El hidrógeno como carburante en motores -...

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


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


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


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)


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


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


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


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


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


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


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

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