Prova de conducció BMW i hidrogen: segona part
"Aigua. L'únic producte final dels motors nets de BMW és utilitzar hidrogen líquid en lloc de combustibles de petroli i permetre que tothom gaudeixi de les noves tecnologies amb la consciència tranquil·la".
Manera BMW
Aquestes paraules són una cita d'una campanya publicitària d'una empresa alemanya fa uns quants anys. Durant molt de temps ningú va posar en dubte el fet que els bavaresos saben molt bé el que fan pel que fa a la tecnologia del motor i són un dels líders mundials indiscutibles en aquest camp. Tampoc es podria pensar que una empresa que ha mostrat un sòlid creixement de vendes en els darrers anys invertiria molts diners en anuncis poc coneguts de tecnologies prometedores amb un futur incert.
Al mateix temps, però, les paraules citades formen part d'una campanya per promocionar una versió d'hidrogen més aviat exòtica de 745 hores del vaixell insígnia del fabricant d'automòbils bavaresa. Exòtic, perquè segons BMW, la transició cap a alternatives als combustibles d'hidrocarburs, que la indústria de l'automòbil ha estat alimentant des del primer moment, requerirà un canvi en tota la infraestructura de producció. Això últim és necessari perquè els bavaresos veuen un camí de desenvolupament prometedor no en les piles de combustible molt anunciades, sinó en la conversió dels motors de combustió interna perquè funcionin amb hidrogen. BMW creu que l'actualització és un problema solucionable i ja ha avançat significativament en la solució del principal problema d'aconseguir un rendiment fiable del motor i eliminar la seva propensió a processos de combustió incontrolats amb hidrogen pur. L'èxit en aquesta direcció es deu a la competència en l'àmbit del control electrònic dels processos del motor i a la possibilitat d'utilitzar els sistemes de distribució de gas flexibles patentats de BMW Valvetronic i Vanos, sense els quals seria impossible garantir el funcionament normal dels "motors d'hidrogen". . No obstant això, els primers passos en aquesta direcció es remunten al 1820, quan el dissenyador William Cecil va crear un motor alimentat amb hidrogen que funcionava amb l'anomenat "principi del buit", un esquema molt diferent del del motor inventat posteriorment amb un motor intern. . cremant. En el seu primer desenvolupament de motors de combustió interna 60 anys després, el pioner Otto va utilitzar el ja esmentat gas sintètic derivat del carbó amb un contingut d'hidrogen d'aproximadament el 50%. Tanmateix, amb la invenció del carburador, l'ús de la gasolina s'ha tornat molt més pràctic i segur, i el combustible líquid ha substituït totes les altres alternatives que hi havia fins ara. Les propietats de l'hidrogen com a combustible van ser redescobertes molts anys més tard per la indústria espacial, que ràpidament va descobrir que l'hidrogen tenia la millor relació energia/massa de qualsevol combustible conegut per la humanitat.
El juliol de 1998, l'Associació Europea de la Indústria de l'Automòbil (ACEA) es va comprometre amb la Unió Europea a reduir les emissions de CO2008 dels vehicles recentment registrats a la Unió en una mitjana de 2 grams per quilòmetre en 140. A la pràctica, això va suposar una reducció del 25% en les emissions respecte al 1995 i el consum mitjà de combustible de la nova flota va ser d’uns 6,0 l / 100 km. En un futur proper, s’espera que es prenguin mesures addicionals per reduir les emissions de diòxid de carboni un 14% el 2012. Això fa que la tasca de les empreses automobilístiques sigui extremadament difícil i, segons els experts de BMW, es pot resoldre utilitzant combustibles baixos en carboni o eliminant completament el carboni de la composició del combustible. Segons aquesta teoria, l’hidrogen reapareix en l’àmbit de l’automòbil amb tota la seva glòria.
L'empresa bavaresa es va convertir en el primer fabricant d'automòbils a produir en sèrie vehicles alimentats amb hidrogen. Les afirmacions optimistes i confiades del professor Burkhard Geschel, membre de la junta de BMW responsable dels nous desenvolupaments, segons les quals "la companyia vendrà vehicles d'hidrogen abans de l'expiració de l'actual Sèrie 7" s'han fet realitat. Amb la seva última versió, la Hydrogen 7, la setena sèrie, presentada el 2006, amb un motor de 12 cilindres de 260 CV. aquest missatge ja s’ha convertit en una realitat. La intenció semblava bastant ambiciosa, però no sense raó. BMW ha experimentat amb motors de combustió interna funcionant amb hidrogen des del 1978 i l'11 de maig de 2000 va realitzar una demostració única de les possibilitats d'aquesta alternativa. Una impressionant flota de 15 vehicles de 750 hl de la generació anterior de la setmana, impulsada per motors de dotze cilindres d’hidrogen, va completar la marató de 170 km, destacant l’èxit de la companyia i la promesa de nova tecnologia. El 000 i el 2001, alguns d’aquests vehicles van continuar participant en diverses manifestacions en suport de la idea de l’hidrogen. Llavors va ser el moment d’un nou desenvolupament basat en la propera Sèrie 2002, que utilitzava un V-7 de 4,4 litres modern i amb una velocitat màxima de 212 km / h, seguit del darrer desenvolupament amb un V-12 de XNUMX cilindres. Segons l’opinió oficial de la companyia, els motius pels quals BMW va escollir aquesta tecnologia per sobre de les piles de combustible són tant comercials com psicològics. En primer lloc, aquest mètode requerirà una inversió significativament menor si canvia la infraestructura de producció. En segon lloc, com que la gent està acostumada al bon vell motor de combustió interna, els agrada i serà difícil separar-se’n. I en tercer lloc, mentrestant, va resultar que aquesta tecnologia es desenvolupa més ràpidament que la tecnologia de les piles de combustible.
Als cotxes BMW, l'hidrogen s'emmagatzema en un recipient criogènic súper aïllat, com una ampolla termo d'alta tecnologia desenvolupada pel grup de refrigeració alemany Linde. A baixes temperatures d'emmagatzematge, el combustible es troba en fase líquida i entra al motor com el combustible normal.
En aquesta etapa, els dissenyadors de la companyia de Munic es van centrar en la injecció indirecta de combustible i la qualitat de la barreja depèn del mode de funcionament del motor. En mode de càrrega parcial, el motor funciona amb mescles magres similars al combustible dièsel: el canvi només es fa en la quantitat de combustible injectada. Es tracta de l'anomenat "control de qualitat" de la mescla, en què el motor funciona amb excés d'aire, però a causa de la baixa càrrega, es minimitza la formació d'emissions de nitrogen. Quan es necessita una potència important, el motor comença a funcionar com un motor de gasolina, passant a l'anomenat "control quantitatiu" de la barreja i a les mescles normals (no magres). Aquests canvis són possibles, d'una banda, a causa de la velocitat de control electrònic dels processos en el motor, i d'altra banda, a causa del funcionament flexible dels sistemes de control de distribució de gas - "doble" Vanos, treballant conjuntament amb el Sistema de control d'admissió Valvetronic sense accelerador. Cal tenir en compte que, segons els enginyers de BMW, l’esquema de treball d’aquest desenvolupament és només una etapa intermèdia en el desenvolupament de la tecnologia i que en el futur els motors passaran a la injecció directa d’hidrogen als cilindres i al turboalimentació. S’espera que aquestes tècniques donin una millor dinàmica del vehicle que un motor de gasolina comparable i un augment de l’eficiència global del motor de combustió interna en més d’un 50%. Aquí ens hem abstingut deliberadament de tocar el tema de les "piles de combustible", ja que recentment s'ha utilitzat molt activament aquest número. Al mateix temps, però, els hem d’esmentar en el context de la tecnologia d’hidrogen de BMW, ja que els dissenyadors de Munic van decidir utilitzar només aquests dispositius per alimentar la xarxa elèctrica de bord dels automòbils, eliminant completament la bateria convencional. Aquest moviment permet un estalvi de combustible addicional, ja que el motor d'hidrogen no ha de conduir l'alternador i el sistema elèctric a bord esdevé completament autònom i independent de la trajectòria de conducció: pot generar electricitat fins i tot quan el motor no està en marxa, així com produir i consumir energia es presta a una optimització total. El fet que ara només es pugui produir tanta electricitat com sigui necessària per alimentar la bomba d’aigua, les bombes d’oli, el reforç de fre i els sistemes per cable també es tradueix en un estalvi addicional. No obstant això, paral·lelament a totes aquestes innovacions, el sistema d'injecció de combustible (gasolina) pràcticament no va patir costosos canvis de disseny. Per tal de promoure la tecnologia de l’hidrogen el juny del 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde i Opel MAN van crear el programa de col·laboració CleanEnergy, que va començar amb el desenvolupament d’estacions d’ompliment d’hidrogen liquat i comprimit.
BMW és l'iniciador d'altres projectes conjunts, fins i tot amb companyies petrolieres, entre els quals els participants més actius són Aral, BP, Shell, Total. L'interès per aquesta prometedora àrea està creixent de manera exponencial: en els propers deu anys, la UE només aportarà contribucions financeres directes als fons per finançar el desenvolupament i la implementació de tecnologies d'hidrogen per un import de 2,8 milions d'euros. El volum d'inversions de les empreses privades en el desenvolupament de l'"hidrogen" durant aquest període és difícil de predir, però és evident que superarà moltes vegades les deduccions de les organitzacions sense ànim de lucre.
Hidrogen en motors de combustió interna
És interessant observar que, a causa de les propietats físiques i químiques de l'hidrogen, és molt més inflamable que la gasolina. A la pràctica, això significa que es necessita molta menys energia inicial per iniciar el procés de combustió en hidrogen. D'altra banda, les mescles molt magres es poden utilitzar fàcilment en motors d'hidrogen, cosa que els moderns motors de gasolina aconsegueixen mitjançant tecnologies complexes i cares.
La calor entre les partícules de la barreja d'hidrogen-aire es dissipa menys i, al mateix temps, la temperatura d'autoignició i la velocitat dels processos de combustió són molt superiors a la de la gasolina. L'hidrogen té una baixa densitat i una forta difusivitat (la possibilitat que les partícules penetrin en un altre gas, en aquest cas, l'aire).
La baixa energia d'activació necessària per a l'autoencesa és un dels majors reptes en el control dels processos de combustió en motors d'hidrogen perquè la mescla es pot encendre espontàniament fàcilment a causa del contacte amb zones més calentes de la cambra de combustió i la resistència a seguir una cadena de processos completament descontrolats. Evitar aquest risc és un dels majors reptes en el desenvolupament de motors d'hidrogen, però no és fàcil eliminar les conseqüències del fet que una mescla de combustió altament difusa viatja molt a prop de les parets del cilindre i pot penetrar en buits extremadament estrets. com les vàlvules tancades, per exemple... Tot això s'ha de tenir en compte a l'hora de dissenyar aquests motors.
Una elevada temperatura d’autoignició i un elevat nombre d’octans (aproximadament 130) permeten augmentar la relació de compressió del motor i, per tant, la seva eficiència, però també hi ha el perill d’autoignició d’hidrogen per contacte amb la part més calenta. al cilindre. L’avantatge de l’alta capacitat de difusió de l’hidrogen és la possibilitat de barrejar fàcilment amb l’aire, que en cas d’avaria del tanc garanteix una dispersió ràpida i segura del combustible.
La mescla ideal d'aire-hidrogen per a la combustió té una proporció d'aproximadament 34:1 (per a la gasolina aquesta relació és de 14,7:1). Això vol dir que quan es combina la mateixa massa d'hidrogen i gasolina en el primer cas, es necessita més del doble d'aire. Al mateix temps, la barreja d'hidrogen-aire ocupa molt més espai, la qual cosa explica per què els motors d'hidrogen tenen menys potència. Una il·lustració purament digital de proporcions i volums és bastant eloqüent: la densitat de l'hidrogen preparat per a la combustió és 56 vegades menor que la del vapor de gasolina... No obstant això, cal tenir en compte que, en principi, els motors d'hidrogen també poden funcionar amb mescles aire-hidrogen de fins a 180:1 (és a dir, mescles molt "magres"), cosa que al seu torn significa que el motor pot funcionar. sense vàlvula d'acceleració i utilitzar el principi dels motors dièsel. També cal assenyalar que l'hidrogen és el líder indiscutible en la comparació d'hidrogen i gasolina com a fonts d'energia en termes de massa: un quilo d'hidrogen consumeix gairebé tres vegades més energia que un quilo de gasolina.
Igual que amb els motors de gasolina, l'hidrogen liquat es pot injectar directament abans de les vàlvules dels col·lectors, però la millor solució és la injecció directament durant la carrera de compressió; en aquest cas, la potència pot superar la d'un motor de gasolina similar en un 25%. Això es deu al fet que el combustible (hidrogen) no desplaça l'aire com en un motor de gasolina o dièsel, permetent que només l'aire (significativament més de l'habitual) ompli la cambra de combustió. A més, a diferència dels motors de gasolina, els motors d'hidrogen no necessiten remolí estructural perquè l'hidrogen es difon prou bé amb l'aire sense aquesta mesura. A causa de les diferents velocitats de combustió en diferents parts del cilindre, és millor col·locar dues bugies, i en els motors d'hidrogen, l'ús d'elèctrodes de platí no és pràctic, ja que el platí es converteix en un catalitzador que condueix a l'oxidació del combustible a baixes temperatures.
H2R
L'H2R és un prototip de superesport en funcionament construït per enginyers de BMW i impulsat per un motor de dotze cilindres que arriba a una potència màxima de 285 CV quan funciona amb hidrogen. Gràcies a ells, el model experimental accelera de 0 a 100 km / h en sis segons i arriba a una velocitat màxima de 300 km / h. El motor H2R es basa en la unitat de gamma alta estàndard que s'utilitza en el 760i de gasolina i només va trigar deu. mesos per desenvolupar-se. Per evitar la combustió espontània, els especialistes bavaresos han desenvolupat un cicle de flux especial i una estratègia d'injecció a la cambra de combustió, utilitzant les possibilitats que ofereixen els sistemes de sincronització variable de vàlvules del motor. Abans que la barreja entri als cilindres, aquests últims es refreden per aire i l'encesa només es realitza al centre mort superior; a causa de l'elevada velocitat de combustió amb combustible d'hidrogen, no cal avançar en l'encesa.
Troballes
L’anàlisi financera de la transició a l’energia pura d’hidrogen encara no és molt optimista. La producció, emmagatzematge, transport i subministrament de gas lleuger segueixen sent processos bastant intensius en energia i, en l'actual etapa tecnològica del desenvolupament humà, aquest esquema no pot ser eficaç. Tot i això, això no vol dir que la investigació i la cerca de solucions no continuïn. Les propostes per generar hidrogen a partir de l’aigua mitjançant l’electricitat de plaques solars i emmagatzemar-les en dipòsits grans semblen optimistes. D’altra banda, el procés de generació d’electricitat i hidrogen en fase gasosa al desert del Sàhara, transportar-lo al mar Mediterrani per oleoducte, liquar-lo i transportar-lo mitjançant camions cisterna criogènics, descarregar-lo als ports i finalment transportar-lo en camió sona una mica ridícul de moment ...
Una idea interessant va ser presentada recentment per la companyia petroliera noruega Norsk Hydro, que proposava produir hidrogen a partir de gas natural als llocs de producció del mar del Nord, i el monòxid de carboni residual s’emmagatzemava en camps esgotats sota el fons marí. La veritat es troba en algun lloc del mig i només el temps dirà cap a on anirà el desenvolupament de la indústria de l’hidrogen.
Variant Mazda
L'empresa japonesa Mazda també mostra la seva versió del motor d'hidrogen, en forma d'un cotxe esportiu d'unitat rotativa RX-8. Això no és sorprenent, perquè les característiques de disseny del motor Wankel són extremadament adequades per utilitzar hidrogen com a combustible. El gas s'emmagatzema a alta pressió en un dipòsit especial i el combustible s'injecta directament a les cambres de combustió. Com que en el cas dels motors rotatius, les zones on es produeixen injecció i combustió estan separades, i la temperatura a la part d'aspiració és més baixa, el problema de la possibilitat d'encesa incontrolada es redueix significativament. El motor Wankel també ofereix espai suficient per a dos injectors, la qual cosa és extremadament important per injectar la quantitat òptima d'hidrogen.
