DESARROLLO DE UNA PLANTA DE POTENCIA DE OXICOMBUSTIÓN CON CAPTURA DE CARBONO PARA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA LIMPIA

2022

AGENCIA ESTATAL DE INVESTIGACION

INV. COMPETITIVA PROYECTOS

Lujan Martinez José Manuel

Reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes es un desafío de nuestra sociedad. En el camino a un sistema energético descarbonizado, el desarrollo de tecnologías de secuestro de CO2 es vital. Las plantas propulsivas basadas en motores alternativos (MCIA), se han usado tradicionalmente para aplicaciones de transporte y estacionarias; actualmente se prevé que quedarán relegadas a vehículos híbridos, transporte de mercancías y aplicaciones estacionarias, pero es además posible reorientarlas como herramienta de captura de CO2, como se presenta en esta propuesta. El funcionamiento de un MCIA se basa en la conversión de la energía química de un combustible en energía mecánica. Esta trasformación requiere un proceso de oxidación del combustible, que reacciona con un oxidante o comburente, siendo este casi siempre aire. El empleo de aire como comburente está generalizado por su disponibilidad; sin embargo, tiene algunos inconvenientes graves en un contexto de búsqueda de sistemas energéticos limpios y descarbonizados. De los componentes del aire, la especie que interviene en la reacción de oxidación es el O2, presente en un 23%, siendo, casi en su totalidad N2 el 77% restante. El N2 diluye el O2 y permite bajar la temperatura del gas para no superar los límites termo-mecánicos de los materiales que conforman la cámara. Como productos de la oxidación se producen CO2 y H2O que, con el N2, son expulsados por el escape. Además, la alta temperatura del gas favorece que el N2 presente en el aire reaccione con O2 y genere óxidos de nitrógeno (NOx). Así, un motor convencional siempre genera las dos especies indicadas: CO2, molécula clave para el calentamiento global, y NOx, de efectos perjudiciales para la salud. Este proyecto va a mostrar que un MCIA operando sin N2, además de viable tecnológicamente, si se combina con un sistema de producción de O2, permite conformar un sistema autónomo con dos ventajas frente al MCIA operando con aire: (1) no emite NOx y (2) y casi exclusivamente CO2 y H2O. Así, tras la condensación del H2O, se podrá capturar el CO2 de manera sencilla, al no estar diluido en N2. Para producir O2 se usarán membranas cerámicas MIEC que separan, con gran selectividad, el O2 del aire. Requieren de una diferencia de presión parcial de O2 entre sus lados y alta temperatura. En el proyecto se diseñará el sistema para recuperar energía de los gases de escape y conseguir dichas condiciones mediante el uso de regeneradores y turbocompresores. Se podrán utilizar membranas poliméricas para aumentar la concentración de O2 a la entrada de las mismas. Para controlar la temperatura de combustión se usará gas de escape recirculado (EGR). Por ello será necesario estudiar el efecto del cambio de composición del comburente en el proceso de combustión y formación de otras especies contaminantes como CO y HC, que pueden reducirse con el nuevo concepto. Además, el cambio en las propiedades del gas y en la combustión afectarán al rendimiento termodinámico, que debe caracterizarse. Se estudiará la necesidad de rediseñar la cámara de combustión, clave en el proceso o el uso de combustibles alternativos (biodiesel, e-fuels). En el proyecto se usarán herramientas de modelado (1D, CFD) calibradas con datos experimentales obtenidas en un motor monocilíndrico operando sin N2. Finalmente, se construirá un demostrador de motor policilíndrico de oxicombustión, y con sistema de captura de CO2, para confirmar los resultados modelados.