Si nos lees de forma asidua, seguro que te has dado cuenta que los coches eléctricos no me parecen una solución suficientemente buena como para la tecnología actual de combustión. En esa misma línea se está moviendo últimamente la industria, cada vez apostando menos por los caros eléctricos y retrocediendo hacia las motorizaciones de gasolina. Además, también sabrás que me entusiasman los motores de combustión interna de hidrógeno, y no tanto los de pila de combustible.
Pues bien, aquí te presentaré una nueva tecnología prometedora para estos coches de combustión de hidrógeno que no termina de desplegarse, como es la combustión de hidrógeno asistida por plasma…
No confundas los coches de combustión de hidrógeno con los de pila de combustible de hidrógeno…
¿Qué es la combustión de hidrógeno asistida por plasma?
La lucha contra el cambio climático exige una reducción significativa de las emisiones de gases de efecto invernadero. Los procesos de combustión tradicionales, especialmente los que dependen de combustibles fósiles, son un importante contribuyente a este problema, pero también la combustión de hidrógeno puede generar ciertos gases contaminantes, y no solo agua, debido a que en el aire hay más gases que el oxígeno que se combinará con el hidrógeno, y también puede haber otros residuos de lubricantes, etc. En este contexto, la combustión de hidrógeno (H₂) asistida por plasma surge como una tecnología prometedora para una generación de energía más limpia y eficiente.
El plasma, el cuarto estado de la materia, juega un papel crucial en la mejora de la combustión de H₂. A diferencia de los gases, donde las partículas están relativamente independientes, en un plasma estas partículas están ionizadas, es decir, han perdido o ganado electrones, adquiriendo así una carga eléctrica positiva o negativa. En el caso de los motores de combustión de hidrógeno, no se busca un gas con ionización total, sino que se busca un gas con un porcentaje de las partículas ionizadas.
La introducción de plasma no equilibrado, que tiene un bajo grado de ionización, en el proceso de combustión ofrece varias ventajas:
- Mejora térmica: el plasma calienta rápidamente el gas a través del enfriamiento de los estados excitados, acelerando las reacciones químicas y la oxidación del combustible, es decir, la quema.
- Mejora cinética: los electrones de alta energía en el plasma colisionan con especies neutras, creando radicales activos como O, H y OH. Estos radicales promueven la oxidación del combustible a baja temperatura.
- Mejora del transporte: el plasma altera el comportamiento de las moléculas de combustible e influye en el proceso de combustión. Además, el viento iónico y las ondas acústicas del plasma mejoran la mezcla y la turbulencia.
El efecto combinado de estos puntos es una mejora significativa en la ignición, la propagación de la llama y la eficiencia general de la combustión.
No obstante, a pesar de su promesa, la combustión de H₂ asistida por plasma enfrenta algunos desafíos. Por un lado la generación y control del plasma, ya que deben ser métodos eficientes y fiables, y esto es un problema a nivel práctico. Por otro lado, también está la durabilidad y el coste de estos sistemas, ya que debe ser un sistema suficientemente fiable para vehículos y barato para su fabricación en masa a precio asequible. Cuando se puedan superar, esto allanará el camino para poder implementar esta nueva tecnología en futuros motores de combustión interna de hidrógeno.
Y, por cierto, esta tecnología no solo se puede aplicar a los motores de hidrógeno, también a otros tipos de motores de gas, e incluso a los motores jet para aviación, donde se podría mejorar la eficiencia y desempeño de estos motores con el uso de estos sistemas con plasma.
Investigaciones
Dado que el plasma mejora significativamente la ignición, los investigadores están explorando su potencial para acelerar la transición de una llama (deflagración) a una onda de detonación de alta velocidad en otros tipos de motores. Esta tecnología tiene aplicaciones prometedoras en el desarrollo de motores de detonación y cohetes.
Por ejemplo, algunos investigadores estudian los efectos de las descargas pulsadas de nanosegundos en los motores de detonación pulsada (PDE). Comparan los retrasos de ignición y el crecimiento del núcleo de la llama utilizando este método frente a las descargas de chispas convencionales. Sus hallazgos mostraron que las descargas pulsadas de nanosegundos redujeron significativamente los tiempos de retraso de la ignición en los PDE alimentados con diversos combustibles y mezclas aire-combustible.
Otros investigadores estudiaron cómo el plasma de descarga de barrera dieléctrica de nanosegundos (ns-DBD) mejora la transición a la detonación (DDT) en un microcanal a presión atmosférica. Utilizaron una descarga de chispas para iniciar una onda de llama, seguida de pulsos variables de plasma ns-DBD antes de la ignición.
Las imágenes de alta velocidad revelaron un frente de llama mucho más rápido cuando se utilizaron 15 pre-pulsos de plasma en comparación con ningún plasma. Esta propagación más rápida se atribuye a la generación de especies y radicales activos, junto con el calentamiento lento y rápido del gas por el plasma.
Curiosamente, un aumento adicional del número de pre-pulsos condujo a una DDT más lenta. El combustible utilizado (éter-dimetil) tiene un coeficiente de temperatura negativo (NTC), lo que significa que su velocidad de combustión disminuye a temperaturas más altas. Esto sugiere una competencia entre la ignición mejorada por plasma y la reducción de la liberación de calor debido a la extensa oxidación del combustible con demasiados pre-pulsos.
Por otro lado, otro de los estudios interesantes se centra en los experimentos utilizando descargas pulsadas de nanosegundos para acelerar llamas turbulentas de hidrógeno-aire en condiciones cercanas a la ambiente. Observaron una reducción significativa de la distancia necesaria para que la llama pase a detonación. Su configuración empleó una bujía para iniciar la llama, seguida de una descarga de plasma generada por múltiples electrodos. La velocidad de la llama aumentó dramáticamente a medida que pasaba por la región de plasma.
Los resultados identificaron dos posibles mecanismos de mejora. En algunos casos, la interacción del plasma con una onda de choque líder delante de la llama principal aceleró su propagación. En otros casos, la descarga de plasma actuó directamente sobre el frente de la llama, lo que condujo a una aceleración localizada.
Estos estudios demuestran el potencial del plasma para manipular la transición de deflagración a detonación, allanando el camino para avances en motores actuales. Solo espero que te haya gustado, y no dudes en preguntar…
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