Después de varios años de promesas de que el hidrógeno es el combustible limpio del futuro, solo para que no suceda mucho, ahora parece que el futuro finalmente puede estar casi sobre nosotros. Los fabricantes de automóviles, incluidos Mazda y Toyota, están desarrollando motores de hidrógeno. para alimentar sus vehículos, y estos motores algún día podrían reemplazar no solo la tecnología de celda de combustible de hidrógeno y los motores de combustión tradicionales, sino quizás incluso los vehículos eléctricos (ED).
Sin embargo, mientras el mercado de los vehículos eléctricos avanza rápidamente, el uso de la tecnología de motores de hidrógeno en vehículos comerciales aún se encuentra en su fase inicial, y aún no se ha demostrado la viabilidad del gas hidrógeno como alternativa útil y práctica.
¿Qué es un motor de hidrógeno?
Un motor de hidrógeno es una versión avanzada de los motores de combustión interna tradicionales que utiliza hidrógeno líquido en lugar de gasolina como combustible. Un automóvil que funciona con motores de hidrógeno se denomina vehículo con motor de combustión interna de hidrógeno (HICEV). Estos son diferentes de los vehículos electrificados de celda de combustible de hidrógeno (FCEV), como el Mirai de Toyota o el Hyundai Tucson, que utilizan una celda de combustible en la que el hidrógeno reacciona químicamente con el oxígeno del aire para producir electricidad que impulsa un motor eléctrico.
Los motores de hidrógeno generan energía mediante la combustión de hidrógeno y utilizan sistemas de inyección y suministro de combustible que son versiones modificadas de los que se utilizan con los motores de gasolina. A excepción de la combustión de pequeñas cantidades de aceite de motor, que también es el caso de los motores de gasolina, los motores de hidrógeno no emiten CO2 cuando están en uso.
Los motores de hidrógeno emiten principalmente agua o vapor de agua como subproducto, pero el proceso de producción del combustible de hidrógeno puede provocar emisiones de gases de efecto invernadero. Sin embargo, un estudio encontró que incluso si el hidrógeno se extrae de la manera más ineficiente, es probable que reduzca las emisiones de CO 2 en más del 30% , en comparación con la gasolina.
Diferencia entre HICEV y FCEV
La diferencia clave entre un HICEV y un FCEV radica en la forma en que se utiliza el hidrógeno en estos vehículos. El primero implica la combustión de hidrógeno, mientras que el segundo realiza una reacción electroquímica y utiliza hidrógeno líquido para generar energía para su motor eléctrico.
La tecnología del motor de combustión interna de hidrógeno (HICE) aún se encuentra en sus primeras fases de desarrollo. Mientras tanto, el mercado mundial de vehículos eléctricos de pila de combustible ya ha cruzado la marca de los mil millones de dólares y en los próximos años se espera que muestre un crecimiento anual de alrededor del 38%.
Origen y evolución del motor de hidrógeno
En 1806, Francois Isaac de Rivaz creó un motor de combustión interna experimental que utilizaba una mezcla de hidrógeno y oxígeno como combustible. Se dice que el motor De Rivaz es el motor de hidrógeno más antiguo del mundo.
No mucho después de esto, en 1820, el reverendo W. Cecil escribió un artículo para la Sociedad Filosófica de Cambridge titulado "Sobre la aplicación de hidrógeno gaseoso para producir energía móvil en maquinaria". Este artículo describe un motor que funciona con el principio de vacío, donde el vacío se crea mediante la quema de gas hidrógeno.
Aproximadamente 150 años después, Paul Dieges patentó una modificación del motor de combustión interna que podía funcionar tanto con gasolina como con hidrógeno. Por supuesto, para entonces, los vehículos a gasolina eran la norma y pocos fabricantes vieron la necesidad de desarrollar vehículos a hidrógeno.
En los años siguientes, los efectos nocivos del uso de combustibles fósiles sobre el aumento de la contaminación del aire, la salud, el calentamiento global, la lluvia ácida y en otras áreas de los vehículos y las industrias comenzaron a ser ampliamente reconocidos, junto con su impacto. Los científicos, activistas, líderes e investigadores comenzaron a expresar su preocupación por la creciente emisión de CO 2 y los riesgos ambientales asociados con la extracción y el uso de combustibles fósiles.
Las crecientes preocupaciones ambientales y las demandas de alternativas de energía limpia llevaron a muchas compañías automotrices a enfocarse en el desarrollo primero de combustibles con bajo contenido de plomo y luego en hidrógeno y vehículos eléctricos.
A principios de la década de 2000, el fabricante de automóviles japonés Mazda comenzó a instalar motores Wankel en su modelo RX-8. El motor Wankel es un tipo de motor de combustión interna que utiliza un diseño giratorio excéntrico para convertir la presión en movimiento giratorio. Para una potencia determinada, son más compactos y pesan menos que un motor de combustión. También se pueden convertir fácilmente para funcionar con hidrógeno.
Más recientemente, han actualizado el diseño, desarrollando el motor rotativo de hidrógeno RENESIS, que utiliza un inyector de gas hidrógeno controlado electrónicamente y se puede adaptar para funcionar como un híbrido gasolina-hidrógeno.
El trabajo para desarrollar un motor de hidrógeno eficiente no se ha detenido allí. Alrededor de 2006, BMW desarrolló un motor de combustión interna de hidrógeno y gasolina de doble combustible para su producción limitada Hydrogen 7, que fue diseñado para demostrar que el hidrógeno podía funcionar como combustible. Durante las pruebas, el automóvil logró correr a una velocidad de 187 mph (301 km / h), y la compañía también afirmó que su automóvil de hidrógeno logró cero emisiones de CO 2 .
Sin embargo, las afirmaciones hechas por BMW fueron luego rechazadas por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), que señaló que el automóvil aún emitía carbono por la evaporación del aceite del motor. Además, la eficiencia del automóvil cuando funcionaba con hidrógeno era extremadamente baja, devolviendo alrededor de 5,6 millas por galón (50 l / 100 km) en promedio. Esto se debió principalmente a la diferencia de densidad energética entre la gasolina y el hidrógeno.
Ventajas del motor de hidrógeno
Hay varias razones importantes por las que algunos consideran que los motores de hidrógeno son el futuro de la industria del automóvil y por qué los fabricantes de vehículos gastan millones de dólares para crear motores hidráulicos eficientes.
Los expertos en energía y las empresas creen que el hidrógeno tiene el potencial de servir como una fuente de energía infinita y relativamente baja en carbono . También podría representar una alternativa viable al uso de metales pesados en baterías, que son dañinos para el medio ambiente y podrían volverse muy costosos en los próximos años, con el crecimiento de los vehículos eléctricos.
Energía de ignición baja y alta eficiencia
El hidrógeno ICE tiene una energía de ignición baja en comparación con los motores de gasolina convencionales, porque la combustión de hidrógeno en estos motores utiliza temperaturas de llama más bajas y transferencias de calor más bajas. Esto permite que el motor funcione con mezclas muy pobres y aún se queme rápidamente. Además, debido a la alta difusividad (el hidrógeno se mezcla con el aire más rápido que la gasolina), el uso de hidrógeno reduce los peligros asociados con posibles fugas.
Emisiones libres de carbono
Se dice que los motores de hidrógeno brindan un mayor alcance para mejorar la seguridad energética y reducir la huella de carbono. Esto se debe a que no se liberan compuestos de carbono como subproductos cuando estos vehículos funcionan con hidrógeno.
Repostaje rápido
Debido a que el hidrógeno tiene una densidad de energía volumétrica baja, debe almacenarse como gas comprimido para proporcionar la autonomía de conducción de los vehículos convencionales. Esto requiere el uso de tanques de alta presión capaces de almacenar hidrógeno a 5,000 o 10,000 libras por pulgada cuadrada (psi). Los dispensadores minoristas, que se instalan en las estaciones de servicio, pueden llenar estos tanques en aproximadamente 5 minutos. Esto es mucho más rápido que el tiempo que se tarda en recargar los vehículos eléctricos, incluso con carga rápida. Aunque, por supuesto, los vehículos eléctricos también se pueden cargar en casa y los vehículos de hidrógeno no. Se están desarrollando otras tecnologías de almacenamiento, incluida la unión química del hidrógeno con un material como el hidruro metálico o materiales absorbentes de baja temperatura.
Una fuente de energía alternativa
Dado que los motores de combustión interna pueden adaptarse para quemar hidrógeno en lugar de, o además de, gasolina, varios países están trabajando en una iniciativa para aumentar la producción de hidrógeno para su uso como combustible en aviones, barcos e incluso para la generación de energía. Si el hidrógeno se produce utilizando energía alternativa, esta podría ser una forma rentable de reducir rápidamente el uso de combustibles fósiles en varias áreas.
Desventajas del motor de hidrógeno
A pesar de los numerosos méritos de su uso, los motores de hidrógeno todavía no se utilizan a gran escala y existen numerosas complicaciones asociadas con el combustible de hidrógeno. El crecimiento de vehículos eficientes que funcionan con baterías y FCEV también ha provocado una pérdida de interés entre los fabricantes de automóviles y los innovadores por desarrollar HICE. Aparte de esto, también hay una serie de problemas graves que deberán superarse antes de que esta sea una alternativa práctica a los vehículos eléctricos.
Una tecnología cara
El proceso de extracción de hidrógeno es costoso y consume mucha energía. Si bien un FCEV que funciona con hidrógeno se considera un vehículo de cero emisiones, extraer el hidrógeno en sí no es de cero emisiones. Actualmente, la mayor parte del hidrógeno se extrae mediante reformado con vapor, que combina vapor a alta temperatura con gas natural para extraer hidrógeno.
El hidrógeno también se puede producir a partir de agua mediante electrólisis. Esto es más intensivo en energía, pero se puede hacer utilizando energía renovable, lo que eliminaría una gran parte de las emisiones. Sin embargo, el costo de producir hidrógeno sigue siendo más alto que el de la gasolina (o la electricidad), por lo que será necesario reducir un poco antes de que los motores de hidrógeno puedan ser rentables a gran escala.
Menor densidad de energía
El hidrógeno no es tan denso en energía como otros combustibles, lo que significa que necesita más para realizar una determinada cantidad de trabajo. Si a esto se suma la ineficiencia inherente de un motor de pistón, los motores de hidrógeno no ofrecen una ventaja energética significativa en general.
Contaminación
Si bien los motores de hidrógeno no emiten carbono, debido al calor generado dentro de la cámara de combustión, todavía se puede formar óxido de nitrógeno como subproducto. Este compuesto es dañino para el medio ambiente, lo que significa que, si bien los motores de hidrógeno tienen cero emisiones de carbono, no están libres de emisiones.
Preocupaciones de seguridad
Los vehículos que funcionan con motores de combustión interna de hidrógeno están equipados con tanques de combustible de hidrógeno presurizado. Estos tanques están diseñados para ser muy seguros, pero en caso de una fuga, la naturaleza altamente inflamable del hidrógeno puede causar daños graves. Una solución sería instalar sensores especiales en el vehículo para detectar tales fugas, lo que tiene un costo.
Gran tamaño y potencia reducida
Para los motores de combustión de hidrógeno, la relación estequiométrica aire / combustible es 34: 1 . Esto implica que un motor de hidrógeno utiliza el doble de aire para una combustión completa.
Sin embargo, esto también conduce a una potencia reducida y, por lo tanto, un motor de hidrógeno tiende a entregar solo alrededor de la mitad de la potencia en comparación con un motor de gasolina del mismo tamaño. Para contrarrestar esta pérdida de potencia, los motores de hidrógeno se hacen de gran tamaño y, a menudo, vienen con un turbocompresor.
Futuro, hechos y tendencias relacionados con la energía del hidrógeno
El sector del automóvil no es unánime en cuanto a la viabilidad de la tecnología de hidrógeno para el segmento de vehículos de pasajeros, y algunos fabricantes de automóviles, como Volkswagen y Audi ya no están trabajando en el desarrollo de HICEV, optando por centrarse en los vehículos eléctricos . Otros fabricantes de automóviles, incluidos Toyota, Renault y Hyundai, son más optimistas sobre los vehículos de hidrógeno y se espera que continúen con el desarrollo de motores de hidrógeno. El Toyota Mirai HFCV se presentó en 2014 y tiene 10,300 ventas en todo el mundo desde diciembre de 2019, mientras que Hyundai de Corea del Sur está produciendo el SUV Nexo impulsado por hidrógeno.
Para acelerar la producción de hidrógeno, la Unión Europea se ha fijado el objetivo de instalar 40 gigavatios de capacidad de electrolizadores en todo el continente. España ya ha anunciado un plan para gastar $ 10,5 mil millones (8,9 mil millones de euros) en la construcción de 4 gigavatios (GW) de electrolizadores de hidrógeno alimentados por energía solar. Otros países, incluida Dinamarca, están instalando plantas para aumentar la producción de hidrógeno a partir de la electrólisis basada en electricidad . Incluso el líder de la OPEP, Arabia Saudita, está construyendo una planta de producción de hidrógeno verde.
Microsoft Corporation está probando el uso de pilas de combustible de hidrógeno para reemplazar los generadores diésel como fuente de energía de respaldo. ZeroAvia, una startup con sede en EE. UU., Planea crear un avión propulsado por hidrógeno para 2024.
El fabricante de motores israelí Aquarius Engines ha desarrollado un nuevo motor de hidrógeno de 10 kg (22 lb) que utiliza un sistema de intercambio de gases interno único, y la compañía afirma que es una alternativa liviana, rentable y ecológica a los motores de combustión tradicionales.
Asian Renewable Energy Hub es un enorme proyecto de energía sostenible en Australia que está actualmente en curso. Cuando esté en pleno funcionamiento, se prevé generar más de 50 TWH de electricidad a partir de energía solar y eólica. La mayor parte de esta energía eléctrica se utilizará para la producción de amoníaco e hidrógeno limpio.
En la actualidad, solo tres vehículos propulsados por hidrógeno están disponibles en los EE. UU. Y el Reino Unido, estos son Honda Clarity, Toyota Mirai y Hyundai Nexo. Sin embargo, se espera que las cifras aumenten en los próximos años, ya que se están produciendo desarrollos prometedores en el campo de la energía del hidrógeno y la tecnología de motores a nivel mundial.
Si bien los motores de hidrógeno aún enfrentan una serie de problemas, se espera que el mercado del hidrógeno como fuente de energía verde crezca rápidamente en los próximos años , y algunas estimaciones lo valoran hasta en $ 70 mil millones para 2030. Según Bloomberg New Energy Finance, hay más de $ 90 mil millones en proyectos de hidrógeno "verde" upstream, midstream y downstream en trámite. Pase lo que pase con los vehículos HICE, el uso de hidrógeno renovable como fuente de energía seguirá creciendo.
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