La necesidad de reducir las emisiones de carbono, tema de gran interés en la Sesión de la Conferencia de las Partes en la Conferencia sobre el Clima y el agotamiento gradual de las reservas mundiales de petróleo ponen de relieve la importancia de utilizar combustibles alternativos en los motores diésel.
Los coches eléctricos sustituirán sin duda a los de gasolina y diésel, y el hidrógeno y las baterías de nueva generación desempeñarán un papel vital en esta transición. Muchos países tienen previsto prohibir la venta de vehículos con motor de combustión interna en la próxima década.
Se trata, sin duda, de un paso en la dirección correcta; sin embargo, la transición completa de los vehículos pesados a cero emisiones podría llevar años, quizá incluso décadas. Por ello, los investigadores están estudiando diversas opciones para llenar este periodo de transición.
Sustitución parcial del combustible para reducir las emisiones
El proceso de sustitución de los combustibles tradicionales por combustibles renovables se inició hace décadas, pero ha surgido recientemente como una preocupación acuciante debido a la creciente necesidad de reducir las emisiones de carbono y conservar los combustibles fósiles.
Como consecuencia de estos factores, los científicos están motivados para encontrar y aplicar alternativas a los combustibles fósiles en los motores diésel.
El hidrógeno posee cualidades que lo convierten en el combustible más limpio y puede producirse en enormes cantidades. Muchos científicos creen que será el combustible preferido para los automóviles en el futuro.
El principal inconveniente de esta tecnología es su dependencia del hidrógeno, que requiere una red de suministro de hidrógeno, un depósito presurizado y un coste adicional por cada kilómetro recorrido.
Por eso los fabricantes han limitado esta tecnología a los motores diésel o a los vehículos comerciales pesados para reducir la huella de carbono.
Generador de hidrógeno integrado de HYDI Hydrogen
HYDI Hydrogen, una empresa australiana, ha propuesto un novedoso diseño que no necesita ningún tipo de almacenamiento de hidrógeno. En su lugar, su diseño se basa en un dispositivo que combina agua destilada y la energía eléctrica generada por el sistema eléctrico del vehículo para fabricar un pequeño volumen de hidrógeno, que luego se bombea a la cámara de combustión del motor diésel.
Lo interesante de este planteamiento es que hace frente al elevado coste y al limitado suministro de hidrógeno. HYDI Hydrogen garantiza una reducción del 14% en el consumo de energía y del 70% en las emisiones de carbono. Sin embargo, esta tecnología no está disponible para los vehículos de pasajeros.
La transición a la energía verde inutilizaría millones de motores viejos, mientras que los nuevos sistemas de combustible y motores de hidrógeno tardarían en producirse en masa y adoptarse de forma generalizada. Por eso, los ingenieros propusieron motores de hidrógeno y gasóleo para llenar este periodo de transición.
El sistema de adaptación conserva el sistema de inyección de gasóleo, pero añade la inyección de hidrógeno directamente en el cilindro y un control independiente del momento de inyección para los sistemas de hidrógeno y gasóleo. Además, no requiere hidrógeno puro.
El equipo demostró que su método de inyección de hidrógeno por capas, que crea bolsas de mayor y menor concentración de hidrógeno en el cilindro, reduce las emisiones de óxido nitroso y carbono.
En conjunto, las emisiones de dióxido de carbono se redujeron aproximadamente un 85%, y la eficiencia de un motor diésel aumentó un 26%, lo que representa un sólido paso intermedio hacia la descarburización completa de las industrias y los vehículos pesados que utilizan motores diésel.
El futuro de los vehículos de hidrógeno y gasóleo
Debido a las normativas más estrictas sobre emisiones y a la creciente preocupación pública por el impacto ambiental de los automóviles de combustión interna, en los últimos años han surgido muchas tecnologías prometedoras asistidas por hidrógeno para reducir las emisiones de carbono y prolongar la vida útil de los motores diésel.
Sin embargo, su éxito depende de la accesibilidad al hidrógeno, que aún no está disponible en la mayoría de las zonas. Pero puede llegar el momento del hidrógeno como alternativa ecológica clave a las baterías de litio.
Al igual que las normativas gubernamentales aceleran la transición hacia vehículos sin emisiones de carbono, la escasez de litio parece que sacudirá el mercado de las baterías para vehículos eléctricos en los próximos años.
Los proyectos de hidrógeno verde están surgiendo en todo el mundo. A medida que la industria del hidrógeno verde cobre impulso, será necesario que los inversores sepan que existe una demanda sólida y creciente de vehículos que ya utilizan hidrógeno y buscan una solución más limpia.
Ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) han logrado adaptar un motor diésel para que utilice hidrógeno como combustible con el fin de reducir las emisiones de carbono. El equipo invirtió 18 meses en desarrollar el sistema de inyección dual que utiliza un 90% de hidrógeno como combustible, pero confía en que futuras adaptaciones puedan completarse en cuestión de meses.
El transporte electrificado ha recibido un mayor impulso en los últimos meses, con estados y países que prohíben la venta de vehículos propulsados por motores de combustión interna en la próxima década. Aunque se trata de un paso en la dirección correcta, también es necesario avanzar rápidamente en tecnologías que puedan sustituir a los vehículos más grandes y de largo recorrido que realizan el trabajo pesado en todas las industrias.
La semana pasada, los Semi Trucks de Tesla saldrían de la cadena de producción antes de finales de año, y otros fabricantes de camiones eléctricos podrían seguir su ejemplo. Sin embargo, una revisión completa de los vehículos pesados a cero emisiones podría llevar años, incluso décadas.
Adaptación de los vehículos existentes
Por eso es encomiable el esfuerzo de los ingenieros de la UNSW. Adaptar los motores diésel existentes sería una forma mucho más rápida de pasar a un sistema de combustión más limpio para realizar el trabajo.
El hidrógeno puede ser mucho más respetuoso con el medio ambiente si se produce utilizando energías renovables que quemando combustibles fósiles como el gasóleo. El trabajo de investigación dirigido por Shawn Kook, profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica y de Fabricación, ha demostrado haber reducido las emisiones de dióxido de carbono a 90 g/kWh, lo que supone un 86% menos que las producidas por un motor diésel.
¿Cómo funciona el sistema de doble combustible?
El equipo ha conservado la inyección diésel original en el motor y ha añadido directamente una inyección de combustible de hidrógeno en el cilindro. Curiosamente, los esfuerzos del equipo también han encontrado una salida a las elevadas emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) asociadas a los motores de hidrógeno.
En lugar de introducir hidrógeno en el motor y dejar que se mezcle bien, los investigadores descubrieron que su adición estratificada reduce significativamente las emisiones de NOx. Esto significa que la presencia de hidrógeno es mayor en determinadas partes del motor y menor en otras. En general, las emisiones de óxidos de nitrógeno, causantes de la lluvia ácida y la contaminación atmosférica, se redujeron en el motor de doble combustible.
Y lo que es más importante, a diferencia de los sistemas de pilas de combustible de hidrógeno, el sistema de doble combustible desarrollado por los investigadores de la UNSW no requiere hidrógeno de gran pureza como combustible. Dado que producir hidrógeno de alta pureza es caro, el nuevo sistema podría implantarse a menor coste para los usuarios finales.
Una ventaja añadida es el aumento de la eficiencia energética con respecto a los motores diésel actuales, que, según los investigadores, ha mejorado hasta en un 26%. Esto se consiguió controlando de forma independiente los tiempos de inyección de ambos combustibles.
El equipo de investigadores confía en comercializar la tecnología en los próximos dos años y planea implantarla primero en emplazamientos industriales como las minas, donde ya existen conducciones de hidrógeno. Después, el equipo intentará que su tecnología sea más móvil, para lo que también necesitará un sistema de almacenamiento de hidrógeno.
Los resultados de la investigación se han publicado en la revista International Journal of Hydrogen Energy
- Se ha conseguido una fracción de energía de hidrógeno de hasta el 90% en un motor diésel ligero monocilíndrico de encendido por compresión con inyección directa dual de hidrógeno (H2DDI). Se modificó un motor diesel monocilíndrico en línea del tamaño de un automóvil para instalar un inyector directo de hidrógeno adicional.
- El motor se hizo funcionar a una velocidad constante de 2.000 revoluciones por minuto y con una fase de combustión fija de -10 grados del ángulo del cigüeñal antes del punto muerto superior (°CA bTDC) mientras se evaluaban la potencia, el rendimiento, la combustión y las emisiones del motor.
- Se realizó un estudio paramétrico a una carga intermedia con una fracción de energía de hidrógeno del 20-90% y una sincronización de la inyección de 180-0 °CA bTDC.
- Se alcanzó una presión media efectiva indicada (IMEP) elevada de hasta 943 kPa y un rendimiento indicado del 57,2% con una fracción de energía de hidrógeno del 90%, a expensas de las emisiones de NOx. La sincronización de la inyección de hidrógeno controla directamente el estado de la mezcla y el modo de combustión.
- Los tiempos de inyección de hidrógeno tempranos mostraron un comportamiento de combustión premezclada, mientras que los tiempos de inyección tardíos produjeron una combustión controlada por mezcla, con un punto intermedio alcanzado a 40 °CA bTDC de tiempo de inyección de hidrógeno. Con una fracción de energía de hidrógeno del 90%, el tiempo de inyección más temprano conduce a una mayor IMEP/eficiencia, pero el aumento de NOx es inevitable debido a la combustión premezclada mejorada.
- Para mantener al mínimo el aumento de NOx y conseguir la misma fase de combustión de un diesel de referencia, el momento de inyección de hidrógeno a 40 °CA bTDC muestra el mejor rendimiento, con el que se consigue una reducción de CO2 del 85,9% y un aumento de IMEP/eficiencia del 13,3%.
Finalmente ¿Puede el motor Diesel dejar de ser contaminante en un futuro próximo?
Sí, es posible que el motor diésel deje de ser contaminante en un futuro próximo. En los últimos años, se han desarrollado tecnologías que permiten reducir las emisiones contaminantes de los motores diesel, como los sistemas de post-tratamiento de gases de escape y los motores de combustión avanzada.
Además, en algunos países se están implementando políticas y normativas que incentivan la adopción de vehículos con bajas emisiones, como los vehículos eléctricos o híbridos. Esto puede ayudar a reducir la contaminación del aire y mejorar la calidad del aire en las ciudades.
Sin embargo, es importante tener en cuenta que la transición hacia motores más limpios no solo depende de la tecnología, sino también de la voluntad política y de la participación de todos los actores de la sociedad en esta transición.
Por lo tanto, es necesario seguir trabajando en la implementación de políticas y estrategias que favorezcan la transición ecológica.
