Informe I Trabajo Ciclo Diesel

Universidad de Chile Facultad Facul tad de Ciencias Cien cias F´ısicas ısic as y Matem´ Mate m´ aticas atic as Depart De partame amento nto de Ingen In genier´ ier´ıa ıa Mec´ Mec ´ anica ani ca

Informe 1 ME64A Centrales T´ ermicas ermicas de Potencia Profesor: Carlos Gherardelli D.

Centrales Centrale s de El´ ectricas ectric as de Generaci´ Generaci on o ń de Potencia basadas en el Ciclo Diesel.

Alumnos: Marco Ruiz H. Miguel Lecaros A. Guillermo Del Castillo C. Rodrigo Madariaga P.

20 de Noviembre, 2008

Índice

1. Introduc Introducci´ ci´ on on

1

2. Objeti Objetivos vos

2

3. Ciclo Ciclo Diese Diesell

3

3.1. Ciclo de cuatro cuatro tiempos tiempos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

3.2.. Ciclo 3.2 Ciclo de dos dos tiempo tiemposs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

4. Estudio Estudio de Caso: Wasa Wasa Pilot Power Power Plant(WPPP) Plant(WPPP)

10

4.1.. Descri 4.1 Descripci´ pci´ on on General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.2. Tecnolog´ıa ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4.3.. Equipos 4.3 Equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 4.4. Mejoramie Mejoramiento nto de componentes componentes del motor motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

5. Layout Layout t´ t´ıpico de una Central Diesel

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6. Situac Situaci´ i´ on Actual Ciclo Diesel en Chile on

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7. Impacto Impacto ambiental ambiental de una central central Diesel:

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8. Estado Estado del del Arte Arte

22

8.1.. Dismin 8.1 Disminuci uci´ on oń de Emisiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 8.2. Biocombusti Biocombustibles bles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

9. Conclusione Conclusioness

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Bibl Bi blio iogr graf´ af´ıa ıa

27

Cap´ıtulo 1

Introducci´ on

La máquina diesel moderna surgió como resultado de los principios de combustión interna propuestos por Sadi Carnot en los comienzos del siglo 19. El Dr. Rudolf Diesel, motivado por la baja eficiencia de las m´ aquinas a gasolina y de vapor, aplicó los principios de Carnot para crear una máquina de mayor eficiencia. En 1892 obtuvo la patente por lo que ahora se conoce como el ciclo diesel. La m´ aquina diesel es un tipo de m´ aquina de combusti´ on interna, que puede ser mejor descrita como una máquina de ignición por compresión. El combustible en una máquina diesel se enciende por el rápido y fuerte aumento de la presión y de la temperatura en la mezcla de combustible y ox´ıgeno. Se dividen en dos categor´ıas, de cuatro y dos tiempos, diferenci´ andose por la potencia capaz de entregar cada uno. En Chile, su aplicación se centra en sistemas de emergencia frente a situaciones de falta de energ´ıa. En locaciones remotas en que el requerimiento de potencia eléctrica es relativamente bajo. Esto se debe principalmente al bajo nivel de potencia que entregan este tipo de centrales y al alto nivel de emisiones que genera.

1

Cap´ıtulo 2

Objetivos

Profundizar en aspectos caracter´ısticos de la industria de generación energética. Identificar las unidades que componen una central basada el el ciclo Diesel y ver como es la distribucion de éstos. Estudiar cómo se aplica un ciclo termodinámico en la industria de generaci´ on energética. Estudiar los adelantos tecnológicos que se aplican en estas industrias y ver el impacto que esto tiene en la eficiencia t´ ermica del proceso. Abordar los fundamentos teóricos que est´ an entorno a el ciclo termodin´ amico que se estudia en este informe (Ciclo Diesel) Investigar algunos de los adelantos tecnológicos más destacados en torno al ciclo diesel. Estudiar las implicancias medioambientales de un ciclo Diesel Estudiar el panorama nacional energético en torno a centrales basadas en el ciclo Diesel.

2

Cap´ıtulo 3

Ciclo Diesel

Un motor diesel es un tipo de m´ aquina de calor que usa el proceso de combusit´ on interna para convertir la energ´ıa almacenada en los encales qu´ımicos del combustible en energ´ıa mecánica útil. Esto ocurre en dos pasos. Primero, el combustible reacciona qu´ımicamente (combustiona) y libera energ´ıa en forma de calor. Segundo, el calor causa que los gases atrapados en el cilindro se expandan, y los gases en expansión deben desplazar el pistón para expandirse. El movimiento alternante del pistón es convertido en movimiento rotacional por el cigüe˜ nal. Para convertir la energ´ıa qu´ımica del combustible en energ´ıa mecánica útil todos los motores de combusti´ on interna deben pasar por cuatro eventos: aspiración, compresión, expansión y escape. Cómo se sincronizan estos eventos y cómo ocurren diferencia los distintos tipos de motores. Los motores diesel est´ an en una de dos categor´ıas: motor con ciclo de cuatro tiempos o dos tiempos. En el caso de un motor con ciclo de cuatro tiempos, el motor requiere cuatro carreras del pistón para completar un ciclo completo (aspiración, compresión, expansión y escape). Por lo tanto requiere de dos rotaciones del cig¨ ue˜ nal (720 ) para completar un ciclo. En un motor con ciclo de dos tiempos, los eventos ocurren en ◦

sólo una rotación del cig¨ ue˜ nal (360 ). ◦

En el ciclo diesel el aire se comprime adiabáticamente con una razón de compresión entre 15 y 20. Esta compresión eleva la temperatura a la temperatura de inflamaci´ on de la mezcla de combustible, la cual se forma en el momento en que el combustible es inyectado en el aire comprimido.

3

CAP ÍTULO 3. CICLO DIESEL

4

Figura 3.1: Diagrama P-V ciclo diesel ideal

En la figura 3.1 se ve un diagrama P-V de un ciclo diesel ideal. El ciclo ideal es modelado como una compresión adiab´ atica reversible seguida por un proceso de combustión a presión constante, luego sigue una expansión adiab´ atica como tiempo de potencia y una evacuaci´ on a volumen constante. Luego se renueva el aire para reiterar el ciclo. Ya que la compresión y expansión de este ciclo son adiabáticas, se puede calcular la eficiencia a partir de los procesos a presión y volumen constantes. QH y QL se pueden calcular a partir de las temperaturas y calores espec´ıficos:

QH = C P (T 3 − T 2 )

(3.1)

QL = C V (T 1 − T 4 )

(3.2)

Luego, el rendimiento se expresa como sigue:

η=

3.1.

QH + QL QL = 1+ QH QH

(3.3)

Ciclo de cuatro tiempos Los motores diesel de cuatro tiempos de velocidad media son utilizados principalmente para

generaci´ on de potencia en redes el´ ectricas pequeñas tales como islas, en áreas remotas, en proyectos


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de desarrollo rápido, o para propósitos industriales de auto-abastecimiento. Los motores de velocidad media son competitivos para plantas de carga de potencia de hasta 200 MW.

3.2.

Ciclo de dos tiempos Un motor de dos tiempos sólo requiere de dos desplazamientos del pistón para completar un ciclo.

Por lo tanto, varios eventos deben ocurrir durante cada tiempo para que los cuatro eventos se completen en dos tiempos. En este sentido es cr´ıtica la elecci´ on del m´ etodo de barrido y la determinación de una sincronizaci´ on adecuada. Un barrido eficiente del cilindro es vital para el buen rendimiento en un motor de dos tiempos. La figura 3.2 muestra tres métodos de barrido.

Figura 3.2: M´ etodos de barrido. a) Cruzada. b) Ciclo invertido. c) Flujo uńico.

La ventaja de un motor diesel de dos tiempos de baja velocidad es que pueden quemar cualquier combustible l´ıquido, independiente de su calidad, mientras pueda ser calentado para alcanzar la viscosidad requerida. Tales combustibles, que son normalmente dificiles de disponer para las refiner´ıas ser´ıan prohibitivos para las tecnolog´ıas competidoras tales como motores de cuatro tiempos de velocidad media o turbinas a gas. Adem´ as, los motores de dos tiempos producen mayor potencia que un motor de cuatro tiempos de tama˜ no comparable. Tienen una elevada densidad de potencia, ya que tienen un tiempo de potencia cada dos tiempos. Para una potencia espec´ıfica dada, el motor de dos tiempos produce menos humos y valores


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comparables de NOx . Sin embargo, tiene acumulado un menor avance tecnológico que el motor de cuatro tiempos. Esto debido a que en un comienzo el motor de dos tiempos presentaba problemas considerables de emisiones y consumo de combustible porque ten´ıa un pobre barrido de los gases de combustión y de la mezcla de aire-combustible en el cilindro, además el valor del combustible era bajo, haciendo favorable el desarrollo del motor de cuatro tiempos. Sin embargo, con las mejoras tecnológicas en la inyección de combustible y el sistema electrónico, además del aumento en el precio de los combustibles, se hace económicamente favorable el uso de estas m´ aquinas en centrales de potencia. En las figuras 3.3 y 3.4 se puede ver una comparación de los motores diesel, en donde se observa que para bajas potencias (rango 1-50 MW) ofrecen claras ventajas frente a sistemas de turbinas a gas de ciclo combinado. Adem´ as se destaca la mayor eficiencia de el motor de dos tiempos frente al de cuatro tiempos. Más cr´ıtica es la variación de la eficiencia térmica sobre un amplio rango de carga (figura 3.5), estas indican que el motor diesel de dos tiempos es prácticamente independiente de la carga sobre un amplio rango de operación.


Figura 3.3: Comparaci´ on de eficiencias unitarias t´ıpicas, m´ aquinas diesel versus turbinas a gas.

7


Figura 3.4: Influencia en la potencia y eficiencia de las condiciones ambientes para distintas m´ aquinas.

8


Figura 3.5: Eficiencia en funci´ on de la carga de varias m´ aquinas.

9

Cap´ıtulo 4

Estudio de Caso: Wasa Pilot Power Plant(WPPP)

En la b´ usqueda de información de una central que operara en base al ciclo diesel, no fue fácil encontrar una central de este tipo. Se encontró que en general, en el mundo no es usual encontrar centrales de este tipo. Las razones por las cuales esto sucede se describen de alguna manera por los cap´ıtulos anteriores, donde se abordan las cualidades de los ciclos diesel de dos y cuatro tiempos. Los aspectos de eficiencias de estas centrales para rangos de generación de potencia relativamente altos (para centrales de este tipo) no son muy alentadores a realizar instalaciones de con esta tecnolog´ıa. A pesar de encontrar esta dificultad para encontrar material acerca de estas centrales, se pudo encontrar un caso en el cual se opera exitosamente una central que se basa en ciclo diesel para generar energ´ıa. Algunas de las caracter´ısticas de esta central explican en gran medida los inconvenientes que han tenido las plantas basadas en el ciclo. Y cuáles son las caracter´ısticas que pueden hacer a un proyecto de este tipo exitoso y rentable. La central que se describe en este cap´ıtulo está situada en el sur oeste de Finlandia, comenzó a construirse en 1997 y se conectó a la matriz finlandesa en 1998, posee una potencia instalada de 39 [MW] y tuvo un costo de 35 millones de dólares. La visión de la empresa que tiene a su cargo esta central, est´ a enfocada al desarrollo tecnológico y a la innovación en estos sistemas con tecnolog´ıas de u ´ltima generación. Posee

4.1.

Descripci´ on General A continuación se muestran algunos de los indicadores principales de la planta que se consideró en

estudio de caso. Orden de construccion 1996 10

CAP ÍTULO 4. ESTUDIO DE CASO: WASA PILOT POWER PLANT(WPPP)

Figura 4.1: Planta Wasa Pilot Power Plant

Output: 38MW Tipo de Planta: Diesel engine combined cycle Ubicaci´ on: Vaasa, Finlandia Inversion Estimada: $35 million USD Puesta en marcha: 1998 Detalle de Planta: Unidades Motores Diesel: 2 x 17MW 12V46 (ver figura 4.2) Steam unit: 1 x 5MW Fuel: Heavy fuel oil

11


12

Figura 4.2: Motor Diesel de 17MW 12V46 de la marca Wärtsil¨ a

4.2.

Tecnolog´ıa Gran tecnolog´ıa ha sido aplicada en esta planta, pero como es lógico, se debe realizar de tal

manera que esto no haga inviable económicamente la operación de la central. El proyecto Wasa se ha mostrado como un proyecto que posee tecnolog´ıa de punta, dando grandes avances en materia de normas medioambientales. Las bajas emisiones han sido un gran aporte tanto económicamente como ambientalmente. Este aspecto mantiene un grado de importancia que aumenta progresivamente. El concepto de Generaci´ on de Potencia Verde ha cobrado bastante relevancia últimamente y es el concepto que domina el mercado de las energ´ıas, especialmente en Europa. Las utilidades generadas en este proyecto se destinan, en parte, para enfrentar los costos asociados a la implementación de nuevas tecnolog´ıas que mejoren la eficiencia de la planta. Como participantes de este proyecto también se cuenta el gobierno de Finlandia, entidades del gobierno de Estados Unidos y agencias del sector público, aportando cerca del cuarto del total del capital de este proyecto. La participación de estas entidades se justifica por la doble atracción que tiene este proyecto en base a la tecnolog´ıa de punta que se desarrolla y los beneficios ambientales de estas. Las tecnolog´ıas usadas en esta central son las que constituyen el estado del arte actual de estos sistemas y la


13

experiencia adquirida en esta central se utiliza para evaluar económicamente la conveniencia económica de tecnolog´ıas avanzadas.

4.3.

Equipos El proveedor de componentes para esta central son las compañ´ıas Wartsila y ABB. Estas com-

pa˜ n´ıas son importantes en el mercado de generación de potencia tanto local como mundialmente. Como resultado del proyecto, estas empresas han tenido la oportunidad de testear algunos de sus productos y mejorar las tecnolog´ıas desarrolladas en torno a ellos, mientras convencen a nuevos clientes de la conveniencia del uso de esos productos. Es por esto que la planta se ha visto como un mecanismo de puesta a punto de tecnolog´ıas en desarrollo y de esta manera promover sus productos. Tanto como motores diesel, la planta cuenta con una turbina a vapor, un sistema de presión de vapor doble, sistemas de desulfurizador, equipos de deNOX y equipos de recuperación de calor. La planta se ha diseñado como una de ciclo combinado y adem´ as como proveedora de calor domiciliario. El requerimiento más importante para las nuevas plantas de generación de potencia es la eficiencia en la generación el´ ectrica. Wartsila trabajo en la minimizaci´ on del enfriamiento de del motor y en el aumento de la temperatura del proceso de combustión. Este proveedor de los grandes motores diesel con los que opera esta planta, adem´ as implementó el sistema con la turbina a vapor como parte del ciclo, aprovechando los gases de escape producto de la combustión del combustible en el motor diesel. Esto u ´ ltimo es lo que motiva el aumento de la temperatura de los gases de combustión, pera luego aprovecharlos en una etapa recuperadora de calor, esto se puede ver en el diagrama del ciclo combinado de la figura 4.3.

4.4.

Mejoramiento de componentes del motor Como fue mencionado levemente en el párrafo anterior, la alta temperatura de los gases de com-

busti´ on son deseadas y este incremento en la temperatura es factible por mejoras a algunos componentes cr´ıticos del motor. La parte superior del pistón es uno de esos componentes cr´ıticos, esta parte del pistón se deja de enfriar (como usualmente se hace) y se construye de una super aleación resistente a las altas temperaturas. Un sistema llamado ”anti-polishing ring”, que consiste en un anillo adicional a los t´ıpicos anillos del pist´ on que se sitúa en la parte superior del pistón, el cual sirve para evitar que el material


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Figura 4.3: Esquema del ciclo combinado llevado a cabo en la planta de WPPP

particulado depositado (polvo) en la c´ amara de combustión entre en la zona de contacto de pistón y el cilindro, el material de este anillo tambi´ en debi´ o ser mejorado con una super aleación. Los incrementos de la temperatura de los gases de escape adem´ as implican el diseño de válvulas de escapes más resistentes, construidas de materiales avanzados y maquinadas mediantes sistemas laser. Las altas temperaturas son logradas por bajos flujos de aire. Esto puede ser logrado mediante un sistema de v´ alvulas más eficientes (reduciendo el traslape de las válvulas de admisión y escape) y aumentando la temperatura del aire de admisión. La segunda opción disminuye la eficiencia t´ ermica pero el dise˜ no compensa esto con la aislación de la c´ amara de combusti´ on. El motor es dise˜ nado para maximizar el efecto del trabajo mecánico de la energ´ıa del gas de escape. Finalmente, motores diesel m´ as grandes tienen menores consumos espec´ıficos de combustible que los motores más pequeños, esto es en parte la raz´ on por la cual los motores diesel en WPPP son de 17 [MWe].

Cap´ıtulo 5

Layout t´ıpico de una Central Diesel

Las instalaciones de centrales t´ ermicas que funcionan utilizando un ciclo diesel poseen layouts que contemplan una serie de unidades e instalaciones b´ asicas en este tipo de sistemas. A continuaci´ on se dar´ a una descripción de estos sistemas. Toda instalación debe contemplar:

Las unidades de motores Diesel de la central Radiadores de calor para enfriamiento de los motores. Una planta de tratamiento de aguas Anexada a la planta de tratamiento de aguas se tienen los contenedores para el agua contra incendios. Colectores de los gases de escape de los motores Una sección de almacenamiento de combustibles. ´ Area de descarga de combustibles (provenientes v´ıa terrestre) Estaci´ on de bombeo de combustible Una subestación eléctrica. Finalmente, como es natural, se tiene una sala de control y oficinas de administración

En general la disposición de las zonas anteriormente descritas sigue un patró n lógico común, donde la zona de motores, enfriadores, tratamientos de agua y zonas de bombeo de combustible est´ an relativamente próximas entre s´ı. El sector de almacenamiento de combustible debe estar m´ as retirada 15

CAP ÍTULO 5. LAYOUT T ÍPICO DE UNA CENTRAL DIESEL

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de la zona de motores, por motivos de seguridad. Por este mismo motivo la zona de administración, que implica una gran cantidad de personal en su interior, se encuentra retirada la zona de motores y combustibles. La sala de control de una central de potencia Diesel, por motivos lógicos debe estar cerca de las unidades que se est´ an controlando: motores, bombas, v´ alvulas, etc. Esta disposición de equipos sigue el mismo orden tanto en centrales pequeñas como en grandes. En las imágenes 5.1 y 5.2 se pueden ver los equipos anteriormente mencionados y como estos se disponen en una instalación de una central generadora de potencia basada en un ciclo Diesel.

Figura 5.1: Equipos y sistemas en una central generadora de potencia de 10 [MW], basada en un ciclo Diesel

CAP ÍTULO 5. LAYOUT T ÍPICO DE UNA CENTRAL DIESEL

Figura 5.2: Equipos y sistemas en una central generadora de potencia de 150 [MW], basada en un ciclo Diesel

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Cap´ıtulo 6

Situaci´ on Actual Ciclo Diesel en Chile

La mayor parte de la electricidad generada y consumida se encuentra en el SIC, sin embargo no existen generadores que operen con ciclo diesel en este sistema. Cabe notar que muchas de las generadoras de ciclo combinado que funcionan con turbinas a gas, éstas operan con combustible diesel pero su ciclo sigue siendo el Brayton. Por el contrario los sistemas interconectados del Norte Grande, Aisén y Magallanes tiene un porcentaje de su potencia instalada que funciona con ciclo diesel, la distribuci´ on es como sigue:

SIGN un 3.5 % que corresponde a 127.6 MW. Magallanes un 14.5 % que corresponde a 11.5MW. Ais´ en un 54 % que corresponde a 25.9MW.

Otras instalaciones corresponden a generación de respaldo, justificadas por eventuales cortes del suministro de los sistemas de distribución a las empresas sobre todo las mineras. Algunos ejemplos son:

Codelco División Andina, que tiene 3 generadores diesel de respaldo de 3 MW. Compa˜ n´ıa Siderúrgica Huachipato, que tiene 2 generadores diesel de respaldo de 2.1 MW. Minera Michilla Región de Antofagasta, que tiene una potencia de respaldo de 7.6 MW. Punitaqui, IV Región, que tiene 6 generadores de respaldo de 9 MW.

Otro buen ejemplo es en el Proyecto Cementos B´ıo B´ıo planta Curicó donde tienen 2 Package Power Station (PPS) de 6.8 MW cada uno, donde cada PPS está compuesto por 4 moto-generadores de 1.7 MW cada uno como se puede apreciar en la figura: 18

´ ACTUAL CICLO DIESEL EN CHILE CAP ÍTULO 6. SITUACI ON

Figura 6.1: PPS compuesto de 4 moto-generadores.

Figura 6.2: Moto-Generador.

19

Cap´ıtulo 7

Impacto ambiental de una central Diesel:

Cuando se proyecta una central de generación diesel un detalle importante es el impacto ecológico que este tiene a la zona donde se encuentra. En el contexto mundial se ha detonado la alarma y la cuesti´ on ambiental ha tomado un enorme peso sobre todas las decisiones, una consecuencia de esto es el Protocolo de Kyoto. En Chile el tema legislativo ha tomado roles y ha realizados cambios impositivos para que los proyectos se ajusten a los requerimientos del bienestar ambiental. Una forma de evaluar si un proyecto o instalación genera bajo condiciones preestablecidas p or la ley es a través de una Declaración de Impacto Ambiental, su estructura sigue la siguiente forma:

Tipo de Generación. Definici´ on de partes, acciones y obras f´ısicas que lo componen. •

Descripción.

•

Estanques de almacenamiento de combustible.

•

Instalaciones administrativas.

Acceso a instalaciones. Principales emisiones, descarga y residuos del proyecto o actividad. •

Calidad del Aire.

•

Residuos L´ıquidos.

•

Residuos Sólidos.

•

Ruido.

Para ilustrar se presenta un ejemplo real resumido en los puntos más importantes: 20

CAP ÍTULO 7. IMPACTO AMBIENTAL DE UNA CENTRAL DIESEL:

21

Pequeño Medio de Generación Distribuido (PMGD) en base a Diesel con una capacidad de 9 MW. Definici´ on de partes, acciones y obras f´ısicas que lo componen. •

6 equipos generadores diesel de 2.000 KVA y 400 V tipo Caterpillar 3516 B HD.

•

3 transformadores de 400V a 13,2 kV de 3,75/4,5 MVA cada uno.

•

1 transformador para servicios auxiliares de 13,2 kV a 400 v.

•

1 Switchgear de 13,2 kV.

•

1 Sistema de control SCADA con software RS View 32.

•

2 Estanques de combustible de 29 m3 cada uno.

Principales emisiones, descarga y residuos del proyecto o actividad: •

´ Calidad del Aire: Emisiones relevantes: Oxidos de Nitrógeno (representado por el NO2), Monóxido de Carbono (CO) y material particulado (MP).

Figura 7.1: Tabla de Contenido de Emisiones.

Como se puede apreciar estos datos se ajustan a la normativa vigente lo que aprueba este proyecto bajo este punto de evaluación.

Cap´ıtulo 8

Estado del Arte

Las publicaciones recientes, relacionadas al ciclo Diesel, se enfocan principalmente en dos áreas: Disminuci´ on de Emisiones Biocombustibles La naturaleza de estas tendencias no es azarosa, pues reflejan un mundo que est´ a en busca de continuar su desarrollo minimizando el impacto medioambiental. El desarrollo sustentable también llama a encontrar alternativas que permitan diversificar nuestras fuentes energ´ eticas. Estos dos factores pueden ser citados como impulsores de estas investigaciones.

8.1.

Disminuci´ on de Emisiones El motor diesel es considerado una de las m´ as eficientes y confiables fuentes de energ´ıa para la

industria del transporte, siendo interesante su uso como respaldo energético en fábricas e instalaciones. Sin embargo, las emisiones de part´ıculas de este tipo de motores tienen impactos negativos en la salud humana y el medio ambiente. Estudios de salud han mostrado que el material particulado (MP) del diesel puede acumularse en el sistema respiratorio y causar varios problemas a la salud. Mientras que estudios epidemiológicos han demostrado los efectos adversos a la salud que ocurren al exponerse a MP, la aplicaci´ on de métodos de medición de fuentes también han llegado a la conclusión que generan incrementos en las admisiones hospitalarias e incrementos en la mortalidad. Tambi´ en existen grandes preocupaciones acerca del impacto negativo de las part´ıculas muy pequeñas de MP respirable en la salud humana y en el medio ambiente. Espec´ıficamente, part´ıculas de plantas de generaci´ on, los motores ya nombrados e incendios de gran escala, se depositan en el sistema respiratorio de las personas lo cual est´ a ligado a incrementar el riesgo de complicaciones crónicas. 22

CAP ÍTULO 8. ESTADO DEL ARTE

23

Desde la introducción del Clean Air Act en los 70’s, ha habido un buen progreso en las tecnolog´ıas de control de emisiones de MP. Como resultado de éste, la masa total de emisiones de MP desde motores diesel modernos, ha sido reducida de forma significativa. Sin embargo, estudios recientes han mostrado que el número de nanopart´ıculas producidas por motores diesel, que est´ an equipados con sistemas de control de MP, ha aumentado considerablemente. Esto es relevante ya que mientras el MP con diámetros de hasta 100 [µm] es inhalable, s´ olo las part´ıculas con un diámetro aerodin´ amico menor a 10 [µm] (MP10) son consideradas relevantes para efectos en la salud. Las publicaciones actuales relacionadas al tema pretender extrapolar las experiencias vehiculares a niveles industriales de generación el´ ectrica, tanto para suministro como para procesos. Zheng et al.,[1] on de Gases realizan un interesante review de los últimos conceptos y adelantos sobre la Recirculaci´ de Escape (EGR). Este sistema, como su nombre lo dice, toma gases de escape y los reingresa a la

admisi´ on. La recirculaci´ on de gases de escape posee dos misiones fundamentales: 1. Reducir las emisiones de procedentes de la combusti´ on de la mezcla y que mediante el escape salen al exterior. Estos gases de escape son ricos en monóxido de carbono, carburos de hidrógeno y NOx. 2. Bajar las temperaturas de la combusti´ on o explosión dentro de los cilindros. La adición de gases de escape a la mezcla de aire y combustible hace m´ as fluida a esta por lo que se produce la combusti´ on o explosión a temperaturas más bajas. Finalmente, al reducir la temperatura de llama y la concentración de O2 debido a su sustitución, se obtienen menores emisiones de NOx, mayor cantidad de material particulado y menor performance. Sin embargo, debido a las estrictas medidas medioambientales ha llevado a una aplicación agresiva de EGR lo cual puede traer efectos adversos. Al aumentar el porcentaje de EGR, la operación del motor alcanza zonas de mayor inestabilidad debido al cambio en la mezcla. Esto lleva a aumentos en las emisiones carbónicas y mayores pérdidas de potencia Otros retos son disminuir el desgaste del equipo, aumentar su performance y principalmente, disminuir las emisiones de material particulado asociadas. En su publicación, muestran distintas técnicas de control y tratamiento de EGR. Esto se realiza puesto que algunos tratamientos permited disminuir las inestabilidades de combustión aumentando su performance, durabilidad y disminuyendo las emisiones de MP.

El enfriamiento de EGR aumenta la densidad de los gases, por lo que aumentan el flujo másico en la admisi´ on actuando como un inter-cooler. Es conocido que los inter-coolers son exitosos a la


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hora de mejorar eficiencias y disminuir las emisiones. A modo de ejemplo, comunmente los gases de escape alcanzan temperaturas superiores a los 160[o C ]. Sin embargo, con este tratamiento, la temperatura se reduce mas de un 70 %. Junto a esto, logra disminuir aún más las emisiones de NOx. Para reducir las inestabilidades provocadas por los combustibles reciclados, se aplica una oxidación por medio de catalizadores en las partes de alta presión del ciclo EGR. Estos combustibles ingresan a la cámara de combustión mezclados con el aire. Por medio de este tratamiento, se disminuye el consumo de estos gases en un 90 %, tanto a nivel vehicular como industrial, extendiendo el l´ımite de uso del EGR. Debido a los excesos de ox´ıgeno presentes en los gases de escape, se ha propuesto un método para la reformación de combustibles al interior del ciclo de EGR. Este reformador produce H 2 y CO tal que la combustión de la premezcla sea mejorada al interior del cilindro. Finalmente, se logra disminuir las emisiones de MP y aún más las de NOx.

8.2.

Biocombustibles Son combustibles de origen biológico obtenidos de manera renovable a partir de restos orgánicos.

Entre las fuentes de los biocombustibles, están la biomasa proveniente de cultivos como caña de azúcar, ma´ız, sorgo, yuca y otros, usada para producir etanol, y los aceites provenientes de palma africana, soya, higuerilla, Jatropha curcas, colza y otras plantas, utilizados para producir biodiesel. Dada la coyuntura geopol´ıtica, la producción de biocombustibles puede ser una ayuda para disminuir la dependencia sobre combustibles fósiles, cuya volatilidad provoca estragos en la industria. Para el uso particular del ciclo diesel existen los llamados biodiesels, los cuales poseen varias ventajas comparativas. Ofrecen mayor lubricidad que el diesel de origen fó sil, por lo que extiende la vida ú til de los motores. Es m´ as seguro de transportar y almacenar, ya que tiene un punto de inflamación 100[ C] mayor ◦

que el diesel fósil. Se degrada de 4 a 5 veces m´ as r´ apido que el diesel fósil y puede ser usado como solvente para limpiar derrames de diesel fósil.


25

Prácticamente no contiene azufre, por lo que no genera SO 2 , gas que contribuye en forma significativa a la contaminaci´ on ambiental. Actualmente en todas partes las legislaciones están exigiendo disminuir el contenido de azufre del diesel, disminuyendo a la vez su lubricidad. Sin embargo, también posee desventajas: El biodiesel presenta problemas de fluidez y congelamiento a bajas temperaturas. El contenido energético del biodiesel es algo menor que el del diesel (12 % menor en peso - 8 % en volumen), por lo que su consumo es ligeramente mayor. El biodiesel de baja calidad (con un bajo número de cetano) puede incrementar las emisiones de NOx, pero si el número de cetano es mayor que 68, las emisiones de NOx ser´ıan iguales o menores que las provenientes del diesel fósil. Siendo que es muy dificil reemplazar completamente el diesel, se estudia la factibilidad de tener motores de ciclo diesel que operen de forma dual, es decir, tanto con biodiesel o biogas que con diesel.

Emisiones caracter´ısticas de un sistema de generaci´ on el´ ectrica diesel simple y dual [2] En India, m´ as de 80.000 aldeas se encuentran sin acceso a la electricidad, sin embargo, existe una gran variedad de insumos biom´ asicos. Mediante la gasificaci´ on de la biomasa, se puede reemplazar el uso del diesel en motores generadores. As´ı, se han logrado tasas de reemplazo de 70-90 %, en lo que se conoce como modo dual. En el presente trabajo se compararon las emisiones para 4 niveles de carga (10, 20, 30 y 40 [kW]) en motores duales y simples. Se midieron emisiones de CO, NOx, HC, MP y SO 2. As´ı, se encontró que al usar una mezcla de diesel y biomasa gasificada, se disminuyen las emisiones de SO 2 y NOx sin aumentar el material particulado emitido. Además, aumentan las emisiones de CO bajo

todas las condiciones de carga. Las emisiones de HC se mantienen relativamente iguales. Ramadhas, en su trabajo Dual fuel mode operation in diesel engines using renewable fuels: Rubber seed oil and coir-pith producer gas [3], ratifica lo anterior mediante un estudio de caso. Sin embargo

agrega que si bien el rendimiento del ciclo bajo alimentación dual es inferior si se usa combustible 100 % renovable, sigue siendo útil para la generaci´ on eléctrica de lugares aislados. Esto se debe a que el costo de generar usando combustibles renvoables es bastante nferior que usando diesel puro, en especial en lugares como India. op dual est de caso [3].

Cap´ıtulo 9

Conclusiones

Por si solos, los motores que funcionan basados en el ciclo termodinámico Diesel, no presentan buenas eficiencias. Esto se ve mejorado al implementar ciclo combinado y alta tecnolog´ıa (en motor y control de emisiones), presentando grandes desempeños. Esta tecnolog´ıa no poseen buenas proyecciones dado los futuros desabastecimientos mundiales de combustibles l´ıquidos y gaseosos proyectados a mediano y largo plazo. El gran potencial que tienen los sistemas de generación de potencia Diesel es área de generación de potencia de respaldo, es decir en estaciones dispuestas en standby. Sin embargo se evidencia bajo interés de instalaciones que funcionen en un régimen continuo de generación. En caso de baja potencia, presentan mayores rendimientos térmico pero no concentran grandes potencias (10 50MW p/m)

En cuanto a los motores diesel de cuatro tiempos (velocidad media) y los motores diesel de dos tiempos (velocidad baja), se puede concluir que en funci´ on de la eficiencia que presentan, la flexibilidad en el uso de combustibles y su precio, y la potencia entregada en función del tama˜ no, los motores de dos tiempos presentan claras ventajas económicas y ambientales. En un principio su uso fue deprimido, por lo que el motor de cuatro tiempos acumuló mayor tecnolog´ıa, sin embargo, con este desarrollo tecnol´ ogico se ha hecho posible superar las principales desventajas del motor de dos tiempos (emisiones y consumo de combustible), por lo que en la actualidad es un alternativa más eficiente y econ´ omica, comparándose favorablemente con otras alternativas (ciclo combinado de turbina a gas) en su rango de potencia.

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Bibliograf´ıa

[1] Zheng, M., Reader, G., Hawley, J., Diesel engine exhaust gas recirculation - a review on advanced and novel concepts , Energy Conversion and Management, 45, 883-900, 2004.

[2] Uma, R., Kandpal, T.C., Kishore, V.V.N., Emission characteristics of an electricity generation system in diesel alone and dual fuel modes , Biomass and Bioenergy, 27, 195-203, 2004.

[3] Ramadhas, A.S., Jayaraj, S., Muraleedharan, C., Dual fuel mode operation in diesel engines using renewable fuels: Rubber seed oil and coir-pith producer gas , Renewable Energy, 33, 2077-2083,

2008. [4] Chiaramonti, D., Oasmaa, A., Solantausta, Y., Power generation using fast pyrolysis liquids from biomass , Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11, 1056-1086, 2007.

[5] Bo, Z., Weibiao, F., Jingsong, G., Study of fuel consumption when introducing DME or ethanol into diesel engine , Fuel, 85, 778-782, 2006.

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Informe I Trabajo Ciclo Diesel

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