Jesús Casanova KindelánCatedrático de Máquinas y Motores Térmicos
Dpto. Ingª Energética y Fluidomecánica
El hidrógeno como carburante en motores
IFEMA, 29 Octubre 2009
Hidrogeno como carburante en motores. Jesús Casanova Kindelán 29 octubre 2009 1
Introducción
• Características físico-químicas del H2 → diferentes a otros combustibles
• Motores térmicos ↔ Pilas de combustible:
• Rendimiento M.T. limitado por Carnot:
• Su competitividad con otros combustibles es función de: – Rendimiento global– Coste energético– Coste medio ambiental
FC
FFCARNOT T
T1−=η
Análisis del pozo a la rueda
H2 Energía química Energía mecánica
Energía eléctrica
Combustión Energía térmica
Motor eléctrico
Máquina térmica de expansión
Motor térmico ( η ≤ 0,4)
Pila de combustible (PEM: ¿η ≈ 0,60?)
Futuro: η ≈ 0,5
H2 Energía química Energía mecánica
Energía eléctrica
Combustión Energía térmica
Motor eléctrico
Máquina térmica de expansión
Motor térmico ( η ≤ 0,4)
Pila de combustible (PEM: ¿η ≈ 0,60?)
Futuro: η ≈ 0,5
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Un poco de historia del H2 carburanteUn 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
• Dodge D-50 convertido a H2• Carga estratificada
• Sobrealimentado
• Almacenamiento presurizado
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Propiedades comparadas del H2 como combustible
Propiedad Unidad Hidrógeno Metano Gasolina Densidad (líquido) kg/dm3 0,07 0,423 0,73-0,74 Dens. (gas 25ºC; 1 atm) kg/m3 0,083 0,651 - - Dens. (gas 25ºC; 200bar) kg/m3 15 130 -- 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 119.970 50.000 43.500 P.C.I. kWh/kg 33,33 13,87 11,86 P.C mezcla estequiométrica kJ/m3 2.927 3.100 3.458 Coef. difusión en aire cm2/s 0,61 0,16 0,05 Límites inflamabilidad % vol. 4 – 74,5 5,3 – 15 1 – 7,6 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 170 Vel. llama (laminar) (Φ = 1,2) cm/s 250
∼ 20 37 – 43
N. Octano Research NOR 60 > 100 ∼ 97
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Propiedades comparadas del H2 como carburante
• 1 kg H2 ocupa:
– 12.350 dm3 (gas en Condiciones Normales)
– 300 dm3 (gas a 400 atm.)
– 14,3 dm3 (líquido)
Igual energía (gasolina o gasóleo) ⇒ 2,88 kg ; 4,1 dm3
• P.C.I. 140-150 % mayor que hidrocarburos
• Mezcla estequiométrica contiene más H2 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)
Reducción volumen al licuarlo848 → 1 (20,38 K = -253ºC)
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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
– Depende del dosado
– Δ T y P ⇒ ↑ TAd llama
– Gases inertes ⇒ ↓ TAd llama (E.G.R.)
∼2470 K2267 K2148 K2320 K
GasolinaPropano Metano Hidrógeno
Estequiométrico
Tem
pera
tura
de
llam
a (K
)
% de hidrógeno en el aire
Estequiométrico
Tem
pera
tura
de
llam
a (K
)
% de hidrógeno en el aire
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Emisiones contaminantes
• No CO2,CO, HC
• Solo pequeñas cantidades de NO (NO2) por la reacción– N2 + O2 ↔ 2 NO
– Posible reducirlas por E.G.R.
• Equilibrio químico
• H2: incoloro, inodoro, insaboro, no tóxico, no cancerígeno, no contamina aguas, no radiactivo, no reduce capa de ozono.
Dosado relativo
Hidrógeno en aire (% en volumen)
Pro
duct
os d
e co
mbu
stió
n (%
en
volu
men
)
Hidrógeno en aire (% en volumen)Hidrógeno en aire (% en volumen)
temp inicial:25 ºC1 atm; 1 ; 1 ; NO
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Particularidades de los motores de combustión interna con H2
• Formación de la mezcla:– Alta difusividad
• Favorece mezcla• Retroceso de llama (“backfiring”)
– Volumen ocupado por H2 reduce aire
• Inyectarlo líquido (BMW)– Reduce temperatura mezcla
• 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
• 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
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Ya hay algunos desarrollos de M.C.I. con H2Vehículos ligeros
BMW 750 hL
Ford Focus H2ICE
BMW 745h
Mini
Mazda RX-8
BMW 750 hL
Ford Focus H2ICE
BMW 745h
Mini
Mazda RX-8
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Ya hay algunos desarrollos de M.C.I. con H2Vehículos pesados
Autobús MAN – Neoplan en servicio en el Aeropuerto de Munich desde 1999
Autobús híbrido ISE Corp. en servicio en varias ciudades de
Canadá y EE.UU.
Autobús MAN del proyecto HyFLEET en Berlín Junio 2006
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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
0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45
2,0
1,6
1,2
0,8
0
0,4
NO
x(g
/kW
·h)
Dosado relativo
Gas natural
20% hidrógeno
30% hidrógeno
Límite pobre
Gas natural
20% hidrógeno
30% hidrógeno
0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45
2,0
1,6
1,2
0,8
0
0,4
NO
x(g
/kW
·h)
Dosado relativo
Gas natural
20% hidrógeno
30% hidrógeno
Límite pobre
Gas natural
20% hidrógeno
30% hidrógeno
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Conclusiones
• Combustión de H2 + 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 CO2, 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