Investigación suiza con dimetileter como combustible alternativo para camiones

La Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) investiga un nuevo concepto de propulsión con un motor de prueba especial. Los vehículos comerciales deberían emitir menos CO2 en el futuro y cumplir con límites de emisiones más estrictos. Muchos expertos esperan que pronto se vuelva difícil para el diésel fósil. Un posible combustible alternativo es el dimetileter. Esta sustancia volátil se puede producir a partir de energía renovable y quema de manera muy limpia.

(Dübendorf/St. Gallen/Thun) Operar una flota de camiones es un negocio duro. Hay poco de la romántica vida de camionero, pero mucho de competencia feroz y alta presión de precios. Las leyes ambientales cada vez más estrictas aumentarán esta presión en los próximos años, hacia una menor emisión de CO2 y límites de emisiones rigurosos, especialmente en relación con los óxidos de nitrógeno (NOx). Si los operadores de camiones no adoptan la tecnología más reciente, temen enfrentar tarifas de peaje más altas o desventajas fiscales en muchos países.

Alternativa Dimetileter

Muchos fabricantes y operadores de vehículos comerciales están considerando ahora propulsiones alternativas para mejorar la sostenibilidad de su flota. Sin embargo, los sistemas de propulsión eléctrica son poco adecuados para vehículos comerciales en operaciones de larga distancia: las baterías serían demasiado pesadas, los tiempos de carga demasiado largos y las potencias de carga requeridas demasiado altas para un uso competitivo. El hidrógeno podría resolver este problema: desde septiembre de 2020, los primeros camiones de pilas de combustible de Hyundai están en operación comercial en Suiza. También se está investigando el gas natural sintético producido a partir de electricidad ecológica excedente: a partir de 2021, los primeros camiones de gas natural serán abastecidos en el demostrador de movilidad move de Empa. Pero hay otra alternativa que sería adecuada para el transporte de larga distancia y merece un examen más detallado: el dimetileter.

Infraestructura económica, combustión limpia

La sustancia química dimetileter (DME) se produce a escala de varias decenas de miles de toneladas anuales. Se utiliza como propelente en aerosoles y es parte de los refrigerantes en sistemas de refrigeración. Además, el DME es un intermediario ampliamente utilizado en la industria química. Su ventaja: se puede producir de manera económica y casi sin pérdidas a partir de metanol, que a su vez se puede obtener de manera económica a partir de electricidad solar y eólica. Por lo tanto, el DME ofrece la oportunidad de operar camiones de manera neutra en CO2.
Otra ventaja: el DME tiene propiedades similares al gas licuado. A diferencia del hidrógeno, se puede transportar y almacenar en forma líquida en tanques económicos a baja presión; además, la tecnología para las estaciones de servicio es económica, conocida a nivel mundial y ya se utiliza desde hace décadas. Debido a que el oxígeno está químicamente unido en el dimetileter, la sustancia quema de manera especialmente limpia y con baja formación de hollín.

Pruebas en un motor de camión modificado

Ya en el pasado ha habido intentos con dimetileter como combustible: Volvo Trucks ha estado realizando pruebas prácticas desde 2013 en Suecia y en los EE. UU. con camiones experimentales que funcionan con DME. En Alemania, desde 2016, se lleva a cabo un proyecto de investigación coordinado por el Ford Research and Innovation Center Aachen. El motor ya se ha instalado y probado en un Ford Mondeo.
Ahora, Empa, junto con FPT Motorenforschung AG Arbon, el Politécnico de Milán, el fabricante de lubricantes Motorex y otros socios, se basará en los conocimientos adquiridos hasta ahora. En un banco de pruebas del departamento de sistemas de propulsión de vehículos de Empa, desde principios de julio de 2020, el motor de prueba está en funcionamiento, proporcionando datos fundamentados sobre los métodos de combustión, eficiencia y sostenibilidad del DME en el sector de vehículos comerciales.
«Conocemos muy bien este motor», dice el líder del proyecto, Patrik Soltic. «El bloque del motor proviene de un motor de vehículo comercial Cursor 11 del fabricante FPT Industrial y nos ha servido durante cinco años para diversos proyectos de investigación. En los últimos meses, lo hemos adaptado junto con nuestro socio FPT para que funcione con DME.» No fue del todo sencillo: el DME, que es ligeramente volátil, carece prácticamente de propiedades lubricantes en comparación con el combustible diésel, lo que podría haber destruido rápidamente la bomba de alta presión del sistema de inyección Common-Rail.

Operación sin aditivos en el combustible

Los investigadores quieren operar su motor de prueba con DME puro, sin adición de aditivos lubricantes, como era habitual en proyectos anteriores. Junto con un importante proveedor europeo, se ha desarrollado una nueva bomba Common-Rail lubricada con aceite. Además, las válvulas y los anillos de asiento de válvula se han adaptado a materiales compatibles con DME. También se utiliza un compresor eléctrico para una recirculación de gases de escape precisa. Finalmente, también se han ajustado las cámaras de combustión y la relación de compresión del antiguo motor diésel. La nueva forma de las cámaras de combustión se calculó con la ayuda de simulaciones matemáticas en el Politécnico de Milán. El proyecto de investigación está cofinanciado por la Oficina Federal de Energía (BFE).

Operación simulada en autopista

«Ahora queremos conocer la máquina con el nuevo combustible», dice Soltic. Los investigadores comienzan con un rango de carga media común en la operación de autopista, donde el motor debe proporcionar 100 kW de potencia. «Luego modificamos, entre otras cosas, el momento y la presión de inyección, observamos los valores de emisiones y el consumo de combustible.»
La gran ventaja de la operación con DME, dice Soltic, es la oportunidad de transferir una alta proporción de gases de escape a la siguiente carga del cilindro en casi todos los estados de operación, mediante la llamada recirculación de gases de escape (AGR). Esta técnica permite ahorrar mucho NOx, lo que alivia el tratamiento de emisiones detrás del motor y permite cumplir con futuros límites más estrictos de manera segura. En el diésel fósil, altas tasas de recirculación de gases de escape conducen a un aumento de las emisiones de partículas, lo que no ocurre con el DME.
Durante la fase de prueba, los investigadores de Empa toman muestras del aceite del motor de forma regular para detectar cambios químicos. Los resultados se envían al socio del proyecto Motorex, que utiliza los datos para desarrollar un nuevo aceite de motor adaptado específicamente para la operación con DME.

Investigación conjunta entre competidores

«Actualmente nos encontramos en la fase precompetitiva de la investigación», explica Soltic. Los resultados del proyecto son en parte públicos y se discuten conjuntamente entre los competidores en la industria automotriz. La plataforma para esto es la «International DME Association», fundada en 2001, que cuenta actualmente con 50 miembros de la industria y la investigación. «Pero en algún momento, cada uno querrá mantener sus resultados para sí mismo», sabe el investigador de Empa. «Entonces es importante que dominemos la tecnología para poder proporcionar un valioso aporte como socios de investigación para la industria.»

Combustible de la fábrica ecológica

El dimetileter (DME), el combustible ecológico para motores de encendido por compresión, se puede producir a partir de hidrógeno y CO2. Si el hidrógeno utilizado se genera con energía renovable y el CO2 se extrae de la atmósfera, los camiones podrían operar prácticamente sin emisiones de gases de efecto invernadero.
El investigador de Empa, Andreas Borgschulte, investiga con su equipo procesos químicos que permiten producir DME de la manera más eficiente posible. Se considera prometedora la técnica de catálisis asistida por adsorción: los dos gases, hidrógeno y CO2, deben entrar en contacto con partículas activas de cobre para unirse y formar metanol o dimetileter. Como subproducto, se produce agua. Si se extrae el agua de la mezcla de reacción, el equilibrio químico se desplaza hacia el producto. En otras palabras: solo entonces se producen las cantidades deseadas de metanol y dimetileter. 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 temperatura determinada, se produce principalmente dimetileter a partir de CO2 y hidrógeno, y solo una cantidad relativamente pequeña de metanol. «La producción de esta manera es teóricamente posible», dice Borgschulte, y advierte: «Desafortunadamente, el proceso aún no es muy productivo en este momento.» En un siguiente paso, el proceso químico tendría que ser refinado y se tendrían que desarrollar instalaciones adecuadas. Solo entonces se podrá evaluar si la producción de DME mediante catálisis asistida por adsorción es competitiva económicamente. Los trabajos de investigación se llevaron a cabo en colaboración con la Universidad de Zúrich y son parte del proyecto «LightChEC».

Foto/Grafik: © Empa

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