Actualizado: 22/10/2024
A diferencia de los motores convencionales que mezclan hidrógeno con gas natural o reducen la potencia, esta tecnología permite mantener la misma salida de potencia usando únicamente hidrógeno.
Revolucionaria tecnología de combustión de hidrógeno para grandes motores
Kawasaki Heavy Industries, Ltd. ha anunciado el desarrollo de una tecnología que permite la combustión estable utilizando únicamente hidrógeno como combustible, sin emitir dióxido de carbono en grandes motores de gas con una potencia de generación de 5 MW o más. Este avance tecnológico es el primero en su tipo a nivel mundial.
Un avance en la combustión de hidrógeno
En los motores de combustión interna que usan hidrógeno como combustible, es común reducir la potencia o mezclar hidrógeno con gas natural debido a las características específicas de la combustión del hidrógeno. Sin embargo, Kawasaki ha logrado superar este desafío. En sus pruebas con un motor monocilíndrico de encendido eléctrico, basado en los motores Kawasaki Green Gas Engines, ampliamente utilizados en la generación de energía, se ha demostrado que es posible operar de manera estable solo con hidrógeno, manteniendo el mismo nivel de potencia que al usar gas natural.
Este avance marca un paso significativo hacia la comercialización de motores de hidrógeno, un proceso que la compañía estima podría completarse alrededor del año 2030. Con esta innovación, Kawasaki busca abordar problemas ambientales críticos, como el calentamiento global y el agotamiento de los recursos energéticos, promoviendo el uso del hidrógeno, considerado la fuente de energía limpia definitiva al no generar dióxido de carbono durante su combustión.
Desafíos en la combustión de hidrógeno
El hidrógeno presenta desafíos técnicos debido a su velocidad de combustión más rápida y su temperatura de combustión más alta en comparación con el gas natural. Esto genera preocupaciones sobre la posibilidad de combustión anómala y el deterioro prematuro de las piezas de la cámara de combustión debido al sobrecalentamiento. Para superar estos obstáculos, Kawasaki ha desarrollado una combinación de «especificaciones de motor compatibles con el combustible de hidrógeno» y una «tecnología para ajustar las características de combustión del hidrógeno». Esto permite controlar adecuadamente el estado de la combustión según la proporción deseada de mezcla entre hidrógeno y gas natural, previniendo así la combustión anómala y el deterioro temprano, independientemente de si se utiliza hidrógeno puro o en combinación con otros combustibles.
Implicaciones para la sociedad descarbonizada
Con miras a la expansión del uso de la energía de hidrógeno en una sociedad descarbonizada, Kawasaki está promoviendo el desarrollo tecnológico de la cadena de suministro de hidrógeno, que abarca la producción, el transporte, el almacenamiento y el uso. En este contexto, los motores de gas de hidrógeno son productos clave en el campo del «uso» de esta energía, particularmente en el sector de generación eléctrica, que representa aproximadamente el 40 % de las emisiones de dióxido de carbono en Japón. Esta tecnología contribuirá significativamente a la descarbonización de este sector.
El uso de hidrógeno como combustible es esencial en el camino hacia la neutralidad de carbono. El hidrógeno puede producirse a partir de fuentes renovables como la electrólisis del agua utilizando energía solar o eólica, lo que lo convierte en una opción ideal para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Además, el hidrógeno ofrece flexibilidad, ya que puede almacenarse y transportarse de manera eficiente, lo que facilita su integración en diversas aplicaciones industriales y energéticas.
Especificaciones técnicas del motor KG-18-T
- Diámetro del cilindro x carrera (mm): 300 x 480
- Potencia (kW):
- 50 Hz / 750 rpm: 7.800 kW
- 60 Hz / 720 rpm: 7.500 kW
- Índice de calor bruto LHV (kJ/kWh): 7.129
- Índice de calor bruto LHV (bTu/kWh): 6.757
- Eficiencia eléctrica: 51 %
- Emisiones de NOx (ppm) [O₂=0 %]: Menos de 250 (a O₂ = 0 %)
- Rango de operación: 30～100 % de carga
- Tipo de turbocompresor: De dos etapas
- Sistema de control del turbocompresor: Válvula de derivación
Perspectivas futuras
La combustión de hidrógeno en motores de gas de gran escala como los desarrollados por Kawasaki es una pieza crucial en el rompecabezas de la transición energética hacia un futuro sostenible. Estos motores no solo proporcionan una alternativa viable al uso de combustibles fósiles en la generación de electricidad, sino que también podrían ser aplicados en otras industrias intensivas en energía que actualmente dependen del gas natural o el carbón.
En términos de eficiencia, la capacidad de operar de manera estable a plena potencia con hidrógeno puro coloca a esta tecnología en la vanguardia de las soluciones de energía limpia. Al eliminar las emisiones de dióxido de carbono durante la combustión, estos motores representan una solución directa para reducir la huella de carbono en sectores donde la electrificación total es difícil de implementar.
Además, el desarrollo continuo de la infraestructura del hidrógeno, como la producción mediante energías renovables, el almacenamiento y el transporte eficiente, será crucial para garantizar la adopción generalizada de esta tecnología. Japón, con su fuerte compromiso con la neutralidad de carbono y su dependencia de las importaciones de energía, se encuentra bien posicionado para liderar este cambio.
El desarrollo de la tecnología de combustión de hidrógeno por parte de Kawasaki representa un hito en la búsqueda de soluciones sostenibles para la generación de energía. A medida que el mundo se enfrenta al desafío de mitigar el cambio climático y reducir la dependencia de los combustibles fósiles, innovaciones como esta serán esenciales para alcanzar los objetivos de neutralidad de carbono a nivel global. Con la implementación prevista para 2030, esta tecnología promete transformar la industria energética y contribuir significativamente a la lucha contra el cambio climático.
Vía kga.com
Descripción del ciclo de combustión del Hidrógeno
El ciclo de combustión del hidrógeno en motores de combustión interna sigue un proceso similar al de los motores que usan combustibles fósiles, pero presenta características únicas debido a las propiedades del hidrógeno. Durante la combustión, el hidrógeno reacciona con el oxígeno del aire para formar vapor de agua (H₂O), sin emitir dióxido de carbono (CO₂). Sin embargo, la velocidad de combustión del hidrógeno es significativamente mayor que la del gas natural, lo que aumenta la presión en la cámara de combustión.
La alta reactividad del hidrógeno puede generar problemas como la detonación anómala o «knocking», que ocurre cuando la mezcla aire-combustible se inflama antes de tiempo. Kawasaki ha desarrollado tecnología para controlar el momento exacto de la ignición, evitando así estos problemas. En lugar de los tradicionales sistemas de inyección de combustible, se ha optimizado el sistema de inyección de hidrógeno y la sincronización del encendido para garantizar una combustión completa y eficiente, minimizando la pérdida de energía.
Eficiencia térmica del motor
La eficiencia térmica es un parámetro clave en cualquier motor de combustión interna, y en este caso, se ha logrado una eficiencia del 51 %. Esta alta eficiencia se debe a varios factores:
- Temperatura de combustión: El hidrógeno tiene una temperatura de combustión más alta que el gas natural, lo que permite que el motor convierta una mayor cantidad de la energía del combustible en trabajo útil.
- Optimización del diseño de la cámara de combustión: El diseño de la cámara ha sido modificado para soportar las altas presiones y temperaturas generadas durante la combustión de hidrógeno, lo que maximiza la eficiencia.
- Sistema de turbocompresión: El uso de un turbocompresor de dos etapas permite recuperar y reutilizar parte de la energía de los gases de escape, mejorando aún más la eficiencia del motor.
Impacto en las emisiones de gases contaminantes
Aunque la combustión de hidrógeno no genera CO₂, existe el riesgo de producir óxidos de nitrógeno (NOx), que se forman cuando el nitrógeno del aire se combina con el oxígeno a altas temperaturas. Para minimizar las emisiones de NOx, Kawasaki ha implementado varias soluciones técnicas:
- Control de la mezcla aire-hidrógeno: La proporción de mezcla de aire y combustible se ajusta cuidadosamente para evitar condiciones de combustión que favorezcan la formación de NOx.
- Sistemas de recirculación de gases de escape (EGR): Esta tecnología reduce las temperaturas de combustión al recircular parte de los gases de escape, lo que disminuye la formación de NOx.
- Inyección de agua: Otra opción para reducir las temperaturas de combustión y, por ende, las emisiones de NOx, es la inyección de pequeñas cantidades de agua en la cámara de combustión.
Materiales y durabilidad del motor
El hidrógeno, debido a su alta temperatura de combustión, plantea desafíos significativos para la durabilidad de los motores. Los componentes de los motores de hidrógeno, especialmente en la cámara de combustión, deben ser capaces de soportar temperaturas extremas sin deteriorarse rápidamente. Para abordar este problema, Kawasaki ha desarrollado o seleccionado materiales avanzados que ofrecen una mayor resistencia térmica:
- Aleaciones de alta resistencia: Se utilizan aleaciones de acero y níquel para las válvulas y los pistones, que tienen alta resistencia al desgaste y la corrosión a altas temperaturas.
- Revestimientos cerámicos: En áreas clave, como las paredes de la cámara de combustión y la cabeza del pistón, se aplican revestimientos cerámicos para mejorar la resistencia al calor y evitar el desgaste prematuro.
Sistema de control de combustión
El sistema de control de combustión es fundamental para el rendimiento eficiente y seguro del motor. Kawasaki ha implementado un sistema avanzado de control que ajusta dinámicamente los parámetros de combustión en función de las condiciones de operación del motor:
- Sensores avanzados: Sensores de presión y temperatura en la cámara de combustión permiten monitorear en tiempo real el estado del proceso de combustión.
- Control electrónico: Un sistema de gestión del motor ajusta la inyección de hidrógeno y el momento de encendido para garantizar una combustión completa y evitar el «knocking».
- Adaptación a diferentes combustibles: El sistema puede ajustar automáticamente los parámetros de combustión si se utiliza una mezcla de hidrógeno y gas natural, lo que aumenta la flexibilidad operativa del motor.
Tecnología de Turbocompresión
El uso de un sistema de turbocompresores de dos etapas es clave para maximizar la eficiencia del motor. Los turbocompresores permiten aumentar la presión de entrada de aire, mejorando la eficiencia de combustión y permitiendo una mayor potencia de salida. En este motor, el diseño de dos etapas significa que el aire es comprimido en dos fases, lo que permite obtener una mayor presión de admisión sin sobrecargar el sistema:
- Primera etapa: El aire se comprime inicialmente a un nivel intermedio.
- Segunda etapa: Se comprime aún más antes de ser introducido en la cámara de combustión.
Este sistema mejora la eficiencia del motor al aumentar la cantidad de oxígeno disponible para la combustión, permitiendo una combustión más completa del hidrógeno.
Infraestructura de suministro de Hidrógeno
Para que estos motores puedan funcionar de manera generalizada, se requiere una infraestructura robusta de producción, transporte y almacenamiento de hidrógeno. Algunos de los desafíos técnicos incluyen:
- Producción de hidrógeno: Actualmente, el hidrógeno se puede obtener a partir de fuentes renovables mediante electrólisis del agua o de fuentes fósiles a través de la reformación del gas natural, aunque este último proceso genera CO₂.
- Almacenamiento: El hidrógeno debe almacenarse a alta presión o en forma líquida a temperaturas extremadamente bajas, lo que requiere tanques especializados.
- Transporte: El transporte eficiente de hidrógeno implica la creación de una red de gasoductos o el uso de camiones cisterna especialmente diseñados para transportar hidrógeno comprimido o líquido.
Costes y factibilidad económica
El desarrollo y la implementación de motores de hidrógeno aún enfrentan desafíos económicos. Los costos de producción de hidrógeno verde, producido a partir de fuentes renovables, son significativamente más altos que los de los combustibles fósiles. Sin embargo, con el desarrollo de economías de escala y la mejora de las tecnologías de producción de hidrógeno, se espera que estos costos disminuyan. Además:
Mantenimiento: Aunque los motores de hidrógeno tienen un costo inicial más alto debido a los materiales avanzados y las tecnologías necesarias, se espera que los costos de mantenimiento a largo plazo sean competitivos, ya que el hidrógeno no produce residuos sólidos durante la combustión.
Aplicaciones en sectores industriales
Además de la generación eléctrica, los motores de hidrógeno pueden aplicarse en otros sectores industriales:
- Transporte marítimo: Los barcos de gran tamaño podrían beneficiarse de motores de hidrógeno para reducir su dependencia de combustibles fósiles.
- Industria pesada: Sectores como el acero y el cemento, que requieren grandes cantidades de energía, podrían utilizar motores de hidrógeno para reducir sus emisiones de carbono.
Integración con Energías Renovables
El hidrógeno puede actuar como un vector de almacenamiento de energía para fuentes renovables intermitentes, como la energía solar y eólica. En períodos de exceso de producción, la electricidad generada por fuentes renovables se puede utilizar para producir hidrógeno a través de la electrólisis. Luego, este hidrógeno puede almacenarse y utilizarse posteriormente en los motores de combustión de hidrógeno para generar electricidad cuando la demanda sea alta o cuando no haya suficiente energía renovable disponible.
Este enfoque no solo permite un uso más eficiente de las energías renovables, sino que también proporciona una solución para el almacenamiento de energía a largo plazo, algo que las baterías convencionales no pueden ofrecer con la misma eficiencia.
Marcelo Cabello del Solar dice
Es increíble que se piense que usando agua para producir hidrógeno se vaya a afectar el agua disponible en nuestro planeta tierra, cuando el agua (H2O) se fracciona en una parte de Oxigeno y dos de Hidrógeno, el oxígeno lo van a tener que liberar a la atmósfera (no va a existir un uso comercial para esa cantidad de oxígeno producido) y el Hidrógeno se almacenará como combustible, pero cuando se use como combustible requerirá ese oxígeno para hacer combustión y que producirá como residuo, pues AGUA nuevamente liberada a la atmósfera y que volverá a la tierra como lluvia, rocío o humedad.
Por lo tanto la separación mediante el uso de energía para producir energía será solo como un almacenaje de energía potencial para reusarse en otro lugar, por ejemplo usar placas fotovoltaicas que solo generan durante el día para usar esa energía en la noche para suministrar electricidad mediante generadores en la noche o usar la energía generada por un generador eólico para tener Hidrógeno y propulsar un barco a miles de kilómetros de distancia después.
Es solo cuestión de si se pueden optimizar los procesos hasta que las ineficiencias del procedimiento de generar Hidrógeno y revisarlo como fuente de energía sean económicamente viables.
Técnicamente es el proceso perfecto para almacenar energía, trasladarla y reusarla posteriormente.
Oscar dice
Porque se requiere esperar hasta el 2030 para venderse estos motores a nivel comercial?
sp1314 dice
El h2O, Agua está en todo nuestro ambiente, la humedad se evapora convirtiendose en nubes que son Energia. La electrolisis ya se descubrii hace muchos años para las baterias. Ya existen equipos que producen AGUA por Nebilizacion.Pero todo se oculta por las grandes elites de industriales. Los nuevos trenen podrian usar motores con este tipo de combustion.
Reginald Ward dice
No tienes que usar hidrogeno para combustion, no es renovable y hay que usar agua. la destrucción de agua es la destrucion de vida en nuestra Tierra. No tienes que destruir una gota de esta preciosa recurso.
piensa, piensa ypiensa..
Carlos Andres Alviz Doria dice
es conveniente para la humanidad sentar conciencia y buscar con responsabilidad las alternativas para mitigar el daño prácticamente irreversible que hemos causado a éste nuestro hogar llamado, «tierra» con el uso incontrolado de combustibles fósiles lo cual nos tiene hoy con la amenaza inminente de desaparecer.
apoyo total a los ecoinventos.
Héctor dice
Me interesa.. en lo técnico y en lo comercial para gestionar al respecto en esta región.
Julio César Valdéz dice
Hola buenos día así es con los métodos, de desarrollo e implementarse, se procura estructurar, nuevos procesos
energéticos.