Motor de hidrógeno: funcionamiento, tipos, inconvenientes y ventajas

El motor de hidrógeno se mantiene como una de las apuestas para el futuro de la automoción. Su funcionamiento le otorga una serie de ventajas que le permiten seguir a flote a pesar de sus inconvenientes. Por eso, marcas como Toyota, BMW, Mazda, Hyundai y Ford han hecho grandes inversiones en esta tecnología.

En este artículo, vamos a dar un repaso a cómo funciona un motor de hidrógeno, qué tipos hay y cuáles son sus principales pros y contras. De esta manera, se puede entender por qué varias compañías siguen trabajando en él, a pesar de la expansión de los vehículos eléctricos de batería.

Existen dos tipos de motores que emplean hidrógeno, los motores de combustión y los motores de conversión con pila de combustible. Vamos a ver cómo funcionan y que ventajas e inconvenientes tienen cada uno.

Motor de hidrógeno de combustión interna

Estos motores usan el hidrógeno como si fuera gasolina. Es decir, lo queman en unas cámaras de combustión para generar explosiones (energía cinética y calor). Por este motivo, un motor de gasolina convencional puede adaptarse para quemar hidrógeno de la misma forma que se adaptan para el GLP o GNC.

Cómo funciona el motor de hidrógeno de combustión

El funcionamiento de este motor es muy similar al de uno de gasolina. El hidrógeno se usa como combustible y el oxígeno como comburente. La reacción química es iniciada por la chispa, que puede ser producida por unas bujías.

El hidrógeno no tiene ningún átomo de carbono, así que la reacción es la unión de dos moléculas de hidrógeno con una molécula de oxígeno, para liberar energía y agua. Expresado en una ecuación química: 2 H2 + O2 → 2 H2O.

El resultado de su reacción química es simplemente vapor de agua. Sin embargo, los motores de hidrógeno de combustión pueden producir algunas emisiones derivadas de su funcionamiento. Por ejemplo, pequeñas cantidades de NOx, por el aire y el calor de las cámaras de combustión, o emisiones producidas por quemar algo de aceite que traspase los segmentos del pistón.

Como el hidrógeno es un gas, se almacena en un tanque a 700 bares de presión. Lo que supone entre 350 y 280 veces más que las presiones habituales en los neumáticos de un coche (entre 2 y 2,5 bares). Aunque también han existido coches que almacenaban el hidrógeno en estado líquido a muy baja temperatura, como verás más abajo.

Los motores de combustión de hidrógeno ofrecen algunas interesantes ventajas sobre los motores de combustión convencionales. Por ejemplo, teóricamente podrían trabajar con una mezcla muy pobre (Lambda cercano a 2). Es decir, podrían usar poco combustible para aprovechar todo el aire que entra y llegar a ser muy eficientes.

Ejemplos de motor de hidrógeno de combustión

Los BMW 750hl son un buen ejemplo de motor de hidrógeno, que salió a la luz en el año 2000. Aunque en realidad era el motor de gasolina BMW, adaptado para quemar también hidrógeno.

Sin embargo, contaba con varios inconvenientes: el primero, que almacenaba el hidrógeno en estado líquido. Lo que requería de un depósito carísimo hecho de materiales del sector aeroespacial para mantenerlo a temperaturas por debajo de los -250ºC. Algo que solo podía lograr durante 12 ó 14 días, período en el que el hidrógeno se iba evaporando poco a poco y liberándose a la atmósfera de forma segura. El segundo inconveniente es que, al usar hidrógeno, perdía gran parte de su potencia y eficiencia. El posterior BMW Hydrogen 7 de 2005, ya solucionaba en parte estos problemas y llevaba el hidrógeno a 700 bares de presión, sin necesidad de mantenerlo a baja temperatura.

Otro buen ejemplo es el motor de hidrógeno Aquarius. Un motor de combustibles fósiles desarrollado por una empresa israelí, que fue adaptado para usar hidrógeno. La primera versión funcional fue presentada en 2014 y más tarde llegó una versión modificada y mejorada. Según sus desarrolladores, puede funcionar sin aceite que lo lubrique y tiene un sistema de intercambio de gases para reducir las emisiones NOx.

Además, este motor de hidrógeno de combustión es muy ligero y tiene muy pocas piezas, por lo que su producción sería barata. Podría funcionar como extensor de autonomía para coches eléctricos o como generador de electricidad para la red eléctrica.

Motor de hidrógeno de pila combustible

Su nombre completo es motor de hidrógeno de conversión de pila de combustible. A pesar de la palabra «combustible», no queman hidrógeno. Lo usan para producir electricidad mediante un proceso inverso a la electrólisis. Por eso llevan una pila, donde se produce la reacción química.

Funcionamiento de un motor de hidrógeno de pila de combustible

Al igual que en el motor de hidrógeno de combustión, el hidrógeno está almacenado en un tanque a una presión de 700 bares. Solo que en lugar de suministrarlo a un motor, llega a la pila de combustible con un ánodo y un cátodo (como una batería).

Una vez en ella, el hidrógeno (H2) pasa por una membrana, que lo descompone en dos iones de hidrógeno y dos electrones libres. Expresado como ecuación química: H2 → 2H+ y 2e-. Esto ocurre así porque dicha membrana está eléctricamente aislada y permite pasar a los 2H+, pero no permite pasar a los electrones.

Estos electrones pasan del ánodo al cátodo de la pila por un circuito externo, generando así la corriente eléctrica. Los iones de hidrógeno resultantes se unen al oxígeno del aire para formar agua. Expresado como fórmula química: H2 + 1/2 O2 → H2O

Por este motivo, el motor de hidrógeno de pila de combustible sí es cero emisiones, al no tener producción de NOx o gases resultantes de quemar aceite, como sí ocurre en el de combustión.

La membrana utilizada en estos motores es cara porque está hecha de platino. Sin embargo, existen trabajos para solucionar este elevado coste. Por ejemplo, en la Universidad Técnica de Berlín han desarrollado una aleación de hierro que podría abaratar los costes mucho, de poder llevarse a producción.

Ejemplos de coches con motor de hidrógeno de pila de combustible

Éste tipo de motor ha sido el elegido por muchas marcas de automóviles. Por ejemplo, Honda con su Clarity Fuel Cell, o Toyota con el Mirai y otros trabajos en transporte pesado como el camión que funciona con hidrógeno.

A estos hay que sumar el Hyundai Nexo, el Hopium Machina, el Land Rover Defender de hidrógeno, el BMW i Hydrogen NEXT, el Mercedes GLC F-CELL y el camión de la misma marca GenH2.

Inconvenientes del motor de hidrógeno

• Los catalizadores que se emplean en la reacción química de un motor de hidrógeno de pila de combustible son de materiales caros, como el platino. Al menos, hasta que no se sustituya por uno más barato, como el mencionado antes de la Universidad Técnica de Berlín.
• Para obtener el Hidrógeno se ha de llevar a cabo con procesos termoquímicos para los combustibles fósiles o la electrólisis del agua, que necesita un gasto energético. Principal crítica a los motores de hidrógeno, ya que la electricidad podría almacenarse directamente en la batería de un coche eléctrico para usarla.
• Una vez obtenido el hidrógeno, hay que introducirlo a presión en las células o tanques. Un proceso que también requiere un gasto de energía extra.
• Las células de hidrógeno son caras de producir, necesitan ser muy resistentes para soportar las altas presiones a las que hay que almacenar el hidrógeno.

Ventajas del Motor de hidrógeno

• El peso de las células de hidrógeno es menor que el de las baterías de los vehículos eléctricos. Por eso se estudia su uso en el transporte pesado como alternativa a los camiones eléctricos de batería. Para poder cubrir largas distancias, el peso de éstas es muy grande.
• Recargar el hidrógeno es más rápido que cargar la batería de un coche eléctrico a día de hoy.
• Al contrario que un eléctrico de batería, un vehículo con motor de hidrógeno de pila de combustible no necesita una batería de gran tamaño. Por eso requiere menos litio u otros materiales que pueden escasear. Un motor de hidrógeno de combustión, directamente no requiere de una batería de litio u otras similares.
• Las celdas de combustible duran toda la vida útil del coche. Al contrario que las baterías de los eléctricos, que debido a su tamaño y capacidad son muy caras de sustituir. La batería asociada a un motor de hidrógeno es más pequeña y por lo tanto más barata de sustituir.
• En comparación con un motor de combustibles fósiles, los motores de hidrógeno de pila de combustible usan un motor eléctrico, así que son extremadamente silenciosos.

Cómo se reposta el hidrógeno

Los motores de hidrógeno tienen el inconveniente de que su tanque o célula de combustible debe contener el hidrógeno a muy alta presión. Por eso, los puntos de suministro también deben cumplir con los 700 bares de presión que llevan.

Esto requiere la creación de una infraestructura de suministro para poder repostar este tipo de vehículos. Es decir, el mismo problema que tienen los vehículos eléctricos de batería. Sin embargo, la operación de repostaje es mucho más rápida que la de estos, porque es igual a la de los vehículos de GLP o GLC.

Autonomía de un coche de hidrógeno

Los coches actuales con motor de hidrógeno de pila de combustible tienen autonomías similares a los de gasolina. Por ejemplo, el Toyota Mirai anuncia 650 km con la célula llena, el Hyundai Nexo 756 km y el BMW iX5 Hydrogen 700 km.

Otros como el Hopium Machina anuncian una autonomía de 1.000 km, aunque es una cifra que por ahora tiene que confirmarse cuando se produzca. En cualquier caso, la autonomía no es tan importante como en un eléctrico de batería ya que el repostaje es mucho más rápido. Lo que sí hay que tener en cuenta es el número de puntos de repostaje.

¿Es seguro un coche de hidrógeno?

Las marcas llevan años trabajando en este tipo de motores para mejorar su eficiencia, abaratar sus costes y, por supuesto, conseguir que sean tan seguros como los de combustibles fósiles.

Además, los estándares de seguridad exigidos en Europa, EEUU y Japón, son garantía de que los coches con motor de hidrógeno son seguros. Sin ir más lejos, Toyota se jacta de que el tanque del Mirai es tan resistente que es antibalas.

¿Veremos llegar el día en que todos los automóviles sean propulsados por hidrógeno? El tiempo lo dirá. Lo que está claro es que las marcas siguen invirtiendo y que cuenta con algunas ventajas que lo mantienen como una alternativa plausible en el transporte cero emisiones.