Los motores de hidrógeno siguen siendo una de las apuestas de futuro de la industria de la automoción. Su funcionamiento le ha dado una serie de ventajas, manteniéndolo a flote a pesar de sus fallas. Con este fin, Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford y otras marcas han invertido mucho en esta tecnología. Los motores que utilizan hidrógeno incluyen motores de combustión interna y motores de conversión de pila de combustible. Muchas personas no conocen cómo funciona un motor de hidrógeno y sus respectivas ventajas y desventajas.
Por ello, vamos a dedicar este artículo a contarte cómo funciona un motor de hidrógeno paso a paso, cuáles son sus características e importancia para el mundo del motor.
Cómo funciona un motor de hidrógeno de combustión
Estos motores utilizan hidrógeno como la gasolina. Es decir, lo queman en una cámara de combustión para crear una explosión (energía cinética y calor). Por esta razón, los motores de gasolina convencionales pueden adaptarse para quemar hidrógeno además de GLP o GNC.
El funcionamiento de este motor es muy similar al de un motor de gasolina. El hidrógeno se utiliza como combustible y el oxígeno como oxidante. La reacción química es iniciada por una chispa y una bujía puede producir una chispa. El hidrógeno no tiene átomos de carbono, por lo que la reacción es que dos moléculas de hidrógeno se combinan con una molécula de oxígeno, liberando energía y agua.
El resultado de su reacción química es simplemente vapor de agua. Sin embargo, los motores de combustión de hidrógeno generan algunas emisiones durante su funcionamiento. Por ejemplo, pequeñas cantidades de NOx del aire y el calor de la cámara de combustión, o emisiones al quemar algo de aceite a través de los anillos del pistón.
Como el hidrógeno es un gas, se almacena en un tanque con una presión de 700 bar. Esto es de 350 a 280 veces mayor que la presión habitual de un neumático de automóvil (2 a 2,5 bar). Aunque también hay coches que almacenan hidrógeno en forma líquida a muy bajas temperaturas, como se muestra a continuación.
Los motores de combustión de hidrógeno ofrecen algunas ventajas interesantes sobre los motores de combustión convencionales. Por ejemplo, teóricamente pueden usar mezclas muy finas (Lambda cercana a 2). Es decir, pueden usar muy poco combustible para usar todo el aire entrante y volverse muy eficientes.
Ejemplo de cómo funciona un motor hidrógeno de combustión
Un buen ejemplo de motor de hidrógeno es el BMW 750hl, que salió al mercado en el año 2000. Aunque en realidad es un motor de gasolina BMW, también es apto para quemar hidrógeno.
Sin embargo, tiene varios inconvenientes: primero, almacena hidrógeno en forma líquida. Esto requiere un tanque muy costoso hecho de materiales del sector aeroespacial para mantener su temperatura por debajo de -250ºC. Esto solo se puede lograr dentro de 12 o 14 días, tiempo durante el cual el hidrógeno se evapora gradualmente y se libera de manera segura a la atmósfera. La segunda desventaja es que al usar hidrógeno se pierde mucha potencia y eficiencia. El posterior BMW Hydrogen 7 de 2005 resolvió parcialmente estos problemas y aumentó la presión de hidrógeno a 700 bar sin mantenerlo frío.
Otro buen ejemplo es el motor de hidrógeno Aquarius. Un motor de combustible fósil desarrollado por una empresa israelí adecuado para el uso de hidrógeno. La primera versión funcional se introdujo en 2014 y desde entonces ha aparecido una versión revisada y mejorada. Según sus desarrolladores, puede funcionar sin aceite lubricante y cuenta con un sistema de intercambio de gases para reducir las emisiones de NOx.
Además, el motor de combustión interna de hidrógeno es ligero y tiene pocas piezas, por lo que es barato de producir. Se puede utilizar como extensor de rango para vehículos eléctricos o como generador para la red.
Cómo funciona un motor de hidrógeno de pila combustible
Su nombre completo es un motor de hidrógeno convertido por pila de combustible. A pesar de la palabra «combustible», no queman hidrógeno. Lo utilizan para generar electricidad a través del proceso inverso de electrólisis. Por eso llevan baterías para reacciones químicas, como en un motor de combustión de hidrógeno, donde el hidrógeno se almacena en tanques con una presión de 700 bar.
Es solo que en lugar de alimentarlo al motor, pasa por el ánodo y el cátodo (como una batería) hasta la celda de combustible. Una vez allí, el gas hidrógeno (H2) atraviesa la membrana y lo descompone en dos iones de hidrógeno. Hidrógeno y dos electrones libres. Estos electrones pasan del ánodo al cátodo de la batería a través de un circuito externo, creando una corriente eléctrica. Los iones de hidrógeno producidos se combinan con el oxígeno del aire para formar agua.
Por este motivo, un motor de pila de combustible de hidrógeno es cero emisiones, ya que no produce NOx ni los gases que se producen al quemar aceite como un motor de combustión interna. Los diafragmas usados en estos motores están hechos de platino y son caros. Sin embargo, hay trabajo para abordar este alto costo. Por ejemplo, en la Universidad Técnica de Berlín han desarrollado una ferroaleación que, de ponerse en producción, podría reducir mucho los costes.
Desventajas de los motores de hidrógeno
- Los catalizadores utilizados en las reacciones químicas de los motores de pila de combustible de hidrógeno están fabricados con materiales caros, como el platino. Al menos hasta que sea reemplazado por una alternativa más económica, como la mencionada en TU Berlin.
- Para la obtención de hidrógeno se debe realizar por procesos termoquímicos de los combustibles fósiles o por electrólisis del agua, lo que requiere un consumo energético. La principal crítica a los motores de hidrógeno, porque la electricidad se puede almacenar directamente en la batería de un vehículo eléctrico para su uso.
- Una vez obtenido el hidrógeno, se debe introducir en una celda o depósito a presión. Este proceso también requiere un gasto energético adicional.
- Las baterías de hidrógeno son costosas de producir y deben ser muy duraderas para soportar las altas presiones con las que se debe almacenar el hidrógeno.
Ventajas de los motores de hidrógeno
- Las baterías de hidrógeno son más ligeras que las baterías de los vehículos eléctricos. Es por eso que se está investigando su uso en el transporte pesado como alternativa a los camiones eléctricos a batería. Para poder cubrir grandes distancias, son muy pesados.
- Hoy en día, cargar hidrógeno es más rápido que cargar la batería de un coche eléctrico.
- A diferencia de los vehículos eléctricos de batería, los vehículos de hidrógeno con pila de combustible no requieren baterías grandes. Por lo tanto, requiere menos litio u otros materiales que pueden escasear. Los motores de combustión interna de hidrógeno no requieren directamente baterías de litio u otras baterías similares.
- Las pilas de combustible pueden prolongar la vida útil de un coche. A diferencia de las baterías, que son costosas de reemplazar debido a su tamaño y capacidad. Las baterías asociadas con los motores de hidrógeno son más pequeñas y, por lo tanto, menos costosas de reemplazar.
- En comparación con los motores de combustibles fósiles, los motores de hidrógeno con pila de combustible utilizan motores eléctricos y, por lo tanto, son muy silenciosos.
Autonomía
La desventaja de los motores de hidrógeno es que sus tanques o celdas de combustible deben contener hidrógeno a presiones muy altas. Por ello, el punto de suministro también debe cumplir con la presión de 700 bares que soporta.
Esto requiere construir una infraestructura de abastecimiento para poder repostar este tipo de vehículos. Dicho esto, tiene los mismos problemas que los vehículos eléctricos puros. Sin embargo, la operación de repostaje es mucho más rápida que estos, ya que es lo mismo que un vehículo GLP o GLC.
Los automóviles actualmente equipados con motores de pila de combustible de hidrógeno tienen una autonomía similar a la gasolina. Por ejemplo, el Toyota Mirai anunció 650 km con la batería llena, el Hyundai Nexo 756 km y el BMW iX5 Hydrogen 700 km.
Otros como el Hopium Machina han anunciado una autonomía de 1.000 km, aunque ahora habrá que confirmar esa cifra cuando suceda. En cualquier caso, la autonomía no es tan importante como la batería, porque el repostaje es mucho más rápido. Lo que hay que tener en cuenta es el número de puntos de combustible.
¿Son seguros?
Las marcas llevan años trabajando en este tipo de motores para mejorar su eficiencia, reducir costes y, por supuesto, hacerlos tan seguros como los que funcionan con combustibles fósiles.
Además, los estándares de seguridad exigidos por Europa, Estados Unidos y Japón son la garantía de la seguridad de los vehículos propulsados por hidrógeno. No hace falta decir que Toyota promociona que el tanque de gasolina del Mirai es lo suficientemente resistente como para ser a prueba de balas.
¿Veremos un día en que todos los coches funcionen con hidrógeno? El tiempo lo demostrará todo. Está claro que las marcas continúan invirtiendo y tiene algunas ventajas que lo convierten en una alternativa razonable al transporte de cero emisiones.
Espero que con esta información puedan conocer más sobre cómo funciona un motor de hidrógeno, sus características, ventajas e inconvenientes.