Desde un punto de vista técnico, su funcionamiento se basa en la utilización del hidrógeno como combustible primario, el cual es una fuente de energía altamente eficiente y respetuosa con el medio ambiente.
El hidrógeno es el elemento químico más ligero y abundante en el universo. Su alto contenido energético y su capacidad para generar energía eléctrica a través de procesos de oxidación lo convierten en una opción atractiva para la propulsión de motores.
En el contexto de los motores de hidrógeno, existen principalmente dos tipos de tecnologías: las pilas de combustible de hidrógeno y los motores de combustión interna de hidrógeno.
Pilas de combustible de hidrógeno
Las pilas de combustible de hidrógeno son dispositivos electroquímicos que convierten la energía química del hidrógeno y del oxígeno en energía eléctrica y agua, sin generar emisiones contaminantes. Estas pilas funcionan mediante una reacción química entre el hidrógeno y el oxígeno del aire, en la cual se produce electricidad, calor y agua como subproductos.
Este proceso se lleva a cabo en una estructura compuesta por celdas individuales, donde cada celda contiene un ánodo, un cátodo y un electrolito. El hidrógeno entra en contacto con el ánodo, mientras que el oxígeno del aire reacciona en el cátodo, generando electrones que son dirigidos a través de un circuito externo, produciendo electricidad que alimenta el motor eléctrico del vehículo.
Los vehículos que utilizan motores de pilas de combustible de hidrógeno se consideran coches eléctricos.
Comparación con los vehículos eléctricos convencionales
Los coches eléctricos de batería almacenan la electricidad en una batería recargable, la cual se carga conectándola a una fuente de electricidad externa, como un enchufe o una estación de carga.
Por otro lado, los coches de pilas de combustible de hidrógeno no almacenan electricidad directamente en una batería, sino que producen electricidad a bordo a partir del hidrógeno almacenado en el vehículo, a través de la reacción electroquímica en la pila de combustible.
Motores de combustión interna de hidrógeno
Por otro lado, los motores de combustión interna de hidrógeno funcionan de manera similar a los motores de combustión interna convencionales, pero en lugar de utilizar gasolina o diésel como combustible, emplean hidrógeno.
Estos motores queman el hidrógeno en presencia de oxígeno del aire, generando calor y expandiendo los gases resultantes para impulsar un pistón. A diferencia de los motores de combustión convencionales, los motores de hidrógeno no emiten gases de efecto invernadero, ya que el único subproducto de la reacción es el agua.
Ciclo de Brayton
Los motores de combustión interna de hidrógeno utilizan un ciclo termodinámico similar a los motores de combustión interna convencionales, como los motores de gasolina o diésel.
Este ciclo se conoce como el ciclo de Brayton, también llamado ciclo de gas ideal, y consta de cuatro procesos principales: admisión, compresión, combustión/expansión y escape. Sin embargo, en el caso de los motores de hidrógeno, se producen algunas diferencias significativas debido a las propiedades únicas del hidrógeno como combustible.
- Admisión: En este primer paso, se introduce una mezcla de hidrógeno y aire en el cilindro del motor. A diferencia de los motores de gasolina, donde se mezcla aire con un combustible líquido, en los motores de hidrógeno, se inyecta directamente hidrógeno gaseoso en el cilindro. El hidrógeno se mezcla con el aire en proporciones adecuadas para permitir una combustión eficiente.
- Compresión: Una vez que la mezcla de hidrógeno y aire ha ingresado al cilindro, el pistón se mueve hacia arriba, comprimiendo la mezcla. Este proceso aumenta la temperatura y la presión dentro del cilindro, preparando la mezcla para la combustión.
- Combustión/Expansión: En esta etapa, se inicia la combustión del hidrógeno y el aire comprimido mediante una chispa generada por las bujías del motor. La reacción química entre el hidrógeno y el oxígeno del aire produce calor y expande los gases resultantes, empujando hacia abajo el pistón y generando energía mecánica. A diferencia de los motores de gasolina, donde se produce dióxido de carbono y vapor de agua como productos de la combustión, en los motores de hidrógeno, el único producto de la combustión es agua.
- Escape: Una vez que se ha completado el proceso de expansión y el pistón ha alcanzado su punto más bajo, los gases de escape se expulsan del cilindro hacia el sistema de escape del vehículo. Estos gases consisten principalmente en vapor de agua, junto con pequeñas cantidades de otros productos de la combustión, como óxidos de nitrógeno (NOx) en cantidades muy bajas.
Almacenamiento y distribución de hidrógeno
Independientemente del tipo de tecnología utilizada, el almacenamiento y la distribución del hidrógeno son aspectos críticos a considerar en el funcionamiento de un motor de hidrógeno. Dado que el hidrógeno es un gas altamente inflamable y poco denso en su forma natural, su almacenamiento y transporte requieren tecnologías específicas, como la compresión o la criogenización.
Además, la infraestructura de recarga debe estar adecuadamente desarrollada para garantizar un suministro eficiente y seguro de hidrógeno a los vehículos equipados con este tipo de motor.
Eficiencia energética
En términos de eficiencia, los motores de hidrógeno tienen el potencial de superar a los motores de combustión interna convencionales y, en algunos casos, incluso a los vehículos eléctricos de batería.
Esto se debe a que la energía específica del hidrógeno es considerablemente mayor que la de los combustibles fósiles, lo que permite una mayor densidad energética y, por lo tanto, una mayor autonomía de conducción.