabricantes japoneses se han unido a los coches de hidrógeno, apostando fuerte, como ese el caso de Toyota.
Entre 2005 y 2007, en Europa, también hubo un paso importante, cuando BMW probó su primer automóvil de lujo que funcionaba con hidrógeno. Se trata del modelo BMW Hydrogen 7, que podía alcanzar una velocidad punta de 301 km/h, era más espacioso que otros conceptos anteriores, y tenía una gran autonomía. A partir de aquí, otras industrias europeas comenzaron a hacer lo mismo con sus vehículos industriales y civiles.
Ventajas y desventajas de los motores de hidrógeno
Por supuesto, usar el hidrógeno como combustible tiene sus ventajas y desventajas que vamos a ver aquí:
Ventajas
- Si el hidrógeno es verde, puede ser un combustible muy limpio y respetuoso con el medio ambiente, ya que las emisiones son nulas o casi despreciables, y uno de los productos que se producen tras la reacción es H2O o agua.
- Son motores con tecnologías más eficientes. En casi 200 años de desarrollo este motor ha conseguido conseguir su máximo rendimiento y optimización, con un eficiencia del 80%. Es decir, se utiliza el 80% del hidrógeno para producir tracción. Mientras que en los motores de combustibles fósiles esta eficiencia puede variar entre el 20 y el 40% en muchos casos.
- Puede servir también para transportes pesados como barcos, trenes, etc.
Desventajas
- Si es hidrógeno gris contamina en su producción. Desgraciadamente, un alto porcentaje de hidrógeno actual es gris, ya que es el más barato de producir a través de la quema de combustibles fósiles o gase. No obstante, también existe el hidrógeno azul y el hidrógeno verde, siendo el verde el que se produce con cero emisiones, ya que emplea energías renovables para su producción y es el futuro.
- Es un gas peligroso de manejar. Tanto su almacenamiento como su transporte son peligrosos. Necesita de unos tanques que soporten altas presiones y puedan resistir en accidentes, ya que de lo contrario se producirán reacciones muy violentas en contacto con el aire que podrían terminar con la vida de los tripulantes.
- No existe una gran infraestructura para repostar hidrógeno, como tampoco la hay para los eléctricos enchufables. En este sentido, tienen que avanzar más para ponerse al día con las gasolineras existentes.