Combustión de hidrógeno. ¿Es posible una combustión limpia?

Mentalmente asociamos la palabra “combustión” con el humo negro, la suciedad y la contaminación. En este artículo se pretende desmitificar esta idea con el uso del hidrógeno como combustible en los motores de combustión interna y en las turbinas de gas. El objetivo es presentar una alternativa de futuro y de presente, tanto a los sistemas de combustión convencionales como a las pilas de combustible.

Autor: [Borja Plaza Gallardo-INTA]

El sistema energético actual basado en los combustibles fósiles parece, cada día que pasa, más insostenible. Las reservas son cada vez más escasas y los precios, debido fundamentalmente a la aceleración económica de China y la India, y a la recesión en el resto del mundo,  más inestables. Si a todo esto se le une la creciente preocupación por el medio ambiente, se convierte en urgente la necesidad de un nuevo modelo energético.

 Los planes estratégicos de la mayoría de los países incluyen al hidrógeno como vector energético del nuevo modelo. El atractivo del hidrógeno radica en la variedad de métodos para producirlo y en la diversidad de sistemas de generación de energía para utilizarlo. Posiblemente, las pilas de combustible sea la tecnología que más interés ha despertado debido a una mayor eficiencia en el proceso electroquímico, el nivel de emisiones cero y el silencioso funcionamiento de las mismas. Como desventaja, su lento desarrollo, su escasa vida útil y su elevado precio, hacen inviable, actualmente, su competencia con las energías convencionales. En este punto, la adaptación de motores de combustión y turbinas de gas para su funcionamiento con hidrógeno comienza a ser atractiva como parte fundamental del futuro sistema energético.

 El gran potencial de las tecnologías basadas en la combustión del hidrógeno radica en el aprovechamiento de la estructura industrial actual. Tanto los motores de combustión interna como las turbinas de gas son sistemas de generación de alta fiabilidad y limitado desembolso inicial, debido, fundamentalmente, al gran desarrollo industrial que han tenido durante las últimas décadas. Frente a las pilas de hidrógeno, con sistemas de producción aún artesanales, los sistemas de generación de energía basados en la combustión de gas tienen un gran respaldo industrial.

 En la actualidad, marcas constructoras de automóviles, como Mazda y BMW, se están posicionando para el empleo del hidrógeno en motores de combustión interna, proponiendo sistemas duales que permiten la utilización de combustibles fósiles o hidrógeno dependiendo de las circunstancias. En el mundo de las turbinas de gas, los proyectos no se encuentran en un estado tan avanzado, y aunque existen en el mundo turbinas de tamaño medio quemando combustibles ricos en hidrógeno, los proyectos que contemplan al hidrógeno como único combustible son escasos. Únicamente el proyecto de ENEL en Fusina incluye la construcción de una turbina de gas que opere íntegramente con hidrógeno aunque países como Corea (proyectos a pequeña escala), Japón (programa WE-NET) y Estados Unidos (proyecto Hydrogen Turbine Development) son los más punteros en esta nueva tecnología.

 Las pruebas realizadas en motores de combustión interna dan como resultados mejores eficiencias en la combustión que los motores convencionales debido a la elevada difusividad que permite mezclas combustible-aire más homogéneas, al amplio intervalo de inflamabilidad con el que se consigue una combustión más completa y limitar la temperatura final de la combustión, y la alta temperatura de auto-ignición que permite mayor relación de compresión.

 El inconveniente es que las propiedades que hacen del hidrógeno un combustible muy atractivo para su utilización en motores de combustión interna, se traducen en problemas para obtener una combustión controlada. La pequeña distancia de apagado, la baja energía de ignición y la alta velocidad de la llama, dan como resultado fenómenos indeseables en la combustión que, generalmente, se traducen en una combustión anómala. Estas anomalías incluyen la combustión superficial y el retroceso de la llama, además de problemas de autoencendido. La mayoría de estos problemas pueden ser controlados con un exceso de aire en la mezcla, mejoras en el sistema de refrigeración que eviten zonas calientes, recirculación de los gases de escape o inyección de agua.

En cuanto a las turbinas de gas operadas con hidrógeno, el gran potencial de las mismas asociadas a la generación vapor  en ciclos combinados lo convierten en la tecnología más prometedora con el inconveniente de las altas temperaturas alcanzadas en la reacción de hidrógeno con aire. El rango de temperatura alcanzado en la llama (2500 – 3000 ºK) suponen un gran problema debido a que la tecnología de materiales actual no ha conseguido sintetizar materiales capaces de aguantar durante periodos de tiempo prolongados temperaturas tan elevadas. Para solventar este problema se suele recurrir a la inyección de agua adicional, lo que permite ajustar la temperatura de la combustión.

Además de todo lo enunciado, se debe tener en cuenta las particularidades del hidrógeno. Su principal fortaleza como combustible es el nivel de emisiones cero que se puede lograr teniendo en cuenta que el único producto de la combustión, o de la reacción química de hidrógeno con oxígeno, es vapor de agua, y su principal debilidad es su baja densidad energética en términos volumétricos (energía / volumen) lo que conlleva la necesidad de grandes volúmenes de acumulación.

En mi opinión, el nivel de emisiones “cero” de los motores de combustión de hidrógeno, sumado a que estructuralmente se podrían utilizar los sistemas de combustión actuales (con pequeñas modificaciones) lo que abarataría los costes de fabricación y aumentaría la vida de funcionamiento de los equipos, hace que los motores de combustión con hidrógeno puedan desempeñar un papel protagonista en un nuevo modelo energético a corto plazo.