La transición hacia una movilidad sin emisiones de CO2 ha revolucionando el desarrollo de la siguiente generación de camiones. Un proceso de transformación radical que cada fabricante europeo está encarando con una estrategia diferente. Destaca especialmente el caso de Volvo Group, por la variedad de soluciones que está testando con el hidrógeno como protagonista, opciones que podrían servir de complemento a los camiones eléctricos de baterías.
Porque la opción de los camiones eléctricos de baterías es la tecnología que más aplicaciones de transporte por carretera de mercancías va a cubrir. En esta cuestión, los responsables de Volvo Trucks mantienen la misma posición que el resto de fabricantes de camiones europeos. Pero, a día de hoy, no parece que vaya a ser la única solución para descarbonizar los vehículos pesados.
El hidrógeno, que se está posicionando como el gran vector energético (almacenamiento de energía que se puede utilizar de forma controlada) para afrontar la transición hacia la neutralidad en emisiones de efecto invernadero, está escalando posiciones como segunda opción para lograr un transporte sin CO2.
Todos los fabricantes de camiones europeos, en mayor o menor medida, están explorando esta alternativa: con vehículos eléctricos de pila de combustible de hidrógeno o con camiones propulsados con motores de combustión que, igualmente, utilizan hidrógeno como combustible. Pero, sin lugar a dudas, es Volvo Trucks, a través de su matriz Volvo Group, la marca que más proyectos tiene puestos en marcha, cuatro en total, para evaluar el potencial que puede ofrecer el hidrógeno en el transporte neutro en emisiones de CO2.
En este artículo vamos a detallar en qué consiste cada una de estas cuatro soluciones: la pila de combustible de hidrógeno y tres variantes diferentes de motores de combustión.
La pila de combustible de hidrógeno
La pila de combustible que utiliza Volvo Group se basa en el sistema PEM (Proton Exchange Membrane, membrana de intercambio de protones), que funcionan con hidrógeno y oxígeno. Estas pilas producen energía: electricidad y calor, a partir de la fusión del oxígeno (O2) presente en el aire y el hidrógeno (H2) almacenado en depósitos en los vehículos. Los vehículos que utilizan este sistema son de tracción eléctrica, como los de baterías enchufables, y las emisiones que generan son el aire “sobrante”, sin oxígeno, y el vapor de agua (H2O) resultante de la reacción de fusión que tiene lugar en la pila entre hidrógeno y oxígeno.
La energía llega directamente al motor o motores eléctricos desde la pila, aunque los vehículos montan una batería de almacenamiento, donde se acumula la energía sobrante cuando la demanda de tracción es baja, para utilizarla cuando, al contrario, sube la necesidad de energía: aceleraciones o en ascensos prolongados con el vehículo cargado.
Como en toda reacción química, mantener la temperatura de la pila dentro de los rangos óptimos de funcionamiento es muy importante, por lo que los vehículos de pila de combustible utilizan un sofisticado y llamativo sistema de refrigeración exclusivo para el sistema de la pila.
Para la fabricación de las pilas de combustible, Volvo Group ha montado una empresa conjunta con Daimler Truck: Cellcentric. La compañía ha desarrollado un sistema de pila de combustible escalable que tiene una potencia de aproximadamente 150 kW y funciona con 800 V de tensión. Más ligero que un motor diésel, bajo la cabina de los camiones se puede montar dos pilas, con una potencia total de aproximadamente 300 kW.
Pero, en fechas recientes, la compañía ha presentado su nueva generación de pilas de combustible BZA150. Con un diseño compacto de paquete único, su integración en el vehículo es más fácil, y ofrece una potencia neta de más de 350 kW. Además, se ha reducido el consumo de combustible en un 20% en comparación con la generación actual, con un aumento de la densidad de potencia del 30% y una reducción del 40% del calor residual en carga máxima, lo que disminuye sustancialmente los requisitos de refrigeración del camión, una mejora estratégica clave para el ajuste del producto, aseguran desde Cellcentric, que avalan unas 25.000 horas de funcionamiento para una pila de combustible BZA150, que se fabricará en serie a finales de esta década. Las pruebas en condiciones de uso real con transportistas está previsto que comiencen en 2025.
Tres opciones con motores de combustión de hidrógeno
Pasamos ahora a las tres opciones de motor de combustión de hidrógeno. Pero, ¿por qué buscar más soluciones si ya se cuenta con camiones eléctricos de baterías recargables o de pila de combustible de hidrógeno? Los motivos son varios y diversos.
Por ejemplo, frente a la pila de combustible, un camión con motor de combustión de hidrógeno puede ser más adecuado para climas cálidos o cuando se necesita más energía durante períodos más prolongados, en cambio es menos eficiente. El tiempo de repostaje de hidrógeno (con pila o con motor de combustión) es similar al de un diésel. Tanto los eléctricos de baterías como los camiones de hidrógeno necesitan del despliegue de infraestructura de recarga y repostaje, pero, en principio, el hidrógeno es más fácil de llevar a cualquier lugar, frente a la dificultad que presenta actualmente instalar cargadores eléctricos de alta potencia en muchas zonas de Europa. Y habrá que ver cómo evolucionan el precio de la electricidad y el del hidrógeno.
Y no menos importante, adaptar las actuales cadenas de producción de camiones diésel para pasar a producir camiones con motores de combustión de hidrógeno es mucho más rápido y barato que desarrollar sistemas de fabricación de camiones eléctricos de baterías o de pila de combustible.
Sin embargo, como todo motor de combustión, el aire forma parte de la mezcla que se quema en la cámara de combustión de un camión con motor de hidrógeno, y el componente mayoritario del aire, un 78%, es nitrógeno, por lo que en las emisiones resultantes habrá óxido de nitrógeno (NOx), además de partículas. Aunque no en la misma proporción en cada motor de hidrógeno.
Al no utilizar un combustible de origen fósil no se producen emisiones de CO2, pero sí habrá que tener en cuenta los niveles de óxido de nitrógeno producidos, lo que puede suponer la incorporación de un sistema de tratamiento de los gases de escape para cumplir con las normas de emisiones Euro VI y la futura y más restrictiva Euro 7.
Volviendo a las soluciones con motor de combustión de hidrógeno de Volvo Group, estas son tres las propuestas en las que trabaja:
– un motor dual fuel, que quema una mezcla de hidrógeno con una pequeña cantidad de gasóleo;
– un motor de inyección directa 100% hidrógeno;
– y un motor de inyección con premezcla de aire e hidrógeno, en el que también solo se quema una mezcla de aire e hidrógeno.
Motor dual fuel de hidrógeno y gasóleo/HVO
De las tres opciones, la más avanzada, de hecho, ya está lista para comercializarse, es la del motor dual fuel, desarrollado junto con la empresa canadiense Westport. Sobre esta mecánica ya hemos escrito en varias ocasiones en nuestra web.
El corazón sistema es un inyector con un diseño de aguja concéntrica doble, que inyecta en el cilindro una pequeña cantidad de combustible piloto (que puede ser HVO o gasóleo) para iniciar el encendido y luego el gas, ya sea gas natural o hidrógeno, lo que da como resultado una reducción de las emisiones de CO2 de hasta un 97% y solo una pequeña cantidad de NOx y partículas, en línea con las regulaciones de emisiones Euro VI y la futura Euro 7. Pero no precisan si con la utilización o no de un sistema de tratamiento de los gases de escape. La actual solución con el motor de 13 litros de GNL sí que utiliza un módulo completo, con filtro de partículas y catalizadores de reducción de NOx con Adblue.
Resumiendo, en marzo de 2024, Volvo Group y Westport Fuel Systems establecieron una empresa conjunta para comercializar sistemas de combustible de inyección de gas a alta presión (HPDI) para aplicaciones off-road y de larga distancia, ofreciéndolo a cualquier fabricante de vehículos pesados que esté interesado en su uso.
En la versión con hidrógeno, el motor debe adaptarse a las rápidas velocidades de encendido y las altas temperaturas de la combustión del hidrógeno, lo que supone recurrir a un diseño avanzado del motor y utilizar materiales compatibles con el hidrógeno. Para Volvo, este sistema, cuya comercialización ya está en marcha, es adecuado para aplicaciones de larga distancia en las que el acceso o el tiempo para recargar baterías son limitados.
Motor de inyección directa del proyecto HyCET
La segunda propuesta en la que participa Volvo con motores de combustión de hidrógeno, en cuanto a su avanzado estado de desarrollo, es el proyecto HyCET (Hydrogen Combustion Engine Trucks). Un proyecto financiado por la administración alemana y liderado, curiosamente, por BMW Group, para reducir las emisiones de sus operaciones de logística y transporte, con el que se quiere demostrar la viabilidad de transformar los motores diésel en motores de combustión de inyección directa de hidrógeno. De esta iniciativa también hemos publicado noticias en su momento.
El responsable de la transformación del motor es la empresa germana Keyou, que ya comercializa un motor de combustión de hidrógeno de 7,8 litros de cilindrada para un camión de 18 toneladas, basado en una plataforma diésel. Para esta mecánica, en lugar de la inyección directa, han recurrido a un sistema de inyección PFI (Port Fuel Injected), con una precámara donde se realiza la mezcla de aire e hidrógeno antes de pasar a la cámara de combustión. Según los responsables de Keyou, la baja temperatura de combustión da como resultado unos niveles reducidos de emisiones de NOx, cumpliendo Euro VI sin sistema de tratamiento de gases de escape, y manteniendo un alto nivel de prestaciones: 210 kW de potencia máxima y 1.000 Nm de par motor, un 90% disponible a tan solo 900 revoluciones.
Keyou, dentro del proyecto HyCET, ha transformado un bloque diésel de 13 litros de Volvo para que queme hidrógeno, pero en este caso se ha utilizado un sistema de inyección directa. Ni Keyou ni Volvo Group nos han facilitado más detalles técnicos relacionados con este proyecto, como potencia y par o niveles de emisiones de NOx, que se espera que sean más altos que un motor con sistema PFI.
El prototipo ya se ha finalizado y está en tierras suecas para realizar los test previos antes de pasar a efectuar pruebas en carretera. Aquí tienes un enlace en el que se puede ver un video con el proceso de colocación del motor en una tractora FH.
Motor de hidrógeno con inyección directa con premezcla
Finalmente, la cuarta alternativa con hidrógeno, la tercera con motor de combustión y con un nivel de desarrollo menor, es la financiación por parte de Volvo Group de una beca de investigación (un programa de doctorado en Chalmers University of Technology, en Goteborg) para motores de combustión interna de hidrógeno con un sistema de inyección directa premezclada, mecánica para la que el fabricante sueco utiliza la denominación lpdiH2E, que viene a ser un sistema de inyección similar al utilizado por Keyou en su motor de 7,8 litros.
Uno de los principales problemas de este tipo de motores es la pre-ignición de la mezcla, dado la poca energía de activación que necesita el hidrógeno para combustionar, al entrar en contacto con una pequeña cantidad de gases residuales del anterior ciclo de combustión o por el simple contacto con la bujía, sin que sea necesario que se haya generado la chispa.Estas son, resumidas, las cuatro iniciativas con hidrógeno en los que está embarcado Volvo Group. Proyectos que tienen la vista puesta en lograr un transporte libre de emisiones de CO2.
Actualmente, buscando una analogía de tiempos pasados, estaríamos en un momento similar a cuando se lanzaron los reproductores de video, con los sistemas VHS, Betamax y Video 2000, y será el desarrollo futuro de cada tecnología la que determinará su utilización para impulsar los camiones libres de emisiones de CO2. En este sentido, Volvo Group ha apostado por tener información propia sobre todas las opciones disponibles y, de este modo, estar en disposición de ofrecer la solución más apropiada para cada aplicación de transporte pesado.
