Els motors d'hidrogen segueixen sent una de les apostes de futur de la indústria de l'automoció. El seu funcionament li ha donat una sèrie d'avantatges, mantenint-lo a la superfície malgrat les seves falles. Amb aquesta finalitat, Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford i altres marques han invertit molt en aquesta tecnologia. Els motors que utilitzen hidrogen inclouen motors de combustió interna i motors de conversió de pila de combustible. Moltes persones no coneixen com funciona un motor d'hidrogen i els seus respectius avantatges i desavantatges.
Per això, dedicarem aquest article a explicar-te com funciona un motor d'hidrogen pas a pas, quines són les seves característiques i importància per al món del motor.
Com funciona un motor d'hidrogen de combustió
Aquests motors utilitzen hidrogen com la gasolina. És a dir, ho cremen en una cambra de combustió per crear una explosió (energia cinètica i calor). Per això, els motors de gasolina convencionals poden adaptar-se per cremar hidrogen a més de GLP o GNC.
El funcionament daquest motor és molt similar al dun motor de gasolina. L'hidrogen s'utilitza com a combustible i l'oxigen com a oxidant. La reacció química és iniciada per una espurna i una bugia pot produir una espurna. L'hidrogen no té àtoms de carboni, per tant, la reacció és que dues molècules d'hidrogen es combinen amb una molècula d'oxigen, alliberant energia i aigua.
El resultat de la reacció química és simplement vapor d'aigua. Tot i això, els motors de combustió d'hidrogen generen algunes emissions durant el seu funcionament. Per exemple, petites quantitats de NOx de l'aire i la calor de la cambra de combustió, o emissions en cremar una mica d'oli a través dels anells del pistó.
Com que l'hidrogen és un gas, s'emmagatzema en un tanc amb una pressió de 700 bar. Això és de 350 a 280 vegades més gran que la pressió habitual d'un pneumàtic d'automòbil (2 a 2,5 bar). Tot i que també hi ha cotxes que emmagatzemen hidrogen en forma líquida a molt baixes temperatures, com es mostra a continuació.
Els motors de combustió d'hidrogen ofereixen alguns avantatges interessants sobre els motors de combustió convencionals. Per exemple, teòricament poden utilitzar barreges molt fines (Lambda propera a 2). És a dir, poden utilitzar molt poc combustible per fer servir tot l'aire entrant i tornar-se molt eficients.
Exemple de com funciona un motor hidrogen de combustió
Un bon exemple de motor d'hidrogen és el BMW 750hl, que va sortir al mercat l'any 2000. Tot i que en realitat és un motor de benzina BMW, també és apte per cremar hidrogen.
Tot i això, té diversos inconvenients: primer, emmagatzema hidrogen en forma líquida. Això requereix un tanc molt costós fet de materials del sector aeroespacial per mantenir la seva temperatura per sota de -250ºC. Això només es pot aconseguir d'aquí a 12 o 14 dies, durant el qual l'hidrogen s'evapora gradualment i s'allibera de manera segura a l'atmosfera. El segon desavantatge és que en fer servir hidrogen es perd molta potència i eficiència. El posterior BMW Hydrogen 7 del 2005 va resoldre parcialment aquests problemes i va augmentar la pressió d'hidrogen a 700 bar sense mantenir-lo fred.
Un altre exemple és el motor d'hidrogen Aquarius. Un motor de combustible fòssil desenvolupat per una empresa israeliana adequat per a lús dhidrogen. La primera versió funcional es va introduir el 2014 i des de llavors ha aparegut una versió revisada i millorada. Segons els seus desenvolupadors, pot funcionar sense oli lubricant i compta amb un sistema dintercanvi de gasos per reduir les emissions de NOx.
A més, el motor de combustió interna d'hidrogen és lleuger i té poques peces, de manera que és barat de produir. Es pot utilitzar com a extensor de rang per a vehicles elèctrics o com a generador per a la xarxa.
Com funciona un motor d'hidrogen de pila combustible
El nom complet és un motor d'hidrogen convertit per pila de combustible. Tot i la paraula «combustible», no cremen hidrogen. L'utilitzen per generar electricitat a través del procés invers d'electròlisi. Per això porten bateries per a reaccions químiques, com en un motor de combustió d'hidrogen, on l'hidrogen s'emmagatzema en tancs amb una pressió de 700 bar.
És només que en lloc d'alimentar-lo al motor, passa per l'ànode i el càtode (com una bateria) fins a la cel·la de combustible. Un cop allà, el gas hidrogen (H2) travessa la membrana i el descompon en dos ions d'hidrogen. Hidrogen i dos electrons lliures. Aquests electrons passen de l'ànode al càtode de la bateria mitjançant un circuit extern, creant un corrent elèctric. Els ions d'hidrogen produïts es combinen amb l'oxigen de l'aire per formar aigua.
Per aquest motiu, un motor de pila de combustible d'hidrogen és zero emissions, ja que no produeix NOx ni els gasos que es produeixen en cremar oli com un motor de combustió interna. Els diafragmes usats en aquests motors estan fets de platí i són cars. No obstant, hi ha feina per abordar aquest alt cost. Per exemple, a la Universitat Tècnica de Berlín han desenvolupat una ferroaliatge que, si es posés en producció, podria reduir molt els costos.
Desavantatges dels motors d'hidrogen
- Els catalitzadors utilitzats en les reaccions químiques dels motors de pila de combustible dhidrogen estan fabricats amb materials cars, com el platí. Almenys fins que sigui reemplaçat per una alternativa més econòmica, com l'esmentada a TU Berlin.
- Per a l'obtenció d'hidrogen s'ha de fer per processos termoquímics dels combustibles fòssils o per electròlisi de l'aigua, cosa que requereix un consum energètic. La principal crítica als motors dhidrogen, perquè lelectricitat es pot emmagatzemar directament a la bateria dun vehicle elèctric per al seu ús.
- Un cop obtingut l'hidrogen, s'ha d'introduir a una cel·la o dipòsit a pressió. Aquest procés també requereix una despesa energètica addicional.
- Les bateries d'hidrogen són costoses de produir i han de ser molt duradores per suportar les altes pressions amb què s'ha d'emmagatzemar l'hidrogen.
Avantatges dels motors d'hidrogen
- Les bateries dhidrogen són més lleugeres que les bateries dels vehicles elèctrics. És per això que se n'està investigant l'ús en el transport pesant com a alternativa als camions elèctrics a bateria. Per poder cobrir grans distàncies són molt pesats.
- Avui dia, carregar hidrogen és més ràpid que carregar la bateria dun cotxe elèctric.
- A diferència dels vehicles elèctrics de bateria, els vehicles dhidrogen amb pila de combustible no requereixen bateries grans. Per tant, requereix menys liti o altres materials que poden escassejar. Els motors de combustió interna dhidrogen no requereixen directament bateries de liti o altres bateries similars.
- Les piles de combustible poden perllongar la vida útil dun cotxe. A diferència de les bateries, que són costoses de reemplaçar a causa de la seva mida i capacitat. Les bateries associades amb els motors dhidrogen són més petites i, per tant, menys costoses de reemplaçar.
- En comparació amb els motors de combustibles fòssils, els motors dhidrogen amb pila de combustible utilitzen motors elèctrics i, per tant, són molt silenciosos.
Autonomia
El desavantatge dels motors d'hidrogen és que els seus tancs o cel·les de combustible han de contenir hidrogen a pressions molt altes. Per això, el punt de subministrament també ha de complir amb la pressió de 700 bars que suporta.
Això requereix construir una infraestructura de proveïment per poder proveir aquest tipus de vehicles. Dit això, té els mateixos problemes que els vehicles elèctrics purs. Tot i això, l'operació de proveïment és molt més ràpida que aquests, ja que és el mateix que un vehicle GLP o GLC.
Els automòbils actualment equipats amb motors de pila de combustible d'hidrogen tenen una autonomia semblant a la gasolina. Per exemple, el Toyota Mirai va anunciar 650 km amb la bateria plena, el Hyundai Nexo 756 km i el BMW iX5 Hydrogen 700 km.
Altres com l'Hopium Machina han anunciat una autonomia de 1.000 km, encara que ara caldrà confirmar aquesta xifra quan passi. En qualsevol cas, l'autonomia no és tan important com la bateria, perquè el proveïment és molt més ràpid. El que cal tenir en compte és el nombre de punts de combustible.
Són segurs?
Les marques fa anys que treballen en aquest tipus de motors per millorar la seva eficiència, reduir costos i, per descomptat, fer-los tan segurs com els que funcionen amb combustibles fòssils.
A més, els estàndards de seguretat exigits per Europa, els Estats Units i el Japó són la garantia de la seguretat dels vehicles propulsats per hidrogen. No cal dir que Toyota promociona que el tanc de benzina del Mirai és prou resistent per ser a prova de bales.
Veurem un dia que tots els cotxes funcionin amb hidrogen? El temps ho demostrarà tot. És clar que les marques continuen invertint i tenen alguns avantatges que el converteixen en una alternativa raonable al transport de zero emissions.
Espero que amb aquesta informació pugueu conèixer més sobre com funciona un motor d'hidrogen, les seves característiques, avantatges i inconvenients.