En la conversación: Jim Edwards
Cambiar las escalas de los motores
Jim Edwards, ingeniero jefe de Helix, está utilizando tecnología deportiva para reducir el tamaño y el peso necesarios en la electrificación. Will Gray profundiza en el tema
En el mundo de la electrificación, la tecnología de baterías suele considerarse el área con mayores oportunidades de desarrollo. Las mejoras en las últimas décadas son evidentes, ya que la autonomía de los vehículos eléctricos aumenta año tras año; sin embargo, Jim Edwards cree que la tecnología de motores también desempeña un papel igualmente importante, especialmente en los sectores de alto rendimiento y de uso intensivo. Ahora, tras una carrera que se ha ido orientando gradualmente hacia la electrificación, algunos de sus mayores logros podrían estar a la vuelta de la esquina.
Cuando Edwards comenzó su carrera, la electrificación estaba lejos de ser algo común, pero desde el principio tuvo un enfoque ambiental. En 1994, al aceptar su primer empleo en Ford, analizó los ciclos de conducción para minimizar las emisiones en condiciones reales en los motores turbodiésel de los modelos Escort y Mondeo. Luego, al trasladarse a Milbrook Proving Ground, trabajó en la optimización de una gama de 20 vehículos bicombustibles a GLP y GNC para Vauxhall, antes de ayudar a desarrollar el primer autobús híbrido para Londres (Reino Unido), dando así sus primeros pasos en el ámbito de los vehículos eléctricos.
Ese proyecto comenzó en 2003, cuando el enfoque de la ciudad pasó de reducir las emisiones de NOx a disminuir las emisiones de CO2. El cliente había desarrollado originalmente un autobús con turbina de gas, el cual era excelente para lograr lo primero, pero no tan eficaz en lo segundo. Por lo tanto, como respuesta al cambio de prioridades, acudieron a Edwards y sus colegas con un diseño ya listo para un vehículo eléctrico con batería de ampliación de autonomía y les encomendaron la tarea de optimizar su funcionamiento.
“Participé en la calibración del sistema híbrido, analizando la arquitectura del autobús y su ciclo de funcionamiento, así como identificando dónde podíamos mejorar su operación para obtener el mejor rendimiento en aplicaciones reales”, explica. “Construimos un modelo del ciclo de funcionamiento de los autobuses de Transport for London y, utilizando la inercia y la resistencia del vehículo, pudimos predecir las necesidades de potencia del motor y determinar la mejor forma de operar el sistema de motor y baterías: regenerando energía, en lugar de cargar completamente las baterías para poder utilizarla al descender colinas, y asegurándonos de que el motor se apagara con la mayor frecuencia posible para minimizar las emisiones en marcha lenta. Era un sistema sin precedentes y logramos una reducción del 30% en las emisiones de CO2 en comparación con los autobuses convencionales por pasajero”,
Desarrollo del hidrógeno
El siguiente proyecto de Edwards en Millbrook fue otro autobús, pero esta vez con celdas de combustible de hidrógeno. Su trabajo consistió en instalar la infraestructura necesaria para el abastecimiento de hidrógeno y probar el autobús en la Cámara de Emisiones a Temperatura Variable (VTEC). Edwards recuerda: “La cámara contaba con una carretera móvil y un gran sistema de recirculación de aire, y podía albergar hasta tres autobuses de dos pisos, operándolos entre temperaturas de menos 40 y más 50 grados. El autobús tenía varios tanques de hidrógeno de 3 metros de largo en el techo, y sabíamos que si uno de los válvulas de alivio de presión se abría en un espacio cerrado como la VTEC, eso podría ser muy grave. Por eso instalamos muchos sensores de hidrógeno y nos aseguramos de que todo fuera evacuado al sistema de extracción. Las posibilidades eran mínimas, pero no se puede asumir ese riesgo.”
Esa experiencia con el hidrógeno llevó a Edwards a Intelligent Energy, empresa que en ese momento participaba en una amplia gama de desarrollos en el campo de las celdas de combustible, desde la instalación de grupos de celdas de combustible refrigeradas por aire en scooters de Suzuki hasta la fabricación de un pequeño cargador de teléfono móvil alimentado por hidrógeno de 5 W. “Ese cargador era un dispositivo muy bueno”, recuerda Edwards. “Pero, lamentablemente, no tuvo éxito”. Dada su formación en el sector automotriz, Edwards centró su atención en el desarrollo de sistemas de celdas de combustible para automóviles de pasajeros.
“Teníamos 100 kW y dos grupos electrógenos a base de celdas de combustible, que se enfriaban por evaporación mediante una tecnología propia”, explica. “El sistema introducía agua líquida en forma de niebla fina, la cual se evaporaba y absorbía el calor, expulsando los gases como producto de desecho. Esto ofrecía una notable ventaja en términos de densidad de potencia, y colocamos ese sistema en un vehículo fabricado por un prestigioso constructor automotriz europeo. Más o menos en la misma época, también operamos una flota de cinco taxis a hidrógeno para las Olimpiadas de Londres en 2012, transportando a personalidades VIP al pueblo olímpico”.
Desde entonces, la empresa ha tenido éxito en los sistemas de enfriamiento por aire para drones. No obstante, Edwards sigue viendo mucho potencial en el hidrógeno como parte de la combinación energética del sector automotriz. “Actualmente no hay suficiente combustible disponible para que sea realmente económico, y las pilas de celdas de combustible requieren metales preciosos, por lo que suelen ser caras. Pero en lugares donde hay mucha generación renovable que debe almacenarse de alguna manera, el hidrógeno es una forma muy buena de hacerlo”, dice. “Por lo tanto, creo que se utilizará en nichos donde funcione bien: flotas cerradas, camiones articulados, trenes; cualquier lugar donde haya un ciclo de uso definido y se pueda instalar la infraestructura adecuada. Para esos casos, es una solución excelente con cero emisiones de carbono”.
Hacia lo eléctrico
El camino profesional de Edwards lo llevó posteriormente al campo de los vehículos eléctricos de batería cuando se unió a su empleador actual, Helix, en 2015. Asumió el papel de ingeniero principal, con responsabilidades muy amplias que incluían la interacción con los clientes, el establecimiento de enlaces técnicos, el análisis de ciclos de funcionamiento y la gestión de un equipo interdisciplinario formado por diseñadores electrónicos, eléctricos y mecánicos, científicos y técnicos de taller. “Era un puesto adecuado para personas con conocimientos generales”, dice, explicando cómo llegó a ese nivel a pesar de tener poca experiencia en tecnologías de vehículos eléctricos de batería.
Su primer cargo directivo involucró el desarrollo de un pequeño e-booster, es decir, un sobrecargador eléctrico. “Estos dispositivos suelen consistir en un motor eléctrico conectado a un compresor de turbocompresor, con una velocidad de rotación de alrededor de 100,000 rpm”, explica. “La dificultad radica en que, en un automóvil de pasajeros, se necesitan hasta 10 kW
Para hacerlo funcionar surgen dos problemas: el motor se sobrecalienta porque es difícil eliminar las pérdidas energéticas, y si no se sobrecalienta, la batería se descarga al no tener capacidad para satisfacer esa demanda más allá de 5 o 10 minutos.
“Para solucionarlo, hicimos algo muy inteligente. Diseñamos un generador de arranque que permite generar electricidad mediante el sistema de accesorios delantero. Luego, diseñamos el motor que accionaba la rueda del compresor, incorporamos un engranaje epicíclico en él y conectamos el otro elemento a la rueda de poleas del sistema de accesorios delantero. De este modo, el motor solo tenía que realizar parte del trabajo, ya que la otra energía provenía directamente del sistema de accesorios delantero. Como resultado, el motor realiza menos trabajo.
“Otra ventaja es que, al tener también el generador allí, se puede producir electricidad de forma local y enviarla directamente al motor del otro lado, por lo que no es necesario transportarla a un conjunto de baterías. Se puede generar en tiempo real, y se puede apagar el compresor cambiando su velocidad, ya que forma parte de una caja de engranajes epicíclica. Fue una solución excelente y trabajamos con Magna Power para llevarla a producción en gran escala, pero solo se hizo realidad cuando la industria automotriz decidió que no quería motores de combustión interna”
La cancelación del proyecto e-booster llevó inevitablemente a Edwards hacia proyectos puramente eléctricos basados en baterías; el primero de ellos fue suministrar motores para una serie de carreras eléctricas, aunque aún no puede revelar cuál era. Utilizando un diseño ya existente que había pasado por el proceso de concepción, a Edwards le correspondió encargarse de la fabricación y la entrega. Una vez completado esto, pasó a uno de sus productos más destacados: el Aston Martin Valkyrie. Diseñado por Adrian Newey cuando aún trabajaba en Red Bull, este hypercar con motor V12 de 1000 caballos de fuerza fue creado para imitar lo más posible el rendimiento de un coche de F1; pero sin Edwards, literalmente nunca habría visto la luz.
“Construí el motor que se encuentra entre el embrague y la caja de cambios y que pone en marcha el motor”, explica. “También permite la función de adelantamiento con solo presionar un botón; es un generador, un alternador; proporciona la capacidad de marcha atrás, ya que la caja de cambios del motor principal no cuenta con ella; y al tratarse de una caja de cambios de tipo recto, permite la sincronización de las velocidades en los cambios. Además, permite que el coche funcione a baja velocidad —hasta unos 12 km/h— únicamente con energía eléctrica”, dice.
El motor pesaba solo 20 kg, pero tenía una potencia de 120 kW y permaneció en el extremo del V12 durante toda su vida útil sin problemas. Para un hypercar, era una solución excelente”, afirma.
El sector automotriz constituía una parte importante del trabajo de Helix en ese momento, pero con el tiempo la cartera de clientes evolucionó desde su enfoque inicial en los deportes motorizados y la F1 hacia un ámbito mucho más amplio, que abarca desde aplicaciones en defensa hasta otras en el sector marítimo. De hecho, el área automotriz ha perdido importancia desde el proyecto Valkyrie, ya que cada vez más fabricantes llevan a cabo el desarrollo de vehículos eléctricos por su cuenta, pero Helix sigue tan ocupado como siempre, aplicando esa mentalidad de vanguardia proveniente del mundo de los deportes motorizados a diversas industrias. Edwards ha ascendido hasta convertirse en ingeniero jefe y se siente inspirado por la aceleración tecnológica que permite su experiencia en la empresa.
“Dado que estamos situados en el corazón del triángulo del automovilismo deportivo y la F1, tenemos acceso a todos estos fabricantes con increíbles capacidades de mecanizado y la habilidad para explorar opciones que nadie más consideraría”, explica. “También contamos con muchas personas con experiencia en el automovilismo deportivo en nuestra empresa; existe un flujo constante entre nosotros y los equipos de F1, por lo que nuestro ADN fundamental está en el ámbito del alto rendimiento, y creo que ese es nuestro principal diferenciador”.
“De verdad ha habido un esfuerzo por acelerar el desarrollo tecnológico a través del deporte motorizado y luego transferir esa tecnología a los motores más convencionales. Por ejemplo, el primer motor que desarrollamos para las carreras cuando empecé producía unos 100 kW de potencia continua. Pero en dos años, al integrar parte de la tecnología del deporte motorizado, ya teníamos un motor que alcanzaba 200 kW de potencia continua con el mismo tamaño. Ahora, en ese mismo espacio físico, podemos lograr 400 kW de potencia continua. Así que esa tecnología ha avanzado enormemente en lo que muchos consideran un mercado estancado.”
Pequeño y ligero
Los objetivos principales de rendimiento de Edwards son exactamente los mismos en cada proyecto: reducir el tamaño y disminuir el peso, que son los dos factores prioritarios en las competiciones de automovilismo. “Nuestra experiencia proviene de proyectos donde el espacio y la masa son críticos, por lo que esa filosofía está integrada en nuestros motores”, continúa. “Al pasar a algo como un tren, basta con reducir las temperaturas máximas deseadas para prolongar la vida útil de algunos materiales aislantes, y de repente se obtiene un motor que es una décima o una vigésima parte del tamaño de un motor convencional para trenes”.
Los proyectos verdaderamente innovadores que se llevan a cabo en Helix forman parte de su división experimental “X Division”; Edwards describe su labor como “la búsqueda del arte de lo posible”. Esto se traduce en tecnologías clave para los sectores marino, off-road, de defensa y aeroespacial, lo que permite crear motores más pequeños y potentes que los anteriores. Por ello, Edwards y sus colegas buscan dar prioridad al desarrollo de motores en una industria que con demasiada frecuencia se centra únicamente en las nuevas tecnologías de baterías como única fuente real de oportunidades de avance.
“Si lo miramos desde la perspectiva de la eficiencia, todo se trata del tamaño y la masa”, concluye. “Si utilizas espacio para motores, no puedes usarlo para baterías ni carga útil; y eso aplica en todos los sectores. Dondequiera que haya limitaciones en el tamaño y el peso, podemos ofrecer una solución mejor”.
“Esto es especialmente relevante en los proyectos navales, que son algo inusuales. En los automóviles, hay una alta relación potencia-peso y cuando la gente acelera a fondo, desea hacerlo rápidamente. En el ámbito naval, la aceleración es relativamente suave debido a la enorme resistencia causada por la viscosidad del agua. Así que, mientras en un coche de carretera podrías mantener el acelerador a fondo durante 10 segundos y luego reducirlo al 10%, en un barco mantienes el acelerador a tope y podrías permanecer así durante horas”.
“Se trata de un ciclo de funcionamiento completamente diferente que exige una configuración ligeramente distinta, por lo que existe mucha oportunidad de optimización en esa área. Hemos trabajado en el E1 Racing y en el Magic Carpet E, un maravilloso barco de regatas con vela de fibra de carbono que hemos electrificado por completo para eliminar el uso de un generador mientras compiten. Suministramos nuestros productos a fabricantes de motores fuera borda, fabricantes de propulsores traseros, catamaranes y al menos tres aplicaciones en el sector defensivo para operaciones navales.”
“Lo mismo ocurre con varias otras aplicaciones donde existen sistemas convencionales y quienes los utilizan desean mejorar el rendimiento o lograr un funcionamiento más silencioso. Esto se presta perfectamente a la electrificación, pero con frecuencia no hay suficiente espacio para instalar el equipo adicional. Por eso, ofrecemos esas soluciones a los clientes que necesitan esa funcionalidad; y eso es de vital importancia en la actualidad.”
“Hemos desarrollado varias piezas prototipo para vehículos mineros, por ejemplo, donde la electrificación aporta beneficios indirectos en los que a menudo no se piensa, como reducir la energía necesaria para hacer circular el aire en la mina y eliminar los combustibles volátiles que pueden generar atmósferas explosivas. Mientras tanto, en la construcción, muchos de los vehículos requieren buenas líneas de visión, y cualquier cosa que impida al conductor ver lo que hay alrededor de sus ruedas y cuchara es algo realmente negativo para el operador; por lo tanto, a medida que los motores se vuelven más grandes y cuentan con cada vez más tratamientos posteriores, podemos beneficiarlos instalando un motor muy pequeño.”
“Luego está la industria aeroespacial, donde observamos un gran interés en los vehículos de lanzamiento al espacio debido a las severas limitaciones de masa. Se trata principalmente de eficiencia y reducción de masa, ya que esa es la carga útil. Pueden establecer literalmente un precio por kilo en los satélites, por lo que son muy claros al respecto, ya que se cobran por kilo. También estamos trabajando con fabricantes de motores a reacción para mejorar la eficiencia de las turbinas de gas mediante el uso de soporte eléctrico en algunas áreas de su funcionamiento, de modo que no estén limitados en un área cuando la mayor parte del vuelo se realiza en otra. De nuevo, todo se centra en minimizar la masa para esas aplicaciones, y eso se alinea perfectamente con nuestras principales fortalezas.”
Está claro, entonces, que existe un amplio margen para el desarrollo de motores eléctricos en todas las industrias; sin embargo, los recientes cambios en la licencia de imanes en China amenazan con ejercer presión sobre dicho desarrollo. Para Edwards, esto representa una oportunidad para reexaminar las suposiciones relacionadas con el diseño de los motores. “Esto cambiará las estructuras hasta cierto punto, por lo que el futuro se centrará en aprovechar al máximo los imanes de bajo contenido o nulo contenido, así como diferentes materiales magnéticos”, concluye. “Probablemente ese será el próximo impacto en los motores.”
“Muchos fabricantes de automóviles no utilizan imanes en absoluto, pero eso tiende a hacer que el motor sea más grande, y pueden permitírselo porque el costo es menor y tienen espacio. Los vehículos de alto rendimiento y las otras industrias que mencioné no cuentan con ese lujo. Por lo tanto, creo que sin duda afectará a esos motores de alta gama, pero en cuanto a cómo superar ese problema, al final lograremos la misma eficiencia y mejoraremos la potencia de diferentes maneras; ¡no tengo dudas al respecto!”
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