Los híbridos a gas-electricidad convencionales utilizan baterías para almacenar la energía recuperada durante el frenado, que de otro modo sería gastado como calor. Luego utilizan esa energía para manejar un motor eléctrico, que ayuda al motor a gas del carro. Pero el alto costo de las baterías, y el costo adicional de incluir dos formas de propulsión – un motor eléctrico y un motor a gasolina – hacen que los híbridos sean caros. Esto ha frenado su adopción y limitado su impacto sobre las emisiones de gases -que producen el efecto inve adero - de los vehículos.
Lino Guzzella, un profesor de ingeniería mecánica en el Swiss Institute, está desarrollando un híbrido que no requiere de baterías o motores eléctricos. En vez, almacena la energía al utilizar los pistones para comprimir aire. Ese aire luego puede ser liberado para impulsar los pistones y hacer que funcione el carro. Guzzella comenta que el sistema agregará únicamente alrededor del 20% al costo de un motor convencional, mientras que los componentes extra requeridos en los vehículos eléctricos híbridos pueden agregar un 200% al costo. Las simulaciones hechas por ordenador sugieren que el diseño debería reducir el consumo de combustible en 32%, lo cual es alrededor del 80% de los ahorros de combustible de los híbridos a gas-electricidad, agrega. Experimentos iniciales han demostrado que es factible construir el diseño.
La idea general de híbridos de aire (o neumáticos) no es nueva, pero haciéndolos eficientes has sido todo un desafío. “Es difícil mantener las pérdidas [de energía] involucradas en mover el aire lo suficientemente pequeñas como para que sea atractivo,” declara John Heywood, un profesor de ingeniería mecánica en MIT, quien también ha trabajado en el desarrollo de híbridos de aire. Lo que es más, los tanques de aire comprimido almacenan mucho menos energía que las baterías, limitando de manera importante, los ahorros de combustible en los diseños típicos de híbridos de aire, dice Doug Nelson, profesor de ingeniería mecánica en Virginia Tech. Este es una de las desventajas más grandes de los carros diseñados para funcionar únicamente con aire comprimido.
El nuevo diseño híbrido a aire de Guzzella hace uso de sistemas avanzados de control para poder control de manera más precisa el flujo de aire, y por ende, mejorar la eficiencia general. Para superar la capacidad limitada de almacenamiento, el diseño confía menos en capturar energía a partir de los frenados que otros híbridos, y más sobre otro enfoque de ahorrar energía: utilizar la energía neumática para impulsar el desempeño de los motores a gasolina que son más pequeños y eficientes.
Los vehículos convencionales utilizan motores que pueden proveer mucha más energía que la necesaria para la velocidad de crucero – esta energía excesiva es utilizada durante la aceleración y para mantener muy altas velocidades. Sin embargo, estos motores son ineficientes, dado que la mayoría del tiempo operan a menos carga de la que fueron diseñadas para tener.
nEl diseño de Guzzella reemplaza el motor a gasolina de dos litros con uno pequeño de una capacidad de 750 mililitros que es adecuado para las velocidades de crucero. Utiliza aire comprimido para proveer impulsos de energía para la aceleración. El aire denso y comprimido provee el oxígeno necesario para quemar cantidades más grandes de combustible que los usuales, una técnica denominada supercharging.
Un enfoque similar ya se utiliza en algunos vehículos de producción, donde el humo del escape impulsa un turbocharger. Pero los turbochargers se conocen bien por un problema que tienen llamado “turbo-lag” – una demora que se puede apreciar entre cuando el acelerador está deprimido y cuando la energía extra llega. Esta demora es el resultado del tiempo que toma para la turbina dentro del supercharger a empezar a girar lo suficientemente rápido. Guzzella dice que su sistema no sufre dicha demora, que suministra energía extra de manera instantánea. Eso es lo que podría hacer que la tecnología fuera más interesante para los consumidores, comenta Zoran Filipi, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Michigan, que no estuvo involucrado en la investigación.
Alrededor de 80% de la ganancia de eficiencia en el sistema de Guzzella proviene de utilizar el motor pequeño. El restante proviene de la captura de energía a partir de los frenados y luego su utilización para la aceleración - a través de distancia cortas el carro puede ser propulsado por aire comprimido solamente, sin utilizar combustible. El combustible también se ahorra al ajustar la carga sobre el motor para que funcione a eficiencia óptima. Esto se logra por medio de incrementar la carga al usar algunos de los pistones para comprimir el aire, o al disminuir la carga al utilizar algo del aire comprimido para hacer funcionar a los pistones. Finalmente, el aire comprimido puede ser utilizado para reiniciar el motor, haciéndolo muy práctico para que el sistema apague el motor cada vez que el carro se detenga, en vez de que se mantenga en posición de idling.
La eficiencia y desempeño que Guzzella asegura están basados en modelos de ordenador. Pero también ha probado los componentes básicos de su diseño en un motor de prueba. El setup de prueba utiliza aire comprimido para impulsar los pistones, proveer el supercharging e iniciar el motor. Los siguientes pasos son optimizar el motor en un intento de lograr los niveles de eficiencia predichos por los modelos del ordenador.
El concepto híbrido de Guzzella, sin embargo, se enfrentará a una competencia muy dura a partir de otras tecnologías diseñadas para mejorar la eficiencia del combustible.
Los turbochargers están mejorando, y otras tecnologías son prometedoras en sus intentos de solucionar el problema del turbo-lag, dice Michael Duoba, un investigador en la Energy Systems Division de Argonne National Laboratory en Chicago, IL. Agrega que lo que es más importante no es el desempeño de una tecnología cualquiera sino cuan exitosamente esa tecnología puede combinarse con otras que actualmente están siendo utilizadas para mejorar la eficiencia, tales como la inyección directa y transmisiones mejoradas.
Sin embargo Duoba se ha dado cuenta de que el sistema de Guzzella posee una ventaja distintiva: requiere muy poco equipo extra – sólo los controles para una válvula extra para el manejo del aire comprimido y un tanque de aire. El motor existente se encarga de lo demás. Cuando uno puede lograr que el mismo equipo logre más, comenta, “eso es algo muy bueno.”