Nota del editor: esta es la cuarta parte de una serie de ocho, sobre la evolución de los equipos de construcción y las alternativas al combustible diésel que están introduciendo los fabricantes, incluidas las máquinas híbridas, los equipos eléctricos (alimentados por baterías), y los a combustión de hidrógeno además de la tecnología de celdas de combustible de hidrógeno.
Si bien hay muchas tecnologías disponibles o en desarrollo en la actualidad que pueden reducir la producción de dióxido de carbono de los equipos pesados, nada se acerca más al cero neto que el hidrógeno. Según todos los informes, será el combustible del futuro, incluso si no se adopta ampliamente hasta cerca de mediados de este siglo.
Comprenda, sin embargo, que están surgiendo dos tecnologías de propulsión de hidrógeno diferentes con dos líneas de tiempo para su aplicación muy diferentes:
- Los motores de combustión de hidrógeno consumen gas de hidrógeno comprimido, que llega a través de las líneas de combustible a los cilindros de un motor de combustión interna (ICE). Las bujías encienden el gas en los cilindros y alimentan un tren motriz convencional.
- La tecnología de celdas de combustible de hidrógeno consta de dos electrodos, uno negativo y otro positivo, intercalados alrededor de un electrolito. El hidrógeno alimenta a la terminal negativa y el aire alimenta a la positiva creando una reacción química que entrega un flujo continuo de electricidad a las baterías que impulsan los motores eléctricos de mando.
Con cualquiera de las dos tecnologías, una vez que tenga el hidrógeno en su máquina o vehículo, las “emisiones” resultantes son insignificantes, sin dióxido de carbono y solo con una pequeña cantidad de vapor de agua.
Los muchos colores del hidrógeno:
El truco está en el hecho de que producir gas hidrógeno no es una propuesta neta cero. El método más común para producir hidrógeno hoy en día es el reformado de gas natural, que utiliza metano como material base. Este es el método menos costoso para producir hidrógeno y comprende el 96 % del mercado del hidrógeno actual, la mayor parte del cual es consumido por las industrias agrícola y de semiconductores.
La industria utiliza códigos de colores para indicar el impacto ambiental de la producción de hidrógeno. Por ejemplo:
El hidrógeno negro, gris o marrón proviene de combustibles fósiles.
El hidrógeno azul también se deriva de combustibles fósiles, pero utiliza tecnología de captura de carbono para reducir las emisiones de CO2.
El hidrógeno verde es el santo grial al que aspiran los ecologistas. Utiliza electrólisis para separar el hidrógeno del oxígeno presente en el agua.
Este proceso es prometedor, especialmente porque la energía solar o eólica puede producir electricidad a bajo costo y sin utilizar combustible fósil.
La energía nuclear también podría proporcionar la electricidad necesaria para obtener hidrógeno, pero la energía nuclear enfrenta los vientos en contra de los ecologistas de este país y de Europa.
La retropala impulsada por hidrógeno de JCB se presentó al público en mayo de 2021 y utiliza la tecnología de combustión de hidrógeno con encendido por chispa.
Combustión interna vs pila de combustible:
JCB ha sido optimista durante mucho tiempo sobre los méritos de los equipos impulsados por hidrógeno , explorando tanto la alternativa de combustión de hidrógeno como las celdas de combustible de hidrógeno. “Estudiamos una gran cantidad de combustibles diferentes y, analizados todos ellos, siempre seguimos volviendo al hidrógeno”, dice Tim Burnhope, director de innovación y crecimiento.
Una de las razones es que las máquinas que funcionan con baterías (de las cuales JCB tiene siete modelos) eran prácticas en áreas urbanas donde las operaciones nunca están demasiado lejos de la infraestructura de carga de electricidad. Pero cuando se trataba de canteras y sitios alejados de la red eléctrica, los contratistas van a necesitar algo más.
En el primer experimento de prueba de concepto de la compañía se utilizó celdas de combustible de hidrógeno para impulsar la excavadora JCB 220X. Esta máquina debutó en mayo de 2020 y pasó 12 meses en pruebas y evaluación en una cantera. Eso llevó a tener algunas conclusiones interesantes.
“Las celdas de combustible son un poco perezosas cuando se trata de una respuesta transitoria”, dice Burnhope. Necesitan una electrónica sofisticada para administrar el suministro de energía entre la celda de combustible y la batería. También requieren agua desionizada y refrigeración de alta capacidad, y pueden ser sensibles al polvo y las vibraciones”. El resultado final, en opinión de JCB, fue que las celdas de combustible eran demasiado complicadas y costosas para el mercado de equipos fuera de carretera, por ahora.
No obstante, casi todos los OEM continúan experimentando y explorando la tecnología de celdas de combustible de hidrógeno, particularmente para equipos grandes y camiones donde las máquinas eléctricas de batería pueden carecer de capacidad.
Recientemente, Sany presentó prototipos para un camión volquete y un mezclador. Volvo CE está probando un camión articulado. Cummins está evaluando numerosas instalaciones de celdas de combustible en instalaciones dentro y fuera de la carretera. Y Hyundai Construction Equipment presentó en Bauma una excavadora conceptual HW155H impulsada por celdas de combustible .
El primer equipo de celda de combustible de hidrógeno disponible comercialmente, los generadores EODev GEH2 de Generac, será distribuido por United Rentals a partir del segundo trimestre de 2022. La naturaleza estática de los generadores mitiga muchas de las vibraciones, la contaminación y otros problemas que desafían las aplicaciones de esta tecnología en equipos todoterreno.
El presidente de JCB, Lord Bamford, con el motor de combustión de hidrógeno desarrollado por la empresa.
Se intensifica la alternativa técnica de “combustión de hidrógeno”:
Si bien gran parte de la tecnología de celdas de combustible de hidrógeno aún está en pruebas, los motores de combustión de hidrógeno ofrecen beneficios ambientales casi idénticos y están mucho más cerca de la viabilidad comercial y son menos costosos de producir. Los motores de combustión de hidrógeno conservan la arquitectura básica de un motor diésel (cilindros, árbol de levas, bloque y cigüeñal) con un extremo superior del motor que utiliza encendido por chispa e inyección de combustible.
En JCB, los ingenieros evaluaron décadas de prototipos de combustión de hidrógeno y luego construyeron su propio motor de combustión de hidrógeno especialmente diseñado desde cero. El prototipo resultante se instaló en una retropala y un manipulador telescópico y comenzó a probarse en mayo de 2021.
“Se nos ocurrió un proceso de combustión completamente nuevo que funciona a presiones y temperaturas mucho más bajas y brinda una combustión increíblemente limpia”, dice Burnhope. “Hoy tenemos fantásticos turbocompresores que nos dan una gran cantidad de aire. El hidrógeno ya tiene mucha energía, y podemos maximizar el aire mientras minimizamos el hidrógeno en el interior de los cilindros”.
“Todo lo que está debajo de la tapa de cilindros, excepto los pistones, es igual que en nuestros motores diésel”, dice Burnhope. “Entonces, podemos usar el 70 por ciento de nuestras piezas existentes y el 70 por ciento de la cadena de suministro (fabricantes de piezas) existente”.
Puente al futuro:
Jeremy Carson, director del área “motores fuera de carretera” de Cummins, considera que la combustión de hidrógeno es una transición práctica para el diésel. Cummins, nos dice, está buscando una plataforma “agnóstica de combustible” de encendido por chispa que incluirá hidrógeno, gas natural, metano y otros biocombustibles.
“Creemos que es una buena solución a mediano plazo en la que se puede tener algo de la escala del diésel”, dice Carson. “Permitirá que los OEM se adapten a esto y permitirá que se construya una infraestructura para el suministro del hidrógeno a largo plazo.
“Soy optimista de que los motores de combustión de hidrógeno comenzarán a tener cierta aplicación hacia el final de la década”, dice Carson. “El gasto de capital en la parte delantera, para un motor de combustión de hidrógeno definitivamente será menor que una celda de combustible de hidrógeno completa, lo que ayudará a que sea una solución a corto plazo”.
La excavadora JCB 220X debutó en 2020 y funciona con celdas de combustible de hidrógeno. Los problemas de vibración, enfriamiento y contaminación deberán abordarse antes de que esta tecnología esté lista para aplicaciones todoterreno, dice la compañía.
Desafíos para el uso de motores a hidrógeno:
El gran desafío al que se enfrentan los tipos de motores de hidrógeno es el lento desarrollo de la infraestructura de abastecimiento de hidrógeno. Fuera de los canales industriales, el combustible no está ampliamente disponible.
Los OEM también tendrán que estudiar dónde colocar los tanques de almacenamiento de hidrógeno en sus máquinas, ya que es más voluminoso que el combustible líquido. Las cargadoras de ruedas, por ejemplo, no tienen mucho espacio, pero las excavadoras y las máquinas con grandes contrapesos deberían tener suficiente lugar para este aditamento, dice Burnhope.
Para motores estacionarios como generadores, grúas pórtico y torres de iluminación, el almacenamiento de combustible a bordo de la máquina no será un problema.
Fácil de recargar:
Burnhope señala que recargar con hidrógeno es mucho más rápido que recargar los modelos que funcionan con baterías. El hidrógeno solo tarda unos minutos en recargarse, mientras que las máquinas que funcionan con baterías pueden tardar de dos a ocho horas en recuperar la carga.
El peor de los casos es que el equipo de combustión de hidrógeno puede reabastecerse durante la hora del almuerzo o al final de un turno, dice Burnhope. Y el gas de hidrógeno se puede transportar al lugar de trabajo, al igual que el combustible diésel.
Fresco, limpio y muy verde:
Lo que emociona a los ingenieros como Burnhope es cómo se compara el hidrógeno libre de contaminación con los combustibles fósiles, y no solo en el escape se ve la diferencia.
La prueba de cuán limpios son los motores de combustión de hidrógeno, dice Burnhope, se puede ver en la varilla medidora de aceite. “Tírelo después de 100 horas y el aceite del motor estará brillante y limpio. Cuando desmontas estos motores, están tan limpios como el día que los armaste”.
Fuente: EquipmentWorld.com
