Motores de hidrógeno y turbinas
HIDRÓGENO,  Transporte

Motores de hidrógeno y turbinas

El uso del hidrógeno para producir energía eléctrica lo tenemos mentalmente asociado a las pilas de combustible; sin duda alguna, las pilas de combustible son el método más eficiente y limpio de producir energía eléctrica a partir de ese gas. Sin embargo, en el momento actual, las unidades básicas de las pilas de combustible (stacks) poliméricas no superan los 100 kW… eso lleva muchas veces a preguntar por la posibilidad de motores y turbinas funcionando con hidrógeno, o incluso por una hipotética modificación de los convencionales que permitiese emplear hidrógeno.

Evidentemente, el uso de hidrógeno combinado con aire en motores o turbinas no produce CO2 como efecto de la combustión, sino, tan solo, vapor de agua; lo que sí es cierto es que (a diferencia de lo que ocurre en las pilas de combustible), aparece NOx, por efecto de la combustión del nitrógeno del aire… Pero vayamos poco a poco.

 

Los motores de hidrógeno

Comencemos por el caso de los motores. Fue Francois Isaac de Rivaz el primero que diseñó, en el año 1806, un motor de hidrógeno de combustión; más adelante, Étienne Lenoir desarrolló otro motor de combustión capaz de funcionar con hidrógeno, y lo aplicó, en 1863 a su vehículo Hippomobile, con el que alcanzó velocidades de 3 kilómetros a la hora (¡el primer vehículo de hidrógeno tiene más de 150 años!). Desde entonces, y durante más de 100 años, la batalla de los combustibles la ganaron los fósiles, no siendo hasta la década de los 70 del siglo XX, que aparecen nuevos diseños, patentes y motores empleando hidrógeno.

Desde los años 70, la base utilizada para el desarrollo de motores de combustión interna con hidrógeno se centra en la adaptación del motor de gasolina (que se basa en el encendido provocado mediante bujía) para su uso con hidrógeno como combustible, aunque también se ha estudiado la adaptación del motor diésel (encendido por compresión de la mezcla combustible). 

La baja predisposición a la adaptación de los motores diésel se fundamenta en la elevada temperatura de autoignición del hidrógeno. El diésel, combustible tradicionalmente empleado en los motores de encendido por compresión, presenta una temperatura de autoignición de 251 oC, mientras que la temperatura de autoignición del hidrógeno es superior a 585 oC. Por lo tanto, la autoignición del hidrógeno requeriría una relación de compresión muy superior a la existente en los motores diésel actuales.

Ello ha hecho que los diseños de motores habitualmente adaptados a hidrógeno provengan de los motores de gasolina, y no de motores diésel; dicho esto, merece la pena destacar algunos fabricantes que han adaptado motores diésel para que trabajen con mezclas diésel/hidrógeno, aprovechando así las ventajas medioambientales de este último. Este sector se ha enfocado, mayormente, en el transporte, a diferencia de los motores 100% de hidrógeno, más orientados al sector estacionario de producción de energía.

Como para todo hay excepciones, merece la pena destacar los desarrollos de BMW en los años 2000 para sacar adelante (con éxito, por cierto), un vehículo con un motor de explosión de hidrógeno de 12 cilindros, modificando uno de gasolina para que pudiese emplear ambos combustibles. Aunque, como ya se dice, este modelo de la serie 7 de BMW funcionó, en la actualidad la empresa alemana se basa en el desarrollo de vehículos de hidrógeno eléctricos, con pilas de combustible, más eficientes y limpios que sus antecesores.

Turbinas de hidrógeno

Para el caso de turbinas, empezaremos destacando lo ocurrido con microturbinas. Los estudios relacionados con las microturbinas de gas con combustión de hidrógeno han aumentado debido el reciente interés en su utilización como sistema de propulsión en vehículos aéreos no tripulados (UAV), además de la demanda del mercado de fuentes de potencia compactas para sistemas eléctricos portátiles.

Uno de los factores limitantes para la utilización de hidrógeno como combustible en microturbinas de gas es la elevada temperatura que alcanza la llama en la cámara de combustión. La temperatura tiene repercusión en la formación de óxidos de nitrógeno y en la vida útil de los materiales.

El hidrógeno es un elemento que como combustible presenta ciertas peculiaridades que lo diferencian de otros combustibles como el gas natural. El poder calorífico, expresado en unidades de masa (kJ/kg), es muy superior al del gas natural; debido sin embargo a su baja densidad, su valor energético en térmicos volumétricos es mucho menor. La velocidad de llama es superior debido a la simplicidad de la reacción de hidrógeno con oxígeno y los límites de inflamabilidad son mayores, lo que permite trabajar con mezclas más pobres.

Para evitar estos efectos, los fabricantes analizan diferentes estrategias de combustión en las turbinas de gas para la utilización de hidrógeno: la inyección directa pobre, las llamas de difusión diluidas con nitrógeno o vapor de agua, y la combustión con premezcla.

En la actualidad, las turbinas de gas natural ya pueden emplear, sin mucha modificación, hasta un 85% de hidrógeno, y pronto tendremos fabricantes que lancen al mercado turbinas de decenas de MW capaces de operar 100% con hidrógeno como combustible. Estamos en plena revolución del sector.