¿El motor de combustión de hidrógeno puede ser una opción de futuro?

 

 

 

En la actualidad, gracias a las nuevas políticas de movilidad más eficientes y sostenibles que la mayoría de los países desarrollados están impulsando, los vehículos 100% eléctricos de batería parecen ser la solución a los graves problemas de contaminación y de dependencia energética que está planteando una movilidad, como hasta ahora, basada en vehículos convencionales propulsados por combustibles fósiles.

No obstante, a nadie se le escapa los no pocos e importantes problemas que está teniendo la implantación de una nueva forma de movilidad eléctrica. Por un lado, la escasez de materias primas, entre ellas el litio o el cobalto, necesarias para la fabricación de las baterías eléctricas, y que deja en manos de unos pocos países el control de la producción mundial de estos minerales, lo que no va a eliminar el problema de la dependencia energética de terceros países. Pero también hay que tener presente otros problemas no menos importantes como son la peligrosidad del litio, el elemento estrella para la fabricación de esta nueva generación de baterías, o la dificultad que conlleva el proceso de reciclaje de las baterías de litio una vez concluida su vida útil, o su limitada autonomía, o por no hablar de los prolongados e insufribles periodos de tiempo necesarios para llevar a cabo la recarga completa de una batería.

En definitiva, parece ser que sustituir los más de 1.500 millones de vehículos que se estiman que circulan por las carreteras del mundo por vehículos 100% eléctricos de batería es una misión, cuanto menos, bastante difícil y no exenta de dificultades.

Con todo lo anterior, algunos fabricantes de automóviles piensan que los motores de combustión aún no han dicho su última palabra. En sus más de cien años de existencia propulsando nuestros vehículos, es un tipo de tecnología que se ha ido continuamente perfeccionando y hoy en día, los motores de combustión interna, tanto los de gasolina como los diesel, han alcanzado un grado de eficiencia y funcionalidad tan alto, que realmente parecería un despropósito prescindir de esta tecnología de una manera tan radical como se pretende.

Porque realmente, si atendemos a los dos grandes problemas asociados al uso de los motores de combustión como son el impacto medioambiental ligado a las emisiones contaminantes de los combustibles fósiles, y por otro lado a la dependencia energética de los países productores de petróleo, se podría plantear seguir usando motores de combustión en nuestros vehículos si estos inconvenientes fueran resueltos.

Por tanto, si usáramos un tipo de combustible que no contaminara, y a la vez fuera tan abundante en la naturaleza e inagotable que lo hiciera sostenible y al alcance de cualquier país en el mundo, ¿no merecería la pena plantearse seguir usando motores de combustión interna en nuestros vehículos como hasta ahora?

Pues bien, la respuesta y la solución a todos estos problemas de movilidad podría estar en un extraordinario combustible al alcance de todos: el hidrógeno.

 

¿Qué es el hidrógeno?

El hidrógeno (H₂) es el más sencillo de todos los elementos de la tabla periódica. El vocablo "hidrógeno" procede del griego "hydros", que significa agua, y "genes" que quiere decir creador o generador, por lo que hidrógeno significaría "generador de agua".

El hidrógeno, a 25 ºC y a 1 atmósfera de presión se encuentra en estado gaseoso. Es un gas incoloro, inodoro e insípido que es mucho más ligero que el aire, y además no es tóxico. No obstante, el hidrógeno no es un elemento que se pueda encontrar en estado puro y libre en la naturaleza, por lo que para obtenerlo será necesario llevar a cabo una serie de procesos de transformación a partir de otros compuestos.

En la actualidad, la mayor parte del hidrógeno se obtiene a partir del gas metano (CH₄). Pero es un proceso que requiere de mucha energía y además es contaminante por el contenido en carbono del metano. Otra alternativa, mucha más sostenible y ecológica, es obtener el hidrógeno a partir del agua, elemento muy abundante en nuestro planeta. Mediante un proceso de electrolisis del agua se logra disociar la molécula del agua (H₂O) en hidrógeno (H₂) por un lado y oxígeno (O₂) por otro. Este proceso no es contaminante y si además se usara energía procedente de fuentes renovables (fotovoltaica o eólica), este proceso sería totalmente sostenible y ecológico. El hidrógeno obtenido de esta manera es lo que se conoce como Hidrógeno Verde.

Pero el uso del hidrógeno tampoco está a salvo de inconvenientes. Como se ha dicho, a temperatura ambiente el hidrógeno se presenta en estado gaseoso. Y además es un gas muy poco denso y muy volátil, por lo que resultaría poco rentable transportarlo en forma de gas debido a su baja densidad. Por eso, para su almacenamiento y transporte hay que transformarlo antes a estado líquido, y aquí es donde surge otro gran problema.

Y esto es así porque el punto de fusión del hidrógeno se sitúa a -259 ºC y su punto de ebullición a -253 ºC. Esto significa que si queremos obtener hidrógeno líquido habría que enfriarlo a temperaturas extraordinariamente bajas (concretamente hasta esos -253 ºC), lo que en la práctica puede suponer un gran inconveniente.

No obstante, las empresas que se están embarcando en la tarea de la producción del hidrógeno verde están superando con éxito este escollo. Y es que el hidrógeno, debido a su gran volatilidad, es un combustible de muy alto valor añadido, gracias a que es un gas muy inflamable, que es capaz de arder en presencia de oxígeno incluso en concentraciones muy bajas (en torno a un 4% de H₂).

 

Pero, ¿cómo funciona el hidrógeno como combustible?

El hidrógeno (H₂) es, como cabe recordar, el elemento más abundante del universo, pero tiene un "pequeño" inconveniente, que no está presente de forma aislada y puro que permitiera su obtención de forma directa, sino que se encuentra siempre formando compuestos en combinación con otros elementos, como en el agua (H₂O) o en los hidrocarburos (H_xC_yO_z). Por lo tanto, primero habrá que aplicarle diversos procesos tecnológicos (unos más ecológicos que otros) que permitan obtener el hidrógeno en estado puro.

El hidrógeno gaseoso puede funcionar como un excelente combustible, que reacciona con el oxígeno en una reacción de combustión, generando calor, de acuerdo a la siguiente reacción química:

2H₂ (g) + O₂ (g) → 2H₂O (g) + calor

Como se ve de la reacción anterior, el calor que se genera permite poder usar el hidrógeno también como combustible, como por ejemplo, en los motores de combustión interna de los vehículos.

Además, el hidrógeno es un combustible inocuo y de cero emisiones que sólo generaría durante la combustión vapor de agua, que es lo que expulsaría el coche por el tubo de escape. Nada mal, verdad !!

No obstante, cabe señalar que esto ocurriría si sólo reaccionase el hidrógeno con oxígeno puro, pero lo normal es que la combustión ocurra con aire atmosférico que entra por la admisión del motor, donde además de oxígeno hay otros elementos presentes como el nitrógeno. Esto podría dar lugar a pequeñas cantidades óxidos de nitrógenos (NOx), pero siempre serían cantidades muchísimo menores que las que produciría la combustión de un combustible convencional como la gasolina o el gasóleo, que al contener carbono (C) y otros elementos como el azufre (S) en su composición emiten ciertos gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono (CO₂) o nocivos como el monóxido de carbono (CO), o los óxidos de azufre (SOx) responsables de la lluvia ácida.

Además, usar el hidrógeno como combustible en los actuales motores de combustión es algo perfectamente factible con sólo algunos ajustes en la inyección de los motores y que ya fabrican algunas marcas de automóviles.

La ventaja de usar hidrógeno radica en que seguiríamos empleando los mismos motores de combustión en nuestros vehículos, una tecnología de se lleva empleando más de cien años y que los fabricantes de automóviles la tienen ya muy optimizada y perfeccionada a día de hoy.

Un motor de combustión que usara hidrógeno como combustible seguiría utilizando el mismo sistema de suministro e inyección de combustible, salvo pequeñas modificaciones al uso adicional del hidrógeno.

Otras de las ventajas de usar el hidrógeno como combustible es que al ser un elemento muy volátil y ligero, éste genera una combustión muy rápida con el oxígeno, más que la de los hidrocarburos que son compuestos mucho más pesados. Por este motivo, en el arranque de un motor de hidrógeno se pueden usar mezclas mucho más pobres en combustible, con factor lambda por encima de 2, es decir, con una proporción de oxígeno en la mezcla más del doble que la de hidrógeno, mientras que en los motores de combustión de gasolina o diesel se necesita una mezcla muy rica en combustible, con un factor lambda por debajo de 1, para así garantizar el arranque en frío del motor. Esto se traduciría evidentemente en un mayor ahorro de combustible con los motores de combustión de hidrógeno.

No obstante, un aspecto a tener en cuenta en los motores de combustión de hidrógeno es que se deberán realizar ciertas adaptaciones del sistema de lubricación de los componentes del motor, dado que el hidrógeno no tiene las mismas propiedades lubricantes que tiene la gasolina o el gasóleo, por lo que los motores de hidrógeno deberán cuidar mucho el sistema de lubricación de los componentes del motor, para así evitar una corrosión prematura.

 

Uso del hidrógeno como combustible en los motores de gasolina

En los motores de gasolina está comprobado que la adición de hidrógeno con el uso de gasolina genera mejores prestaciones en el vehículo en comparación a un motor funcionando con sólo gasolina.

En un motor de combustión con hidrógeno y gasolina (sistema dual) se consigue incrementar la potencia y el par motor resultante, disminuyendo las emisiones de gases contaminantes de CO₂, de hidrocarburos no quemados (HC) y los NOx, además de reducir el consumo de gasolina. En este sentido, el hidrógeno se puede utilizar como un aditivo más al uso del combustible tradicional, en este caso, la gasolina.

Por tanto, los sistemas duales consisten en emplear de manera simultánea los dos tipos de combustibles a la vez, gasolina e hidrógeno, para hacer funcionar el motor. En este sentido, los sistemas duales ofrecen dos posibles alternativas, o bien usar una cantidad relativamente pequeña de hidrógeno en la gasolina para modificar las características de la combustión y de las emisiones, o bien usar cantidades mayores de hidrógeno como fuente principal de energía y controlar el encendido mediante la inyección de otro combustible (gasolina) dentro de la cámara de combustión.

En ambos casos, el uso de hidrógeno va a ofrecer muchas ventajas frente al uso exclusivo de otros combustibles tradicionales, dado que el hidrógeno, al no contener carbono en su composición, supondrá una drástica disminución de las emisiones de CO, CO₂ y de hidrocarburos no quemados (HC), que resultarían en este caso residuales, y que son debido a la combustión de los otros componentes presentes en el aire de admisión, o de restos de lubricante presente en la cámara de combustión.

Pero también, en los motores de gasolina, o motores de encendido por chispa, el hidrógeno se puede utilizar como único combustible, ya que la ignición de la mezcla (Hidrógeno + Oxígeno) se podría provocar por la chispa generada por la bujía.

Está comprobado, que en los motores de combustión de gasolina convencionales, con sólo ciertas modificaciones del sistema de inyección para hacerlo compatible al uso de hidrógeno, se puede emplear el hidrógeno como único combustible. Con ello, se consigue obtener unas prestaciones de potencia y par motor muy similares a las que se obtendría con el uso de la gasolina, incluso con un rendimiento mejor, además de la considerable disminución de gases contaminantes.

No obstante, el hidrógeno en los motores de combustión exige el uso de un sistema de inyección directa propio para el hidrógeno, en vez de usar un sistema convencional de carburación. El uso de carburadores puede acarrear problemas en la combustión de la mezcla, tales como retorno de la llama, o un adelanto de la ignición. El adelanto de la ignición suele darse cuando la mezcla de hidrógeno y aire se enciende incluso antes de la generación del arco eléctrico en la bujía, lo que va a dar lugar a una combustión ineficiente y un funcionamiento anormal. Las causas que dan lugar a una ignición antes de tiempo suelen ser debido a los puntos de mayor temperatura en el interior de la cámara de combustión, la presencia de gases calientes en el interior de dicha cámara y en especial las altas temperaturas que se alcanzan en la válvula de escape. Cuando este pre-encendido tiene lugar cerca de la válvula de aspiración, la llama viaja hacia atrás por las tuberías de alimentación dando lugar a detonaciones. Como ya se ha dicho, todos estos problemas se pueden solucionar utilizando un sistema de inyección propia para el hidrógeno.

 

Uso del hidrógeno como combustible en los motores diesel

Los motores diesel, como se sabe, no funcionan igual que los motores de gasolina. Los motores diesel no tienen bujía que genere la chispa, sino que se origina una autocombustión de la mezcla, cuando se alcanza una determinada relación de compresión en el interior del cilindro. Por ello, en el caso de los motores diesel adaptados al uso del hidrógeno, se necesitará aún un pequeño aporte de gasóleo para poder provocar la detonación de la mezcla. Por tanto, en los motores diesel se empleará un sistema dual que emplee los dos combustibles, hidrógeno y diesel, para su funcionamiento.

Así, en los motores diesel, para que funcionen, deberán ser alimentado por una mezcla de hidrógeno-diesel que, según recientes investigaciones, consiguen disminuir en casi un 90% las emisiones de CO₂ respecto al empleo sólo de un combustible diesel convencional.

Cualquier vehículo diesel actual puede ser adaptado para poder emplear hidrógeno como combustible, mediante la instalación de un sistema de inyección directa de hidrógeno y diesel. Con ello se conseguiría alargar la vida de los motores diesel actuales de manera que sigan funcionando con normalidad, pero empleando un combustible alternativo compuesto por un 90% de hidrógeno y sólo un 10% de diesel convencional.

 

 

Así, la adaptación que habría que hacer a un vehículo diesel sería muy sencilla, dado que se mantendría el sistema de inyección original de gasóleo en el motor, y se le añadiría una nueva inyección de hidrógeno directamente en el cilindro.

En este caso, el hidrógeno a emplear en los motores diesel de combustión no tendría que cumplir tan altas exigencias de calidad y pureza como en el caso de las pilas de combustible de hidrógeno, por lo que su producción y almacenamiento sería mucho más barato.

Está comprobado que con este nuevo sistema adaptado de inyección directa de hidrógeno-diesel se conseguiría reducir las emisiones de CO₂ en los motores de combustión en casi un 90%.

 

¿Y qué problemas tiene emplear el hidrógeno como combustible?

El principal problema que nos encontramos es cómo obtener el hidrógeno (H₂) de forma aislada y en estado puro para poder utilizarlo como combustible. A pesar de ser uno de los elementos más abundante de la naturaleza, justo después del carbono (C), es necesario emplear mucha energía para romper los compuestos de los que forma parte y obtenerlo de forma aislada.

Otro de los inconvenientes es su almacenamiento. A la presión atmosférica, el punto de fusión del hidrógeno es a -259 ºC y su punto de ebullición a -253 ºC, por lo que a temperatura ambiente el hidrógeno se encuentra en estado gaseoso y con muy baja densidad. Por lo tanto, para conseguir almacenar hidrógeno suficiente como para alcanzar cierta autonomía se haría necesario hacer su almacenamiento en estado líquido. Sin embargo, para conservar el hidrógeno en estado líquido se requieren temperaturas por debajo de los -253 ºC, algo bastante difícil de conseguir en los vehículos convencionales.

Actualmente, para salvar este problema, algunos fabricantes han optado por almacenar el hidrógeno en estado gaseoso a muy alta presión, desarrollando pilas de combustible que almacenan hidrógeno a una presión de hasta 700 bares.

Por último, otro de los aspectos que hay que tener en cuenta a favor de su uso, es que el hidrógeno teóricamente es un combustible de cero emisiones, si en la combustión sólo interviniera oxígeno puro. Pero todos sabemos, que los motores aspiran aire de la atmósfera, que además de oxígeno existen otros gases como el nitrógeno, y además en los motores existen otros fluidos como aceites y lubricantes que se cuelan en la cámara de combustión. Todo esto hace que se puedan producir ciertas emisiones de CO₂ y NOx, aunque siempre se generarán cantidades mucho menores en comparación con un motor convencional de gasolina o diesel, pero además estos gases quedarían retenidos y neutralizados con los sistemas actuales de filtros y catalizadores instalados en los vehículos.

 

Publicado: 12.DIC.2022

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