Hidrógeno a partir de residuos para motores fijos y móviles

La descarbonización de los sistemas energéticos fijos y móviles requiere nuevas formas de generación y uso del hidrógeno. El suministro de hidrógeno de alta pureza (99,999 %) generado por electrólisis para pilas de combustible corresponde al estado actual de la técnica, pero conlleva un elevado esfuerzo técnico y financiero. En particular, para aplicaciones descentralizadas, alejadas de la red principal de hidrógeno prevista, por ejemplo, en la agricultura o en el sector de la construcción, hasta ahora no existen soluciones rentables. Al mismo tiempo, en estos sectores se han consolidado motores diésel robustos que pueden adaptarse a motores de combustión de hidrógeno con un esfuerzo razonable.

En el proyecto Waste2HyEngine, los Institutos Fraunhofer UMSICHT e IKTS, la Universidad de Heilbronn y DEUTZ AG siguen un enfoque adaptado a este caso de aplicación: Mediante procesos de conversión termoquímica, como la pirólisis, los residuos biogénicos se transforman en un gas de síntesis rico en hidrógeno. Este gas se prueba en un motor de combustión de hidrógeno estacionario reconvertido, en funcionamiento continuo. La atención se centra en el comportamiento del motor con diferentes composiciones de gas. Los resultados obtenidos hasta ahora son prometedores: el motor funciona de forma silenciosa y estable incluso con proporciones de hidrógeno que varían entre el 40 % y el 100 % en volumen del gas. Esto abre la puerta a dos nuevos escenarios de uso.

Vía 1: Uso directo en el lugar de generación

Para el uso exclusivamente como combustible en instalaciones fijas, no es técnicamente necesario aumentar aún más la concentración de hidrógeno en el gas de pirólisis. En lugares con una elevada generación de residuos —como plantas de compostaje, instalaciones de valorización de residuos orgánicos, molinos o aserraderos—, se dispone así, sin necesidad de una concentración adicional del hidrógeno, de una fuente de combustible económica y respetuosa con el medio ambiente para las plantas de cogeneración, que proporcionan electricidad y calor para su propio funcionamiento. Sigue siendo necesario un proceso previo de depuración del gas para separar alquitranes, polvos y compuestos de azufre, con el fin de proteger el motor a largo plazo; sin embargo, el esfuerzo de tratamiento es considerablemente menor que en la producción de un gas de calidad apta para pilas de combustible.

Vía 2: Concentración para aplicaciones móviles y transporte

Si se pretende utilizar el gas rico en hidrógeno para aplicaciones móviles en tractores o maquinaria de construcción, resulta conveniente concentrar el hidrógeno. En el marco del proyecto, los socios Fraunhofer UMSICHT e IKTS han desarrollado y probado diferentes procesos de membrana para este fin. Hasta la fecha se ha logrado alcanzar una concentración de hidrógeno del 90 % en volumen. Esto aumenta la densidad energética en relación con la masa y simplifica la logística posterior del hidrógeno en lo que respecta al transporte y el almacenamiento. De cara al futuro, esto podría dar lugar a soluciones descentralizadas de repostaje para maquinaria agrícola y de construcción cuyos motores se hayan adaptado para funcionar con hidrógeno —una vía que, sin embargo, requiere, además de la calidad del gas, avances en materia de sistemas de almacenamiento a bordo, tecnología de seguridad y homologación—.

Unos requisitos de pureza más bajos abren la puerta a nuevas materias primas

El proyecto de investigación aúna dos ventajas. Los motores de combustión de hidrógeno funcionan de forma fiable incluso con proporciones de gases acompañantes e inertes como el nitrógeno, el dióxido de carbono, el monóxido de carbono o el metano, a diferencia de las pilas de combustible, cuyos catalizadores reaccionan con sensibilidad incluso ante trazas de impurezas en el rango de las ppm. Al mismo tiempo, existe una gran variedad de residuos biogénicos que hasta ahora no podían utilizarse como fuente de hidrógeno, por ejemplo, residuos de fermentación de plantas de biogás, restos de poda, lodos de depuradora o residuos orgánicos municipales. Estos flujos de materia se generan a nivel regional y, en la actualidad, se aprovechan principalmente de forma poco valorizada; su tratamiento para obtener hidrógeno de alta pureza no resulta viable desde el punto de vista económico. Gracias a los menores requisitos que plantea el motor modificado en cuanto a la calidad del gas, estos residuos pueden utilizarse por primera vez como fuente de hidrógeno estacionaria o móvil.

«Combinamos la conversión termoquímica de residuos con el uso de hidrógeno en motores para crear una cadena de procesos continua», explica el Dr. Ing. Christopher Graf-Kick, coordinador del proyecto en Fraunhofer UMSICHT. «La clave reside en la flexibilidad del motor frente a la composición de la mezcla gaseosa: esto permite aprovechar residuos que hasta ahora no se habían tenido en cuenta para la producción de hidrógeno. La concentración adicional, por ejemplo mediante tecnologías de membrana innovadoras, también resulta prometedora. Permite aplicaciones en el ámbito de la movilidad o la logística del hidrógeno».

En la primera fase del proyecto se determinaron sistemáticamente los límites de tolerancia de un motor de hidrógeno en lo que respecta a la composición del gas. Para ello, en el banco de pruebas de motores de la Universidad de Heilbronn se recrearon diferentes mezclas de gases y se sometieron a ensayo en el motor. El motor de ensayo se basa en un motor diésel de cuatro cilindros fabricado por DEUTZ AG. En la adaptación para el funcionamiento con hidrógeno, el nuevo sistema de inyección de gas de control mecánico de la Universidad de Heilbronn constituye un componente clave. «Permite una dosificación precisa del volumen de gas incluso con composiciones de gas extremadamente variables y puede instalarse prácticamente en cualquier motor diésel», explica el profesor Karsten Wittek, director del Laboratorio de Máquinas de Pistón de la Universidad de Heilbronn.

En la segunda fase del proyecto, se probó toda la cadena de procesos con gas de pirólisis real, obtenido a partir de residuos, y su conversión en electricidad en el motor de gas de nuevo desarrollo de Fraunhofer UMSICHT.

El Dr. Ing. Georg Töpfer, de DEUTZ AG, afirma: «DEUTZ lleva muchos años ofreciendo soluciones de propulsión fiables para la agricultura y el sector de la construcción. Con la posibilidad de adaptar los motores a un motor de combustión de hidrógeno, abrimos a nuestros clientes un camino hacia la descarbonización. Si el hidrógeno se obtiene a partir de residuos regionales, pueden seguir este camino sin tener que esperar a que se amplíe la infraestructura de hidrógeno».

La aplicación estacionaria como punto de partida

El objetivo inmediato del proyecto es demostrar la viabilidad de la cadena de procesos para plantas de cogeneración estacionarias. A largo plazo, la tecnología también se aplicará a usos móviles. Dado que el gas es de origen biogénico, el suministro de energía sería prácticamente neutro desde el punto de vista climático. Además, durante la conversión termoquímica se genera un carbonizado que contiene carbono. Si este se almacena de forma permanente, por ejemplo, como carbón vegetal en el suelo, el proceso global tiene el potencial de presentar un balance de CO₂ negativo. El uso de hidrógeno biogénico en el sector del transporte en Alemania puede contabilizarse a efectos de la cuota de gases de efecto invernadero (cuota de GEI) en virtud del 37.º BImSchV (Reglamento sobre la contabilización de combustibles basados en la electricidad y materias primas biogénicas co-procesadas).

Waste2HyEngine es un proyecto colaborativo subvencionado por el BMFTR (número de referencia 03SF0754A) con un presupuesto total de 3,3 millones de euros y una duración que abarca desde marzo de 2024 hasta septiembre de 2026. El organismo responsable del proyecto es el PtJ (Projektträger Jülich).