2ª Jornadas sobre la Energía. La energía asociada al transporte Girona, 2 Octubre 2009 El hidrógeno como combustible en motores Jesús Casanova Kindelán Catedrático de Máquinas y Motores Térmicos Dpto. Ingª Energética y Fluidomecánica Contenido • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 1/31 Introducción • Características físico-químicas de H2 diferentes a otros combustibles • Motores térmicos ↔ Pilas de combustible: Pila de combustible (PEM: ¿η ≈ 0,60?) H2 • Introducción Energía eléctrica Energía química Combustión Motor eléctrico Energía térmica Energía mecánica Máquina térmica de expansión Motor térmico ( η ≤ 0,4) • El combustible hidrógeno Futuro: η ≈ 0,5 • Características de la combustión de hidrógeno • Rendimiento M.T. limitado por Carnot: • Su competitividad con otros combustibles es función de: • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones ηCARNOT TFF = 1− TFC – Rendimiento global – Coste energético Análisis del pozo a la rueda – Coste medio ambiental El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 2/31 Combustión en Motores de Combustión Interna • Mezcla aire-combustible: – Mezcla premezclada + Homogénea ↔ No premezclada + No homogénea • Encendido por: – Agente externo aporta energía de activación → frente de llama – Autoinflamación: encendido descentralizado (combustión explosiva) • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de nte e r F a llam a isp h C Bujía de encendido retractable Ventana de control Zona de reacción Zona de mezcla Centrador de llama Aire Zona de dilución Carcasa de la c. de combustión Carcasa de la turbina de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos Inyector de combustible Carcasa • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones Tubo “crossfire” Motor de combustión interna alternativo El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 Orificios mezcladores Descarga del compresor Zona de transición Turbina de gas J. Casanova 3/31 Fundamentos de combustión de H2 • Fase gaseosa: 2H2+O2 (+3,76N2) ↔ 2H2O (+3,76N2) 2·2 32 + 3,76·28 4 137,3 2·18 36 • Reacción en cadena, velocidad de reacción controlada por las cinética de las reacciones elementales: • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos H2 + O2 ↔ HO2 + H H + O2 ↔ OH + O OH + H2 ↔ H2O + H H + O2 + M ↔ HO2 + M … + Otras de menor importancia • Dosado estequiométrico (H2/Aire) – En masa: • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción 4 1 = = 0,0291 137,3 34,33 – En volumen (misma P y T): 4/2 1 = = 0,422 → 30 % del volumen 137,3 / 29 2,37 • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 4/31 Propiedades comparadas del H2 como combustible • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción Propiedad Densidad (líquido) Dens. (gas 25ºC; 1 atm) Dens. (gas 25ºC; 200bar) Aire/Comb. Estequiom. (masa) Aire/Comb. Estequiom. (vol.) P.C.I. P.C.I. P.C mezcla estequiométrica Coef. difusión en aire Límites inflamabilidad Energía mínima de encendido Calor específico a p = cte. Hidrógeno 0,07 0,083 15 34,3 2,37 119.970 33,33 2.927 0,61 4 – 74,5 0,02 14,9 120 Metano 0,423 0,651 130 17,4 4,75 50.000 13,87 3.100 0,16 5,3 – 15 0,29 2,22 Gasolina 0,73-0,74 --14,7 49,2 43.500 11,86 3.458 0,05 1 – 7,6 0,24 1,2 Vel. llama (laminar) (Φ = 0,8) Unidad 3 kg/dm 3 kg/m 3 kg/m m/m v/v kJ/kg kWh/kg 3 kJ/m 2 cm /s % vol. mJ J/kg·K cm/s Vel. llama (laminar) (Φ = 1,0) cm/s 170 ∼ 20 37 – 43 Vel. llama (laminar) (Φ = 1,2) N. Octano Research cm/s 250 NOR 60 > 100 ∼ 97 • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 5/31 Propiedades comparadas del H2 como combustible • 1 kg H2 ocupa: – 12.350 dm3 (gas en Condiciones Normales) – 300 dm3 (gas a 400 atm.) – 14,3 dm3 (líquido) Reducción volumen al licuarlo 848 → 1 (20,38 K = -253ºC) Igual energía (gasolina o gasóleo) ⇒ 2,88 kg ; 4,1 dm3 • Introducción • P.C.I. 140-150 % mayor que hidrocarburos • P.C.S. en volumen Poder Calorífico Superior (GJ/m 3) • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • Hidrógeno (200 bar) Metano (200 bar) Hidrógeno (800 bar) Metano (800 bar) Hidrógeno líquido Metanol líquido Propano líquido Octano líquido Mezcla estequiométrica contiene más H2 pero tiene un 5 - 6 menos % de energía que gasolina y un 15,4 % menos que metano • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 6/31 Límites de inflamabilidad Pueden inflamarse mezclas muy pobres y muy ricas • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 7/31 Llamas de hidrógeno • La emisividad de la llama es menor que los hidrocarburos (no C) – Menor radiación ⇒ mayor rendimiento • Llama incolora ⇒ Peligro • Velocidad de Combustión muy alta – Menor tiempo de combustión ⇒ mayor rendimiento (en general) • Temperatura adiabática de llama • Introducción hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno Hidrógeno Metano Propano Gasolina 2320 K 2148 K 2267 K ∼2470 K • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos – Depende del dosado – Δ T y P ⇒ ↑ TAd llama • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción – Gases inertes ⇒ ↓ TAd llama Temperatura de llama (K) • El combustible Estequiométrico • Conclusiones % de hidrógeno en el aire El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 8/31 Emisiones contaminantes de la combustión con H2 • • No emite CO2 Pequeñas cantidades de NO (NO2) por la reacción • • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos Equilibrio químico Productos de combustión (% en volumen) • N2+O2 ↔ 2 NO 1 atm; tempinicial:25 ºC NO Hidrógeno en aire (% en volumen) Dosado relativo • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • H2: incoloro, inodoro, insaboro, no tóxico, no cancerígeno, no contamina aguas, no radiactivo, no reduce capa de ozono. • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 9/31 Requerimientos motores automoción Conductibilidad: arranque, aceleración, ruido, suavidad + Bajo coste, + Confort + Peso Eficiencia: consumo Medio Ambiente: emisiones • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno Seguridad • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones • Actualmente la potencialidad motor del H2 es mayor que pila de combustible El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 10/31 Un poco de historia • 1805 Isaac de Rivaz → MCI de H2 • 1860: Etienne Lenoir (Hippomovil) • 1939 motores de los dirigibles Zeppelin • Pontiac Grand Ville convertido a H2 • Inyección de agua • Almacenado en hidruros metálicos • Introducción • • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno Dodge D-50 convertido a H2 • Carga estratificada • Sobrealimentado • Almacenamiento presurizado • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 11/31 Motores de H2 para vehículos. Características • Motores de encendido provocado (por chispa) • Posibilidades de combustión por autoinflamación controlada (HCCI) • Posibilidad de bi-combustible (gasolina) ⇒ movilidad • Molécula biatómica de muy bajo peso molecular ⇒ ρ muy baja ⇒ Volumen de almacenamiento del H2 en vehículos: • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos – Presión – Licuado – Hidruros metálicos • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción Ford Focus H2ICE BMW 750 hL • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 12/31 Relación potencia / peso • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • El hidrógeno en Vehículo de H2 BMW (5ª generación) Vehículo eléctrico con pila de combustible Objetivo de futuros vehículos BMW Vehículo eléctrico con batería Vehículos convencionales Híbrido paralelo con batería cargada / descargada turbinas de gas y motores de reacción Fuente: BMW • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 13/31 Mezcla aire + combustible • Formación de la mezcla: • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción Poder calorífico de le mezcla (MJ/m3) – Alta difusividad – Volumen ocupado por H2 reduce aire • Favorece mezcla • Propuesta: inyectarlo líquido (BMW) • Retroceso de llama (“backfiring”) – Reduce temperatura mezcla Aspiran aire Aspiran mezcla 5 Etanol Gasolina 15 % 4 Hidrógeno 42 % Metanol Diesel Metano Gas natural 3 2 1 0 0 6 12 18 24 30 36 Aire estequiométrico necesario (kg/kg) • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 14/31 Características de la combustión de H2 en motores de vehículos • Combustión: – Baja energía de activación – Alta velocidad de llama ⇒ rendimiento y alta p.m.e. – Bajo Nº de Octano Research (¿?): • Reducir Tª mezcla (iny. líquida BMW) • Baja relación de compresión Pot efectiva p.m.e. = n VT · 2 • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones Fuente: BMW El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 15/31 Soluciones técnicas para la combustión Desarrollo de BMW • Combustión con inyección en dos etapas: – Mezcla pobre inyección directa al inicio compresión – Inyección directa durante combustión: regula liberación de calor. • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones Fuente: BMW El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 16/31 Regulación de la carga en motores de H2 • Regulación de potencia (carga parcial) ⇒ Reducir energía liberada en la combustión – Estrangulamiento de la admisión: mantiene dosado – Reducción dosado sin estrangulamiento • Solo posible con límites de inflamabilidad amplios • Introducción • El combustible hidrógeno de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos RALENTÍ • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción PLENA CARGA MEDIA CARGA La optimización del rendimiento volumétrico se realiza a plena carga, válvula de mariposa totalmente abierta Presión en cámara • Características Plena carga Carga Parcial Trabajo positivo Trabajo negativo Volumen • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 17/31 Reducción de emisiones de óxidos de nitrógeno • Emisiones contaminantes: NOx • Soluciones – – – – Recirculación gases de escape (EGR) Retrasar combustión Mezclas ricas Catalizadores (no fácil en mezclas pobres) • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción Fuente BMW • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 18/31 Desarrollos actuales (v. ligeros) Ford Focus H2ICE BMW 745h • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno Mini • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos BMW 750 hL • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción Mazda RX-8 • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 19/31 Desarrollos actuales (V. pesados) Autobús híbrido ISE Corp. en servicio en varias ciudades de Canadá y EE.UU. • Introducción • El combustible hidrógeno Autobús MAN del proyecto HyFLEET en Berlín Junio 2006 • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción Autobús MAN – Neoplan en servicio en el Aeropuerto de Munich desde 1999 • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 20/31 Desarrollos actuales: Motores MAN Modelo H 2876 UH H 2876 LUH 01 Diseño Horizontal en línea, 6-cilindros Horizontal en línea, 6-cilindros Cilindr./Diámetro/ Carrera 12.816 cm / 128 mm / 166 mm 12.816 cm / 128 mm / 166 mm 2 4 4 tiempos, ciclo Otto, aspiración natural, formación de mezcla externa, regulación cuantitativa, encendido por chispa 4 tiempos, ciclo Otto modificado, turbo-sobrealimentado con postenfriamiento, formación de mezcla externa interna, encendido por chispa Inyección secuencial en los conductos de admisión, λ<1 Inyección directa en la cámara, mezcla pobre Mapa de encendido; bujías de platino Mapa de encendido; bujías 5 bar 10 bar Bosch Motronic ME7-GAS1 Bosch Motronic ME7-GAS1 8.5 : 1 12 : 1 150 kW (204 CV) a 2.200 rev/min 200 kW (272 CV) a 2.200 rev/min 760 Nm a 1.000-1.200 rev/min 1000 Nm desde 1.000 1/min Catalizador de reducción Ninguno 30 % 40 % 3 Válvulas por cilindro Proceso Formación de mezcla • Introducción • El combustible Encendido hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos Presión de inyección Control del motor Relación de compresión Potencia efectiva • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción Par máximo Post-tratamiento gases Rendimiento máximo • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 3 21/31 Una posibilidad: las mezclas (HCNG) • HCNG: Gas Natural Comprimido mezclado con Hidrógeno (hasta un 30%) • También llamado “Hythane” • Se está estudiando para autobuses y vehículos auxiliares para etapas intermedias en una posible la implantación del H2 • Reduce las emisiones de NOx • Permite regular la carga regulando el porcentaje de H2 ⇒ mezclas más pobres 2,0 • Introducción Gas natural • El combustible 20% hidrógeno 1,6 hidrógeno 30% hidrógeno de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos NOx (g/kW·h) • Características 1,2 Límite pobre 0,8 Gas natural 20% hidrógeno 30% hidrógeno 0,4 • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones 0 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 Dosado relativo El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 22/31 Una posibilidad: las mezclas (HCNG) • El HCNG: oportunidad de utilizar hidrógeno como combustible en el transporte de forma económicamente eficiente y beneficiosa para el medio ambiente • Puede servir como catalizador en el desarrollo de la infraestructura necesaria para los futuros vehículos de pila de combustible • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 23/31 Combustión en turbinas de gas • Combustión por difusión: no premezcla Combustible A turbina Aire • Introducción Inyector • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • Combustión premezclada Combustible • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos A turbina • El hidrógeno en Aire Premezcla turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones Inyector El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 24/31 Otro poco de historia (aviación) • Avión B57 con un motor dereacción de H2 • 1979 Lockheed planteó un futuro de la aviación comercial con H2 líquido • 2003 finalizó proyecto CRYOPLANE • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 25/31 Aplicación a motores de reacción • Alta densidad de energía ⇒ Líquido • Motor de reacción y combustión sin problemas • Se evapora con calor y se inyecta a 150 – 250 K. • Reducción NOx por combustión por sistema “Micromix” (muchas microllamas de difusión) • Introducción • El combustible hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • Rendimiento similar a queroseno • Mejoras en combustión + PCI ⇒ Menor consumo en masa – Menos peso avión • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos – Mayor sección frontal • El hidrógeno en • Prospectiva rentabilidad: año 2040 – 2050 turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 26/31 Proyecto CRYOPLANE • Estudiar viabilidad de H2L para aviación comercial • Se han estudiado configuraciones posibles • Dos aviones y dos aeropuertos para iniciar experiencia • Introducción • El combustible hidrógeno Aviones de corto alcance • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos Aviones de alcance medio • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones Aviones de largo alcance El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 27/31 Aplicación a TG industriales (1/3) • Combustibles (gas natural o hidrocarburos líquidos) enriquecidos con H2 • Objetivo: aumentar H/C ⇒ reducir emisiones CO2 + NOx • • Introducción Experiencias existentes con gas de síntesis • El combustible CO + H2 + … • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • 20% H2 30 10% H2 Combustión no muy diferente a metano – Mayor difusividad ⇒ premezcla – Mayor velocidad de llama ⇒ favorece estabilidad llama • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones 20 Llama estable 10 0,4 El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 0% H2 Apagado Velocidad de llama (m/s) hidrógeno 0,5 Relación combustible / aire 0,6 28/31 Aplicación a TG industriales (2/3) Algunas turbinas de gas con gas de síntesis Mas de 450.000 horas de servicio • Introducción hidrógeno • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos Commision Year No. 1 1998 Gas Type PG LHV (kJ/Nm3) 11.138 Up to 80% H2 Main Design Features Site Geismar Country US MS 6000B Daesan 2 Korea MS 6000B 1 1997 RG 16.500 Up to 95% H2 Germany MS 6000B 1 1996 WG 12.492 65% H2 Cartagena Spain MS 6000B 1 1993 RG 25.100 66% H2 Tenerife Spain MS 6000B 1 1994 RG 29.000 70% H2 San Roque Spain MS 6000B 2 1993 RG 24.000 70% H2 Antwerpen Belgium MS 6000B 1 1993 RG 20.700 78% H2 Puertollano Spain MS 6000B 2 1994-1994 RG 16.700 Up to 60% H2 La Coruna Spain MS 6000B 1 1991 RG 25.000 Up to 52% H2 Rotterdam Holland MS 6000B 1 1990 RG 28.000 59% H2 Schwarze Pumpe • El combustible G.T. Model • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción Fuente G.E. • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 29/31 Aplicación a TG industriales (3/3) • Cámara de combustión en desarrollo para H2 y mezclas • Turbina y compresor similares Dynamic Pressure Locations Flowsleeve Steam • Introducción Fue l Nozzles Emiss ions Rake • El combustible hidrógeno Blended Trans ition Piece Fuel • Características (Diffe rs For 9FA) de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos Natural Gas T/C Rake Loc ation Endcove r • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción Combus tion Casing Stage 1 Nozzle (Nozzle Box For Test) Combustion Line r Fuente G.E. • Conclusiones El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 30/31 Conclusiones • Combustión de H2 – aire proceso muy conocido y estudiado • Propiedades físicas y químicas apropiadas • No emisiones de CO2, CO y HC. • En motores alternativos posibilidad de alcanzar potencias y prestaciones semejantes a hidrocarburos. Aprovecha inversiones ya realizadas. Bi-combustibles hasta que se implante red de distribución. • Introducción • El combustible hidrógeno • Un posibilidad inicial: mezclas con gas natural (HCNG) • Características de la combustión de hidrógeno • El hidrogeno en motores de combustión interna alternativos • En motores de aviación posible, pero infraestructuras y experiencia lo relega a la década 2040 – 2050. • El hidrógeno en turbinas de gas y motores de reacción • Conclusiones • Más competitivo en la actualidad que pila de combustible • En turbinas de gas para generación de energía eléctrica como mejorador de gas natural y gases pobres. Experiencia ya con gas de síntesis El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 31/31 El hidrógeno como combustible en motores Jesús Casanova Kindelán Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales C/ José Gutiérrez Abascal, 2. 28006 Madrid E-mail: [email protected] Tfno: 913363155 El hidrógeno como combustible en motores. Girona 2/10/2009 J. Casanova 32/31