CDT Los motores de combustión de hidrógeno pasan al centro del escenario ya que la construcción apunta a cero emisiones, informa Graham Anderson.
Fuente: International Construction
“Estábamos pensando en el lugar de trabajo eléctrico; ahora estamos pensando en el lugar de trabajo del hidrógeno “. Esas palabras de Tim Burnhope, director de innovación y crecimiento de JCB, subrayan lo rápido que cambian las estrategias a medida que la construcción lucha para minimizar su impacto ambiental.
Hablaba sobre el trabajo de JCB en un motor de combustión de hidrógeno con cero emisiones de CO2, un desarrollo que cree que jugará un papel fundamental en el progreso de la construcción hacia un futuro más sostenible.
El OEM con sede en el Reino Unido ha construido y está probando actualmente un prototipo de retroexcavadora con un nuevo motor de hidrógeno. JCB está utilizando y adaptando tecnología de motor establecida con componentes fácilmente disponibles: una vez que se enciende el hidrógeno, la potencia se entrega exactamente de la misma manera que en un motor diesel.
El resultado es una retroexcavadora que puede hacer todo lo que su pariente tradicional con motor diésel puede hacer y se comporta de la misma manera, con costos de combustible que se espera sean muy similares al diésel. Aburridamente normal, se podría decir.
Esa normalidad es algo que entusiasma a sus desarrolladores de JCB. Después de todo, si sus clientes no adoptan la tecnología, no avanzaremos.
“Nuestros clientes dicen solo dos cosas: no lo complique demasiado y no lo haga demasiado caro para el mercado al que atienden”, dijo Burnhope.
Ventajas del hidrógeno
El motor de combustión de hidrógeno de JCB tiene aproximadamente el mismo tamaño, peso y facilidad de uso que su equivalente diésel, lo que significa que el equipo existente no tiene que ser rediseñado significativamente y la capacitación del operador requerida es insignificante. Sin embargo, todavía queda un largo camino por recorrer, como reconoce el propio Burnhope.
“Nuestro punto de partida fue cómo aprovechar nuestra experiencia en hidrógeno. Hay un camino por recorrer para ponerlo en producción, pero hasta ahora nada que nos asuste ”, comenta.
“El siguiente paso es llegar al mercado con algunos productos experimentales. Buscamos tener productos disponibles con algunos clientes para que puedan usarlos de manera experimental, para obtener comentarios y análisis. En este momento, creemos que utilizaremos estos motores en toda nuestra gama, desde retrocargadoras y manipuladores telescópicos de gama media, alrededor de tres o cuatro toneladas en adelante.”
Energía de hidrógeno
El viaje de la compañía hacia el motor de combustión de hidrógeno comenzó con un desafío del presidente Lord Bamford que resultó en la creación de un equipo de desarrollo especializado en su fábrica de Power Systems en Derbyshire, Reino Unido.
JCB había estado trabajando durante mucho tiempo en motores diésel limpios; según el OEM, los motores diésel que fabrica hoy producen un 50% menos de CO2 en comparación con las máquinas fabricadas en 2010. Hay reducciones aún más drásticas en partículas y óxidos de nitrógeno en comparación con los niveles de 1999.
El OEM ya ha lanzado una exitosa miniexcavadora eléctrica y ahora cuenta con catorce modelos diferentes en su gama de equipos compactos alimentados por baterías de iones de litio que incluyen manipuladores telescópicos, elevadores de tijera, volquetes y carretillas elevadoras. Luego, en 2020, desarrolló una excavadora de orugas de 20 toneladas impulsada por una celda de combustible de hidrógeno.
En una pila de combustible, el hidrógeno y el oxígeno se combinan para generar electricidad, calor y agua.
Las pilas de combustible que utilizan combustible de hidrógeno puro están completamente libres de carbono, y sus únicos subproductos son la electricidad, el calor y el agua. Esto es fantástico para la sostenibilidad, pero tanto las baterías como las pilas de combustible tienen sus limitaciones.
JCB dice que las baterías no son prácticas para equipos con un peso operativo de más de seis toneladas, como retroexcavadoras y excavadoras grandes. Las baterías pesarían demasiado, costarían demasiado y provocarían una pérdida de rendimiento de la máquina.
Al mismo tiempo, la tecnología de celdas de combustible tiene problemas técnicos y de costos sin resolver combinados con preocupaciones sobre la seguridad del suministro.
“Para ser claros, no estamos diciendo que las celdas de combustible nunca despegarán, pero queda un largo camino por recorrer. Tenemos que tener tanto cuidado de no pasar por iteraciones de diseño que signifiquen que los productos finales no estarán disponibles hasta, digamos, 2050. Tenemos que empezar a reducir el CO2 mucho, mucho más rápido ”, dice Burnhope.
“El futuro consistirá en utilizar la solución adecuada para el equipo adecuado. Horas bajas, uso bajo, probablemente una batería. Máquinas más grandes que trabajan en ubicaciones más remotas donde la recarga es más difícil; la industria probablemente buscará otras soluciones. Entonces pensamos que el hidrógeno se recuperará por sí solo.
“Nos parece que habrá un mercado fragmentado para baterías, pilas de combustible, combustión de hidrógeno con un mercado para cada uno, dependiendo de la aplicación. Tenemos la mente abierta a toda la tecnología que nos pueda ayudar en el camino hacia cero CO2, pero creemos que la combustión de hidrógeno nos llevará a cero CO2 mucho más rápido “.
Hasta la fecha, el prototipo de combustión de hidrógeno de JCB ha estado funcionando durante un par de miles de horas y la compañía tiene la intención de que la vida útil del diseño sea al menos la misma que su equivalente diésel.
Los desarrolladores de JCB se han puesto en contacto con ingenieros académicos y metalúrgicos sobre aspectos del desarrollo del motor mientras intentaban perfeccionar la mezcla de combustible. El resultado es un motor de combustión interna turboalimentado con una relación de combustible a aire de una parte de hidrógeno por 100 partes de aire, una solución que ofrece cero emisiones y resultados tempranos emocionantes.
Hasta ahora, la capacidad de los tanques de hidrógeno del prototipo de retroexcavadora actual, en palabras de uno de los ingenieros, probablemente no sea suficiente para hacer un día completo de trabajo. Vale la pena señalar, sin embargo, que es un primer prototipo de máquina y aún queda mucho desarrollo y aprendizaje por hacer.
Obviamente, una opción a considerar es aumentar la capacidad de los tanques de combustible, pero mejorar aún más la eficiencia de la máquina a través de cambios de diseño podría reducir la cantidad de combustible requerido, un enfoque que se puede aplicar a todos los tipos de máquinas, independientemente del combustible que utilicen.
¿Cuáles son los problemas de la cadena de suministro?
Quizás el mayor obstáculo para el desarrollo comercial exitoso del motor de combustión de hidrógeno no serán los desafíos técnicos o de ingeniería, sino el apoyo político y regulatorio combinado con la necesidad de establecer relaciones con nuevos proveedores.
Ciertamente, JCB está ansioso por ver el desarrollo de un sector del hidrógeno que estimulará el crecimiento de las cadenas de suministro necesarias. Según Burnhope, “No estamos viendo esto como una oportunidad de venta a otros fabricantes; estamos haciendo esto con la esperanza de que otros vean lo que estamos haciendo y se involucren ”.
El potencial del hidrógeno para ayudar a combatir el cambio climático solo se ha reconocido plenamente en los últimos años. Durante mucho tiempo, tanto los reguladores como los políticos lo ignoraron.
Sin embargo, el potencial de los motores de combustión de hidrógeno se reconoció por primera vez hace más de 200 años.
En 1806, el inventor francés Francois Isaac de Rivaz diseñó el primer motor de combustión interna que funcionaba con una mezcla de hidrógeno y oxígeno.
En las muchas décadas transcurridas desde entonces, decenas de visionarios, inventores e ingenieros de la automoción han coqueteado con los motores de combustión de hidrógeno, pero ninguno se ha desarrollado comercialmente.
Hoy en día, el entusiasmo de JCB por la tecnología es igualado por algunos de los nombres más importantes de la construcción y más allá. Entre los que trabajan en motores de combustión de hidrógeno se encuentran Liebherr, el fabricante de motores Cummins, el especialista alemán en desarrollo de motores FEV, los consultores de ingeniería del Reino Unido Ricardo y el gigante aeroespacial Airbus. Incluso la Fórmula 1 lo está mirando.
Todos esperan que su innovación y compromiso signifique que se pueda desarrollar con éxito un mercado global. Liebherr ha dicho poco sobre su trabajo hasta la fecha, pero Cummins anunció en julio que había comenzado a probar un motor de combustión interna de hidrógeno.
“Estamos encantados con el potencial del motor de hidrógeno para reducir las emisiones y proporcionar potencia y rendimiento a los clientes”, dijo Srikanth Padmanabhan, presidente del segmento de motores de Cummins.
“Estamos utilizando todas las plataformas de motores nuevas equipadas con las últimas tecnologías para mejorar la densidad de potencia, reducir la fricción y mejorar la eficiencia térmica, lo que nos permite evitar las limitaciones de rendimiento típicas y los compromisos de eficiencia asociados con la conversión de motores diésel o de gas natural en combustible de hidrógeno.
“Hemos realizado importantes avances tecnológicos y seguiremos avanzando. Somos optimistas acerca de llevar esta solución al mercado “.
Como siguiente paso, la compañía planea evaluar el motor en una variedad de aplicaciones dentro y fuera de la carretera y dijo que los motores de hidrógeno ofrecen a los fabricantes de equipos originales y a los usuarios finales el beneficio de la adaptabilidad al continuar utilizando líneas de transmisión mecánicas familiares con la integración de vehículos y equipos. reflejando el de los sistemas de propulsión actuales.
European Clean Hydrogen Alliance
FEV, el principal desarrollador internacional de vehículos y sistemas de propulsión con sede en la ciudad alemana de Aquisgrán, es otra empresa que va en la misma dirección. Esto es, en parte, una respuesta a la puesta en marcha de la Unión Europea de la Alianza Europea del Hidrógeno Limpio en 2020 con el objetivo de crear un mercado de hidrógeno integrado para 2030.
La medida de la UE reavivó el debate sobre cuál sería la forma más adecuada de utilizar hidrógeno y el FEV ha llegado a una conclusión similar a la de JCB. “El motor de combustión interna de hidrógeno es una opción robusta y rentable para el transporte sin CO2. Se puede implementar en la infraestructura de producción actual de manera relativamente simple y ofrece potencial para los vehículos existentes ”, dijo el profesor Stefan Pischinger, presidente y director ejecutivo de FEV Group.
Debido a que el hidrógeno es un combustible neutro en carbono, solo se producen cantidades mínimas de monóxido de carbono, dióxido de carbono y hollín a partir del lubricante quemado. El principal componente de los gases de escape es el óxido de nitrógeno (NOx), pero sus bajas temperaturas de los gases de escape significan que, incluso sin tratamiento posterior de los gases de escape, el nivel de óxido de nitrógeno ya está por debajo de los límites actuales.
Al igual que JCB y otros, FEV dice que se necesitan más investigaciones, por ejemplo, en el sistema de encendido, la ventilación del cárter, la mezcla de combustible y el tratamiento de los gases de escape. Todas las empresas involucradas quieren ver los motores probados a largo plazo en condiciones de trabajo en el sitio para eliminar cualquier inquietud que hasta ahora no haya salido a la luz.
La posibilidad de fragilización por hidrógeno, cuando los metales pueden volverse quebradizos como resultado de la introducción y difusión de hidrógeno en el material, es un tema de preocupación, aunque hasta la fecha no se han reportado problemas. Los grupos ecologistas también señalan que los beneficios ambientales de desarrollar motores de combustión de hidrógeno dependen de cómo se produce el hidrógeno.
El denominado hidrógeno azul se deriva del gas natural y su fabricación produce CO2 como subproducto, que debe capturarse y almacenarse. Como resultado, los oponentes argumentan que la incertidumbre que rodea a la tecnología de almacenamiento significa que el hidrógeno azul no es un combustible de emisión cero y no debe promoverse como tal.
Por otro lado, el hidrógeno verde es la producción de hidrógeno a partir de energía renovable a través de la electrólisis, un proceso que divide el agua en sus elementos básicos, hidrógeno y oxígeno, utilizando una corriente eléctrica. La electricidad utilizada en el proceso puede provenir de energías renovables como la energía eólica, hidroeléctrica y solar.
Motores de combustión de hidrógeno
Aparte de la disponibilidad de hidrógeno verde, es probable que los obstáculos más grandes sean la necesidad de apoyo político, una regulación eficaz y el establecimiento de cadenas de suministro cruciales con nuevos socios comerciales. Como observó uno de los ingenieros de desarrollo de JCB, “estamos haciendo muchos nuevos amigos”.
El OEM es optimista de que se desarrollarán las cadenas de suministro y de que la producción de hidrógeno se puede incrementar lo suficiente para satisfacer la demanda futura, alentada por los informes de las muchas corporaciones importantes que buscan ingresar al mercado.
Pero los gobiernos y los reguladores deberán acordar estándares internacionales y desarrollar rápidamente políticas para la producción, distribución y almacenamiento de hidrógeno. El presidente de JCB, Lord Bamford, ha hecho hincapié en que la oposición a los combustibles fósiles no debe conducir a un rechazo generalizado del motor de combustión interna en todas sus formas.
Dijo: “Creemos que debe haber un uso y desarrollo continuo de la tecnología de motores de combustión interna (ICE); el uso de combustibles fósiles en maquinaria puede eliminarse gradualmente en el futuro, pero eso no debería significar que los ICE no tengan un papel importante en la actualidad para ayudar a alcanzar cero emisiones de dióxido de carbono “.
Una de las muchas organizaciones que siguen de cerca los desarrollos es ESTA, la asociación europea de transporte especial por carretera y grúas móviles. Sus miembros trabajan en importantes proyectos industriales, energéticos y de construcción.
El director de la ESTA, Ton Klijn, dijo: “El desarrollo de motores de combustión de hidrógeno es muy emocionante. Solo podemos esperar que nuestros líderes políticos en Bruselas y los estados miembros de la UE sigan el ritmo del cambio.
“Si la industria va a desarrollar las nuevas cadenas de suministro que serán necesarias, necesitaremos que nuestros políticos muestren un pensamiento y un liderazgo claros, y eso significa acordar los marcos regulatorios necesarios y las normas armonizadas.
“Sabemos por amarga experiencia, y nuestra larga campaña por normas europeas armonizadas en transporte anormal, que tales objetivos son mucho más fáciles de debatir que de cumplir. Solo podemos esperar que la emergencia climática induzca un sentido de urgencia mucho mayor “.
Sin tales acuerdos, los grandes avances realizados por JCB y otros en el sector de la construcción y fuera de las carreteras podrían ser en vano.
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