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Aug 24, 2023

Un 'estudio seminal': examen de los resultados de la mezcla de hidrógeno en un motor alternativo

Vea nuestra entrevista personal a continuación con el Dr. Andrew Maxson de EPRI en un reciente

Vea nuestra entrevista individual a continuación con el Dr. Andrew Maxson de EPRI sobre una prueba reciente de mezcla de hidrógeno en Michigan, en la que se logró una mezcla exitosa de 25 % de hidrógeno por volumen en un motor alternativo conectado a la red.

WEC Energy Group (WEC), con sede en Wisconsin, está trabajando para reducir las emisiones en sus subsidiarias de energía en el Medio Oeste. La compañía tiene el objetivo de convertirse en carbono neutral para 2050 y reducir las emisiones en un 80% para 2030, desde los niveles de 2005.

Con este fin, WEC está explorando el uso de combustibles bajos en carbono. Una de sus subsidiarias, Upper Michigan Energy Resource Corporation (UMERC), organizó una demostración de mezcla de hidrógeno y gas natural en la estación generadora AJ Mihm. La demostración, realizada en el otoño de 2022, involucró la mezcla de hidrógeno en uno de los tres motores alternativos Wärtsilä de 18,8 MW conectados a la red en la planta.

Los socios, entre los que se encontraba el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI), demostraron una mezcla de combustible con un 25 % de hidrógeno por volumen en el motor que se probó. Otros miembros del equipo del proyecto fueron Blue Engineering, Burns & McDonnell, Certarus, Lectrodryer y Mostardi Platt. EPRI publicó los resultados de la demostración de combinación en marzo y tuvimos la oportunidad de analizarlos con el Dr. Andrew Maxson, gerente sénior de programas de la organización sin fines de lucro.

Enlace al resumen ejecutivo del proyecto de mezcla

Llamándolo un "estudio seminal", Maxson dijo que esta fue la primera prueba de mezcla de hidrógeno en un motor alternativo a escala comercial, conectado a la red y en funcionamiento.

Los motores alternativos tienen una flexibilidad operativa y de combustible superior en comparación con las turbinas de gas, dijo. Pueden comenzar rápidamente y aumentar para equilibrar la red en áreas con alta penetración renovable. Los motores son buenos para quemar prácticamente cualquier combustible y, en consecuencia, pueden ubicarse en lugares donde la calidad del combustible no es estelar. Maxson dijo que ese fue un factor en la elección de la planta y la ubicación para la prueba de mezcla.

"En esta región en particular, hay gas natural a menor presión y calidad variable del gas natural, que los motores pueden manejar mejor que las turbinas", dijo Maxson. "Así que esa fue una de las principales razones por las que optaron por los motores".

Debido a que el hidrógeno es tan inflamable y puede filtrarse fácilmente, se siguió un plan detallado para garantizar la seguridad en el lugar.

Se identificaron con anticipación las condiciones de operación segura del motor, así como las acciones correctivas que se implementarán si los indicadores clave de rendimiento superan los umbrales establecidos.

"Nos lo tomamos muy en serio y teníamos un equipo experimentado involucrado en esto", dijo Maxson.

Todos los contratistas que visitaron la planta de AJ Mihm debían completar una orientación en línea sobre medio ambiente, salud y seguridad para confirmar que todo el personal en el sitio estaba familiarizado con las políticas y los procedimientos de seguridad existentes en la planta.

Se emplearon formas de comunicación tanto escritas como verbales, con letreros colocados en toda la planta para indicar áreas peligrosas o donde se requería equipo de protección personal adicional.

Se colocó una zona de acceso restringido alrededor del perímetro del equipo del sistema de mezcla de hidrógeno. La ubicación del equipo de mezcla, traído de fuera del estado, se determinó en función del acceso dentro de la instalación, las carreteras, la proximidad a las conexiones de gas combustible y el motor preferido, además de cumplir con los requisitos de la Asociación Nacional de Protección contra Incendios 2: Tecnologías de hidrógeno Código (NFPA 2).

Todo el equipo y las tuberías que tocaron el hidrógeno puro estaban certificados por el código de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME). Se aplicó cinta de detección de fugas de hidrógeno (cinta amarilla que se vuelve negra si el hidrógeno entra en contacto con ella) en todas las conexiones bridadas para tuberías que contenían hidrógeno puro o una mezcla de hidrógeno y gas natural. Todas las conexiones bridadas se inspeccionaron antes de cada arranque del motor y después de cada apagado o viaje del motor.

Cuando el motor estaba funcionando, no se permitía el ingreso de nadie a la sala de máquinas. Allí se colocaron monitores de detección de hidrógeno para detectar posibles fugas de hidrógeno.

Los miembros del equipo que trabajaban directamente con el suministro de hidrógeno, la reducción de presión y el equipo de mezcla de combustible debían usar monitores personales de gas hidrógeno como parte de sus procedimientos operativos normales.

Al final, no hubo evidencia de fugas de hidrógeno durante las pruebas, incluso del propio motor.

"Fuimos bastante cuidadosos y aprendimos mucho", dijo Maxson. "Creo que aprendimos muchas lecciones que, como resultado, vamos a transmitir a la industria sobre el manejo del hidrógeno".

El motor alternativo Wärtsilä de 18,8 MW conectado a la red se probó con diferentes cargas del motor y para funcionar con varias mezclas de combustible, que oscilan entre el 10 y el 25 % de hidrógeno por volumen.

A medida que se probaron diferentes niveles de hidrógeno, Maxson enfatizó que era importante para los equipos ver cómo funcionaría el motor sin modificaciones mecánicas. Resulta que el motor, con una mezcla de hidrógeno al 25 % (el porcentaje más alto probado), no requirió modificaciones mecánicas. Maxson dijo que las únicas modificaciones realizadas involucraron algunos ajustes manuales con mayores cargas del motor.

Para los funcionamientos con una carga del motor del 50 %, no se realizó el ajuste del motor, ya que el motor podía funcionar de forma fiable con mezclas de hidrógeno de hasta un 25 % en volumen.

Para los funcionamientos con carga del motor al 75 % y al 100 %, la presión del aire de carga y el tiempo de encendido se ajustaron para mantener un funcionamiento estable del motor.

Para cada uno de los ciclos de carga del motor al 50 %, 75 % y 100 %, el motor pudo alcanzar el punto de ajuste de carga completa en todas las mezclas de hidrógeno, con la excepción de la mezcla de hidrógeno al 25 %.

En esa combinación, el motor solo pudo generar el 95% de su capacidad. Como explicó Maxson, los motores tienen un volumen cerrado y el hidrógeno tiene mucha menos densidad energética que el gas natural. Por lo tanto, obtener suficiente hidrógeno en el cilindro [del motor] para producir toda la potencia que el motor puede proporcionar es un desafío.

"Pensábamos que cuando teníamos una relación de mezcla del 25 %, no íbamos a poder proporcionar la capacidad total del motor", dijo Maxson. "Y esperábamos una reducción de hasta un 15 %. Y solo vimos un 5 %, por lo que todos estaban extasiados, de que el motor aún podía producir tanto".

Los equipos midieron las emisiones, la tasa de calor y la eficiencia en varias cargas de motor y mezclas de hidrógeno, en relación con una línea base de 100 % de gas natural.

Como era de esperar, los niveles de dióxido de carbono disminuyeron a medida que se introdujeron niveles crecientes de hidrógeno. El CO2 se redujo en aproximadamente un 10 % con un 25 % en volumen de combustión conjunta de hidrógeno.

"Estas eran todas las cosas que esperábamos, pero nos alegramos de verlas", dijo Maxson. "Siempre es bueno cuando las mediciones respaldan tus expectativas".

También se midieron monóxido de carbono (CO) y óxidos de nitrógeno (NOx) tanto a la salida del motor como a la salida del sistema de reducción catalítica selectiva (SCR) que va a la chimenea. Una preocupación ambiental con el uso de hidrógeno es que debido a que se quema más que otros combustibles como el gas natural, puede producir más NOx térmico.

Al mezclar hidrógeno sin controles de NOx, Maxson dijo que los equipos vieron un aumento de NOx saliendo del motor en algunos casos. Pero después de los controles de NOx SCR, Maxson dijo que hubo pocos cambios en estas emisiones que salen de la chimenea en comparación con la línea de base.

"No fue dramático", dijo Maxson, hablando de las emisiones de NOx descontroladas. "Y cambiamos un poco la forma en que funcionaba el motor al aumentar la relación aire-combustible para que se quemara un poco menos. Eso reduce parte de esta temperatura más alta que sale".

Emisiones no controladas

• Con cargas del motor del 50 %: las emisiones de CO disminuyeron entre un 21 % y un 35 % como resultado de una combustión más rápida y completa con mayores proporciones de mezcla de hidrógeno. Por el contrario, el NOx aumentó entre un 21 % y un 74 % con un mayor contenido de hidrógeno debido al aumento de la temperatura de los cilindros. No se realizó ningún ajuste del motor en estas pruebas.

• Con cargas del motor del 75 %: el motor se reajustó después de realizar la línea de base para reducir las emisiones de NOx, lo que dio como resultado que las emisiones de NOx en realidad fueran más bajas al 10 % y al 15 % por volumen de mezclas de hidrógeno y luego aumentaran al 20 % por encima de la línea de base al 25 % por volumen de hidrógeno. Los equipos señalaron que se podría haber realizado un mayor ajuste del motor para mantener niveles de emisiones de NOx aún más bajos. Las emisiones de CO disminuyeron entre un 10% y un 25% durante las pruebas, y las reducciones aumentaron con el contenido de hidrógeno.

• Con una carga del motor del 95 %: las emisiones de CO y NOx fueron sustancialmente más bajas que la línea de base ya que el motor se ajustó manualmente para reducir el NOx y el CO se redujo en parte debido al menor contenido de carbono en el combustible.

• Al 100 % de la carga del motor: las emisiones de CO aumentaron un 20 % durante la prueba de 12 % por volumen de hidrógeno a plena carga porque la relación aire-combustible y el tiempo de encendido se cambiaron para mantener el NOx bajo. Las emisiones de NOx fueron sustancialmente más bajas que la línea de base en un 58%.

Emisiones Controladas

Las emisiones de CO y NOx de la chimenea después de los controles de emisión se mantuvieron muy por debajo de los límites de los permisos reglamentarios de la planta en todos los casos y pruebas de funcionamiento.

• Con cargas del motor del 50 %: las emisiones de CO se redujeron hasta en un 15 % y las de NOx se redujeron entre un 13 y un 17 %.

• Con cargas del motor del 75 %: las emisiones de CO disminuyeron entre un 12 y un 18 % y las de NOx aumentaron entre un 10 y un 20 %.

• Con una carga del motor del 95 %: las emisiones de CO aumentaron un 18 %, mientras que las de NOx disminuyeron un 2,5 %.

• Con una carga del motor del 100 %: las emisiones de CO aumentaron un 54 % durante la prueba de carga completa con un 12 % de hidrógeno por volumen, mientras que el NOx fue comparable con la referencia.

Eficiencias

Con la mezcla de hidrógeno al 25 %, la tasa de calor y la eficiencia fueron casi idénticas en comparación con la línea base de gas natural. Desde el punto de vista del rendimiento térmico, Maxson dijo que el motor básicamente funcionaba igual.

"En algunos casos, eran un poco más altos, en otros, un poco más bajos, pero nada apreciable", dijo Maxson. "Así que fue una gran noticia que el hidrógeno realmente no afecta la eficiencia de un motor".

Maxson dijo que la prueba ayudó a proporcionar datos al fabricante de motores Wärtsilä, que puede usar estos resultados para acelerar el desarrollo de su flota con capacidad de hidrógeno. El ajuste manual para acomodar volúmenes crecientes de hidrógeno durante las pruebas idealmente se implementaría en el futuro diseño del motor de la compañía.

Wärtsilä tiene como objetivo tener motores 100% alimentados con hidrógeno disponibles comercialmente para 2025.

Se necesitarán varios cambios mecánicos para que los motores puedan manejar 100% de hidrógeno, dijo Maxson.

Una de ellas es cambiar la relación de compresión para reducir las temperaturas, evitando así aumentos de NOx y detonaciones del motor. Maxson dijo que otro ajuste podría ser implementar la combustión previa a la cámara para controlar mejor el encendido.

Las tuberías también deberán tener un código certificado para 100 % de hidrógeno a fin de evitar fugas.

"A largo plazo, el hidrógeno también puede destruir ciertos metales debido a la fragilización", dijo Maxson. "Entonces, debe usar los materiales correctos para poder manejar el 100% de hidrógeno que entra y sale del motor".

NOTA: Actualmente estamos aceptando presentaciones de oradores para presentaciones en POWERGEN International del 23 al 25 de enero de 2024 en Nueva Orleans. Los temas incluyen la combustión conjunta de hidrógeno a través de nuestra pista Unlocking Hydrogen's Power Potential. Envíe un resumen para tener la oportunidad de unirse a nuestra lista de oradores aquí.