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La microturbina ataca de nuevo

Publicado el martes 17 de septiembre de 2019
La microturbina ataca de nuevo

Propulsar un coche mediante una turbina ha sido un sueño que la ingeniería ha perseguido desde que los primeros y primitivos ejemplares de estos dispositivos comenzaran a montarse en aviones comerciales y de combate. Y con la llegada de los ampliadores de autonomía, ese sueño podría, por fin, convertirse en realidad.

Una de las preguntas técnicas más recurrentes sobre el automóvil es la de: ¿por qué nadie ha intentado construir un coche propulsado por turbinas como las de los aviones?

Tal y como puedes comprobar en el cuadro de más abajo, la respuesta a esa pregunta es que ya han existido algunos coches propulsados por turbinas. De hecho, en los años 60 se vivió una pequeña fiebre de los 'turbocoches'. Pero el motor de combustión interna de pistón -también denominado alternativo, por aquello de que los pistones suben y bajan alternativamente- es una máquina tan brillante que todos esos intentos se dieron de bruces contra el muro de los inconvenientes técnicos y económicos. Y es que aquellas turbinas eran caras, ruidosas, gastonas, complicadas de arrancar y terriblemente lentas de respuesta.

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Sin embargo, las turbinas son unos dispositivos tan buenos y sencillos que, dentro del mundo del automóvil, tenía que haber por fuerza un nicho en el que su uso estuviera justificado. Y cada vez está más claro que ese nicho son los ampliadores de autonomía.

Se trata de generadores eléctricos accionados por un motor térmico y cuyo propósito es proporcionar energía a un coche eléctrico una vez que sus baterías están a punto de descargarse por completo, de manera que pueda seguir circulando.

A diferencia de lo que ocurre con el motor que propulsa a un coche -que tiene que ser muy elástico y capaz de funcionar gastando poco en diferentes puntos de trabajo-, al motor de un ampliador de autonomía se le pide que desempeñe una tarea muy sencilla: girar de forma fiable, eficiente y silenciosa a un régimen más o menos constante. Y es en esas condiciones de funcionamiento donde una turbina puede brillar de verdad.

Pero comencemos por el principio... ¿qué es una turbina y cómo funciona? Lo primero que conviene aclarar es que cuando hablamos de turbinas en realidad queremos decir turbomáquinas. Una turbina es un dispositivo rotativo que extrae energía mecánica de un fluido. Y una turbomáquina es una máquina térmica que emplea una turbina para generar energía mecánica.



Todas las máquinas térmicas funcionan en base al mismo principio: cogen un fluido, le aportan energía en forma de calor, y después le hacen pasar por un sitio que extrae esa energía y la convierte en movimiento mecánico. En un motor convencional, el fluido que empleamos es aire. La forma en la que aportamos calor al aire es mezclándolo con el combustible y quemando esa mezcla. Y el mecanismo que convierte esa energía en movimiento mecánico es el pistón, la biela y el cigüeñal. Cuando repites este ciclo de compresión, combustión y expansión miles de veces por segundo, obtienes bastante potencia.

Pero, si lo piensas fríamente, un motor de pistón o alternativo es un trasto realmente complicado.A su lado, las turbomáquinas son tan sencillas que parecen poesía. No hay pistones, ni cigüeñal, ni distribución. Tampoco emplean aceite, bujías, acelerador o circuito de refrigeración. Generalmente, sólo tienen una pieza móvil –o, a lo sumo, tres o cuatro–. Y si están bien puestas a punto, en los gases de escape apenas hay contaminantes.

Una turbomáquina se compone de un compresor, una cámara de combustión y una turbina. El aire es absorbido por el compresor, donde se incrementa su presión y, con ella, también su temperatura. A continuación, el aire comprimido pasa a la cámara de combustión, donde se incrementa su energía inyectando combustible que se inflama de inmediato debido al aumento de temperatura que ha experimentado el aire durante la compresión. Ese incremento de energía se traduce en un aumento de la velocidad de los gases, y esos gases van directamente a darse de bruces contra la turbina, que convierte su energía cinética en potencia mecánica.

Una parte de esa potencia mecánica se emplea para accionar el compresor, y el resto puede utilizarse, por ejemplo, para accionar un generador eléctrico que recargue las baterías de un coche.



Las turbinas son sencillas. Eso significa que también son livianas y compactas. Y eso se traduce en que pueden ofrecer una relación peso/potencia magnífica. De manera que no cabe duda: si buscas algo ligero, pequeño y potente para generar electricidad, una turbina es tu aliado. Además, las turbinas ofrecen otra ventaja clave: pueden funcionar con casi cualquier cosa que arda. No en vano cuenta la leyenda que Adolfo López Mateos, presidente de México, repostaba su Chrysler Turbine de 1963 con tequila.

Por desgracia, antes de que triunfen las turbinas hay que salvar un pequeño inconveniente técnico; el de construir compresores baratos y eficaces. El problema es el siguiente. Uno de los factores de los que depende la eficiencia de un motor es su relación de compresión, un parámetro que indica el número de veces que se comprime el aire de admisión.

Cuanto más se comprime el aire antes de quemar el combustible, mayor cantidad de calor puede convertirse en trabajo mecánico. En un motor convencional no hay ningún problema para alcanzar compresiones tan elevadas como resista la culata, porque el pistón funciona como un émbolo, y cuanto más sube, más comprime. Sencillo, ¿verdad?

En una turbina, sin embargo, la historia es distinta. Aquí el aire no se comprime en una cámara de volumen variable, sino proporcionándole energía cinética mediante palas, álabes o como prefieras llamarlos.

Los intentos del pasado

En la historia ha habido varios ejemplos de coches propulsados por turbinas... aunque todos resultaron malas aplicaciones de una tecnología excelente.




Rover Jet1 (1949)

Basado en un Rover 75 de la época, pesaba 1.270 kg y usaba una turbina de doble escalón que desarrollaba 200 CV a 40.000 rpm. Alcanzaba 240 km/h.




Rover BRM (1963)

Podría describirse como una versión de competición y muy evolucionada del Rover Jet1, propulsada por una turbina de un solo escalon que entregaba alrededor de 150 CV; suficientes para alcanzar 229 km/h.



Lotus 56 (1968)

Este Lotus de tracción total empleaba una turbina industrial Prat&Witney con tres escalones de compresión y que desarrollaba unos 430 CV, acoplada al sistema de tracción a las cuatro ruedas mediante un embrague viscoso.




Chrysler Turbine (1963)

Se construyeron 55 unidades propulsadas por una turbina de gas que entregaba 130 CV a 36.000 rpm. Contaba con una caja de tres marchas, y alcanzaba 192 km/h de punta.

Hay dos alternativas –ver "Cómo es una microturbina por dentro". Por un lado, están los compresores centrífugos, en los que se hace girar el aire, siendo su propia masa, combinada con la aceleración centrífuga, lo que le comprime. El segundo tipo es el compresor axial, en el que el aire se bombea a través de una sucesión de ventiladores o 'escalones de compresión', cada vez más estrechos. Los compresores centrífugos son baratos... pero también voluminosos, y están limitados en su efectividad por sus dimensiones y su velocidad máxima de giro. Los axiales son compactos y eficaces: basta con poner muchos escalones consecutivos para alcanzar grandes relaciones de compresión. Sin embargo, las ruedas repletas de álabes que los componen resultan caras de construir, tanto por su complejidad como porque, para que funcionen bien, las tolerancias dimensionales son muy exigentes.

Por suerte –y este es un avance clave de cara a que estas turbinas sean viables comercialmente– cada vez resulta más asequible fabricar blisks. Hasta hace poco, cada escalón de un compresor se construía fabricando la pieza central del ventilador e insertando en él, uno a uno, todos los álabes. Un blisk es una pieza similar... pero integrada por un único componente. Obviamente, un compresor axial construido mediante blisks es mucho más barato.

En cuanto a la pregunta de cómo se emplearía exactamente la tecnología, el Jaguar CX-75 de la fotografía superior es un buen ejemplo. Es cierto que este prototipo de 2011 acabo siendo un proyecto fallido –la idea era construir unas 250 unidades, sin embargo, la crisis dio al traste con el proyecto–, pero echemos un vistazo a su funcionamiento.

El CX-75 era un eléctrico dotado de cuatro motores –uno por rueda– que en conjunto entregaban 778 CV de potencia. Estos motores estaban alimentados por una batería de unos humildes 15 kWh de capacidad –suficientes para recorrer unos optimistas 50 km–, y esta batería era recargada a su vez por dos turbinas Bladon de 70 kW de potencia y alimentadas por gasóleo. Según Jaguar, las diminutas turbinas eran tan eficientes que el CX-75 podía moverse en modo 100% híbrido homologando unas emisiones de CO2 de sólo 150 gr/km.

En cualquier caso, y dado que la tecnología para construir ampliadores de autonomía basados en turbinas comienza a estar a punto... ¿quién va a emplearla primero?

Respondamos antes a la cuestión de quiénes no van a usarlas: todos los fabricantes tradicionales. Porque si dispones de motores convencionales de baja cilindrada, no tiene ningún sentido invertir en desarrollar turbomáquinas para hacer el mismo trabajo. La consecuencia lógica de lo anterior es que los fabricantes interesados en las microturbinas son aquellos dedicados en exclusiva al negocio de los coches eléctricos. Es decir, dejando a un lado a Tesla... todos los chinos.

Lo que está claro es que cada vez hay más proveedores ofreciendo el producto. Pensemos, por ejemplo, en la china Techrules, fabricante de la turbina de la foto que abre este reportaje. Ellos aseguran que van a empezar a montar sus microturbinas en autobuses eléctricos de la china CRRC Times Electric... y vaticinan que, a finales de este año, van a comenzar a montar una versión diminuta, de 15 kW de potencia, en un coche eléctrico chino.

Y después, están también Capstone, Bladon, MTT, Aureli, Eliot, Dresser... prácticamente todos los fabricantes de microturbinas para generación estacionaria de electricidad están ansiosos por ofrecer una alternativa razonablemente miniaturizada y lista para ser montada en un coche eléctrico.

De manera que el sueño de conducir un coche impulsado por algo tan exótico y sofisticado como una microturbina axial parecida al reactor de un avión –aunque esta no esté conectada directamente a las ruedas– parece que no se ha echado a perder del todo.


 
 

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