Los motores de combustión de hidrógeno parecen cada vez más viables con el sector del transporte en transformación

Con regulaciones que limitan las emisiones de CO2 aumentando a nivel mundial, la búsqueda de transporte sostenible nos ha llevado al hidrógeno como combustible alternativo. 

El hidrógeno (H) ha surgido como una opción prometedora gracias a su capacidad de quemarse sin emitir gases de efecto invernadero. Este elemento combustible es incoloro, insípido, inodoro y tiene una densidad de energía relativamente alta, lo que significa que el hidrógeno contiene mucha energía por unidad de volumen, convirtiéndolo en una excelente fuente de combustible para vehículos. 

Este elemento más ligero ha recibido un interés considerable por parte del sector del transporte para impulsar vehículos eléctricos mediante pilas de combustible. está siendo explorado para lograr cero emisiones. Pero, ¿de qué se trata todo esto?

¿Qué es la combustión de hidrógeno?

El hidrógeno es un elemento químico, y la combustión es un proceso químico que libera energía a partir de una mezcla de combustible y aire. La combustión del hidrógeno, ya sea en forma líquida o gaseosa, genera fuerza. 

Debido a su amplio rango de inflamabilidad, el hidrógeno es muy adecuado para la combustión. Proporciona una excelente economía de combustible y posee una alta temperatura de autoignición, lo que permite relaciones de compresión más altas que reducen la pérdida de energía durante la combustión. Además, una temperatura final de combustión más baja minimiza la cantidad de contaminantes emitidos por el escape.

¿Cómo funciona realmente este motor de combustión limpia en un vehículo? 

El hidrógeno, a diferencia de la gasolina líquida, es un gas que requiere un sistema de suministro de combustible especial. Para ello, tanques de almacenamiento a alta presión contienen el gas hidrógeno, asegurando un almacenamiento suficiente para satisfacer la demanda de un viaje. 

Una válvula de control, mientras tanto, regula el flujo de gas hacia el colector de admisión del motor, garantizando una mezcla aire‑combustible óptima para una combustión eficiente. Durante el proceso de admisión, el combustible se mezcla con el aire y se introduce en el cilindro.

Para lograr una combustión limpia y eficiente, se necesita una mezcla adecuada de aire y combustible. Los motores de combustión de hidrógeno emplean sistemas de inyección de combustible sofisticados para minimizar las emisiones nocivas y optimizar la potencia.

El pistón comprime la mezcla adecuada de combustible y aire, y las bujías de alta energía la encienden, lo que resulta en combustión. A medida que el hidrógeno se quema rápidamente y libera calor significativo, los gases de combustión se expanden rápidamente.

Estos gases en expansión empujan el pistón, cuyo movimiento se convierte en potencia de rotación a través del cigüeñal. Esta fuerza luego impulsa las ruedas, moviendo el vehículo hacia adelante. 

Este proceso ilustra la experiencia de conducción más limpia y potente que los motores de combustión de hidrógeno pueden ofrecer, prometiendo un futuro de transporte más sostenible. Sin embargo, la alta velocidad y las altas temperaturas en los motores de combustión interna de hidrógeno (HICE) se logran mediante materiales compatibles con hidrógeno, diseño avanzado del motor y tecnología innovadora de inyección de combustible.

¿En qué se diferencia de las pilas de combustible de hidrógeno? 

El hidrógeno se utiliza en el sector del transporte de dos maneras distintas: mediante pilas de combustible y motores de combustión. Aunque ambos procesos usan hidrógeno como combustible cero carbono, lo aprovechan de diferentes formas para impulsar los vehículos.

Como se mencionó anteriormente, los motores de combustión de hidrógeno generan potencia quemando hidrógeno, al igual que los motores tradicionales. Aquí, el hidrógeno se mezcla con aire para crear una explosión controlada, generando energía mecánica que impulsa el vehículo. 

Las pilas de combustible y los vehículos de hidrógeno, por su parte, convierten el hidrógeno en electricidad mediante un proceso químico. En este proceso, un dispositivo electroquímico convierte el hidrógeno y el oxígeno en electricidad, calor y vapor de agua. Más específicamente, genera electricidad al dividir el hidrógeno en un protón y un electrón. Esta electricidad luego alimenta un motor eléctrico que impulsa el vehículo.  

Los vehículos con pilas de combustible (FCEV) son más eficientes con cargas bajas, mientras que los motores de combustión de hidrógeno rinden mejor bajo cargas más pesadas. Esto hace que los HICE sean una mejor opción para camiones pesados que transportan grandes cargas la mayor parte del tiempo. En contraste, los automóviles, autobuses y camiones de remolque pueden beneficiarse más de las pilas de combustible, ya que suelen operar con cargas mucho más bajas. 

Sin embargo, dado que ambos utilizan hidrógeno, producen emisiones similares. Los vehículos con pilas de combustible no generan emisiones, mientras que los motores de combustión de hidrógeno emiten trazas casi nulas de CO2, aunque pueden producir NOx o óxidos de nitrógeno. Además, los motores de hidrógeno pueden operar con hidrógeno de menor calidad, lo que permite casos de uso específicos.

Los motores de combustión interna de hidrógeno se han utilizado durante décadas y no requieren un cambio de infraestructura. Por lo tanto, para los fabricantes de vehículos, cambiar a un motor de hidrógeno es menos desafiante debido al uso de tecnología existente. Las pilas de combustible, por otro lado, son más ligeras, silenciosas y se destacan por su alta eficiencia. Convierten hasta un 60 % de la energía almacenada en hidrógeno en energía eléctrica.

Debido a que operan a una temperatura más baja que los motores de combustión, las pilas de combustible también presentan un menor riesgo de incendio o explosión. Sin embargo, al ser una tecnología relativamente nueva, las pilas de combustible son una opción más costosa que los motores de combustión de hidrógeno.

Esto no significa que compitan entre sí, sino que los HICE y los FCEV se complementan. Después de todo, ambos implican la misma producción, almacenamiento, transporte y distribución de hidrógeno y forman parte de la reducción de emisiones del transporte hacia cero.

Evaluando los pros y los contras de la combustión de hidrógeno

Entonces, el uso del hidrógeno claramente tiene ventajas significativas, pero ¿qué pasa con la combustión de hidrógeno en particular? Bueno, como afirmamos arriba, el principal beneficio es el impacto ambiental de los HICE. 

Estos motores son conocidos por tener un subproducto limpio, principalmente vapor de agua, lo que ofrece una ventaja significativa sobre los motores de gasolina tradicionales. Además de contribuir a menores emisiones de gases de efecto invernadero, los motores de combustión de hidrógeno tienen una eficiencia térmica mucho mayor, alrededor del 45 % en comparación con los motores diésel, que están por debajo del 40 %, y los motores de gasolina, que están por debajo del 30 %.

Otro gran beneficio de los HICE es que pueden construirse utilizando la tecnología existente de motores de combustión interna, por lo que no se necesita infraestructura adicional ni reentrenar a la fuerza laboral. Además, el propio elemento puede producirse a partir de diversas fuentes como biomasa, electrólisis del agua y gas natural, lo que lo hace capaz de satisfacer la creciente demanda de energía limpia. 

El caso del hidrógeno como combustible es ciertamente sólido, pero eso no significa que no existan problemas. De hecho, los motores de combustión de hidrógeno enfrentan varios desafíos que deben abordarse. 

Para empezar, se necesita un gran espacio de almacenamiento para los tanques de hidrógeno, lo que añade una cantidad sustancial de peso al vehículo. Esto, por supuesto, aumenta el riesgo de desgaste, reduciendo así la vida útil del vehículo. El combustible también se quema con bastante facilidad, lo que implica peligros para las piezas del motor. Aprovechar el hidrógeno tampoco es fácil. Es un proceso que consume tiempo y energía.

Mientras tanto, su densidad de energía es menor, lo que significa que la potencia generada es relativamente menor que la de los motores de combustión convencionales. En comparación con otros combustibles como la gasolina, que requieren una relación de compresión de 8:1, los motores de combustión de hidrógeno necesitan 40:1, lo que presenta otro problema. Sin mencionar que la producción masiva de estos motores es una tarea costosa.

Aunque el hidrógeno se elige por sus menores emisiones, el motor de combustión aún genera una huella de carbono al involucrar algunas emisiones de NOx, lo que anula el propósito de estos motores. Por lo tanto, es importante gestionar el calor y cualquier emisión residual mediante sistemas de postratamiento.

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¿Son los motores de combustión de hidrógeno el futuro?

Los motores de combustión de hidrógeno (HICE) existen desde hace décadas. El primer avión comercial experimental del mundo que operó con hidrógeno líquido, el Tupolev Tu-155, surcó los cielos en 1988. Esto muestra que los HICE no son tan nuevos como muchos podrían pensar. 

A pesar de no haber alcanzado una adopción generalizada a lo largo de los años, los HICE han atraído recientemente un renovado interés de grandes marcas automotrices, incluyendo Toyota, Bosch, Honda, Cummins, Daimler, Suzuki y Volvo. Incluso el sector de la aviación ha estado explorando la combustión de hidrógeno. Airbus, por ejemplo, ha estado colaborando con socios de diversas industrias para su avión concepto ZEROe, que está diseñado para funcionar con combustión de hidrógeno. 

Hay un creciente interés en usar motores de combustión de hidrógeno en el sector del transporte, pero por ahora, enfrentan una intensa competencia de los vehículos eléctricos (EV). 

Mientras los HICE producen emisiones casi nulas, los EV dependen de la electricidad para su energía y, por lo tanto, cuentan con cero emisiones de escape. Los EV también tienen una mayor eficiencia energética en comparación con los HICE, que pierden algo de energía durante el proceso de combustión. 

Aunque los EV requieren una nueva infraestructura, el número de estaciones de carga está aumentando rápidamente. Las estaciones para repostar hidrógeno, por otro lado, son bastante escasas, aunque repostar un coche de hidrógeno es más rápido que cargar un coche eléctrico. 

Empresas como BYD, Tesla (TSLA ), Rivian, General Motors (GM ), Volvo y muchas otras han logrado avances masivos en el campo de los EV. El mercado de vehículos eléctricos (EV) estaba valorado en aproximadamente $384 mil millones en 2022, mientras que se proyecta que el mercado global de motores de combustión interna de hidrógeno (HICE) alcance $35 mil millones para 2030.

Los fabricantes de automóviles están ahora experimentando con la tecnología de combustión de hidrógeno, pero el progreso es relativamente lento en comparación con los avances en la tecnología de los EV. La industria necesita superar muchos obstáculos de producción, como el costo, lo que significa que los EV seguirán dominando el sector del transporte por el momento. Sin embargo, los HICE pueden convertirse en una parte importante de la mezcla de combustibles de transporte en un futuro cercano. 

El hidrógeno simplemente no puede ser ignorado como combustible, y los HICE tienen un papel crucial que desempeñar en el futuro del transporte sostenible. Sin embargo, para que eso sea posible, se necesita apoyo gubernamental y el avance tecnológico.

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Desarrollos recientes en el campo de los HICE

En la última década, la descarbonización se ha vuelto extremadamente importante para países y empresas de todo el mundo. El sector del transporte es particularmente crítico, dado que produce el 10 % de las emisiones de gases de efecto invernadero del planeta. 

Según los acuerdos de París (COP21) y Glasgow (COP26), la tecnología de propulsión del transporte necesita reducir rápidamente el CO2. Para ello, necesitamos una solución eficaz, pero no existe una que pueda proporcionar todas las respuestas. Una combinación de diferentes soluciones puede ayudar a mitigar los problemas de manera más eficaz. Esto incluye los motores de combustión de hidrógeno, que requieren cambios mínimos en la arquitectura actual de los vehículos.

Como una opción lógica y altamente eficiente, los HICE están ganando mucha tracción y avance. Recientemente, investigadores de la Universidad de Alberta han desarrollado un nuevo material de recubrimiento que parece prometedor para los motores de combustión de hidrógeno. La nueva aleación concentrada compleja, AlCrTiVNi5, posee propiedades termomecánicas superiores, incluyendo baja expansión, alta estabilidad, tolerancia a fracturas y la capacidad de soportar altas temperaturas así como entornos de alta presión.

Al comparar el nuevo recubrimiento con aleaciones comercialmente disponibles, los investigadores encontraron que AlCrTiVNi5 sobrevive a “entornos corrosivos durante hasta 100 horas a 900 °C” y “supera a cualquier otro en el mercado actualmente”, abriendo así la puerta al avance de la economía del hidrógeno.

A principios de este mes, Toyota también anunció que, en un esfuerzo por hacer viable la combustión de hidrógeno, ha creado un motor de combustión interna que puede funcionar con combustible sintético, biodiésel, gasolina e hidrógeno. Para lograrlo, los ingenieros utilizaron un motor de 1,6 litros del coche de carreras GR Corolla, lo que ayudó a la compañía a superar el desafío de equilibrar la eficiencia térmica. Sus nuevos motores son entre un 10 % y un 20 % más pequeños pero más potentes.

“Desarrollar este motor como parte de sus esfuerzos para lograr la neutralidad de carbono y promover el uso del hidrógeno como fuente de energía limpia y renovable.”

Este desarrollo en torno al hidrógeno está ocurriendo en todo el mundo. A finales del año pasado, la mayor compañía automotriz de la India, Tata Motors (TMCV.BO ) (TMCV ), presentó instalaciones de I+D que incluyen una celda de pruebas de motor para el desarrollo de HICE, así como la infraestructura para el almacenamiento y suministro de combustible de hidrógeno.

Este año, Tata colaboró con el gigante estadounidense Cummins para una instalación de fabricación en la India de HICE tanto para vehículos comerciales medianos como pesados. Esto ocurre después de que la empresa conjunta anunciara el año pasado que invertiría $424 millones en la fábrica para producir 4 000 motores H2 al año y 10 000 sistemas de baterías.

Empresas que desarrollan motores de combustión de hidrógeno

Ahora, echemos un vistazo a un par de nombres importantes en el sector: 

#1. Honda

Este fabricante de automóviles ha participado activamente en motores de combustión de hidrógeno a través de un proyecto colaborativo llamado HySE (Hydrogen Small Mobility & Engine Technology) con Toyota, Yamaha, Kawasaki y Suzuki para explorar el potencial de los HICE. Inicialmente escéptico sobre la viabilidad de la tecnología, Honda desarrolló el ‘HySE‑X1’, que cuenta con un motor de hidrógeno de cuatro cilindros y 1,6 litros. 

Honda es una empresa con capitalización de mercado de $56.188 mil millones cuyas acciones se cotizan actualmente a $31.93, con un aumento del 3.25 % en lo que va del año. Los ingresos de la compañía (TTM) han sido $130 mil millones, EPS (TTM) de 7.37, P/E (TTM) de 4.33 y un rendimiento de dividendos del 4.19 %.

#2. Toyota

Este fabricante de automóviles con sede en Japón ha estado usando hidrógeno como combustible durante muchas décadas. Sus vehículos de combustión de hidrógeno incluyen el GR Corolla H2 y el GR Yaris H2. Toyota también participó en las carreras de resistencia Super Taikyu para acelerar el desarrollo de sus vehículos. Esta semana, Toyota mostró sus nuevos motores que pueden funcionar con diferentes combustibles, incluido el hidrógeno.

Toyota es una empresa con capitalización de mercado de $314 mil millones cuyas acciones se cotizan actualmente a $198.86, con un aumento del 8.53 % en lo que va del año. Los ingresos de la compañía (TTM) han sido $287 mil millones, EPS (TTM) de 24.18, P/E (TTM) de 8.22 y un rendimiento de dividendos del 2.45 %.

Conclusión

Está claro que los motores de combustión de hidrógeno ofrecen grandes beneficios en términos de reducción del impacto ambiental, dependencia de la infraestructura existente y alta eficiencia térmica. Pero, por supuesto, los HICE por sí solos no podrán proporcionar un transporte sostenible. Más bien, a través de una combinación de soluciones, podemos lograr un entorno más seguro. En esa combinación, sin embargo, los HICE pueden desempeñar un papel crucial y ayudar a la transición lejos de los combustibles fósiles. 

Ahora, después de décadas de potencial no realizado, los vehículos impulsados por hidrógeno pueden finalmente estar en el centro de atención gracias al renovado interés, inversiones privadas, apoyo gubernamental y avances tecnológicos. 

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