Porsche se suma a la investigación sobre los motores de combustión de hidrógeno

Además de ofrecer actualmente una extensa gama de vehículos con mecánicas de gasolina, híbridas enchufables y 100% eléctricas, Porsche es uno de los fabricantes con investigaciones más avanzadas sobre los combustibles sintéticos, o e-fuels, y parece no descartar tecnología alguna de cara a lograr la futura neutralidad en carbono, que a ojos de la marca alemana no parece pasar exclusivamente por la electricidad. Y el último ejemplo es la confirmación de que Porsche Engineering, su división de investigación y desarrollo, acaba de examinar el potencial de los motores de combustión de hidrógeno para conocer su compromiso entre altas prestaciones y bajas emisiones, con resultados que la firma de Zuffenhausen interpreta como realmente prometedores, y que animan a seguir con la investigación.

Según los responsables técnicos de Porsche, actualmente se están desarrollando en todo el mundo motores de hidrógeno, pero en la mayoría de los casos destinados a vehículos comerciales y con una potencia específica relativamente baja, de alrededor de 50 kW (68 CV) por litro de cilindrada. "Para el sector de los coches de pasajeros, esto es insuficiente", señala Vincenzo Bevilacqua, experto senior en Simulación de Motores de Porsche Engineering, quien añade: "Por este motivo hemos desarrollado un prototipo de motor de combustión de hidrógeno que tiene como objetivo igualar la potencia y el par de los actuales propulsores de gasolina de altas prestaciones. Al mismo tiempo, también nos habíamos marcado el objetivo de lograr un bajo consumo de combustible y mantener las emisiones al mismo nivel que el aire ambiente". Bevilacqua y su equipo tomaron como punto de partida para su estudio un motor de gasolina 4.4 de ocho cilindros en V de la marca, o más bien un conjunto de datos digitales sobre dicha mecánica, pues todo el estudio se realizó virtualmente utilizando simulaciones de rendimiento del motor.

Pero estas simulaciones informáticas han alcanzado un nivel de realismo extraordinario, y en este caso se desarrollaron sobre el circuito de Nürburgring, del que Porsche conoce cada centímetro gracias a la telemetría de sus frecuentes pruebas, como el reciente récord conseguido con el Taycan Turbo S. Las modificaciones llevadas a cabo sobre el citado motor V8 de gasolina incluyeron una relación de compresión más alta, una combustión adaptada al hidrógeno y, trascendental, un nuevo sistema de turboalimentación. "Para una combustión limpia de hidrógeno, los turbocompresores deben proporcionar alrededor del doble de masa de aire que en los motores de gasolina; aunque eso provoca, sin embargo, que la temperatura de los gases de escape sea más baja y disminuya su energía”, explica Bevilacqua.

Cuatro soluciones y una ganadora

Como ese inconveniente no se podía resolver con turbocompresores convencionales, Porsche Engineering desarrolló virtualmente cuatro conceptos termodinámicos alternativos de sobrealimentación mediante turbocompresores, algunos de ellos derivados de la competición. El primero era un sistema en paralelo con turbocompresor y compresor eléctricos, más válvulas de control para la fase de transición entre ambos; el segundo se trataba de un sistema en serie de dos etapas con turbocompresor eléctrico primero, compresor eléctrico después y una válvula que puede puentear este último; en el tercero hay un solo turbocompresor eléctrico en cada lado del motor (cada bancada de cuatro cilindros), con aletas de guía del aire entre el filtro y el compresor; mientras que en el cuarto esquema, que sería el finalmente elegido, se emplea un turbocompresor eléctrico de dos etapas, con un intercooler entre cada una de ellas.

En los cuatro conceptos entran en juego varios turbocompresores asistidos eléctricamente, que se combinan en ocasiones con válvulas de control adicionales o con compresores de accionamiento eléctrico. Según Bevilacqua, "en los estudios realizados, cada sistema de turboalimentación mostró ventajas y desventajas específicas; y la elección adecuada depende en gran medida de los requisitos del motor de hidrógeno en cuestión". Finalmente el equipo de desarrollo se decantó por un sistema de turboalimentación con compresores en paralelo, pues la característica distintiva de ese diseño es la disposición coaxial de dos etapas del compresor, que son accionadas por la turbina o por el motor eléctrico de apoyo mediante un eje común. El aire fluye a través del primer compresor, se enfría en el intercooler y luego se vuelve a comprimir en la segunda etapa.

Y en las simulaciones informáticas con los cuatro tipos de motores, Porsche Engineering midió tiempos por vuelta y la calidad y cantidad de las emisiones. Con alrededor de 598 CV, el motor V8 de hidrógeno ofrece una potencia similar a la del motor de gasolina original; y para evaluar mejor su rendimiento, los técnicos de la marca lo probaron "en un vehículo de referencia del segmento de lujo" con un peso total elevado, de 2.650 kilogramos, y 'rodando' sobre los 20,8 kilómetros del circuito Nordschleife de Nürburgring. El test, virtual, se llevó a cabo usando lo que se conoce como un gemelo digital, es decir, una representación por ordenador del vehículo real. Y con un tiempo por vuelta de 8 minutos y 20 segundos, el coche demostró un gran potencial en términos de dinámica y prestaciones, llegando a alcanzar los 261 km/h en la zona más rápida de la pista.

La combustión del hidrógeno no genera hidrocarburos, monóxido de carbono ni partículas. Para optimizar al máximo las emisiones del V8 de hidrógeno, los expertos de Porsche Engineering se concentraron entonces en los óxidos de nitrógeno (NOx), y tras una serie de pruebas exhaustivas, se adaptó la estrategia operativa del motor para lograr la combustión más limpia posible.

La clave, según la marca, fue mantener bajo el nivel de emisiones brutas por medio de una combustión extremadamente pobre y, por tanto, más fría, lo que permite prescindir de un sistema de tratamiento posterior de gases de escape. "Al final resultó que las emisiones de óxidos de nitrógeno se situaron muy por debajo de los límites que fija la normativa Euro 7, en vigor a partir de 2025, estando cercanas a cero en todo el mapa del motor”, señala Matthias Böger, ingeniero del departamento de Simulación de Motores en Porsche Engineering, quien para explicar mejor los resultados de las pruebas de emisiones hace una comparación con el índice de calidad del aire que las autoridades alemanas y otras instituciones usan como referencia para evaluar el nivel de contaminación: "En general, una concentración de hasta 40 microgramos de NOx por metro cúbico se considera una buena calidad del aire, y las emisiones del motor de hidrógeno están por debajo de este límite, de manera que su funcionamiento no tiene un impacto significativo en el medioambiente".

Mismo coste que un V8 de gasolina

Además de sus emisiones insignificantes, el motor de hidrógeno ofrece una elevada eficiencia en cuanto a consumo de combustible, tanto en el ciclo de homologación WLTP, donde hay una reducción del 5%, como en otros tipos de uso más variados, lo que se debe principalmente a su combustión pobre. "Hemos cumplido el objetivo que nos habíamos propuesto en este proyecto, que era el desarrollo de un motor de hidrógeno limpio y prestacional, pero a la vez económico", explica Bevilacqua. Porque el coste derivado de la producción en serie de un motor de hidrógeno podría ser equiparable al de un motor de gasolina: aunque el sistema de sobrealimentación y una serie de componentes mecánicos asociados al hidrógeno son más complejos y caros, no es necesario el tratamiento posterior de gases de escape que sí resulta obligado en un propulsor de gasolina que pretenda cumplir la exigente normativa Euro 7.

Según los responsables de Porsche Engineering, al realizarse todas las pruebas de una manera virtual, mediante un proceso de simulación, solo se han necesitado seis meses para completar el estudio desde la idea inicial, un tiempo en el que los técnicos han podido concebir y desarrollar nuevos modelos de simulación, capaces de tener en cuenta las diferentes propiedades químicas y físicas del hidrógeno en comparación con la gasolina.

En cualquier caso, es poco probable que el motor de hidrógeno entre en producción con su diseño actual, ya que el objetivo del proyecto no era definir la mecánica definitiva, sino examinar el potencial técnico de este sistema de propulsión, que emplea una energía alternativa, y optimizar las capacidades de las herramientas de ingeniería existentes. "El estudio nos ha permitido obtener información valiosa sobre el desarrollo de motores de hidrógeno de alto rendimiento y agregar modelos y métodos específicos para este combustible a nuestra metodología de simulación virtual", concluye Bevilacqua. El trabajo de desarrollo, por tanto, comienza ahora, aunque todo podría depender finalmente de la postura que acuerde la Unión Europea en torno a los motores de combustión de hidrógeno, que por ahora no figuran entre las tecnologías admitidas de cara a un futuro sin emisiones de carbono.