Obstáculos que aún debe superar el hidrógeno para consolidarse como combustible habitual en motores

Tanque de almacenamiento de hidrógeno licuado de Linde

Obstáculos que aún debe superar el hidrógeno para consolidarse como combustible habitual en motores

[Autora: Pilar Orihuela-INTA]

El uso de hidrógeno como combustible en motores tiene dos ventajas evidentes. En primer lugar, el hidrógeno puede considerarse un combustible prácticamente limpio, ya que, exceptuando los óxidos de nitrógeno que pueden generarse a muy alta temperatura, las emisiones de CO y CO₂ son despreciables. Y en segundo lugar, los motores de combustión son una tecnología ampliamente desarrollada y robusta. Adecuando las condiciones de operación del motor a las particularidades combustibles del hidrógeno, es posible obtener potencia mecánica o eléctrica con total fiabilidad.

¿Por qué no se hace entonces un uso generalizado del mismo?

El presente artículo muestra algunos de los factores que dificultan la consolidación del hidrógeno como combustible en motores. La mayoría de estos factores son salvables con mayor o menor dificultad. Pero hay dos obstáculos fundamentales que impiden a día de hoy la implantación de una economía basada en el hidrógeno: (i) la dificultad de producir un hidrógeno barato y limpio, y (ii) la inexistencia de una red general de distribución para el mismo.

·         Infraestructura de producción, transporte y almacenamiento.

A día de hoy, uno de los principales obstáculos que se encuentra la implantación de la llamada economía del hidrógeno es la inexistencia de una infraestructura de producción, transporte y almacenamiento de hidrógeno.

El hecho de que no exista el hidrógeno tal cual en la naturaleza y que haya que fabricarlo, ya supone de por sí un inconveniente, ya que rivaliza con la disponibilidad y la abundancia de sus competidores, los combustibles fósiles. No obstante, se conocen a día de hoy varios métodos que permiten producir hidrógeno fácilmente, a un coste razonable, y sobre todo, con un mayor control de las emisiones.

Las técnicas de reformado con vapor de gas natural o de gasificación del carbón, son técnicas relativamente probadas y baratas. Siempre añaden un sobrecoste al precio de adquisición del combustible de partida, pero el CO₂ que inevitablemente se genera de la descomposición del hidrocarburo, es emitido de forma centralizada con lo que es más fácil de separar y gestionar. En el caso de gasificar biomasa, el proceso resulta aún mucho más limpio.

La electrolisis se basa en la descomposición del agua por aplicación de una corriente eléctrica. Si el hidrógeno obtenido mediante esta técnica va a ser empleado a su vez para generación de electricidad, el proceso global es redundante y menos eficiente. Sin embargo, su empleo no carece de sentido dadas las ventajas que presenta el hidrógeno como vector energético en comparación con la electricidad y porque, además, el hidrógeno puede emplearse en otras aplicaciones finales, como por ejemplo la propulsión de vehículos. El hidrógeno producido por electrolisis es tan limpio como lo sea la electricidad empleada para su fabricación; si el origen de la electricidad empleada para el proceso es renovable, el hidrógeno se estará produciendo con muy bajas emisiones de gases de efecto invernadero.

La descomposición termoquímica del agua consiste en aprovechar las elevadas temperaturas de los reactores nucleares o de los concentradores solares para producir hidrógeno de la descomposición del agua. Se trata de uno de los procesos de producción de hidrógeno más limpios que existen. Y en el caso concreto de emplear un reactor nuclear, dado que se está aprovechando un calor residual de la planta, el coste asociado a la producción del hidrógeno es muy bajo.

También resultan muy limpios los procesos fotoelectroquímicos o fotobiológicos, los cuales consisten en producir hidrógeno por procesos metabólicos de bacterias o algas a partir de la luz solar. Sin embargo, estos procesos se encuentran aun en un estado de desarrollo más incipiente.

Cada uno de estos métodos lleva asociada una huella del carbono. Para que el uso de hidrógeno en motores sea competitivo es necesario mejorar los métodos de producción de hidrógeno: reducir los costes y reducir las emisiones asociadas de gases de efecto invernadero. Para lograr implantar de lleno una economía basada en el hidrógeno es indispensable sustituir las actuales fuentes energéticas de producción del hidrógeno por otras de origen totalmente renovable.

Otro de los obstáculos que dificultan el uso generalizado de hidrógeno en motores es su transporte y distribución. Como el hidrógeno tiene menos energía por unidad de volumen, los

costes de distribución son más altos que los de la gasolina o el gasóleo. Actualmente, la mayor parte del hidrógeno se produce in-situ o cerca del punto de consumo, generalmente en grandes plantas industriales; y la distribución se hace por tubería o por transporte terrestre (en tanques presurizados, o licuado). Sin embargo, la consolidación del hidrógeno como combustible a nivel global, requeriría una red de transporte y distribución mucho más amplia.

La distribución de hidrógeno por tuberías no resulta tecnológicamente muy compleja. El problema es que construir una red general de tuberías supone un desembolso inicial demasiado elevado. Una solución inicial podría ser producir el hidrógeno de forma regional o local. O también ir montando la infraestructura por fases, primero en núcleos donde se concentra mucho la demanda, y luego expandiéndola a otras áreas geográficas.

Otra opción que se está barajando es aprovechar la infraestructura de distribución del gas natural, inyectando hidrógeno en los gasoductos y separándolo del gas natural en el punto de destino. Un gaseoducto es capaz de transportar hasta un 20% en volumen de hidrógeno sin modificaciones sustanciales.

Una ventaja del hidrógeno es que puede mezclarse con gas natural en cualquier proporción para usarlo en los motores como combustible. Esto facilita la introducción del hidrógeno en el mercado a corto plazo, ya que la falta de una infraestructura de distribución puede ser compensada en parte con el uso de mezclas hidrógeno/gas natural.

El almacenamiento en sí del hidrógeno no supone especial inconveniente más que en aquellas aplicaciones donde el espacio está limitado. Es el caso del almacenamiento a bordo de vehículos. El uso de hidrógeno para propulsión de vehículos se enfrenta al problema de la autonomía. La baja densidad energética del hidrógeno por unidad de volumen implica que hacen falta depósitos de combustible mucho más grandes para proporcionar la misma autonomía que los combustibles convencionales (gasolina o diesel). Las opciones hoy en día son transportarlo presurizado, o transportarlo licuado; pero ambas opciones dificultan el repostaje y además presentan problemas de seguridad que aún deben solventarse.

·         Problemas asociados con la combustión.

El hidrógeno como combustible presenta varias particularidades que lo diferencian considerablemente de otros combustibles.

El primer problema que surge al emplear hidrógeno en un motor de combustión interna, especialmente en motores alternativos, es la disminución de la potencia. Por un lado, el contenido energético por unidad de volumen del hidrógeno es inferior al de otros combustibles; y por otro lado, su baja densidad reduce el espacio disponible en el cilindro o en la cámara de combustión para la entrada de aire. Con lo cual, el empleo de hidrógeno en un motor puede reducir su potencia hasta un 15%. Para evitar este problema, una solución es inyectar el hidrógeno comprimido o líquido.

Otro aspecto negativo del hidrógeno es su baja energía de ignición, que hace que éste sea propenso a autoencenderse. Cuando se usa en motores alternativos, la mera presencia de puntos calientes puede provocar el encendido prematuro de la mezcla antes de aplicar la chispa, lo que produce efectos de choque (golpeteo) y reduce la vida del motor. Existen varias formas de evitar este problema. Una forma es inyectar el hidrógeno líquido, ya que su baja temperatura previene la preignición. Otra sería retrasar la inyección del hidrógeno en el cilindro, o diluir la mezcla con gases del escape. En cualquier caso, conviene evitar los puntos calientes, ya sea empleando válvulas de escape refrigeradas, motores multiválvula, o cualquier otro sistema.

El hidrógeno también tiene una distancia de apagado muy pequeña lo que obliga a usar recubrimientos térmicos superficiales. La pequeña distancia de apagado, junto con la baja energía de ignición, favorecen además el retroceso de llama, por lo que el control de llama también se vuelve un aspecto importante en la combustión del hidrógeno.

En las turbinas de gas, un importante parámetro a controlar a la hora de quemar hidrógeno es la temperatura máxima de llama. Para unas mismas condiciones de operación, la temperatura de combustión del hidrógeno puede ser unos 125 ºCmás elevada que la del gas natural. La temperatura de llama afecta de forma directa a la generación de óxidos de nitrógeno; a partir de 1500 ºC, la formación de NO_x aumenta exponencialmente con la temperatura. Y además, la exposición continuada a determinados niveles térmicos también puede dañar los materiales de la turbina. El amplio rango de inflamabilidad del hidrógeno facilita el control térmico, ya que permite utilizar mezclas aire-combustible muy pobres para diluir la mezcla y reducir así la temperatura de llama. Además existen otras técnicas para el control de las emisiones, como la dilución con vapor o con nitrógeno.

·         Producción masiva.

Por ser un combustible tan peculiar, la combustión de hidrógeno sólo es beneficiosa bajo ciertas condiciones de operación. En otras circunstancias, la combustión de hidrógeno presenta ciertos retos tecnológicos. Aun así, los motores de gasolina son fácilmente adaptables a la combustión de hidrógeno. Varios fabricantes como BMW, Ford, o Mazda, ya han demostrado la viabilidad de emplear hidrógeno como combustible para propulsión de vehículos, habiendo adaptado con

éxito motores de gasolina a su uso con hidrógeno, y alcanzando ya eficiencias por encima del 40%.

Para que estos vehículos propulsados con motores de combustión de hidrógeno sean competitivos sólo es necesario que comiencen a fabricarse de forma masiva, ya que tecnológicamente no presentan especial complejidad.

El desarrollo de turbinas de gas alimentadas con hidrógeno no está tan avanzado pero también existen varios fabricantes como General Electric o Siemens que han adaptado algunos de sus modelos al uso de hidrógeno, obteniendo motores de suficiente fiabilidad y robustez.

·         Seguridad y aceptación social.

La seguridad en la implantación del hidrógeno como combustible es un tema que preocupa, sobre todo en su aplicación a vehículos. El hidrógeno es un gas incoloro e inodoro, difícilmente detectable por los sentidos humanos. Además, su amplio rango de inflamabilidad y su baja energía de ignición, favorecen la aparición de incendios. Los actuales sistemas de transporte y almacenamiento de hidrógeno ya disponen de estrictos medios de seguridad para controlar estos aspectos, sin embargo, aún existe cierto rechazo social hacia el hidrógeno. Para poder consolidar el hidrógeno como combustible es necesario favorecer la aceptación social del mismo, informando del estricto control de seguridad que existe, y educando en las importantes ventajas medioambientales de su uso.