El combustible de hidrógeno puede ser el portador de energía dominante en un sistema de energía totalmente renovable, se requiere un motor de hidrógeno para generar trabajo útil con él. El desarrollo de los motores de hidrógeno abarca dos tipos principales: las pilas de combustible de hidrógeno y los motores de combustión interna (ICE) de hidrógeno. Ambos enfoques tienen como objetivo aprovechar el potencial de energía limpia del hidrógeno, sin embargo, operan con principios y tecnologías fundamentalmente diferentes. Ambos comparten la propiedad común de que funcionan con un combustible renovable y producen emisiones respetuosas con el medio ambiente.
Motor de pila de combustible de hidrógeno #
Las pilas de combustible de hidrógeno convierten el gas hidrógeno en electricidad a través de un proceso electroquímico. Esta tecnología está a la vanguardia del transporte impulsado por hidrógeno debido a su alta eficiencia. El tipo de pilas de combustible más utilizadas son las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM), por ejemplo, las fabricadas por Hyundai Motor Company. Utilizan un electrolito de polímero sólido. El gas hidrógeno se divide en protones y electrones en el ánodo. Los protones pasan a través de la membrana hasta el cátodo, mientras que los electrones viajan a través de un circuito externo, generando electricidad. En el cátodo, los protones, los electrones y el oxígeno se combinan para formar agua y calor. Las reacciones que se están produciendo son:
Ánodo: H2 → 2H++2e−
Cátodo: 2H++2e−+0.5O2 → H2O + calor
Una ventaja clave de la tecnología es su alta eficiencia: las pilas de combustible convierten la energía química directamente en energía eléctrica con eficiencias que a menudo superan a las de los motores de combustión interna. Los únicos subproductos son el vapor de agua y el calor, por lo que todas las emisiones son benignas para el medio ambiente y la etiqueta cada vez más importante «cero emisiones» es claramente aplicable. Por último, la tecnología es escalable de pequeña a gran escala y, por lo tanto, adecuada para una amplia gama de aplicaciones. Se han presentado al público algunas pilas de combustible tan pequeñas como 3 mm . Hoy en día, los desafíos que siguen inhibiendo el aumento de su uso son los altos costos de los materiales de las pilas de combustible, en particular los catalizadores de platino.
Motor de combustión interna de hidrógeno (ICE) #
Los motores de combustión interna (ICE) de hidrógeno representan otro enfoque para utilizar el hidrógeno como combustible. A diferencia de las pilas de combustible, los motores de combustión interna de hidrógeno queman hidrógeno de manera similar a los motores tradicionales de gasolina, diésel o gas. Durante el proceso de combustión, el hidrógeno se inyecta en la cámara de combustión del motor, donde se mezcla con el aire y se enciende con una bujía. La combustión del hidrógeno genera gases de alta temperatura que se expanden e impulsan los pistones del motor, produciendo potencia mecánica. En términos simples, la reacción continua es:
2H2 + O2 → 2H2O + Energía
Una ventaja clave de esta tecnología es que se pueden reutilizar los conocimientos y la tecnología existentes sobre los motores de combustión interna. Además, el enfoque permite una alta potencia de salida y una alta densidad de potencia. Si bien no está completamente libre de emisiones, la combustión de hidrógeno emite principalmente vapor de agua, con niveles significativamente más bajos deNOx en comparación con los combustibles convencionales.
Los desafíos clave son la reducción de emisiones, lo que plantea desafíos adicionales para el diseño general del sistema, ya que implica que se requiere más hidrógeno para la misma cantidad de energía utilizable.
Evolución histórica y actual #
La idea de utilizar hidrógeno en los motores se remonta a hace más de un siglo. François Isaac de Rivaz construyó el primer motor de combustión interna impulsado por hidrógeno en 1806. Sin embargo, no fue hasta el sigloXX que se lograron avances significativos tanto en las pilas de combustible como en los motores de combustión interna de hidrógeno. En las décadas de 1960 y 1970, el programa Apolo de la NASA utilizó celdas de combustible de hidrógeno para la energía de las naves espaciales, demostrando su confiabilidad y eficiencia. A partir de entonces, fabricantes de automóviles como Toyota, Honda y Hyundai han desarrollado vehículos de pila de combustible de hidrógeno (FCV) como el Toyota Mirai y el Hyundai Nexo. Al mismo tiempo, empresas como BMW han experimentado con motores de combustión interna de hidrógeno, lo que pone de manifiesto la versatilidad del hidrógeno como combustible.
El futuro del motor de hidrógeno #
Los motores de hidrógeno, que abarcan tanto las pilas de combustible como los motores de combustión interna, ofrecen vías prometedoras hacia el transporte sostenible. Mientras que las pilas de combustible de hidrógeno lideran la carga con su alta eficiencia y cero emisiones, los motores de combustión interna de hidrógeno proporcionan una aplicación más inmediata al aprovechar la tecnología de motores existente. Ambos tipos enfrentan desafíos en costos, infraestructura y eficiencia, pero la industrialización en curso continúa allanando el camino para el papel del hidrógeno en el futuro de la energía limpia.
