Energía alternativa. Hidrógeno como combustible

La recarga de combustible en un Mercedes 230 E demora unos 10 minutos. El acumulador de hidruro metálico calefaccionado tiene una capacidad de 39 cm3 (en estado normal equivale a 13 litros de combustible) y un peso de 300 Kg. Nótese la escotadura más amplia para las mangueras de carga

Revista Parabrisas Nro 109. Junio de 1987

Desde 1973 la casa Daimler-Benz de Alemania viene trabajando en el campo de combustibles y sistemas de propulsión sustitutivos. Hoy, los vehículos testeados que utilizan hidrógeno como fuente de energía, llevan recorridos más de 200.000 kilómetros. Interesante informe sobre posible aplicación 

El hidrógeno constituye una opción válida como agente secundario de abastecimiento de energía para el futuro. En su combustión no se forma ni monóxido, ni óxido de carbono ni hidrocarburos.
Largos años de investigación sobre el tema llevaron a la Daimler-Benz a una serie de conclusiones que han sido resumidas en un extenso informe que trataremos de abreviar para ustedes.
Los temas principales se refieren al almacenaje de hidrógeno en hidruros metálicos y la utilización de este combustible en motores convencionales. Las pruebas se están desarrollando desde octubre de 1984 en Berlín, con diez vehículos que circulan bajo auténticas condiciones de servicio 

El futuro inmediato 

Se estima que, para los sistemas futuros de abastecimiento de energía, adquirirá una importancia creciente la energía nuclear, y más adelante, las fuentes de energía regenerativas, es decir la energía solar con sus formas indirectas, como la eólica y la hidráulica. Para que puedan ser aprovechadas por el consumidor final se requiere un agente energético acumulable secundario. Desde poder compensar las fluctuaciones de la oferta de energía y ser apropiado para el transporte y la distribución de la misma. 

Un potencial agente secundario que cumple con estas exigencias es el hidrógeno, cuya materia prima de elaboración es el agua que, por electrólisis, se descompone en hidrógeno y oxígeno, al consumir energía primaria. 

En la combustión del hidrógeno, que lo transforma en agua, no interviene el carbono como en el caso de los combustibles sustitutivos metanol y etanol. Así no pueden formarse monóxido ni dióxido de carbono, ni hidrocarburos. Puede reducirse el aumento de concentración de estos compuestos en la atmósfera observado en estos últimos años y las consecuentes variaciones atmosféricas posiblemente relacionadas con él. 

El hidrógeno es universalmente aplicable y resulta inofensivo para el medio, permitiendo una transición paulatina de los agentes energéticos convencionales a los nuevos. El panorama futuro permite ubicar al hidrógeno como un importante factor en el abastecimiento de energía. Se lo presenta, además, como uno de los pocos combustibles sustitutivos con perspectivas de éxito en la búsqueda de nuevas fuentes de energía para el automotor. 

Algunos antecedentes 

Desde 1973 el desarrollo de la propulsión por hidrógeno ha constituido uno de los puntos neurálgicos de las investigaciones de la Daimler-Benz en el campo de combustibles y sistemas de propulsión sustitutivos. Los problemas técnicos que aparecen pueden resolverse sin grandes cambios tecnológicos en el vehículo y su manejo, ni para el fabricante ni para el usuario: los vehículos convencionales son adaptables en la medida que se acepte la consecuente disminución de la potencia y con ella, de las prestaciones, la autonomía y la carga útil en razón del peso de los acumuladores cuya rápida recarga, de todas maneras, no limita el alcance a un solo día de marcha. 

Puede adaptarse, al funcionamiento con hidrógeno, toda clase de máquinas de combustión interna. 

Los años de investigación básica en relación con el almacenamiento de hidrógeno en hidruros metálicos y el funcionamiento de motores convencionales con este combustible, así como las experiencias reunidas con varios vehículos en experimentación, constituían la base y punto de partida para el desarrollo de prototipos para un test en flotas. 

En los trabajos de investigación y desarrollo iniciados en 1979 y técnicamente coordinados por la Daimler-Benz, participan empresas de renombre mundial como la HWT, la Mannesmann y la Universidad de Dortmund, en el desarrollo y producción de acumuladores de hidruro metálico. La Universidad de Kaiserslautern , en el concepto de motor accionado por una mezcla de hidrógeno y nafta. Aral y Texaco, productores de aceites minerales, en el desarrollo de lubricantes adecuados. Por su parte la Aral, la institución Bergbau-Forschung y la Berliner Gaswerke (GASAG), construyendo y poniendo en servicio las instalaciones de abastecimiento de hidrógeno. La Asociación de Inspección Técnica de Renania, estudiando cuestiones de seguridad y homologación. Y la Studiengeselleschaft Nahverkehr con el seguimiento del proyecto en Berlín. 

En el marco del proyecto de demostración "Energías sustitutivas para el Tráfico Automotor", apoyado por el Ministerio Federal de Investigación y Tecnología, están prestando servicio en Berlín diez vehículos Mercedes Benz accionados por hidrógeno o mezcla de hidrógeno y nafta. Este ensayo tiende a obtener, bajo condiciones auténticas de servicio, experiencia respecto de la aptitud de esta nueva tecnología de producción' para la utilización práctica. 

El almacenamiento 

En este tema, es de crucial importancia la seguridad a bordo del vehículo. Tres son las tecnologías básicas estudiadas: gas hidrógeno comprimido, en recipientes adecuados; hidrógeno líquido, en depósitos aislados al vacío y acumuladores de hidrógeno químicamente ligado en hidruros metálicos.3

La Daimler-Benz ha optado por la última, ya que es la más segura. No obstante se siguen estudiando las otras dos posibilidades, a fin de aprovechar las posibilidades de reducción de peso e incremento de la presión de servicio para nuevos conceptos de motor en vehículos futuros. 

El almacenamiento en hidruros se basa en el efecto de determinadas aleaciones metálicas que forman un hidruro al entrar en contacto con hidrógeno a presión. Durante este proceso de carga se libera calor. Si, a la inversa, al hidruro se le aplica calor, se descompone en metal e hidrógeno gaseoso. 

Para su aprovechamiento en automotores, sólo son idóneas las aleaciones en las que este proceso pueda desarrollarse en forma reversible en el marco de las condiciones dadas en un vehículo. 

La aleación más conocida es la TiFe pero la empleada en este caso, a base de TiVMn, ha sido desarrollada por largos años en Daimler-Benz, con la finalidad de obtener elevadas capacidades de almacenamiento reversible, de carga y descarga rápidas y gran estabilidad de ciclo. 

Los acumuladores de hidruro tienen la forma de intercambiadores de calor tubulares, cuyos tubos se rellenan con el material acumulador en forma de polvo. El calor generado durante la carga se evacua mediante un medio transmisor térmico (agua más anticongelante) que recorre la envoltura del acumulador en sentido longitudinal. Para liberar el hidrógeno ligado en el retículo cristalino metálico del material acumulador, se procede a la inversa, administrándole al acumulador calor del motor, a través del medio transmisor térmico. La presión mínima de servicio de 2 bares que requiere el arranque del motor está disponible, con el acumulador completamente cargado, a partir de los -25°C. 

Los vehículos

Los vehículos utilizados para los ensayos son furgonetas Mercedes Benz 310 y sedanes 280 TE. En las primeras, los acumuladores (dos paquetes de dos módulos cada uno) van ubicados entre los ejes para optimizar la distribución de pesos. Las modificaciones introducidas al vehículo se refieren a la resistencia estructural necesaria en la superestructura y las sujeciones de los acumuladores. Unas tapas laterales facilitan el acceso a los mismos. Los vehículos cuentan con una escotadura mayor para la recarga de combustible y agua refrigerante. El sistema de alimentación de combustible ha 

sido sustituido por las tuberías para la inyección de agua en el motor. 

No obstante el incremento de peso (considerable) el vehículo sirve como "microbús" de nueve plazas y es posible incrementar la carga útil mediante pequeñas modificaciones en el tren de rodaje y los neumáticos. 

En cuanto a los autos, el acumulador (de dos módulos) va dispuesto atrás, sobre el eje trasero, con las siguientes ventajas: en caso de accidente, el acumulador se encuentra protegido por su ubicación; desde el punto de vista del comportamiento en marcha, la distribución de peso por eje es todavía aceptable; queda espacio útil para equipajes. 

Para adecuarlo al uso de hidrógeno, el tren de rodaje, los neumáticos y frenos cumplen con las exigencias de seguridad y comodidad de marcha, a pesar de la distribución desfavorable del peso sobre los ejes. 

La carrocería y el tren de rodaje cumplen con los requisitos de indeformabilidad y resistencia funcional. La solidez de las sujeciones del acumulador ha sido probada simulando accidentes. 

Al aislar el sistema de conductos de hidrógeno del habitáculo se ha logrado, mismo tiempo, su integración estética. La ventilación del habitáculo y del sistema de almacenamiento evita la concentración del hidrógeno en caso de fugas. Es mayor la escotadura para la tapa del depósito de combustible para dar paso a los acoples de recarga adicionales para el hidrógeno y el agua refrigerante. 

El sistema de alimentación de nafta es el de serie y sólo se ha reducido su volumen por razones de peso. No obstante haber disminuido la carga útil aumentando, al mismo tiempo, el peso total el auto ha sido homologado para cinco ocupantes. 

Se han previsto, por supuesto, todos los detalles necesarios y los sistemas im-prescindibles para la operación normal y segura de los vehículos. Se prestó especial atención al sistema de carga del hidrógeno, a las instalaciones de seguridad y control extrayendo conclusiones en forma constante de los tets en flotas. 

Los kilometrajes cumplidos hasta ahora superan los 250.000 km de pruebas con prototipos varios y casi 200.000 km totales recorridos con los diez vehículos del test en flotas, que comprueban el elevado nivel técnico de ambos conceptos de vehículo 

Sólo resta esperar los resultados definitivos.

1 - Tubo de almacenaje. 2 - Tubo guia de hidrógeno. 3 - Aleta. 4 - Hidrido metálico. 5 - Filtro (metal sintetizado). 6 - Colector de gas. 7 - Conexión de hidrógeno. 8 - Entrada de agua. 9 - Salida de agua. 10 - Cuerpo de llenado. 11 - Válvula de venteo. 12 - Carcaza

Aspecto general del acumulador y sus conexiones, ubicado por delante del baúl de equipajes del auto de serie

1 - Sistema de control electrónico. 2 - Conexiones de llenado. 3 - Tanque de nafta. 4 - Tanque de hidrógeno con hídrido metálico. 5 - Filtro. 6 - Dispositivo reductor de presión. 7 - Válvula de cierre. 8 - Servo motor de la válvula del acelerador. 9 - Válvula inyectora de nafta. 10 - Válvula inyectora de nafta. 11 - Intercambiador de calor de los gases de escape con flaps. 12 - Sistema electrónico de control del motor. 13 - Bomba circuladora del medio intercambiador. 14 - Salida de ventilación para el sistema de almacenaje. 15 - Ventilación del habitáculo