El suministro eficaz de hidrógeno a la celda de combustible de un coche de carreras anuncia el comienzo de una nueva era

En el transcurso del siglo pasado, se han ido utilizando diferentes sistemas de propulsión en los vehículos. En los orígenes de los deportes de motor, ya existían vehículos eléctricos. Hoy en día se utilizan diferentes recursos para propulsar motores: Gasolina, gasóleo, biocombustibles, gas natural, corriente eléctrica e hidrógeno. Los desarrollos llevados a cabo en los últimos años nos indican claramente la importancia que tiene lograr unas soluciones de movilidad sostenibles. Los combustibles fósiles se van agotando ,cada vez con más caros y no son respetuosos con el medioambiente. Mientras tanto, van apareciendo nuevos sistemas más sostenibles para la propulsión de vehículos: entre ellos, por ejemplo, las celdas de hidrógeno. El proyecto «Forze» se fija en el hidrógeno como solución de futuro en lo que respecta a la propulsión, si bien puede ser aprovechado en otras aplicaciones, como en las tareas domésticas. Fabricantes de automóviles como Hyundai, Mercedes u Honda ya están desarrollando prototipos y pretenden introducir en el mercado esta tecnología a partir de 2015. En varios países europeos, se están realizando pruebas con la instalación de una red de estaciones de repostaje con hidrógeno para este tipo de vehículos. Alemania es un buen ejemplo de ello: En 2015 se espera que haya 50 estaciones de repostaje de hidrógeno. Sin embargo, aún siguen siendo muy pocos los coches de carreras alimentados por hidrógeno. Actualmente, además de «Forze» solamente «Green GT» trabaja en vehículos de carrera de gran potencia propulsados por celdas de hidrógeno. «Forze» es el único equipo de estudiantes universitarios del mundo que trabaja en celdas de combustible de gran potencia para la propulsión de automóviles.

Forze VI sin carrocería

Hidrógeno y corriente eléctrica

Los vehículos eléctricos no solo funcionan con baterías, sino que también pueden ser alimentados con hidrógeno. El conductor apenas notará la diferencia entre una propulsión mediante hidrógeno o batería. En ambos casos, la cadena cinemática es propulsada por un motor eléctrico. La gran diferencia radica en el carburante: En un caso, la energía de accionamiento está almacenada en una batería, mientras que en el otro se consume hidrógeno. El hidrógeno se transforma en corriente en la llamada celda de combustible. El repostaje se produce de forma similar a la gasolina: en una estación de repostaje y en cuestión de minutos. Un vehículo que reposta hidrógeno puede recorrer trayectos muy largos sin necesidad de realizar repostajes intermedios.

Instalación de la caja de baja presión

Forze está desarrollando la tecnología de celdas de combustible de estos bólidos. El punto central del sistema es una pila de la empresa Ballard, en la que el hidrógeno reacciona con el oxígeno del aire ambiental. A raíz de esta reacción se forman corriente eléctrica y agua. La corriente alimenta el motor eléctrico, y el agua refrigera los frenos. Manejar y controlar una de estas pilas de celdas de combustible resulta muy complicado. Para conseguir un equilibrio operativo y hacer funcionar correctamente las celdas de combustible, se necesitan numerosos sensores, bombas y otros componentes diversos. El sistema electrónico de a bordo y el software garantizan una regulación eficiente. Forze ha desarrollado un sistema ligero y, por tanto, especialmente adecuado para vehículos, incluso para los dedicados a competiciones deportivas. La eficiencia del sistema está cercana al 50 %, lo que significa que debe refrigerarse con la ayuda de un intercambiador de calor. En los vehículos de carretera, el excedo de calor se puede utilizar, por ejemplo, para calentar el habitáculo de los pasajeros.

Una colaboración duradera

El equipo de Forze no es precisamente un recién llegado al sector de la tecnología de las celdas de combustible. Desde 2007 han desarrollado ya cinco vehículos que, desde su aparición, fueron pioneros en el sector, tanto en lo que respecta a tecnología como a rendimiento. La primera contribución de Bürkert consistió en la aportación de componentes. En el modelo «Forze IV», se instalaron una electroválvula proporcional, un sensor de presión y un regulador de Bürkert. Todos los componentes recibieron una buena valoración. En seguida Bürkert se convirtió en una fuente de inspiración para los componentes de Forze a la hora de llevar su tecnología al siguiente nivel.

Johann Gunnesch es ingeniero en los servicios informáticos de Bürkert de Ingelfingen, y es responsable del desarrollo de las soluciones de sistema personalizadas para los clientes de todo el mundo. El equipo de estudiantes universitarios le presentó un diagrama de flujo de la célula de combustible, explicándole los requisitos técnicos. El objetivo era diseñar una solución global eficiente para el suministro de hidrógeno que fuera los más ligera y compacta posible a partir de componentes estándar de Bürkert. Johann Gunnesch y el equipo de servicios informáticos de Bürkert se pusieron manos a la obra y presentaron una solución integrada. Un bloque de aluminio compacto permitía ahorrar considerablemente en material y, además, dejaba espacio para una válvula de seguridad, una electroválvula para regular la presión del hidrógeno, un caudalímetro másico, una válvula de descarga y sensores de temperatura y presión.

Nueva tecnología que atraviesa fronteras

Johann Gunnesch explica el funcionamiento del llamado bloque de baja presión: «El hidrógeno llega procedente del tanque y pasa primero a través de una válvula de cierre. En caso de avería, la válvula de sobrepresión integrada se encarga de derivar el hidrógeno. Una electroválvula Tipo 2875 dosifica el hidrógeno para la celda regulando la presión necesaria. Un caudalímetro másico Tipo 8701 mide la cantidad de hidrógeno suministrada y envía los datos al controlador electrónico. La temperatura y la presión se monitorizan continuamente con la ayuda de sensores. Los datos también llegan al controlador, de manera que la celda de combustible siempre trabaja bajo unas condiciones óptimas. Por último, una válvula de descarga Tipo 6011 garantiza que el sistema se pueda vaciar cuando el vehículo esté parado».

Ultraligero y eficiente: Sistema de medición del caudal de aire Bürkert para la celda de combustible

El Forze IV fue el primer automóvil de carreras con celda de combustible participante en una competición oficial. A partir de los datos y de la experiencia recogidos con aquel motivo, comenzó la construcción del nuevo Forze V que, con el mismo peso, desarrollaba una potencia un 50 % superior en la carretera. Con una potencia de la celda de combustible de 18 kW y una potencia adicional (Boost Power) de 60 kW, este vehículo de 315 kg de peso podía acelerar de 0 a 100 km/h en menos de 5 segundos. La velocidad máxima que podía alcanzar el deportivo de color verde (Forze V) era de 120 km/h.

The first support from Bürkert was only components. A proportional solenoid valve, a pressure sensor and a controller was installed in the Forze IV and function wise it worked well. But soon Forze was inspired by Bürkert to bring the solution to another level.

Año nuevo, desafíos nuevos

Con estos valores de potencia, a nadie debería extrañar que el ambicioso Forze-Team no se conformase con los logros alcanzados: se había iniciado una nueva era en los deportes de motor. El nuevo bólido parte del bastidor de un Lotus 7. El ingeniero jefe del equipo se enfrenta ahora al desafío de introducir una celda de combustible de 100 kW de potencia y de 190 kW de potencia adicional en el bólido. Además, el vehículo necesita dos depósitos de hidrógeno capaces de contener 74 litros a 350 bar de presión. Las pilas deben alimentarse con hasta 5000 l/min de aire a través de un caudalímetro másico para poder disponer de suficiente oxígeno. Para Bürkert esto también representa un gran desafío. «Para poder satisfacer los requisitos que impone el Forze VI, hemos integrado un elemento de flujo laminar recién construido. Es ligero y compacto, pero genera al menos cuatro veces más potencia», indica Johann Gunnesch. La solución aportada por Bürkert al Forze VI, con un diseño ligero, hace que el vehículo pase de 0 a 100 km/h en menos de 4 segundos pese a sus 880 kg de peso. Su velocidad máxima es de más de 210 km/h. La única emisión que expulsa al medioambiente es de agua.

Válvula proporcional estándar de 2/2 vías de efecto directo

Tipo 2875

• Excelente intervalo de ajuste
• Gran comportamiento de respuesta
• Formato compacto de la válvula de control
• Diámetros nominales DN 2...9,5 mm
• Opcional: Bobina protegida frente a explosiones

Medidor de caudal para gases (MFM)

Tipo 8701

• Medición directa de flujo con tecnología sensora de semiconductores para flujos nominales de 20 mlN/min a 80 lN/min
• Gran precisión
• Tiempo de reacción rápido
• Bus de campo opcional

Válvula tipo émbolo de acción directa de 2/2 vías

Tipo 6011

• Miniválvula compacta de acción directa hasta ancho nominal DN 2,4
• Sistema de bobina atornillado y resistente a vibraciones
• Montaje sencillo y rápido de brida o de placas de conexión
• Acople rápido (racor rápido) para conector de manguera