BMW Group presentó los primeros vehículos de una flota piloto de hidrógeno, que entrará en servicio este año, después de cuatro años de trabajo de desarrollo. Dos tanques contienen casi seis kilogramos de hidrógeno presurizado a 10.150 psi (699,82 bar).
Fig.1 - El SUV Hydrogen de BMW tiene un alcance estimado de 260 millas (ciclo de prueba de EE. UU.) y recarga combustible en 3-4 minutos.
22 de marzo de 2023
Publicado en: Electronic Design
Lo que Ud conocerá leyendo esta Nota:
Qué está pasando en los nuevos vehículos impulsados por hidrógeno.
Creación y fabricación del stack de pilas de combustible.
Detalles sobre las nuevas instalaciones de fabricación de BMW.
El punto cero en la lucha para ganarse los corazones y las mentes de los compradores de automóviles, es encontrar una alternativa viable a los vehículos que funcionan con combustibles fósiles. El hidrógeno ofrece potencial como fuente de energía futura y puede convertirse en una opción tecnológica a largo plazo, para la movilidad libre de emisiones, junto con la energía eléctrica de baterías.
Con ese fin, y extendiendo sus plumas de hidrógeno como un pavo real, BMW Group ha presentado los primeros vehículos de una flota piloto de hidrógeno, que entrará en servicio este año, después de cuatro años de trabajo de desarrollo.
La flota de menos de 100 vehículos, se empleará internacionalmente con fines de demostración y prueba para varios organismos reguladores y esfuerzos de marketing. En particular, BMW necesita convencer a los legisladores de que el hidrógeno es una alternativa viable a la tecnología eléctrica.
Esta experiencia de conducción activa, será la primera oportunidad para que las personas que no participan en el proceso de desarrollo, obtengan una impresión directa de lo que ofrece el BMW iX5 Hydrogen. Solo un pequeño puñado vendrá a los Estados Unidos, en parte porque, a diferencia de Europa y partes de Asia, la infraestructura de hidrógeno no se puede encontrar fuera de California.
“El hidrógeno es una fuente de energía versátil, que tiene un papel clave que desempeñar en el proceso de transición energética y, por tanto, en la protección del clima. Después de todo, es una de las formas más eficientes de almacenar y transportar energías renovables”, dijo Oliver Zipse, presidente del Consejo de Administración de BMW AG. “El hidrógeno es la pieza que falta en el rompecabezas cuando se trata de movilidad libre de emisiones. Una tecnología por sí sola no será suficiente para permitir una movilidad climáticamente neutra en todo el mundo”.
Construyendo los autos
La planta de BMW Group en Spartanburg, Carolina del Sur, suministra los vehículos base para el modelo de hidrógeno, que se desarrolló sobre la plataforma del BMW X5. Primero están equipados con un nuevo conjunto de piso que permite acomodar los dos tanques de hidrógeno en el túnel central y debajo del asiento trasero. La batería, el motor eléctrico y la pila de combustible de los sistemas eléctricos de 12 y 400 V específicos del modelo, se integran durante la etapa de ensamblaje, junto con las piezas de producción estándar.
Ubicado en el área del eje trasero junto con la batería, el motor eléctrico es un producto de la tecnología BMW eDrive actual de quinta generación, que también se emplea en los modelos híbridos enchufables y eléctricos de batería de BMW. El motor eléctrico, la transmisión y la electrónica de potencia están agrupados en una carcasa compacta; se ha desarrollado una batería de potencia con tecnología de iones de litio especialmente para este vehículo.
El tren motriz canaliza una potencia máxima de 295 kW/401 hp hacia la carretera. En las fases de inercia y frenado, el motor también sirve como generador, devolviendo energía a la batería de potencia.
BMW Group obtiene las celdas de combustible individuales de Toyota Motor Corporation. Las dos compañías han estado colaborando en sistemas de propulsión de celdas de combustible desde 2013. El sistema de celdas de combustible ha sido fabricado en el centro interno de hidrógeno de BMW en Garching, al norte de Munich, desde agosto de este año.
Detalles de la celda de combustible
En la celda de combustible tiene lugar una reacción química entre el hidrógeno gaseoso de los tanques y el oxígeno del aire. Mantener un suministro constante de ambos elementos a la membrana de la celda de combustible, es crucial para la eficiencia del sistema de transmisión. El hidrógeno necesario para alimentar la pila de combustible, se almacena en dos tanques a 700 bar de presión, fabricados en plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP). Llenar los tanques de hidrógeno toma de tres a cuatro minutos.
Fig. 2 - Cargar combustible con hidrógeno no es diferente a cargar combustibles fósiles
Además de los equivalentes tecnológicos de las características que se encuentran en los motores de combustión, como enfriadores de aire de carga, filtros de aire, unidades de control y sensores, BMW Group también desarrolló componentes especiales de hidrógeno para su nuevo sistema de celda de combustible. Estos, por ejemplo, incluyen un compresor de alta velocidad con turbina y una bomba de refrigerante de alto voltaje.
Juntos, los dos tanques contienen casi 6 kg de hidrógeno presurizado a 10.150 psi (700 bar), suficiente para dar al BMW Hydrogen una autonomía de 504 km (313 millas) en el ciclo europeo WLTP, (alrededor de 260 millas de autonomía en la prueba de EE. UU., medida por el ciclo EPA). En el vehículo, una indicación rastrea el consumo de hidrógeno en tiempo real; otra ayuda al conductor a encontrar la estación de servicio más cercana.
Fabricación de los sistemas de pilas de combustible
Los sistemas de pilas de combustible se fabrican en dos pasos principales. Las celdas se ensamblan primero en una pila de celdas de combustible. El siguiente paso consiste en ajustar todos los demás componentes para producir un sistema completo de celdas de combustible. El apilamiento de las celdas de combustible es en gran parte un proceso automatizado. Una vez que los componentes individuales han sido inspeccionados en busca de daños, la pila se comprime con una máquina con una fuerza de cinco toneladas y se coloca en una carcasa.
La carcasa apilada se fabrica en la fundición de metal ligero, de la planta de Landshut de BMW Group, utilizando una técnica de fundición en arena. Para ello se vierte aluminio fundido en un molde, elaborado a partir de arena compactada mezclada con resina, en un proceso especialmente diseñado para este vehículo. El ensamblaje final de las pilas de celdas de combustible incluye una prueba de voltaje, junto con pruebas exhaustivas de la reacción química dentro de las celdas.
En la última etapa, todos los diferentes componentes se ensamblan en el área de ensamblaje para producir el sistema completo. Durante esta etapa de ensamblaje del sistema, se instalan otros componentes, como el compresor, el ánodo y el cátodo del sistema de celdas de combustible, la bomba de refrigerante de alto voltaje y el arnés de cableado.
La planta piloto de BMW Group, en su Centro de Investigación e Innovación en Munich, es la interfaz entre el desarrollo y la producción, donde se fabrica por primera vez cada nuevo modelo de las marcas de la compañía.
Alrededor de 900 personas trabajan en el taller de carrocería, ensamblaje, ingeniería de modelos, construcción de vehículos conceptuales y plantas de fabricación aditiva. Numerosos componentes se producen exclusivamente para el vehículo propulsado por hidrógeno, incluidos algunos fabricados en el Campus de fabricación aditiva, el centro de impresión 3D de BMW Group.
El BMW Hydrogen pasa por todas las etapas habituales de producción, comenzando en el taller de carrocería, pasando luego por el taller de pintura y ensamblaje, antes de finalizar con una inspección final de cada vehículo individual. Después de esto, cada vehículo se somete a una verificación operativa en el centro de pruebas de BMW Group en Aschheim.
Las especificaciones con números
BMW afirma que la aceleración desde cero hasta 62 mph (millas por hora) de velocidad, es de alrededor de seis segundos y la velocidad máxima es de 112 mph. Estos son algunos de los datos técnicos clave:
Salida máxima del sistema de transmisión general: 295 kW/401 hp
Salida eléctrica continua del sistema de pila de combustible: 125 kW/170 hp
Potencia máxima de la batería (tecnología de iones de litio): 170 kW/231 hp
Salida máxima de la unidad de accionamiento eléctrica altamente integrada: 295 kW/401 hp
Capacidad de los depósitos de hidrógeno: 6 kg de hidrógeno (gaseoso)
Aceleración 0-100 km/h (62 mph) < 6 s
Velocidad máxima: Más de 180 km/h (112 mph)
Consumo de hidrógeno en ciclo WLTP: 1,19 kg/100 km
Autonomía en ciclo WLTP: 504 km (313 millas)
Con suerte, todos estos desarrollos basados en hidrógeno significan una página pasada en el libro del avance de los vehículos. BMW ve la tecnología de celdas de combustible de hidrógeno, como una atractiva alternativa complementaria al sistema de propulsión eléctrica por batería. Esto es especialmente cierto para los clientes para quienes las paradas cortas para repostar y el largo alcance son imprescindibles.
Conclusión
BMW Group vendió más de 215.000 vehículos totalmente eléctricos en todo el mundo en 2022, lo que representa un aumento con respecto al año anterior de casi el 108 %. Los vehículos completamente eléctricos representaron poco menos del 9 % del volumen total de ventas el año pasado, y se espera que esta participación aumente al 15 % en 2023.
Para 2030 a más tardar, BMW Group busca llegar a una situación en la que los vehículos totalmente eléctricos representen más del 50% de las ventas totales. Es parte del plan de la compañía para reducir las emisiones de CO2 por vehículo durante su ciclo de vida completo (fases de cadena de suministro, producción y uso) en al menos un 40 % para 2030 en comparación con 2019.
Sin embargo, como señala el presidente de la junta directiva de BMW, Zipse, “Ya ves que en 2027 o 2028 habrá escasez de materias primas (necesarias para construir vehículos eléctricos) si continuamos aumentando la producción. Entonces, ahí es donde entra el hidrógeno”. Agrega: "Utiliza menos materias primas, es una batería mucho, mucho más pequeña, el automóvil es más liviano y no necesita la misma infraestructura de carga".
Por estas razones, BMW cree que el hidrógeno se fusionará con la corriente principal automotriz durante la segunda mitad de la década de 2020.
Fig.3 - En opinión de BMW, para 2027 o 2028, habrá escasez de materias primas, necesarias para construir vehículos eléctricos, si la industria continúa aumentando la producción. Ahí es donde entra el hidrógeno.
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