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Motores de Hidrogeno
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El Hidrogeno es el
elemento más abundante en el universo. Pero la mayoría de los
átomos del hidrogeno (H2) están unidos con otros átomos
de carbono y/o oxígeno, si queremos tener solo átomos de hidrogeno
tendremos que separarlos y para ello necesitaremos gran cantidad de energía.
En la Tierra el hidrogeno se encuentra mayormente como agua (líquida,
vapor, hielo) o combinado con otros elementos formando compuestos como el metano
o gas natural (CH4), metanol (CH3OH),
etanol (CH3CH2OH) o hidrocarburos
(CnHm).
La manera más fácil
y limpia de obtener hidrogeno es mediante la "electrólisis":
se sumergen dos electrodos en agua, se aplica electricidad y se obtiene gas
hidrógeno del electrodo negativo y oxígeno del positivo. Pero
la electrólisis sólo es económica y limpia cuando la electricidad
que se utiliza sea obtenida por medios que no contaminen el medio ambiente,
lo que quiere decir que no lo es tanto actualmente, ya que la mayoría
de la energía eléctrica que se produce esta basada en la combustión
de combustibles derivados del petróleo, carbón, etc. Se llamaría
Hidrogeno "sucio" al generado por medio de combustibles derivados
de combustibles fósiles.
Sin embargo, el hidrógeno
puro no es la panacea, pues presenta varios problemas. Para empezar, su producción
(la electrólisis) es cara y contaminante, pues requiere mucho consumo
eléctrico y la electricidad actualmente se produce a partir de fuentes
de energía convencionales, como el petróleo, el gas o las centrales
atómicas.
Algunos investigadores sugieren el empleo de la energía eléctrica
producida por energía eólica, solar, hidráulica, etc, que
es limpia. Se podrían colocar equipos de electrólisis al pie de
estas centrales y aprovechar la electricidad excendentaria que producen. Lo
malo es que estas formas de generar energía todavía son minoritarias
para abastecer un futuro parque automovilístico movido por hidrógeno.
La otra forma de conseguir Hidrogeno en este caso el "sucio" seria a partir del proceso de "reformado" (suministrando calor) a derivados del petróleo que tienen alto porcentaje de hidrogeno como citamos anteriormente: metano o gas natural (CH4), metanol (CH3OH), etanol (CH3CH2OH) o hidrocarburos (CnHm).. También se puede utilizar el proceso de "reformado" con combustibles derivados de la Biomasa (Biogas, Bioalcohol), en este caso teniendo en cuenta el medio ambiente, el aprovechamiento energético de la biomasa no contribuye al aumento de los gases de efecto invernadero, dado que el balance de emisiones de CO2 a la atmósfera es neutro, ya que el CO2 generado en la combustión de la biomasa es reciclado mediante la fotosíntesis en el crecimiento de las plantas necesarias para su producción y, por lo tanto, no aumenta la cantidad de CO2 presente en la atmósfera. Podemos decir que el "reformado" es mas barato que la electrólisis y en contra tiene, el ser mas contaminante.
En la figura inferior se esquematiza la forma de obtener H2 a partir de combustibles fósiles, biomasa y agua, utilizando procesos de reformado (suministrando calor) o electrólisis (suministrando energía eléctrica). Desde el punto de vista ambiental, el aprovechamiento energético de la biomasa no contribuye al aumento de los gases de efecto invernadero, dado que el balance de emisiones de CO2 a la atmósfera es neutro. En efecto, el CO2 generado en la combustión de la biomasa es reciclado mediante la fotosíntesis en el crecimiento de las plantas necesarias para su producción y, por lo tanto, no aumenta la cantidad de CO2 presente en la atmósfera. En cambio, el carbono que se libera a la atmósfera al quemar combustibles fósiles es el que está fijo a la Tierra desde hace millones de años.
Celdas de combustible
La celda de combustible es una membrana en la que se mezclan el hidrógeno
y el aire de la atmósfera. De su unión surge una corriente eléctrica
que sirve para mover un motor eléctrico en el caso de los vehículos.
El residuo de la reacción es sólo agua.
La primera celda de combustible
fue construida en 1839 por Sir William Grove, un juez y científico galés
que demostró que la combinación de hidrógeno y oxígeno
generaba electricidad además de agua y calor. El verdadero interés
por la utilización de celdas de combustible como un generador práctico
vino hacia comienzos de los años sesenta de nuestro siglo, cuando el
programa espacial de los Estados Unidos seleccionó las celdas de combustible
para proporcionar electricidad y agua a las naves espaciales Gemini y Apollo.
Hoy en día, la aplicación espacial ya no es la única de
tipo práctico, puesto que las celdas de combustible están atravesando
por un gran momento, al haber alcanzado una etapa tecnológica que les
permite estar en posición de competir cada día más con
las tecnologías convencionales de generación eléctrica,
ofreciendo enormes ventajas sobre ellas, sobre todo en el tema medioambiental.
Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte
la energía química de una reacción directamente en energía
eléctrica. Por ejemplo,
puede generar electricidad combinando hidrógeno y oxígeno electroquímicamente
sin ninguna combustión. Estas celdas no se agotan como lo haría
una batería, ni precisan recarga, ya que producirán energía
en forma de electricidad y calor en tanto se les provea de combustible (hidrogeno).
En la práctica, la corrosión y la degradación de materiales
y componentes de la celda pueden limitar su vida útil. La manera en que
operan es mediante una celda electroquímica consistente en dos electrodos,
un ánodo y un cátodo, separados por un electrólito. El
oxígeno proveniente del aire pasa sobre un electrodo y el hidrógeno
gas pasa sobre el otro.
Cuando el hidrógeno es ionizado en el ánodo se oxida y pierde
un electrón; al ocurrir esto, el hidrógeno oxidado (ahora en forma
de protón) y el electrón toman diferentes caminos migrando hacia
el segundo electrodo llamado cátodo. El hidrógeno lo hará
a través del electrólito mientras que el electrón lo hace
a través de un material conductor externo (carga). Al final de su camino
ambos se vuelven a reunir en el cátodo donde ocurre la reacción
de reducción o ganancia de electrones
del oxígeno gas para formar agua junto con el hidrógeno oxidado.
Así, este proceso produce agua 100% pura, corriente eléctrica
y calor útil, por ejemplo, energía térmica.
Tipos de
celdas de combustible
Las celdas de combustible se clasifican según el tipo de medio conductor
de la carga iónica (electrolito) dentro de la celda. También se
pueden clasificar según la temperatura de trabajo a la que funcionen
La celda alcalina utilizada
por la NASA en los años ‘60 empleaba como electrolito una solución
acuosa concentrada de hidróxido de potasio. En los años ’70,
la empresa DuPont desarrolló un polímero conductor llamado Nafion.
El esqueleto del Nafion es similar al del polímero neutro conocido como
teflón y, como este, posee una alta resistencia química y térmica.
Las cargas móviles positivas (M+) son protones que pueden moverse por
el agua que absorbe el polímero y esto hace que la conductividad de la
membrana sea similar a la de un ácido concentrado.
El Nafion se usa desde entonces como electrolito en electrolizadores y en celdas
de combustible. Estas últimas se denominan celdas de combustible de "membrana
de intercambio de protones" (PEM).
Existen otros tipos de celdas de combustible que no tienen electrolito acuoso. Ellas son las celdas de ácido fosfórico (PAFC) que utilizan el ácido concentrado (exento de agua), las celdas de carbonato fundido (MCFC), que utilizan como electrolito una mezcla eutéctica de carbonatos de sodio, litio y potasio y las celdas de óxido sólido (SOFC), en donde el electrolito es un cerámico conductor de iones óxido. Este tipo de celdas de combustible sobre todo las que trabajan a alta temperatura se utilizan mas para la generación estacionaria de electricidad, o sea, estaciones de generación eléctricas para suministro de edificios de todo tipo y otros servicios. Para la utilización en vehículos y demás elementos móviles se utilizan las celdas del tipo PEM (Membrana de Intercambio Protonico) mencionadas anteriormente.
Los grandes desafíos
Una de los desafíos
que enfrenta los desarrolladores de vehículos a hidrógeno es debido
a su gran densidad en estado líquido, lo que lleva a tener un volumen
superior a la gasolina llegando a ser un 400% mayor.
Todo esto compromete la autonomía del vehículo, pero nuevos avances
en los diseños de los depósitos han ido aumentando la autonomía.
Otro aspecto a tener
en cuenta en la infraestructura disponible para surtir los combustibles a los
automóviles (estaciones de servicio), sin embargo este será un
aspecto que el mismo mercado irá corrigiendo a medida de que el petróleo
sea más escaso y caro.
Motores
de Hidrogeno
Cuando hablamos de motores a hidrógeno tenemos que distinguir básicamente
a dos tipos de motores, el basado en "celdas de combustible" de hidrógeno
que en sí se trata de un "motor eléctrico" que recibe
electricidad de las propias celdas, y el "motor de combustión interna",
similar a los motores convencionales, que logran la fuerza motriz gracias a
la ignición del hidrógeno dentro de la cámara de combustión.
Motor de hidrogeno de
combustión interna
Las celdas de combustible son todavía caras y no son lo suficientemente
fiables (tiempo de funcionamiento limitado). Así que hay fabricantes
como BMW, Mazda, etc. que se han decidido por quemar el hidrogeno dentro de
los motores de combustión interna, estos motores son muy similares a
los convencionales. El H2 es altamente inflamable y se
quema en concentraciones que van desde el cuatro hasta el 74 por ciento, produciendo
algunos óxidos de nitrógeno (NOx), pero sólo algunas trazas
residuales de emisiones de dióxido de carbono e hidrocarburos (debido
a que quema la película de aceite de las paredes de los cilindros). El
H2 se quema limpiamente, pero no a estándares de
cero emisiones. BMW y Mazda creen que se podrían vender motores duales
de combustible y H2 mientras se desarrolla la infraestructura
de surtidores de hidrogeno en los países. BMW comenzó a experimentar
con motores de H2 en 1978 y ha construido flotillas de
demostración. Mazda ha mostrado numerosos conceptos de motor rotativo
(RX8s) de hidrógeno desde 1991.
Los BMW 750hL V12 que se
construyeron en 2000 producían 201 CV con H2, llegando de 0 a 100 km/h
en 9.6 segundos y tenían una autonomía de 289 km con poco menos
de 19L de H2 líquido. El nuevo Valvetronic V-8 genera 181 CV con autonomía
y desempeño similares. (Las variantes de gasolina de estos motores producen
326 y 325 CV, respectivamente.)
Mazda dice que su motor rotativo es inherentemente más adecuado al funcionamiento
con H2. Debido a que la entrada, compresión y combustión suceden
en áreas distintas del rotor, la cámara de entrada permanece más
fría, lo que evita las retroexplosiones. También hay suficiente
espacio para instalar dos inyectores directos de H2. El motor Renesis Hydrogen
RE produce 110 CV con H2 y 210 con gasolina.
BMW apoya la combustión
de hidrógeno en motores convencionales; aunque es la ruta más
rápida a la economía de hidrógeno, la eficiencia es menor,
y la contaminación, mayor al compararse con las celdas de combustible
y el motor eléctrico.
El uso de hidrógeno extiende la vida del motor y reduce el mantenimiento,
ya que no se acumula carbón en la cámara de combustión
ni en las bujías, y los gases resultantes son tan limpios que casi no
se necesita cambiar el aceite del motor (sólo hay que rellenarlo periódicamente).
Estos motores arrancan y funcionan bien a bajas temperaturas, son tolerantes
al hidrógeno "sucio" y serían comparativamente fáciles
de mantener. Ahíse acaban las buenas noticias. Un estudio extenso de
la Universidad Kelo en Japón demuestra que la combustión interna
de hidrógeno está entre las menos eficientes de todas las plantas
motrices de tecnología avanzada, principalmente debido a la gran cantidad
de energía que se requiere para producir y comprimir, o licuar, el hidrógeno.
La más reciente propuesta
de BMW, es el Hydrogen 7, el primer automóvil de hidrógeno de
lujo que prácticamente no tiene emisiones contaminantes y es apropiado
para el uso diario, pero sobretodo con la ventaja de contar con un motor de
combustión bimodo de doce cilindros, que funciona tanto con hidrógeno
como con gasolina convencional, convirtiéndose en un automóvil
que puede funcionar sin estar pendiente del poder repostar hidrogeno en caso
de falta de suministradores de este combustible.
Con motor, chasis
y carrocería basados en los sedanes BMW 760i, el Hydrogen 7 incorpora
un motor de 260 caballos de potencia, con el que es capaz de acelerar en 9,5
segundos de 0 a 100 km/h, y alcanzar una velocidad punta de 230 km/h, limitada
electrónicamente. Indicadores que demuestran que este combustible no
merma el desempeño de vehículos de altas prestaciones.
El motor de combustión bimodo del BMW Hydrogen 7 (figura inferior) es el resultado de un trabajo de desarrollo orientado al futuro pero que ya se torna real. Este impulsor se basa en el propulsor de doce cilindros a gasolina de 6.000 cc, VALVETRONIC, de la serie 7. El torque o par máximo es de 390 Nm, disponible a 4.300 r.p.m. La peculiaridad del motor V12 del BMW Hydrogen 7 consiste en que funciona de modo dual, lo que significa que sus doce cilindros pueden funcionar indistintamente con hidrógeno o con gasolina, lo cual es posible gracias a una nueva tecnología de control que garantiza la misma potencia independientemente del tipo de combustible disponible en el depósito. Uno de los depósitos ofrece capacidad para 8 kilogramos (unos 170 litros) de hidrógeno, y en un depósito convencional caben 74 litros de gasolina.
Funcionando con hidrógeno,
el BMW Hydrogen 7 puede recorrer más de 200 kilómetros y otros
500 kilómetros con el sistema de combustión convencional de gasolina,
es decir que se pueden recorrer muchos kilómetros hasta llegar a la siguiente
gasolinera o a un surtidor de hidrógeno.
Este revolucionario
automóvil tiene casi únicamente emisiones de vapor de agua cuando
funciona con hidrógeno, y la empresa considera que en un futuro se podrán
ofrecer vehículos con motores que únicamente utilicen hidrógeno.
En principio, al repostar
no se diferencia de la utilización del depósito convencional de
gasolina, pues tan solo hay que asegurarse de un acoplamiento hermético,
que evita pérdidas de presión y de frío. Este acoplamiento
es similar al del surtidor de gasolina, lo que significa que el usuario lo introduce
en la boca del depósito aplicando una ligera presión. El bloqueo
del acoplamiento y el rellenado del hidrógeno se realizan de modo automático.
Para abrir y cerrar la tapa del depósito, el conductor no tiene más
que pulsar una tecla que se encuentra en el tablero de instrumentos. El proceso
de repostar concluye en menos de 8 minutos.
El motor de combustión bimodo es más alto debido a las válvulas
de inyección de H2. Utiliza válvulas de inyección (inyectores)
especiales y un conducto de combustible de presión variable.
En el habitáculo los cambios se ven en el tablero de instrumentos donde se encuentran indicadores nuevos relacionados con la utilización de hidrógeno, como el símbolo «H2», que se enciende cuando el motor está funcionando con hidrógeno, además hay un indicador en kilogramos del nivel del depósito de H2 junto al indicador de gasolina. Además, la autonomía total y la reserva disponible se indican por separado para el hidrógeno y la gasolina.
Las modificaciones que más saltan a la vista en el habitáculo se encuentran en la parte posterior, debido al montaje del depósito de hidrógeno (figura inferior) debajo de la bandeja trasera y detrás del banco posterior.
Diversas partes de la carrocería, especialmente desarrolladas para el del BMW Hydrogen 7, son de material sintético reforzado con fibra de carbono combinada con acero, de peso optimizado y, al mismo tiempo, más resistente a los impactos. Esta solución compensa el mayor peso del motor y del sistema de alimentación de combustible y cumple con los criterios de seguridad especiales que plantea este innovador automóvil. Entre otros, los bastidores laterales están reforzados con este material sintético con fibra de carbono. De esta manera, ante un choque el comportamiento del BMW Hydrogen 7 es exactamente igual al del BMW 760Li.
En cuanto a la seguridad,
todos los componentes fueron concebidos de tal manera que cumplan con los estándares
más estrictos. El depósito de hidrógeno líquido
dispone del sistema de gestión del vapor de hidrógeno “boil-off”
y, además, cuenta con dos válvulas que permiten la salida controlada
del hidrógeno al entorno, por ejemplo en caso de haber una presión
excesiva en el depósito (lo que puede suceder en caso de un impacto fuerte).
El depósito como tal, pero también todos los demás componentes
que se ocupan de la alimentación del hidrógeno al motor, son de
doble pared.
Las funciones de seguridad,
especialmente previstas para el BMW Hydrogen 7, consiguen detectar con antelación
cualquier irregularidad y activar las funciones de protección correspondientes.
Por ello, el usuario siempre se mantiene informado sobre cualquier fallo en
el sistema, aunque éste aún no represente peligro alguno.
Actualmente no existen estándares, normas y leyes generales que determinen el uso de vehículos con motor de hidrógeno. También hay diferencias entre los reglamentos que se refieren al uso de garajes. Estas reglas varían de país en país, pero también difieren los criterios aplicados por los propietarios de los estacionamientos públicos. Para evitar confusiones, el BMW Group no permite aparcar los vehículos movidos con hidrógeno en garajes cerrados. Sí está permitido conducir y aparcar en espacios semicerrados, por ejemplo en estacionamientos públicos o atravesando túneles. También se admite el uso de túneles de lavado y parar en garajes individuales no cerrados.
Motor eléctrico
con celdas de combustible
El fabricante Toyota ha logrado la homologación en Japón de un
vehículo híbrido alimentado por celda de combustible que logra
una autonomía de 830 kilómetros, frente a los 330 de la generación
anterior.
El nuevo vehículo, FCHV-adv (Fuel Cell Hybrid Vehicle-Advanced) ha sido
homologado con la nueva celda de combustible, de nuevo diseño y alto
rendimiento, que aún será mejorada en una nueva fase de desarrollo.
El Toyota FCHV-adv ha sido
probado rodando tanto a altas temperaturas como a bajas, a partir de los resultados
proporcionados por estas pruebas, Toyota ha perfeccionado el sistema de celda
de combustible de este vehículo para mejorar la autonomía y el
arranque a bajas temperaturas, que habían frenado hasta ahora el uso
generalizado de los vehículos de celda de combustible.
La unidad esencial
de celda de combustible es el conjunto de electrodos y membrana (MEA, en sus
siglas en inglés), donde el principal problema para los ingenieros fue
el agua que aparecía en el interior y que interfería con la generación
eléctrica dentro del MEA a bajas temperaturas.
Se llevó a
cabo una importante labor de investigación, que incluyó pruebas
de visualización interna, para comprender el comportamiento y la cantidad
del agua generada en la celda de combustible, lo que permitió a los ingenieros
optimizar el diseño del MEA para mejorar el arranque a bajas temperaturas.
Como consecuencia, el Toyota
FCHV-adv puede arrancar y funcionar en zonas frías a temperaturas de
hasta 30 grados bajo cero, lo que significa que el vehículo se puede
utilizar en una mayor variedad de condiciones y climas.
Ello llevó a una mejora de la eficiencia del combustible en un 25%, gracias
al nuevo rendimiento de la celda de combustible, el perfeccionamiento del sistema
de frenado regenerativo y la reducción de la energía consumida
por el sistema auxiliar.
Otras modificaciones introducidas en la versión avanzada del vehículo
son la incorporación de un control de degradación del catalizador
del electrodo y la mayor duración de la celda de combustible.
Los depósitos desarrollados
por Toyota están fabricados en composite, un material muy ligero y extremadamente
resistente. Además, van forrados por dentro con un lienzo de nylon que
evita cualquier filtración del muy volátil hidrógeno. Este
forro permite que el depósito sea menos grueso, con lo que, en el de
35 megapascales, cabe hasta un 10 por ciento más de hidrógeno
comprimido. Así, la autonomía de los coches que empleen este tanque
será más alta.
Con estas soluciones técnicas, Toyota logra solucionar dos de los principales
problemas que presentan los depósitos para hidrógeno: la porosidad
y el excesivo peso que se produce cuando se combate esa porosidad. Estos problemas,
especialmente el del peso, hacía que, hasta ahora, los depósitos
fuesen demasiado aparatosos y acabaran por lastrar las cualidades dinámicas
de los vehículos que los llevaban.
Toyota actualmente con los últimos modelos ha conseguido depósitos de hidrógeno de alta presión a 70 Mpa, con los que el vehículo puede recorrer unos 830 kilómetros sin repostar; es decir, más del doble que el antecesor del Toyota FCHV-adv, el Toyota FCHV.
En la figura inferior podemos ver la sección de un Toyota FCHV-5:
Como conclusión se puede decir que Toyota apuesta por la celda de combustible, sí, pero alimentada directamente por el hidrógeno contenido en depósitos embarcados en el coche. Es decir, descarta otras alternativas, como el "reformado" de combustible, que es la vía que emplean otras compañías. Con el reformado de combustible, lo que se hace es extraer el hidrógeno de la gasolina u otro hidrocarburo y enviar el hidrógeno “arrancado” a la célula de combustible. Este proceso, más barato, también es más contaminante que el empleo de hidrógeno puro.
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