Estudio numérico y experimental de la combustión HCCI del Hidrógeno y el Gas de Síntesis en un motor estacionario para la generación de energía eléctrica a condiciones de Medellín

Abstract

RESUMEN: La inminente escasez de combustibles fósiles y las cada vez mas estrictas normas de regulación de emisiones atmosféricas exigen a los investigadores y fabricantes de motores de combustión interna (ICE) el desarrollo de tecnologías con alta e ciencia de transformación energética, que hagan uso de combustibles alternativos y que a su vez tengan un vertimiento casi nulo de emisiones contaminantes a la atmósfera. La combustión HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) aparece como una alternativa a las tecnologías de combustión tradicionales en ICE ya que ofrece una alta e ciencia térmica, bajas emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y material particulado (PM) y la posibilidad de utilizar diferentes tipos de combustible, incluso los de origen renovable. Por otro lado, los motores HCCI carecen de un sistema estandarizado de control de la ignición y tienen un rango de operación estable muy estrecho con altos niveles de emisión de monóxido de carbono (CO) y combustible sin quemar. La utilización del hidrógeno (H2) como combustible en distintas tecnologías de transformación energética es una de las apuestas tecnológicas de la actual "transición energética", tiene la ventaja de producirse a partir de casi cualquier forma primaria de energía y el potencial de reducir a cero el vertimiento de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera. La biomasa puede transformarse en hidrógeno o en una mezcla combustible rica en hidrógeno conocida como gas de síntesis a partir de un proceso termoquímico llamado gasificación; el gas de síntesis puede ser utilizado directamente como combustible en ICE o puede ser transformado en H2 por medio del proceso Water-Gas Shift (WGS). La ventaja de utilizar biomasa como energético primario es que por lo regular es un recurso abundante y muy económico, en especial en zonas rurales, lo que posibilita su uso en plantas de generación eléctrica distribuida basados en sistemas de gasi cación acoplados a motores de combustión interna; ademas, la generación de CO2 en procesos de combustión de biomasa o combustibles derivados de la biomasa es contrarrestada por la siembra de nuevos cultivos, lo que aumenta la pertinencia ambiental de esta tecnología. El uso de hidrógeno o mezclas ricas en hidrógeno en motores de combustión interna ha ganado protagonismo en las últimas décadas, en la literatura se reportan muchas experiencias utilizando estos combustibles tanto en motores de encendido provocado (SI) como en motores de encendido por compresión (CI). Pocos han sido los trabajos reportados en los que se haga uso del hidrógeno o del gas de síntesis en motores HCCI; por lo regular, estos trabajos se limitaron a evaluar la viabilidad técnica, las principales características de combustión, de rendimiento y las emisiones del motor. Todos estos trabajos se realizaron en laboratorios cercanos al mar y ninguno reportó estrategias de incremento de los rangos de operación obtenidos. El presente trabajo de maestría hizo parte de una serie de investigaciones enmarcadas dentro del proyecto: "Desarrollo y evaluación de un motor de encendido por compresión de carga homogénea asistido por chispa (SA-HCCI) de 5 kW", desarrollado por el grupo de investigación GASURE de la Universidad de Antioquia. Un motor Diesel Lombardini 25 LD 425-2, estacionario, de dos cilindros, refrigerado por aire y con una relación de compresión de 19:1 fue modi cado para funcionar en modo HCCI. El objetivo principal de este trabajo consistió en estudiar tanto numérica como experimentalmente la combustión y los principales parámetros de operación, de rendimiento y las emisiones del motor al utilizar hidrógeno y mezclas de gas de síntesis como combustible. Para aproximar las condiciones de temperatura en el cierre de la válvula de admisión (IVC) que generarán autoignición de la mezcla admitida para diferentes dosados relativos y composiciones del combustible (100% H2, 80% H2 - 20% CO y 60% H2 - 40% CO), se utilizó el modelo cero dimensional de una zona con cinética química detallada del módulo ICEN contenido en el paquete computacional Chemkin-Pro. Con base a los resultados numéricos y a las experiencias reportadas en la literatura se realizó una fase experimental para determinar las condiciones de temperatura en la admisión y de dosado relativo que aseguraban la obtención del fenómeno HCCI al utilizar hidrógeno (100%H2) y una mezcla de gas de síntesis (80% H2 - 20% CO). Por último se hizo una evaluación numérica de la combustión retrasada como estrategia de incremento de los rangos de operación estable utilizando el modelo multizona con cinética química detallada del modulo ICEN contenido en el paquete computacional Chemkin-Pro.Uno de los principales aspectos diferenciadores de este trabajo con relación a los reportados en la literatura fueron las condiciones de presión del sitio en las que se desarrolló la fase experimental. En comparación con las condiciones atmosféricas de las ciudades en las que se desarrollaron los trabajos analizados, la presión en la ciudad de Medellín es, en promedio, 15 kPa inferior. La combustión HCCI del hidrógeno y de la mezcla de gas de síntesis tuvo como principal característica unas altas temperaturas en la admisión y bajos dosados relativos. Al utilizar hidrógeno se logró obtener el fenómeno de combustión HCCI con dosados relativos entre 0.21 y 0.28 y temperaturas en la admisión entre 188°C y 235°C, estos valores de temperatura fueron, en promedio, 100 °C superiores a los reportados en otros trabajos; el máximo valor para la presión media indicada neta (IMEPn) fue de 1.75 bar, mientras que la e ciencia térmica indicada neta (ITEn) máxima fue de 34.5%. Con la mezcla de gas de síntesis se logró la obtención del fenómeno de combustión HCCI con dosados relativos entre 0.17 y 0.33 y temperaturas en la admisión entre 200 °C y 230 °C; la máxima IMEPn alcanzada fue de 0.75 bar y la máxima ITEn de 17 %. Las simulaciones multizona con rmaron la efectividad de la combustión retrasada como estrategia de incremento de los rangos de operación del motor.