Motores ICE de combustión interna de H2

Los motores de combustión interna (ICE) de hidrógeno representan otra alternativa para utilizar el hidrógeno como combustible en los vehículos. 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:

Una ventaja clave de esta tecnología es que se pueden reutilizar los conocimientos y la tecnología existentes sobre los motores de combustión interna tradicionales. 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 de NOx en comparación con los combustibles convencionales.

El primer intento de desarrollar un motor de hidrógeno fue informado por el reverendo W. Cecil en 1820. Cecil presentó su trabajo ante la Sociedad Filosófica de Cambridge en un artículo titulado “Sobre la aplicación del gas de hidrógeno para producir potencia motriz en maquinaria”. El motor funcionaba según el principio del vacío, en el que la presión atmosférica empuja un pistón contra el vacío para producir energía. El vacío se crea quemando una mezcla de hidrógeno y aire, lo que permite que se expanda y luego se enfríe. Aunque el motor funcionaba satisfactoriamente, los motores de vacío nunca llegaron a ser prácticos.

En general, lograr que un motor de combustión interna funcione con hidrógeno no es difícil. Sin embargo, lograr que un motor de combustión interna funcione bien es un desafío mayor. Los desafíos clave para el desarrollo de esta tecnología son, principalmente, 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.

Problemas y soluciones de la preignición

El principal problema que se ha encontrado en el desarrollo de motores de hidrógeno operativos es la ignición prematura. La ignición prematura es un problema mucho mayor en los motores alimentados con hidrógeno que en otros motores de combustión interna, debido a la menor energía de ignición del hidrógeno, el rango de inflamabilidad más amplio y la distancia de extinción más corta.

La ignición prematura ocurre cuando la mezcla de combustible en la cámara de combustión se enciende antes de la ignición por la bujía, y da como resultado un motor ineficiente y de funcionamiento irregular. También pueden desarrollarse condiciones de contra-explosión si la ignición prematura ocurre cerca de la válvula de admisión de combustible y la llama resultante viaja de regreso al sistema de inducción.

Se han realizado varios estudios para determinar la causa de la ignición prematura en los motores de hidrógeno. Algunos de los resultados sugieren que la ignición prematura es causada por puntos calientes en la cámara de combustión, como en una bujía o válvula de escape, o en depósitos de carbón. Otras investigaciones han demostrado que pueden producirse contra-explosiones cuando hay una superposición entre la apertura de las válvulas de admisión y de escape.

También se cree que la pirólisis (descomposición química provocada por el calor) del aceite suspendido en la cámara de combustión o en las grietas justo por encima del anillo superior del pistón puede contribuir a la ignición previa. Este aceite pirolizado puede entrar en la cámara de combustión a través de la fuga de gases del cárter (es decir, más allá de los anillos del pistón), a través de filtraciones más allá de los sellos de guía de las válvulas y/o desde el sistema de ventilación positiva del cárter (es decir, a través del colector de admisión).

Las principales soluciones a este problema de pre-ignición se basan en:

• • Adaptar y rediseñar los sistemas de inyección.

• • Las condiciones de pre-ignición se pueden controlar utilizando técnicas de dilución térmica, como la recirculación de gases de escape (EGR) o la inyección de agua.

• • El medio más eficaz para controlar el pre-encendido y la detonación es rediseñar el motor para el uso de hidrógeno, específicamente la cámara de combustión y el sistema de refrigeración.

ICE H2 y el transporte pesado

En términos de durabilidad y fiabilidad, el motor de combustión interna ICE de hidrógeno es superior al motor de pila de combustible, posicionándose como el más adecuados para uso en vehículos pesados como autobuses y camiones de larga distancia. Según el director ejecutivo de Kawasaki Heavy Industries (KHI), el Dr. Motohiko Nishimura, los motores de combustión interna alimentados con hidrógeno se consideran “superiores en rendimiento a los de pila de combustible“. Señala que la tecnología podría proporcionar muchas ventajas para las aplicaciones de transporte pesado en todas sus variantes.

Sin embargo, también pueden proporcionar una ventaja competitiva a los fabricantes de celdas de combustible para aumentar la eficiencia de sus productos. Al hacerlo, la competencia podría impulsar la investigación y el desarrollo de estas tecnologías para crear sistemas de energía de hidrógeno más efectivos.

En la última edición de la IAA TRANSPORTATION 2024 que se celebró en Hannover se pudo constatar el interés de los grandes fabricantes de camiones de transporte pesado de propulsión alternativa y bajo impacto ambiental.

A continuación, se hace un minucioso repaso a las principales novedades de los principales fabricantes de vehículos de transporte pesado en el segmento de los ICE de hidrógeno.

IVECO H2 ICE Concept

El gigante automovilístico italiano Iveco Group presentó su amplia oferta multi-energía a través de sus marcas IVECO y FPT Industrial en la IAA Transportation 2024, apuntando a un futuro de cero emisiones en los camiones de alto tonelaje para el transporte de mercancías.

El nuevo modelo H2 ICE Concept de IVECO y su powertrain Cursor 9 H2, que hizo su estreno en Hannover, honra la reputación de su gama y representa la última solución de cero emisiones de CO₂ de FPT Industrial en el camino de la descarbonización y de un futuro del transporte limpio. Está diseñado para propulsar camiones pesados urbanos y regionales, así como camiones pesados de construcción y autobuses urbanos e interurbanos. Su avanzada tecnología de motor de hidrógeno se suma a la transmisión mecánica tradicional y la facilidad de mantenimiento de un motor de combustión interna estándar. En comparación con las soluciones de pila de combustible, el nuevo Cursor 9 H2 ofrece una menor complejidad, un coste total similar y una mayor carga útil, lo que lo convierte en la solución ideal para la sostenibilidad medioambiental y económica.

Especificaciones técnicas del Cursor 9 H2:

• • Cilindrada del motor (l): 8,7

• • Disposición de los cilindros: 6 en línea

• • Sistema de inyección: Inyección de combustible en puerto (PFI)

• • Potencia máxima (CV): 310

• • Hidrógeno comprimido a 700 bares (CG H2)

• • Par máximo (Nm @rpm): 1.400 @1100

MAN hTGX

MAN lleva décadas investigando sobre propulsión por hidrógeno. En 1996, MAN Truck & Bus presentó en la Feria de Hannover el primer autobús propulsado por hidrógeno: el autobús urbano SL 202 estaba propulsado por un motor de gas natural adaptado para el funcionamiento con hidrógeno. Tras la Feria de Hannover, el vehículo completó una fase de pruebas de tres cuartos de año en Erlangen, durante la cual recorrió 13.000 kilómetros y transportó a 60.000 pasajeros. Finalmente, el autobús llegó a Múnich en 1997 y se puso en servicio con éxito allí. A esto le siguieron en 1998 tres autobuses articulados para el aeropuerto de Múnich, que se utilizaron hasta 2008, y otros 14 autobuses propulsados ​​por hidrógeno entre 2006 y 2009. 

MAN Truck & Bus será el primer fabricante europeo de camiones en lanzar una pequeña serie de camiones propulsados con un motor de combustión de hidrógeno ICH H2. La serie prevista inicialmente, de unas 200 unidades, se entregará a clientes de Alemania, Países Bajos, Noruega, Islandia y determinados países no europeos a partir de 2025. El MAN hTGX ofrece una variante de propulsión alternativa sin emisiones para aplicaciones especiales, por ejemplo, para el transporte de mercancías pesadas, como obras de construcción, transporte de cisternas o transporte de madera.

El motor de combustión de hidrógeno ICE H4576 se basa en el probado motor diésel D38 y se produce en la planta de motores y baterías de Núremberg. El uso de tecnología conocida nos permite entrar en el mercado en una fase temprana y, por tanto, supone un impulso decisivo para la puesta en marcha de la infraestructura del hidrógeno.

El motor de hidrógeno es especialmente adecuado para descarbonizar tareas de transporte especiales que requieren una configuración de ejes especial o en las que no hay espacio para la batería en el bastidor debido a la necesidad de trabajar en la carrocería del camión.

Especificaciones técnicas del MAN ICE H4576:

• • Ofrece altas cargas útiles y autonomías máximas de hasta 600 kilómetros en sus variantes de ejes 6×2 y 6×4

• • Potencia de 383 kW o 520 CV

• • Par de 2500 Nm a 900-1300 rpm

• • La inyección directa de hidrógeno en el motor garantiza una entrega de potencia especialmente rápida

• • Hidrógeno comprimido a 700 bares (CG H2)

• • Capacidad del depósito de 56 kg

• • Repostaje en menos de 15 minutos

• • Con menos de 1 g de CO₂/tkm, el MAN hTGX cumplirá los criterios de un vehículo de cero emisiones. «Vehículo de cero emisiones» según la nueva legislación de CO₂ prevista en la UE

Además de su experiencia anterior y más reciente con vehículos industriales, MAN también está desarrollando y probando el motor de hidrógeno para la división MAN Engines en una amplia gama de aplicaciones dentro y fuera de la carretera (transporte marítimo, por ejemplo).
Los ICE de hidrógeno son ideales para descarbonizar vehículos especiales, como las quitanieves, excavadoras y grúas, así como trenes en rutas no electrificables. También tiene sentido su uso en plantas de cogeneración, donde el calor generado como resultado de la ineficiencia del proceso es aprovechado junto a la electricidad producida, elevando la eficiencia total del sistema.

KEYOU

La startup afincada en Múnich ofrece servicios de retrofit para camiones de 18 toneladas existentes para que sean más ecológicos y eficientes. Además, proporciona una solución completa de movilidad con hidrógeno para operadores de flotas, que incluye no solo los motores en sí, sino también la conversión necesaria del vehículo, el suministro de combustible, la infraestructura, el mantenimiento y el servicio.

El motor KEYOU H2 ENGINE tiene las siguientes especificaciones técnicas:

• • 6 cilindros

• • Cilindrada: 7,8 litros

• • Alimentación de aire: Turbo

• • Potencia: 210 kW

• • Par máximo: 1.000 Nm

• • Puerto de alimentación de combustible: Inyección de combustible (PFI)

• • EATS (Sistema de post tratamiento de emisiones) no requerido (emisiones < EU VI)

• • Consumo (H₂/100 km): aprox. 7 kg

• • Autonomía: (depósito 350 bar) 350 km a 600 km

La startup alemana ha realizado una comparativa del Total Cost of Ownership (TCO) de camiones de 40 toneladas que recorren 120.000 kilómetros anuales. El resultado del TCO es el siguiente:

• • FC truck: 943.600 €

• • Camión diesel: 640.300 €

• • Camión de batería: 774.900 €

• • Retrofit ICE H2: 609.500 €

FORVIA & HyMot Project

El proyecto HyMot se centra en el desarrollo de un innovador motor de combustión interna de hidrógeno ICE H2. Centrado en el estudio de la viabilidad de sistemas de propulsión alternativos y sostenibles para vehículos ligeros.

Las principales ventajas de la solución ICE H2, radican principalmente en:

• • Reducción del tiempo de recarga

• • Mayor autonomía

• • Mayor potencia de salida

Como esta tecnología también pretende eliminar prácticamente las emisiones contaminantes, también debería permitir que los vehículos comerciales ligeros circulen en las futuras zonas de bajas emisiones (ZBE) que se están creando en las grandes ciudades. Este proyecto es un paso importante en el camino hacia el desarrollo de una industria francesa del hidrógeno de excelencia.

HyMot es un proyecto de 3 años de duración apoyado por ADEME (Agencia de Transición Ecológica en Francia). El objetivo del proyecto es desarrollar a partir de una hoja prácticamente en blanco un motor H2 de combustión interna optimizado para la gama alta del mercado de vehículos comerciales ligeros (LCV). Como objetivos ambiciosos, el motor ICE H2 debe demostrar la misma curva de par completa que el diésel sustituido, cumpliendo al mismo tiempo con las normativas de emisiones extremas (Clove B, más estrictas que el escenario actual de Euro 7). El motor se probará primero en el banco de pruebas. A continuación, un vehículo de demostración (Renault Master) validará los resultados en condiciones reales.

HyMot reúne a un consorcio de ocho empresas importantes de los sectores público y privado, lideradas por FORVIA:

• • Alpine Racing

• • Bosch France

• • Centrale Nantes

• • IFP Énergies Nouvelles

• • OSE Engineering

• • Renault

• • TotalEnergies

Conclusiones

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 costes, infraestructura y eficiencia, y en el caso de los ICE H2 las emisiones de NOx.

La entrada en el mercado de numerosos modelos propulsados por motores de combustión interna H2 ICE (sobre todo en vehículos industriales de alto tonelaje), hace que los tiempos para lograr un ecosistema integral y equilibrado infraestructura-vehículos de movilidad sostenible propulsada por hidrógeno se pueda incluso acelerar. Una vez exista la infraestructura necesaria de carga, los vehículos propulsados por hidrógeno, tanto ICE H2 como FCEV, serán un complemento y alternativa a los vehículos eléctricos de batería por sus indudables ventajas operativas.