Performance of low carbon fuels in internal combustion engines
- Autores: Rafael Ortiz Imedio
- Directores de la Tesis: Alfredo Ortiz Sainz de Aja (dir. tes.), Inmaculada Ortiz Uribe (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2022
- Idioma: inglés
- Títulos paralelos:
- Rendimiento de combustibles bajos en carbono en motores de combustión interna
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eugenio Bringas Elizalde (presid.), José Salvador Ochoa Torres (secret.), Georgios Kosmadakis (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Química, de la Energía y de Procesos por la Universidad de Cantabria
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
Los combustibles bajos en carbono son clave para la transición hacia un sistema energético sostenible con menos emisiones contaminantes y menos dependiente de los combustibles fósiles. Las fuentes de energía renovables (RES, por sus siglas en inglés) permiten una generación de energía limpia más distribuida en las diferentes regiones del mundo. Sin embargo, la mayoría de las energías renovables sufren fluctuaciones que provocan intermitencia en el suministro energético. En este sentido, el hidrógeno como vector energético puede desempeñar un papel fundamental en la amplia implementación de las RES. El acoplamiento de las energías renovables con el hidrógeno permite equilibrar la red, amortiguando las fluctuaciones de los recursos naturales mediante el almacenamiento a largo plazo. Además, el hidrógeno puede emplearse en un amplio rango de sectores, desde el transporte y las aplicaciones estacionarias hasta la industria, sustituyendo a los combustibles fósiles convencionales y mitigando los efectos adversos sobre el cambio climático debidos a las emisiones de gases de efecto invernadero.
Entre los sectores con grandes oportunidades de penetración del hidrógeno, cabe mencionar el sector marítimo. En el área atlántica de Europa, este sector presenta un alto porcentaje del transporte de mercancías y pasajeros y, actualmente, es responsable de una alta contribución en la contaminación de la región. Por lo tanto, esta situación podría mejorar considerablemente si se cambiara a un sistema en el que la energía requerida por el transporte marítimo de la región fuera suministrada con electricidad e hidrógeno.
Actualmente, algunos procesos industriales producen corrientes residuales industriales ricas en hidrógeno, que, a pesar de proceder de energías no renovables, suelen caracterizarse por un alto contenido energético. Por lo tanto, la purificación o recuperación de componentes valiosos de las corrientes residuales, permitiendo la conversión final de H2 en energía, se convierte en un reto clave que traduce los beneficios de la circularidad de los residuos en descarbonización energética. El gas de coque, un subproducto de la fabricación de coque con alto porcentaje volumétrico de hidrógeno y metano, puede utilizarse en una amplia gama de aplicaciones, especialmente en la industria del acero y el coque. Sin embargo, en periodos de baja demanda, el gas de coque se quema directamente, desechando su contenido energético. Por ello, la alternativa de recuperación para su posterior conversión en electricidad mediante el uso del gas en motores de combustión interna (ICEs, por sus siglas en inglés) acoplados a sistemas generadores presenta gran interés.
Los motores de combustión interna son una tecnología muy madura e implementada en todo el mundo. La gasolina y el gasóleo, obtenidos a partir de combustibles fósiles, se han empleado habitualmente como combustibles convencionales en función de la configuración del motor. Sin embargo, las normativas, cada vez más restrictivas, exigen aumentar la eficiencia de los motores y reducir las emisiones contaminantes. Estas políticas limitan su aplicabilidad y ejercen una gran presión sobre los fabricantes de motores para que desarrollen tecnologías alternativas y todavía costosas, como las pilas de combustible. Por lo tanto, la sustitución de los combustibles convencionales por los de bajo contenido en carbono surge como una solución viable para prolongar el uso de los ICEs de una manera relativamente barata. Esta tesis analiza y demuestra la viabilidad de alimentar los motores de combustión interna con combustibles bajos en carbono, como el hidrógeno, el metano y el gas de coque, con alto rendimiento y bajas emisiones, allanando el camino hacia un sistema energético más sostenible.
En base a la motivación anteriormente expuesta, el objetivo general de esta tesis es doble: 1) El primer objetivo global es la evaluación de un sistema energético europeo futurista basado en el acoplamiento de las energías renovables y el hidrógeno como vector energético para el sector marítimo en la zona atlántica de Europa, y 2) El segundo objetivo principal es la evaluación del rendimiento técnico y energético de un motor de combustión interna alimentado con combustibles bajos en carbono recuperados de gases residuales industriales. Este segundo objetivo se ha enfocado en el estudio del gas de coque como fuente de combustible en un motor de encendido por chispa. Además, el rendimiento del motor se ha comparado con el uso de hidrógeno puro y metano puro como combustibles; la comparación se ha realizado porque el hidrógeno y el metano son los principales constituyentes del gas de coque, analizándose la contribución de cada combustible a los fenómenos de combustión.
Para la consecución del primer objetivo, se ha optimizado y minimizado los costes totales anuales de una infraestructura del sistema energético europeo basado en un 100% de RES acoplado a H2 como vector energético en el horizonte 2050. Se han incluido las demandas de electricidad para la calefacción de espacios y agua y para los barcos en la zona atlántica de Europa. La demanda de hidrógeno está constituida por una penetración en el mercado del 50% de los vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEVs, por sus siglas en inglés) en ese año, y se han analizado diferentes escenarios de penetración de barcos alimentados con H2 en la región atlántica para observar su influencia en el sistema energético europeo. Se ha descubierto que Irlanda es el principal productor de energía basado en turbinas eólicas terrestres y electrolizadores. Los escenarios con mayor demanda de H2 para barcos requieren el refuerzo de las cavernas de sal y de la infraestructura de tuberías, especialmente en el Reino Unido y la interconexión con Francia. Se ha determinado que el H2 como vector energético desempeña un papel clave para equilibrar la red eléctrica, amortiguando las fluctuaciones intermitentes de RES con el H2 almacenado en las cavernas de sal y en las vasijas, al tiempo que satisface la demanda de energía. Además, el H2 favorece el desarrollo de un transporte más sostenible a un coste relativamente bajo.
Para la realización del segundo objetivo, se han experimentos en un motor de encendido por chispa de aspiración natural alimentado con combustibles bajos en carbono. El rendimiento y las emisiones del COG se han evaluado y comparado con sus principales componentes, el H2 puro y el CH4 puro. El COG combina las ventajas del H2 y del CH4, con un poder calorífico inferior volumétrico más alto que el H2 y una velocidad de llama laminar más alta que la del CH4, lo que aumenta la potencia y el rendimiento con relaciones aire-combustible (λ) superiores a 1. Además, con el COG se puede utilizar un rango de λ más amplio, con menor tendencia a la combustión anómala que el H2 con mezclas aire-combustible ricas, y mejor estabilidad de la combustión que la del CH4 con mezclas pobres. Se reducen las emisiones específicas de NOx debido al menor contenido de H2 con respecto al H2 puro y al menor avance de la chispa que el CH4, reduciendo la temperatura de combustión. Además, las emisiones específicas de hidrocarburos, CO y CO2 se reducen con el COG en comparación con el CH4 debido al menor contenido de carbono y a la mejor combustión. Por lo tanto, el COG aparece como un combustible con muy buen rendimiento en los ICEs, especialmente enfocado en sistemas estacionarios a la salida de la planta de coque.
Finalmente, se ha desarrollado un modelo de simulación CFD de un cilindro simétrico del mismo motor bajo las mismas condiciones de funcionamiento con los tres combustibles. Se ha obtenido buena concordancia entre los experimentos y las simulaciones, con una desviación estándar ponderada inferior al 12% para las variables de potencia y presión media efectiva y al 16.3% para el rendimiento térmico. Con mezclas pobres de aire-combustible se han obtenido menores presiones, temperaturas, liberación de calor químico, transferencia de calor a la pared y emisiones de NO. El tiempo de ignición de la chispa desempeña un papel fundamental, ya que aumenta la presión y temperatura máximas durante más tiempo con valores elevados de avance de chispa; ello da lugar al aumento de los valores de NO y de transferencia de calor a la pared, y reduce la potencia efectiva. Este es el caso del CH4, que requiere altos avances de chispa debido a la baja velocidad de crecimiento de la llama. El H2 tiene una duración de combustión menor, pero aumenta la velocidad de generación de OH y las emisiones de NO. Con λ = 1.5, el COG proporciona la mayor potencia debido a la mayor velocidad de crecimiento de llama que cuando se alimenta con CH4 y al mayor poder calorífico inferior volumétrico que el del H2. Además, los valores intermedios de avance de chispa del COG reducen las emisiones de NO y la transferencia de calor a la pared, aumentando la potencia generada. En mezclas aire-combustible más bajas y ricas, se obtienen rendimientos similares con el COG en comparación al H2 y al CH4, ampliando el rango de operación de las relación aire-combustible. De esta manera se ofrece una alternativa interesante para la recuperación de la energía de una corriente residual en aplicaciones estacionarias tras optimizar las condiciones de operación.
- English
Low carbon fuels are key to the transition to a sustainable energy system with lower pollutant emissions and less dependence on fossil fuels. Hydrogen as an energy vector allows a wide implementation of renewable energy sources, with a more distributed clean energy generation across the world. In addition, hydrogen can be used in many sectors, such as the maritime sector, with an important contribution to freight and passengers transport. Likewise, there are industrial waste streams with a high percentage of hydrogen and high energy content, allowing its recovery with internal combustion engines, a worldwide deployed technology. The first part of this thesis focuses on the analysis of a European energy system in 2050 based on hydrogen oriented to ships, while in the second part the study of coke oven gas in an engine is carried out, both experimentally and in a CFD model.
- español
