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Las ventajas y desventajas del metanol y el hidrógeno
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Anglo Belgian Corporation ha probado el metanol y el hidrógeno de combustibles renovables en un motor de banco de un solo cilindro con éxito variable. Ambos combustibles tienen beneficios similares al Gas Natural, pero con la ventaja adicional potencial de reducir los gases de efecto invernadero
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Los resultados de una reciente prueba en banco realizada por Anglo Belgian Corporation (ABC) de los combustibles renovables metanol e hidrógeno en un motor de un solo cilindro han demostrado su potencial para reducir los gases de efecto invernadero (GEI). Los resultados fueron presentados en el Congreso CIMAC 19 celebrado en Vancouver este año en un artículo titulado "Motores de doble combustible de ABC que funcionan con combustibles renovables como el metanol y el hidrógeno", por el ingeniero de desarrollo de ABC Luc Mattheeuws, y el director general y gerente Tim Berckmoes.
En condiciones atmosféricas, el metanol es un líquido, de manejo similar al del gasoil, pero debido a su menor densidad, requiere tanques de dos a tres veces más grandes, lo que presenta problemas de almacenamiento. Con un punto de inflamación bajo, hierve a 65°C a presión atmosférica y en la inyección, utiliza el calor latente del aire de admisión para vaporizarse, y para ayudar a la evaporación del metanol, se puede tomar calor del turbocompresor para complementar la temperatura del aire de admisión.
Los motores de doble combustible construidos para utilizar metanol tendrán un inyector diesel y una inyección de combustible de baja presión en el puerto de metanol. Con este sencillo sistema, es posible convertir los motores existentes de funcionar con combustible diesel a funcionar con metanol.
En la inyección, el metanol tiene un retardo de ignición, causado cuando el metanol se evapora y elimina el calor de la mezcla, causando la disminución de la temperatura y la presión, y creando una caída en la presión máxima de compresión. Las pruebas de ABC han puesto de manifiesto la importancia de que el ángulo de inyección se ajuste correctamente para reducir al mínimo la atomización y el impacto de la pulverización.
Con un ángulo de inyección optimizado, el metanol pudo evaporarse más rápidamente y se midió una reducción de NOx de 1 g/kWh, sin cambiar otros parámetros. En el lado negativo se observó que la eficiencia del motor disminuyó a medida que se incrementaba la cantidad de metanol. Sin embargo, la eficiencia del motor volvió a niveles aceptables reduciendo la masa de aire de admisión y una caída del 3-5% en metanol fue suficiente para aumentar la eficiencia del motor a un límite aceptable. Alternativamente, al aumentar la temperatura del aire de carga, era posible aumentar el calor latente necesario para vaporizar el metanol, utilizando la cantidad establecida originalmente.
Los resultados de las emisiones fueron alentadores, ya que la formación de NOx pasó de ser principalmente óxido de nitrógeno (un participante que agota la capa de ozono) en el diesel puro, a ser principalmente dióxido de nitrógeno con una inyección de metanol del 30-40%.
En general, se observó una reducción general de NOx, con una reducción potencial de 3 g/kWh con un 50% de metanol y se mantuvo una buena eficiencia del motor. El CO2 se midió con una reducción potencial del 50-70% con la inyección optimizada y el aumento de la temperatura de admisión.
La materia particulada (PM)/hollín dio una reducción potencial pero dependía de la relación aire/combustible y necesita ser validada y estudiada con más detalle, según Anglo Belgian Corporation, especialmente cuando el combustible para pilotos diesel puede ser ajustado al mínimo. En general, se encontró que el motor de prueba funcionaba eficientemente, comparable al diesel, cuando se controlaban los ajustes de combustión.
Hidrógeno
El hidrógeno, como mezcla explosiva, tiene 2,5 veces menos energía que el GN, con menos daño potencial, y es líquido a - 253°C, lo que también plantea problemas de almacenamiento. Los motores de doble combustible construidos para utilizar hidrógeno tienen un inyector diesel y una válvula de admisión de gas natural (GAV) y es igualmente posible convertir los motores existentes.
El hidrógeno tiene un problema alternativo con el metanol, en el sentido de que se preignifica. Se encontró que en el mismo punto de inyección, con la misma compresión, velocidad y carga, la preignición siempre se iniciaba a la misma concentración de hidrógeno. Al aumentar el flujo de aire, la posible cantidad de hidrógeno a inyectar también aumentará; pero la preignición sigue ocurriendo debido a su bajo punto de inflamación.
El hidrógeno también tiene tendencia a autoencenderse y como la prueba se llevó a cabo en un motor de un solo cilindro, no fue posible aumentar la presión de aire de carga para buscar soluciones al problema. Se consideró que el motor de prueba sufría de puntos calientes o de una alta concentración local de hidrógeno. Se considerarán más pruebas cuando ABC pueda aumentar la masa de aire de admisión para ver si esto previene la ignición automática.
La formación de NOx era comparable a la del diesel, aunque esto se debe únicamente al alto flujo másico del aire de admisión y la formación de NOx depende en gran medida de la tasa de dilución del hidrógeno. La velocidad de la llama del hidrógeno (y la velocidad de expansión) es mucho mayor que la del diesel, por lo que la liberación de calor en el cilindro es más temprana y esto también resultará en una alta emisión de NOx. Una solución para reducir la emisión de NOx es diluir la mezcla, disminuyendo la velocidad de la llama y, por lo tanto, retrasando la liberación de calor.
Se encontró que el CO2 tiene un potencial de reducción de 50-60% cuando se prueba con una presión de sobrealimentación más alta y se está investigando para mejorarlo.PM/soot se midió con una reducción positiva potencial y se redujo con una mayor introducción de hidrógeno. La eficiencia del motor de prueba era comparable a la del diesel y se espera que sea ligeramente superior cuando esté completamente desarrollado y diseñado.
Generalmente, el metanol y el hidrógeno tienen el potencial de reducir el CO2 con beneficios positivos y negativos. El manejo del metanol en fase líquida facilita el uso de este combustible en soluciones de retroadaptación. El abastecimiento de hidrógeno a bordo de una nave lo hará más difícil. Ambos combustibles no están fácilmente disponibles en todos los puertos, por lo que es necesario desarrollar la infraestructura. Los costes de estos combustibles aún no se han estabilizado y fluctuarán en función de la fabricación, la demanda y la disponibilidad.
El potencial de combustión de combustibles verdes en el motor de combustión ABC está comprobado, aunque el proceso de combustión está bajo revisión. Si el diseño del motor de investigación de un solo cilindro puede extrapolarse a un motor de varios cilindros, entonces el uso de metanol e hidrógeno muestra el potencial para reducir las emisiones de CO2.
4. Conclusiones
El metanol y el hidrógeno reducen potencialmente las emisiones de CO2. La manipulación del metanol en líquido facilita la adaptación, mientras que el hidrógeno es difícil de almacenar. El hidrógeno se enciende más fácilmente que el metanol, pero necesita ser totalmente renovable para convertirse en CO2 neutro.
El metanol necesita tres parámetros para tener una buena combustión con una eficiencia razonable:
Gran cantidad de calor del colector de admisión de aire
Inyección adecuada, buena atomización
Mezclas correctas de aire/combustible para aumentar la eficiencia
El hidrógeno destaca los problemas con la preignición y requiere mayor investigación:
en el momento de la inyección de diesel, se puede evitar el autoencendido mediante una reducción del
temperatura de la mezcla de hidrógeno y aire?
¿pueden evitarse los puntos calientes en el pistón y en la culata?
puede aumentar el flujo de aire y diluir la mezcla de hidrógeno/aire
Datos tales como las presiones y temperaturas máximas tabuladas tendrán que ser recopilados en un motor de varios cilindros para revisar completamente los pros y contras de los combustibles, ya que hay algunos problemas que aún deben ser investigados.