El hidrógeno como carburante en motores

Transcripción

1 IFEMA, 29 Octubre 2009 El hidrógeno como carburante en motores Jesús Casanova Kindelán Catedrático de Máquinas y Motores Térmicos Dpto. Ingª Energética y Fluidomecánica

2 Introducción Características físico-químicas del H 2 diferentes a otros combustibles Motores térmicos Pilas de combustible: Pila de combustible (PEM: η 0,60?) H 2 Energía química Energía eléctrica Motor eléctrico Energía mecánica Combustión Energía térmica Motor térmico ( η 0,4) Futuro: η 0,5 Rendimiento M.T. limitado por Carnot: η CARNOT Máquina térmica de expansión T = 1 T FF FC Su competitividad con otros combustibles es función de: Rendimiento global Coste energético Análisis del pozo a la rueda Coste medio ambiental 1

3 Un poco de historia del H 2 carburante 1805 Isaac de Rivaz MCI de H : Etienne Lenoir (Hippomovil) 1939 motores de los dirigibles Zeppelin Pontiac Grand Ville convertido a H 2 Inyección de agua Almacenado en hidruros metálicos Dodge D-50 convertido a H 2 Carga estratificada Sobrealimentado Almacenamiento presurizado 2

4 Propiedades comparadas del H 2 como combustible Propiedad Unidad Hidrógeno Metano Gasolina Densidad (líquido) kg/dm 3 0,07 0,423 0,73-0,74 Dens. (gas 25ºC; 1 atm) kg/m 3 0,083 0, Dens. (gas 25ºC; 200bar) kg/m Aire/Comb. Estequiom. (masa) m/m 34,3 17,4 14,7 Aire/Comb. Estequiom. (vol.) v/v 2,37 4,75 49,2 P.C.I. kj/kg P.C.I. kwh/kg 33,33 13,87 11,86 P.C mezcla estequiométrica kj/m Coef. difusión en aire cm 2 /s 0,61 0,16 0,05 Límites inflamabilidad % vol. 4 74,5 5, ,6 Energía mínima de encendido mj 0,02 0,29 0,24 Calor específico a p = cte. J/kg K 14,9 2,22 1,2 Vel. llama (laminar) (Φ = 0,8) cm/s 120 Vel. llama (laminar) (Φ = 1,0) cm/s Vel. llama (laminar) (Φ = 1,2) cm/s 250 N. Octano Research NOR 60 >

5 Propiedades comparadas del H 2 como carburante 1 kg H 2 ocupa: dm 3 (gas en Condiciones Normales) 300 dm 3 (gas a 400 atm.) 14,3 dm 3 (líquido) Reducción volumen al licuarlo (20,38 K = -253ºC) Igual energía (gasolina o gasóleo) 2,88 kg ; 4,1 dm 3 P.C.I % mayor que hidrocarburos Mezcla estequiométrica contiene más H 2 pero tiene un 5-6 % menos de energía que gasolina y un 15,4 % menos que metano mayor tamaño depósito Apropiado para motores de encendido provocado (chispa + mezcla homogénea) 4

6 Llamas de hidrógeno Emisividad menor que hidrocarburos (no C) Menor radiación mayor rendimiento Llama incolora (seguridad) Velocidad de Combustión muy alta Menor tiempo de combustión mayor rendimiento Temperatura adiabática de llama Hidrógeno Metano Propano 2320 K 2148 K 2267 K Depende del dosado Gasolina 2470 K Temperatura de llama (K) Δ T y P T Ad llama Gases inertes T Ad llama (E.G.R.) Estequiométrico % de hidrógeno en el aire 5

7 Emisiones contaminantes No CO 2,CO, HC Solo pequeñas cantidades de NO (NO 2 ) por la reacción N 2 + O 2 2 NO Posible reducirlas por E.G.R. Equilibrio químico Productos de combustión (% en volumen) NO 1 atm; temp inicial:25 ºC Hidrógeno en aire (% en volumen) Dosado relativo H 2 : incoloro, inodoro, insaboro, no tóxico, no cancerígeno, no contamina aguas, no radiactivo, no reduce capa de ozono. 6

8 Particularidades de los motores de combustión interna con H 2 Formación de la mezcla: Alta difusividad Favorece mezcla Retroceso de llama ( backfiring ) Volumen ocupado por H 2 reduce aire Combustión: Baja energía de activación (chispa de poca energía) Muy alta velocidad de llama rendimiento y alta p.m.e. Bajo Nº de Octano (NOR): Reducir Tª mezcla (iny. líquida BMW) Baja relación de compresión Inyectarlo líquido (BMW) Reduce temperatura mezcla Regulación de potencia (carga parcial) Regulación de energía liberada en la combustión Reducción dosado (sin estrangulamiento) mejor rendimiento a carga parcial Solo posible con límites de inflamabilidad amplios 7

9 Ya hay algunos desarrollos de M.C.I. con H 2 Vehículos ligeros Ford Focus H2ICE BMW 745h Mini BMW 750 hl Mazda RX-8 8

10 Ya hay algunos desarrollos de M.C.I. con H 2 Vehículos pesados Autobús híbrido ISE Corp. en servicio en varias ciudades de Canadá y EE.UU. Autobús MAN del proyecto HyFLEET en Berlín Junio 2006 Autobús MAN Neoplan en servicio en el Aeropuerto de Munich desde

11 Una posibilidad: las mezclas (HCNG) HCNG: Gas Natural Comprimido mezclado con Hidrógeno (hasta un 30%). También llamado Hythane NOx (g/kw h) 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 Gas natural 20% hidrógeno 30% hidrógeno Límite pobre Gas natural 20% hidrógeno 30% hidrógeno 0 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 Dosado relativo Se está estudiando para autobuses y vehículos auxiliares para etapas intermedias en una posible la implantación del H 10

12 Conclusiones Combustión de H 2 + aire proceso muy conocido y estudiado. Propiedades físicas y químicas apropiadas para combustión en motores de combustión interna de encendido provocado No tiene emisiones de CO 2, CO y HC. En motores alternativos posibilidad de alcanzar potencias y prestaciones semejantes a hidrocarburos. Aprovecha inversiones ya realizadas. Posibilidad de bi-combustibles hasta que se implante red de distribución Más competitivo en la actualidad que pila de combustible, rendimiento solo algo menor Retos: Producción Almacenamiento Distribución Conversión 11