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– En el futuro, los vehículos comerciales no solo tendrán que emitir menos CO 2, sino que también deberán cumplir con límites de emisiones de escape más estrictos. Muchos expertos esperan que esto signifique el fin del diésel fósil. Una posible alternativa es el dimetiléter: la sustancia altamente volátil se quema muy limpiamente y se puede producir a partir de energía renovable. Empa está investigando este nuevo concepto de tren motriz utilizando un motor de prueba especial.
Cortesía de EMPA por Rainer Klose: Operar una flota de camiones es un negocio difícil. Olvídese del romance del camionero; fuerte competencia y alta presión de precios es el nombre del juego. Las regulaciones ambientales cada vez más estrictas destinadas a reducir las emisiones de CO 2 y los valores rígidos de los gases de escape, especialmente en lo que respecta a los óxidos de nitrógeno (NO X), intensificarán aún más la presión sobre la industria en los próximos años.
Si los operadores de camiones no confían en la última tecnología, tendrán que temer el aumento de los peajes o las desventajas fiscales en varios países. Muchos fabricantes y operadores de vehículos comerciales están considerando ahora sistemas de tren motriz alternativos para mejorar el desempeño ambiental de sus flotas.
Sin embargo, los accionamientos eléctricos no son adecuados para vehículos comerciales en funcionamiento a larga distancia: las baterías serían demasiado pesadas, los tiempos de carga demasiado largos y la potencia de carga requerida demasiado alta para un uso competitivo.
El hidrógeno puede resolver este problema: en septiembre de 2020, los primeros camiones de celda de combustible de Hyundai se encuentran en operación comercial de prueba en Suiza.
El gas natural sintético del excedente de electricidad verde también está bajo investigación: a partir de 2021, los primeros camiones de gas natural se repostarán en el demostrador de movilidad de Empa, move.
Pero hay otra alternativa que sería apta para el transporte de larga distancia y que merece un examen más detenido: en definitiva, dimetiléter o DME.
Infraestructura favorable, combustión limpia
El DME se produce en una escala de varias decenas de miles de toneladas al año. El químico se usa como propulsor en latas de aerosol y sirve como componente refrigerante en sistemas de enfriamiento.
El DME también se utiliza ampliamente como producto intermedio en la industria química. Su ventaja es que se puede producir a bajo costo y casi sin pérdidas a partir del metanol, que a su vez se puede producir a bajo costo utilizando energía solar y eólica. Por lo tanto, DME ofrece la oportunidad de hacer que los camiones sean neutrales en CO 2.
Otra ventaja: el DME tiene propiedades similares a las del gas licuado de petróleo (GLP). A diferencia del hidrógeno, se puede transportar y almacenar en tanques estándar a baja presión en forma líquida.
La tecnología para estaciones de servicio de GLP, y por lo tanto también para DME, es económica, es conocida mundialmente y se utiliza desde hace décadas. Además, como el DME contiene oxígeno químicamente ligado, la sustancia se quema de forma especialmente limpia y con poca formación de hollín.
Prueba en un motor de camión modificado
Se han realizado pruebas con DME como combustible en el pasado: Volvo Trucks ha estado realizando pruebas de campo con camiones experimentales propulsados por DME en Suecia y los EE. UU. Desde 2013. En Alemania, un proyecto de investigación coordinado por el Centro de Investigación e Innovación de Ford Aachen es funcionando desde 2016. El motor fue instalado y probado en un Ford Mondeo.
Empa, junto con FPT Motorenforschung AG Arbon, Politechnico di Milano, el fabricante de lubricantes Motorex y otros socios, ahora ampliarán los conocimientos adquiridos hasta ahora. Desde principios de julio de 2020, el motor de prueba ha estado en funcionamiento en un dinamómetro en el Laboratorio de Tecnología de Motores Automotrices de Empa. Los científicos tienen como objetivo proporcionar datos sólidos sobre el proceso de combustión de DME, la eficiencia y el impacto ambiental en el sector de vehículos comerciales.
«Ya conocemos muy bien este motor», dijo el líder del proyecto Patrik Soltic. «El bloque de motor se deriva de un motor de vehículo comercial Cursor 11 fabricado por FPT Industrial y nos ha servido durante cinco años en varios proyectos de investigación.
En los últimos meses, lo convertimos a DME junto con nuestro socio FPT. «Eso no fue fácil: a diferencia del diesel, el DME altamente volátil casi no tiene cualidades lubricantes, lo que habría destruido rápidamente la bomba de alta presión del sistema. inyección common rail.
Funcionamiento sin aditivos de combustible
Los investigadores quieren probar su motor con DME puro, sin utilizar aditivos lubricantes como se hizo en proyectos anteriores. En cooperación con un importante proveedor europeo, se desarrolló una nueva bomba Common Rail lubricada con aceite. Además, las válvulas y los insertos de los asientos de las válvulas se han convertido en materiales adecuados para DME. También se utiliza un compresor accionado eléctricamente para una recirculación precisa de los gases de escape.
Por último, también se han modificado las cámaras de combustión y la relación de compresión del antiguo motor diésel. La nueva forma de las cámaras de combustión se desarrolló con la ayuda de simulaciones matemáticas en el Politechnico di Milano. El proyecto de investigación está cofinanciado por la Oficina Federal de Energía de Suiza (FOEN).
Combustible ecológico
El éter dimetílico (DME), el combustible ecológico para motores de encendido por compresión, se puede producir a partir de hidrógeno y CO 2. Si el hidrógeno se produce con energía renovable y el CO 2 se captura de la atmósfera, los camiones se pueden conducir prácticamente sin emisiones de gases de efecto invernadero.
El investigador de Empa, Andreas Borgschulte, y su equipo están investigando procesos químicos que producen DME de la manera más eficiente posible. El método de catálisis asistida por sorción se considera muy prometedor: los dos materiales de partida gaseosos, hidrógeno y CO 2, deben entrar en contacto con partículas de cobre activo para iniciar la reacción química para formar metanol o DME.
El agua se forma como subproducto. Si se elimina el agua de la mezcla de reacción, el equilibrio químico cambia al producto. En otras palabras: solo entonces se pueden producir las grandes cantidades deseadas de metanol y DME. Para eliminar el agua, los investigadores de Empa utilizan zeolita, un mineral que absorbe agua.
En experimentos de laboratorio, el equipo de Borgschulte descubrió que, a una cierta temperatura, el CO 2 y el hidrógeno producen principalmente DME, con solo una pequeña cantidad de metanol. “La producción de DME con este método es, por lo tanto, teóricamente factible”, dice Borgschulte, y agrega: “Desafortunadamente, en este momento, el proceso todavía no es muy eficiente”.
Por tanto, el siguiente paso sería perfeccionar el proceso químico y desarrollar instalaciones de producción adecuadas. Solo entonces podremos evaluar si la producción de DME mediante catálisis asistida por sorción es económicamente competitiva. La investigación se llevó a cabo en colaboración con la Universidad de Zúrich como parte del proyecto LightChEC.
Operación en carretera simulada
“Ahora queremos conocer el motor con el nuevo combustible”, dice Soltic. Los investigadores están comenzando con un estilo de conducción de carga media común en las carreteras, donde el motor debe entregar 100 kW de potencia. «A continuación, modificamos el tiempo y la presión de inyección, entre otras cosas, y examinamos los valores de las emisiones de escape y el consumo de combustible».
Los primeros resultados son muy prometedores. El motor experimental funciona de manera estable en todos los rangos de carga del motor, prácticamente no produce partículas de hollín y valores de NOx significativamente más bajos que un diesel. Esto conduce a un sistema de postratamiento significativamente más compacto y económico para los gases de escape, incluso para los límites de emisión futuros de contaminantes extremadamente rígidos.
La gran ventaja de la operación DME, dice Soltic, es la oportunidad de transferir una proporción muy alta de gases de escape a la siguiente carga en el cilindro. Esto se realiza mediante la denominada recirculación de gases de escape (EGR).
Esta tecnología permite ahorrar una gran cantidad de NOx, lo que alivia la carga en el sistema de purificación de gases de escape detrás del motor y permite alcanzar fácilmente límites futuros más estrictos. Con el diésel fósil, las altas tasas de recirculación de gases de escape conducen a mayores emisiones de partículas, lo que no es el caso de DME.
Durante la fase de prueba, los investigadores de Empa recolectan repetidamente muestras de aceite de motor para rastrear las reacciones químicas. Los resultados se envían al socio del proyecto Motorex, que utiliza los datos para desarrollar un nuevo aceite de motor especialmente adaptado para la operación de DME.
Investigación conjunta entre competidores
“Actualmente todavía estamos en la fase precompetitiva de nuestra investigación”, explica Soltic. Los resultados del proyecto son parcialmente públicos y se discuten conjuntamente con competidores en la industria automotriz.
La plataforma para estas discusiones es la «Asociación Internacional de DME» fundada en 2001, que actualmente cuenta con 50 miembros de la ciencia y la industria. «Pero en alguna etapa futura, todos querrán guardar sus resultados para sí mismos», dice el investigador de Empa. «En este punto, es fundamental que tengamos un buen conocimiento de la tecnología para poder seguir brindando contribuciones valiosas como socio de investigación de la industria».
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