Estudio de la integración optimizada de sistemas de post-tratamiento para la reducción de NOx y emisiones secundarias en motores de hidrógeno

2024

AGENCIA ESTATAL DE INVESTIGACION

INV. COMPETITIVA PROYECTOS

Piqueras Cabrera Pedro

La transición hacia la movilidad sostenible es una prioridad en la agenda global debido a la urgente necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GHG). Prueba de ello son los esfuerzos de la industria del transporte para ofrecer sistemas de propulsión electrificados. En este contexto, los motores de combustión interna alternativos han encontrado en el hidrógeno (H2-ICE) una alternativa prometedora por su potencial para reducir las emisiones de GHGs durante el ciclo de vida al tiempo que son compatibles con los conceptos de propulsión híbrida. De forma natural, surge un enfoque sinérgico entre ambas tecnologías para cumplir los objetivos de reducción de emisiones que se ha marcado la sociedad. A pesar de sus perspectivas positivas, basadas en la madurez y robustez de la tecnología de los motores de combustión interna, los H2- ICE deben abordar desafíos que requieren un enfoque integral para la optimización de la propulsión y el control de emisiones. Desde el punto de vista de las emisiones, la formación de óxidos de nitrógeno (NOx) se plantea como uno de los desafíos ambientales más relevantes a superar por los H2-ICE. Ello hace del empleo de sistemas de post-tratamiento de gases de escape (ATS) un aspecto fundamental para asegurar el cumplimiento de las normativas de emisiones, alineadas con las exigencias de calidad del aire, de la salud de las personas y la conservación del medio ambiente. La integración óptima del ATS es un paso clave en el desarrollo de los H2-ICE debido a la complejidad de la reducción de NOx, que encuentra una variedad de rutas de reacción que dependen de la formulación del catalizador y de la temperatura y composición del escape, ambas especialmente condicionadas por las características del proceso de combustión, con temperatura bajas, alto contenido en vapor de agua y ausencia de CO2. Además, es necesario contemplar las potenciales emisiones de H2, con un impacto muy importante como GHG, así como emisiones secundarias como N2O y NH3, que pueden formarse en el propio ATS en función de su selectividad, o emisiones de CO y HC derivadas de la combustión del lubricante. El proyecto propuesto tiene como objetivo examinar el rendimiento de los ATS más prometedores para aplicaciones H2-ICE y evaluar su potencial para cumplir con las regulaciones de emisiones en condiciones de conducción real. Se adoptará una metodología teórico-experimental, evaluando catalizadores de tipo SCR, TWCs y de oxidación en un banco de gases sintéticos. Esta caracterización se complementará con ensayos en motor. Los resultados apoyarán el desarrollo de gemelos digitales avanzados, capaces de realizar cálculos en tiempo real, basados en la solución explícita de las ecuaciones de conservación con mecanismos de reacción adaptados a cada catalizador. El análisis se extenderá a la integración de los ATS en el motor, considerando la relación entre estrategias de dilución del aire en la combustión, la sobrealimentación y el control térmico del escape. Así mismo, modelos de orden reducido físico-químicos que exploren resoluciones alternativas al gemelo digital se integrarán como herramientas embarcadas a fin de contribuir al control de las emisiones en condiciones de conducción real bajo las que se validarán las soluciones propuestas. Al final del proyecto se definirán directrices para la integración de ATS en H2-ICE, contribuyendo a una evaluación robusta del uso de H2 como fuente de energía limpia en transporte terrestre.