1Colombiano. Ingeniero Mecánico, MSc , Profesor Asociado Universidad Nacional de Colombia 2 Colombiano. Ingeniero Mecánico, Ph.D., Profesor Titular, Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá. 3 Colombiano. Ingeniero Electricista y Electrónico, Msc( c)Ingeniería Mecánica Universidad Nacional de Colombia
Se describe el sistema dual–fuel para motores diesel, operando los motores de combustión interna, donde sustituyeron parte del combustible con gas natural u otro combustible gaseoso. El sistema permite un ahorro económico significativo por la diferencia de precio entre el diesel y el gas natural, la disponibilidad de gas en sitio y la disminución en la emisión de gases contaminantes de la atmósfera debido a las bondades que presenta el gas natural frente al diesel. Se presentan los resultados de las pruebas realizadas a motores, y se indica la manera de aprovechar la tecnología dual–fuel en la industria petrolera.
Palabras clave: dual–fuel ; motor diesel–gas natural; ahorro diesel; sustitución diesel por gas natural.
The dual–fuel system for diesel engines is described, which consists in substituting part of the fuel used by the internal combustion engine with natural gas or another gaseous fuel. This system allows significant savings in costs due to differences in the prices of diesel and natural gas, the on–site availability of gas, and the reduction in polluting gas emissions to the atmosphere attributable to the positive aspects of natural gas versus diesel fuel. The results of tests carried out on the dual–fuel engine are presented, and the best way to use this technology in the oil industry is indicated.
Key words:dual–fuel; natural gas/diesel engine; diesel saving; substituting diesel with natural gas.
La crisis del petróleo en 1973 desatada por el embargo petrolero de la OPEP a los países que habían apoyado a Israel durante la guerra del YomKippur y que incluía a Estados Unidos y a sus aliados de Europa Occidental, generó aumento del precio, provocó un fuerte efecto inflacionista y una reducción de la actividad económica de los países afectados, lo cual terminó creando conciencia hacia el uso racional de los recursos petrolíferos y generando varias medidas y mecanismos para aumentar la eficiencia de los procesos que involucran combustibles fósiles (Lafuente y Genatios, 2005).
El cambio climático experimentado en las últimas décadas, atribuido a los gases de efecto invernadero, ha causado alteraciones trascendentes sobre todo el planeta e impulsado diversas acciones de direccionamiento de las investigaciones hacia modos más eficientes de utilización de los recursos y de nuevas tecnologías, para reducir la cantidad de contaminantes emitidos a la atmósfera. Entre las iniciativas más conocidas está el protocolo de Kioto por el cual los países firmantes se comprometieron a reducir las emisiones a los niveles registrados en 1990, de seis gases de efecto invernadero causantes del calentamiento global (dióxido de carbono (CO2), gas metano (CH4), oxido nitroso (N2O) y tres gases industriales fluorados) en al menos un 5% para el periodo 2008 – 2012 y se establecieron mecanismos para incentivar los programas de desarrollo limpio (Naciones Unidas, 1998). En las últimas décadas ha sido necesario el establecimiento de normas más restrictivas respecto al rendimiento de ciertas máquinas térmicas y de la cantidad de contaminantes que pueden emitir (U.S. Enviromental Protection Agency, 2012).
Colombia, ha desarrollado estrategias para la reducción de emisiones contaminantes y la reglamentación de la materia mediante decretos y leyes; ha incentivado la utilización de sistemas de cogeneración y la aplicación de tecnologías encaminadas a reducir las emisiones a la atmósfera.
Para los combustibles refinados como el diesel, se pasó de 5.000 ppm de azufre en 1990 a un porcentaje actual de 500 ppm y con una meta de 50 ppm que entró en vigencia para todo el país (Arango, 2009).
Los motores de combustión interna (MCI) son máquinas térmicas que producen energía mecánica en el eje a partir de la transformación de la energía química de un combustible, en un proceso de combustión dentro de sus cámaras (Salazar, 2011). Con la energía en el eje se genera electricidad o se mueven bombas y/o compresores; adicionalmente, la energía residual liberada en forma de calor se puede utilizar para cogeneración (Unidad de Planeación Minero Energética de Colombia, 2011).
El proceso de combustión es la reacción química exotérmica de una sustancia llamada combustible, con un comburente que generalmente es el oxígeno del aire. Para que se desencadene la reacción es necesario que co–existan tres elementos: Combustible (material que arde), comburente (material que hace arder) y un desencadenante (suministra la energía requerida para alcanzar la temperatura de inicio de la combustión)(Karim, 1980). La combustión genera luminiscencia, calor y gases que dependen de la composición de los elementos que intervienen en la reacción; ellos pueden ser: CO2, H2O (como vapor), Hollín, NOx, CO y otros (Karim,1980).
Según el método de encendido, se tienen: Los MCI de encendido provocado (MEP) donde se produce la combustión de una mezcla homogénea de aire y combustible, mediante una chispa eléctrica desencadenante. Popularmente se conocen como MCI de gasolina, pero utilizan también alcoholes, otros gases combustibles y/o mezclas. Los MCI de encendido por compresión (MEC), donde la combustión se produce por auto–ignición del combustible en la medida en que es inyectado en el aire comprimido, al ir formándose una mezcla heterogénea en la cámara de combustión (Payri, 2011). Comúnmente el combustible utilizado en MEC es diesel puro, pero es posible inyectar fracciones de diesel en una mezcla comprimida de aire y gas combustible.
La relación entre la cantidad de energía obtenida en el eje de un MCI y la aportada por el combustible, se denomina eficiencia o rendimiento al freno; depende del tipo de motor, de las dimensiones de los cilindros, de la relación de compresión, de la carga, la velocidad de rotación y otros factores (Universidad Nacional de Colombia, 2009).
Los MCI, a pesar de ser máquinas con eficiencia al freno relativamente baja, han sido los equipos más utilizados para generar trabajo (Sanz, 2007). La tabla 1 presenta, el balance térmico del MCI, para motores Diesel y de gasolina
Se han reportado valores de eficiencia al freno en MCI hasta del 42%, y aunque la energía en el eje continúa siendo relativamente baja respecto a la energía suministrada por el combustible, se viene aprovechando cada vez más el considerable calor residual en procesos de cogeneración (Sanz, 2007).
La academia y los fabricantes han estudiado la utilización simultánea de diesel–gas en MEC, por las bondades que ofrece en reducción de costos de operación asociada a la diferencia de precios entre estos combustibles (Bedoya et al., 2007, y Pérez, 2011), al potencial reducción de emisiones contaminantes de óxidos de nitrógeno (NOx), material particulado (PM), monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2) (Papagiannakis y Hountalas, 2004).
En los MEC de capacidad media que utilizaron simultáneamente diesel–gas, mantuvo el encendido por compresión mediante la adición parcial de combustible diesel, lo que obliga al uso de diesel como combustible piloto para encender el gas (operación bi–combustible).Dichos MEC pueden acondicionarse para operación dedicada en bicombustible o para operación dual–fuel: operación selectiva alternante entre bi–combustible o 100% diesel.
El sistema dual–fuel consistió en un equipamiento que se le adiciona a un motor diesel de serie, para permitir la operación simultánea del motor con dos combustibles: uno líquido, que puede ser diesel o biodiesel y otro gaseoso, que puede ser: Gas natural, gas licuado de petróleo (GLP), biogás u otro.
Los menores costos de funcionamiento y el uso de fuentes alternativas de combustible con funcionamiento dual de combustible del motor, han atraído a muchos investigadores a aplicar este tipo de tecnología en diferentes áreas. Los primeros experimentos con sistema de combustible dual fueron realizados por Cave en 1929 y Helmore y Sokes en 1930, en los que se indujo hidrógeno como combustible secundario en los motores diesel (Liu, 1999). Sin embargo, en ese momento, el motor con sistema dual–fuel no se utilizó comercialmente debido a su complejidad mecánica y a complicaciones asociadas con relaciones de compresión relativamente bajas.
Se pueden encontrar aplicaciones de sistemas duales de combustible en motores usados en el sector automotor, aplicaciones marinas, generación eléctrica y motores estacionarios, en compresores y bombas. Específicamente para la aplicación en sistemas de generación eléctrica donde los sistemas de control operan de manera particular para mantener la velocidad de rotación del MCI alrededor de un valor de referencia, se han desarrollado dos tecnologías de operación dual:
La figura 2 muestra el esquemático de funcionamiento del sistema dual–fuel en modo HFO donde, por un lado entra el gas que es regulado por presión; por otro lado entra el aire a través del filtro de aire; los dos gases se mezclan y pasan al sistema de admisión del motor. Los principales fabricantes de motores como: Caterpillar, Man, Cummins, Deutz, Wartsila y otros en asocio con empresas fabricantes de componentes como Altronic, ofrecen motores diesel que desde fábrica vienen con el sistema dualfuel instalado o avalan ciertos kits que se pueden adquirir en el mercado, que al instalarlos no afectan la garantía del motor.
El sistema presenta las siguientes características:
El sistema dual–fuel en esencia es un sistema híbrido que combinó las características de los motores de encendido por chispa y compresión. En un motor convertido a operación dual, se le adicionó a la recámara de combustión una mezcla de aire–combustible gaseoso, la cual se denominó combustible primario; al final de la carrera de compresión se inyectó una cantidad determinada de diesel; este combustible se denominó piloto, el cual, debido a las condiciones de alta presión y temperatura al interior del cilindro, se auto–enciende e inició el proceso de combustión de la mezcla aire–combustible primario (Liu y Karim, 1977), (Karim y Zhigang,1992), (Hountalas y Papagiannakis, 2000). En la figura 2 se observa, cómo entra una mezcla de aire y gas a la recámara de combustión y finalmente se desencadenó la combustión con el suministro de una porción de diesel al final de la carrera de compresión. Posteriormente se generó movimiento descendente del pistón para producir trabajo.
En los sistemas dual–fuel se definió la tasa de sustitución de combustible diesel como, la cantidad de diesel que se remplazó por gas (Z) así tambíen:
En las investigaciones realizadas en torno a motores diesel operando simultáneamente con gas, se logró una sustitución del diesel por gas natural hasta del 85% según el tipo de motor y la aplicación (Bedoya et al., 2007), (Papagiannakis y Hountalas, 2007), por encima de este nivel se presentaron problemas en inyectores, golpeteo en el motor, vibraciones anormales y alta temperatura (Papagiannakis y Hountalas, 2007), sin embargo todo depende del tipo de motor, combustibles, carga del equipo y el lugar de operación entre otros factores, por lo cual se realizaron pruebas en cada equipo para determinar los límites de operación de cada unidad.
Un motor diesel con el sistema dual–fuel no pudo operar con 100% de sustitución por gas debido a que la temperatura de ignición del gas natural es relativamente alta ( aproximadamente 1.300 °F ); esta temperatura no se generó durante la compresión del diesel en el cilindro del motor de modo que pudo encender el gas natural; durante la operación bi–combustible, una cantidad de combustible diesel se requirió para actuar como la fuente de ignición de la mezcla aire–gas (Sahoo et al., 2009).
Investigaciones particulares de Altronic Inc, uno de los proveedores de kits dual–fuel, estableció que por cada galón de diesel #2 que se reemplazó en un motor se requieren aproximadamente 140 SCF (Standard Cubit Feet) de Gas Natural (Altronic Inc).
Las investigaciones indican que los problemas que se pueden presentar con el uso del sistema dual–fuel son:
En general, siempre se recomendó operar el motor con el sistema dual–fuel con carga mayor al 50% del valor nominal, sin que esto excluya que se puede operar con régimen de carga menor, si para el operador no es relevante el tema de cantidad de gas a utilizarse o las emisiones, además de un buen filtro de gas y/o scrubber dependiendo de la composición del gas.
Se han realizado investigaciones en donde se mezcló diesel o biodiesel (Kleinová et al., 2011) con combustibles gaseosos como: gas natural, biogás, GLP, hidrógeno (Korakianitis et al., 2011), acetileno (Lakshmanan y Nagarajan, 2011), según los tipos de combustibles utilizados en el motor y sus composiciones se obtuvo diferentes tasas de sustitución de combustible líquido por gaseoso y diferentes niveles de emisiones que en la mayoría de los casos son menores que las de la operación del equipo con solo diesel. En el 2004, en India, Uma, Kandpal y Kishore investigaron sobre un grupo electrógeno con motor diesel de 50 kW de potencia nominal, operando con sistema dual–fuel a gas natural, en la tabla 2 se presenta el consumo de combustible y el consumo de energía a diferentes cargas.
Aplicando la ecuación (1) se identificó una sustitución máxima del 85% de diesel por gas a una carga de 30 kW, lo que corresponde al 60% de la carga nominal del equipo; sin embargo, se logró operar el equipo a una carga de 40 kW que corresponde al 80% de la carga nominal con una tasa de reemplazo del diesel del 70%.
Se identificó también que el consumo especifico de energía se incrementó a medida que se reducía la carga del equipo, por lo cual se recomendó operar los equipos siempre cerca de su carga nominal; adicionalmente, se observó un consumo específico de energía mayor cuando se opera con sistema dual–fuel, lo cual puede obedecer al poder calorífico del gas y la velocidad de la llama (Uma et al., 2004; Parikh 1989; Sridhar et al., 2001). Finalmente, en operación dual respecto a la operación con solo diesel, se incrementó el CO, CO2 y CH4 y disminuyeron el NOx y PM (tabla 3).
Estudios realizados por la Technical University of Kaiserslautem publicados en SBS, Bosch y Clean Air Power, muestran que el potencial de reducción de emisiones en un motor diesel en el cual se ha sustituido el 50% de combustible diesel por gas natural es:
– Reducción de CO: 95%
– Reducción de HC: 66%
– Reducción de PM: 42%
– Reducción de NOx: 35%
Los resultados coinciden en reducción con los obtenidos por (Bedoya 2007; Papagiannaki 2007); a su vez contradicen los obtenidos por Uma et al. (2004), por lo cual se infiere que la reducción de emisiones dependió de factores como el tipo de gas, el tipo de motor y la carga; por tanto cada experimento arrojó resultados específicos para el tipo de experimento. Al utilizar gas natural se obtuvo una reducción de las emisiones de gases a la atmósfera, dependiendo del tipo de combustible gaseoso; cuando se utilizó Biogás como combustible primario, se presentaron aumentos en las emisiones de ciertos contaminantes como: el monóxido de carbono (CO), hidrocarburos sin quemar (THC) y metano (CH4) (Bedoya, 2007; Silva et al., 2012).
La composición química del biogás, lo convierte en un combustible relativamente pobre que contiene un volumen apreciable de CO2 y contaminantes como material particulado (Siloxanos), humedad y ácido sulfhídrico (H2S), por lo cual se hizo necesario, al menos, un pre–tratamiento de limpieza y secado para el biogás, una selección muy cuidadosa del motor (Silva et al., 2012).
El consumo de combustible diesel en los equipos de producción que utilizan este combustible en sus motores de combustión interna, afectó en gran medida el costo de la operación debido a su precio, transporte y almacenaje.
El manejo del combustible diesel en las estaciones de producción no es el más adecuado, sumado a las dificultades de transporte que en muchas veces se tiene por la localización geográfica de las facilidades de producción, hacen que no se cuente con un combustible limpio, o que en oportunidades se sufra por desabastecimiento del mismo, lo cual dificulta o restringe las operaciones de producción de hidrocarburos.
La implementación del sistema dual–fuel en los motores diesel permitió ahorros económicos debido a las diferencias de precio entre el diesel y el gas natural o por la disponibilidad que se tenga de gas, así como, también por una disminución en la emisión de gases contaminantes de la atmósfera debido a las bondades que presenta el gas natural frente al diesel. La tecnología dual–fuel le permitó a las compañías petroleras aprovechar el gas natural que se generó en la Tea, para ser utilizado en los motores usados en las facilidades de producción, con lo cual se obtuvo ahorros económicos en logística y almacenamiento de combustible, principalmente en campos con poca producción de gas natural o en fase de pruebas de producción.
La implementación óptima del sistema dual–fuel dependió de diversos factores entre los que se incluyen: tipo de motor, la aplicación del equipo, el tipo de gas usado y las condiciones de operación; por lo cual realizar un estudio detallado que permita identificar los aspectos relevantes que involucran toda la correcta implementación del sistema y pruebas para obtener el mejor punto de operación, llevará a buen término con resultados óptimos para la empresa la inversión realizada y los beneficios que se obtengan de esta tecnología. La figura 3 ilustra un típico de instalación de un sistema dual–fuel en un generador diesel:
La aplicación del sistema en el sector de hidrocarburos se puede dar en bombeo, compresores, bombas o generación eléctrica; si se utiliza el gas de pozo siempre es recomendable disponer de filtros de gas y la instalación de scrubber de modo que se pueda entregar al motor un gas con la mejor calidad posible.
Los costos de implementación del sistema dual–fuel son bajos en comparación con los ahorros que se obtienen; el precio aumentó de acuerdo con los elementos de medida, control o seguridad que se le adicionaron a la instalación; pero en el mercado se pueden obtener kits de instalación básicos desde los US $3.000. Sin embargo, siempre es recomendable una buena asesoría técnica para elegir el producto que más se adecue a la disponibilidad energética y necesidades de cada empresa.
Con el objetivo de evaluar el desempeño mecánico y ambiental del grupo electrógeno diesel con el sistema "dualfuel", se diseñaron una serie de pruebas a distintos niveles de sustitución y cargas del equipo, con el fin de determinar las acciones a seguir para lograr mejorar el nivel de sustitución para el equipo en prueba.
La figura 4 presenta el equipo utilizado, las características del equipo son:
La figura 5 presenta el Esquemático del montaje e Instrumentación de las pruebas
Descripción del gas natural y del diesel a utilizar en la prueba
La tabla 4 presenta las características del combustible diesel utilizado en Colombia.
La cromatografía del gas de pozo utilizado se presenta en la tabla 5.
Medición de carga eléctrica
La potencia entregada por el equipo se midió con un analizador de calidad de energía marca AEMC, modelo 3945–B, se presenta en la tabla 6.
Medición de gases de escape del motor
Se realizaron mediciones de gases de escape del motor, se utilizó el analizador de gases de combustión y emisiones, modelo E4400–C, marca E Instruments, las características se presentan en la tabla 7.
Medición de consumo de combustible diesel
Para la medición del flujo y consumo de combustible diesel se utilizó contadores marca GW modelo TM–10 que permitió medir flujo, volumen y tiempo, se instalaron en la línea de alimentación del motor y la línea de retorno. En la tabla 8 se presentan las características técnicas del contador.
Medición presión y temperatura
La medición de los parámetros de temperatura y presión se realizó con instrumentos marca WIKA. Las características técnicas del manómetro WIKA, se presentan en las tabla 9 y tabla 10.
Medición del consumo de gas natural
El consumo de gas natural se midió con un Rotámetro marca WIKA. En la tabla 11 se presentan las características técnicas.
El equipo se puso a prueba utilizando una carga variable de tipo eléctrica, constituida por un banco de resistencias variable para lograr los niveles requeridos de carga del equipo. Los datos se consignaron en las en tablas 12 y 13 ; se tomaron registros para diferentes niveles de sustitución obtenidos mediante el cambio de la presión del gas de admisión para el modo "dual de combustible". En la figura 6 se presenta el registro de los datos del analizador.
En la gráfica se observa cómo a medida que aumenta la carga, los niveles de sustitución de diesel van mejorando.
El sistema dual–fueli> es una herramienta útil para ser utilizada en motores diesel cuando se tiene disponibilidad de gas, con lo cual se pueden obtener ahorros importantes y reducir las emisiones en la mayoría de los casos.
Los resultados obtenidos en las pruebas del grupo electrógeno fueron inferiores a los niveles de sustitución obtenidos por investigadores en el laboratorio; la tasa máxima de sustitución fue del 21% mientras que en publicaciones como la de Uma et al. (2004) se logró hasta un 85% de sustitución del diesel por gas natural.
El máximo nivel de sustitución cambió para baja carga y alta carga del equipo; se observó que era necesario incrementar la presión del gas de entrada a medida que elevaba la carga, para lograr mejores tasas de sustitución.
Los resultados de la medición de emisiones obtenidas fueron similares a las de Uma et al. (2004), donde se observó una disminución de los NOx e incremento del CO y CO2 con la operación en modo dual. Es necesario resaltar que los resultados de las distintas investigaciones publicadas difieren entre ellas, y esto obedece a la composición del gas natural usado en cada experimento y a las condiciones del equipo entre otras variables.
Con la información obtenida en una segunda fase se pretende analizar las variables de relación de compresión y tiempo de inyección para mejorar la tasa de sustitución, y lograr niveles alcanzados por otros investigadores; todo esto cambiando el reglaje del motor.
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