Documentos del II Congreso Boliviano de Ing. Mecanica Electromecanica, Realizado el 2005 en Oruro-Bolivia

1. PRUEBA PILOTO DE CONVERSIÓN AL
MODO BI-COMBUSTIBLE
GAS NATURAL – DIESEL OIL
REALIZADA EN LA ALTURA PARA UN
MOTOR ESTACIONARIO DE ENCENDIDO
POR COMPRESIÓN
(MÉTODO INTEGRACIÓN EN LA COMBUSTIÓN AIRE-GAS)
Realizada por:
Oscar Febo Flores Meneses

2. o Introducción
o Antecedentes
o Desarrollo
o Conclusiones y trabajos
futuros

3. Introducción
Objetivo del trabajo
Evaluar los resultados obtenidos de la
“prueba piloto” realizada en la ciudad
de El Alto, de la conversión al modo
bi combustible, aplicada en un motor
estacionario de encendido por
compresión con combustible Diesel Oil

4. Introducción
Objetivo específicos
Realizar una descripción y comparación
conceptual de la operación de un motor
convertido al modo bi combustible
Descripción técnica de componentes en un
equipo de conversión, para operaciones
confiables y seguras
Evaluación respecto a la conveniencia de
emplear estos sistemas de conversión en
nuestro medio, haciendo consideraciones de
medio ambiente, altitud y beneficios
económicos

5. Antecedentes
GAS NATURAL DESCRIPCIÓN
gas natural en Bolivia
5% 2%
metano (CH4)
etano (C2H6)
otros componentes
93%

6. Antecedentes
GAS NATURAL EN BOLIVIA
60
TCF 52,3
50
40
30 27,36
24,94 24,87
20
10
0
Probadas P1 Probables P2 P1 + P2 Posibles P3
FUENTE YPFB - 2 002

7. Antecedentes
LA ENTALPÍA DE COMBUSTIÓN INFERIOR
gas natural Diesel Oil
Composición Promedios de muestras:
cromatográfica en
cabecera Río Grande al LP/796 DO, Cbba./292
GAA: DO, SCZ/648 DO:
Densidad: 0,726 kg / m3
• 48,70 MJ/kg • 43,53 MJ/kg
• 35,35 MJ/m3 • 35,87 MJ/l

8. Antecedentes
GAS NATURAL UTILIZACIÓN
Ventajas:
o Importantes reservas de gas natural
o Mejor precio
o Composición química más sencilla
o Reduce la emisión de particulados
(cenizas)
o Menor emisión de CO2

9. Antecedentes
método empleado
Estudio de Estudio teórico Operación y
experiencias del proceso experimentación
previas ideal de la prueba piloto
Recomendacio
nes para la Consideracio
selección y nes finales
operación

10. Antecedentes
DIESEL OIL COMBUSTIÓN
temperatura de ignición
260° - 400 °C
relación de compresión:
12 a 23
mayor rendimiento térmico

11. Antecedentes
GAS NATURAL COMBUSTIÓN
temperatura de ignición
620° - 650 °C
ignición con chispa ignición con Diesel piloto
BAJA COMPRESIÓN ALTA COMPRESIÓN
relaciones: relaciones:
8 a 12 similar ciclo Diesel
rendimientos: rendimientos:
similar ciclo Otto similar ciclo Diesel

12. Antecedentes
GAS NATURAL BI COMBUSTIBLE
bi – combustible (bi–fuel) dual combustible (dual–fuel)
N
S IÓ
N FU
CO
• Posibilidad LA usar proporciones de
de
combustible, según requerimientos:
• 100 % Diesel Oil
• 0 a 80 % gas natural (100 a 20 %
Diesel Oil), de volúmenes equivalentes

13. Desarrollo
por qué bi – combustible ?
El costo de conversión respecto a uno que convierte el
motor a gas natural dedicado, es menor:
Método:
INTEGRACIÓN EN LA COMBUSTIÓN AIRE GAS
( Combustion air gas integration )
aire MEZCLADOR mezcla
FILTRO TURBOCARGADOR
DE AIRE
gas natural

14. Desarrollo
LA RELACIÓN EQUIVALENTE ” RE “
• RE : Es la relación de, combustible Diesel Oil
que es reemplazado por gas natural en la
operación bi – combustible.
• RE = 0: Operación con 0 % de gas natural
equivalente (modo Diesel)
• RE = 0,7: Operación con 70 % de gas natural
equivalente (modo bi – combustible)

15. Desarrollo
la relación “ RE “
30 [ l/h ]
RE = 0,67
20 [ l/h ]
10 [ l/h ]
20 [ m3/h ]

16. Desarrollo
determinación práctica del RE

17. Desarrollo
determinación práctica del RE

18. Desarrollo
esquema de operación
EGT
VAC
MAT MAP
ROP
GSP

19. Desarrollo
la “ prueba piloto “
Motor:
CATERPILLAR
Modelo: 3306
Serie: 66D41946
Arreglo: 8N3419
Generador:
CATERPILLAR
Modelo: SR4
Serial: 5FA01203
Nº Grupo: 5N 72

20. Desarrollo
el “ mezclador “
• ¿ se constituye en
una importante
restricción al paso
de aire de
admisión?

21. Desarrollo
la prueba del mezclador
Con el motor operando 100 % Diesel Oil
MÚLTIPLE
VAC
MEZCLADOR
aire
MAP
FILTRO TURBOCARGADOR
DE AIRE
VAC : 60.33 kPa VAC : 60.33 kPa
- 11 %
MAP : 93,08 kPa MAP : 82.74 kPa

22. Desarrollo
la prueba del mezclador
Con el motor operando en modo bi - combustible
Transductor MAP
Mide la presión después
del turbocargador
• antes de los cilindros

23. Desarrollo
registro MAP “Manifold Air Pressure”
Registro MAP (kPa)
60,00
50,00
40,00
kPa
30,00
20,00
10,00
0,00
MAP Diesel MAP Bi combustible
01-nov-04 51,02 31,72
03-nov-04 49,64 38,96

24. Desarrollo
registro MAT “Manifold Air Temperature”
Transductor MAT
Mide la temperatura
• después del
turbocargador
• antes de los cilindros

25. Desarrollo
registro MAT “Manifold Air Temperature”
Registro MAT ºC
100
90
80
70
60
ºC
50
40
30
20
10
0
MAT Diesel MAT Bi combustible
01-nov-04 95 72,78
03-nov-04 90,56 76,94

26. Desarrollo
la prueba del mezclador
con el motor operando en bi combustible
SA (entrada)
SA SM
PA (entrada)
SG TG PG TM
PM
TA
PA vM
vA
a b

27. la prueba del mezclador Desarrollo
Con el motor operando en bi combustible

28. Desarrollo
qué puede explicar la estequiometría ?
REM C H4 + (1 – REM ) C15 H25,5 + (a + b/4)(O2 + 3,773 N2)
a CO2 + b/2 H2 O + 3,773(a + b/4)N2
Donde:
a = 15 – 14 REM b = 25,5 – 21,5 REM

29. Desarrollo
la relación de equivalencia molar
REM
RE
E ( ρG R / MG )
T E
RM = -----------------------------------------------------------
E (4.28)
E ( ρG R / MG ) + ( ρD [1 – R ] / MD )
T E E

30. Desarrollo
relación Aire/Productos
REM

31. Desarrollo
registro de la temperatura de humos
Termocupla: EGT
“Exhaust Gas Temperature”

32. Desarrollo
registros de la temperatura de humos
Registro EGT ºC
480
475
470
465
ºC
460
455
450
445
EGT Diesel EGT Bi combustible
01-nov-04 474,17 457,5
03-nov-04 471,11 466,67

33. Desarrollo
análisis de humos

34. Desarrollo
análisis de humos
12
p orc enta je ( % )
% C O2 (1) % C O2 (2)
% CO2 promedio
10
8
6
4
2
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 100
rela c ión d e m ezc la (% d e Ga s Na tura l)

35. Desarrollo
análisis de humos
p o rc e nta je ( % )
12
% O2 (1) % O2 (2)
10
8
% O2 promedio
6
4
2
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 100
rela c ión d e m ezc la (% d e Ga s Na tura l

36. Desarrollo
análisis de humos
1200
pu CO
pu CO (1) pu CO (2)
1000
pu CO promedio
800
600
400
200
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 100
Rela c ión d e m ezc la (%d e Ga s Na tura l)

37. Desarrollo
análisis de humos
1,8
lambda
1,6 la m b d a (1) la m b d a (2)
lambda promedio
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 100

38. Desarrollo
carga con el tanque de salmuera
E I 3
kW = ---------------------------- F.P.
1 000
Donde:
kW : salida en kilowatt
E : voltaje (promedio tres líneas)
I : amperaje (promedio tres líneas)
F.P. : factor de potencia

39. Desarrollo
lectura de la potencia generada
Curva de potencia activa generador diesel para diferentes relaciones de Diesel -
Gas Natural
120
100%D - 0%GN 70%D - 30%GN 50%D - 50%GN 30%D - 70%GN 20%D - 80%GN
100
80
Potencia [kW]
60
40
20
0
12:02
12:06
12:10
12:14
12:18
12:22
12:26
12:30
12:34
12:38
12:42
12:46
12:50
12:54
12:58
13:02
13:06
13:10
13:14
13:18
Tiempo

40. Desarrollo
consumo de combustible
consumo horario de combustible
35,00
30,00
25,00
consumo en ( l / h )
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
0% Gas / 100 % 37% Gas / 63 % 45% Gas / 55 % 60% Gas / 40 % 70% Gas / 30 %
Diesel Diesel Diesel Diesel Diesel
consumo Diesel Oil 29,04 18,44 15,95 11,84 9,21
consumo gas natural 0,00 10,38 11,92 17,83 21,40
consumo total 29,04 28,81 27,87 29,67 30,62
relación de mezcla

41. Desarrollo
relación de potencias
Relación de energías
350,00
300,00
250,00
Potencia en (kW)
200,00
150,00
100,00
50,00
0,00
0% Gas / 100 % 37% Gas / 63 % 45% Gas / 55 % 60% Gas / 40 % 70% Gas / 30 %
Diesel Diesel Diesel Diesel Diesel
kW entregado por el Diesel Oil 289,34 183,65 158,93 117,94 91,79
kW entregado por el gas natural 0,00 103,40 118,76 177,70 213,27
kW total suministrados 289,34 287,06 277,69 295,63 305,07
kW generados 80,878 81,221 79,063 87,097 89,049
Relación de mezcla

42. Desarrollo
el rendimiento
30,0
porcentaje ( % )
29,5
29,0
28,5
28,0
27,5
0% Gas / 100 37% Gas / 63 45% Gas / 55 59% Gas / 41 68% Gas / 32
% Diesel % Diesel % Diesel % Diesel % Diesel
Rendimiento total 27,95235117 28,29408513 28,47182394 29,46129831 29,18983693
Relación de mezcla RE

43. Desarrollo
costo de los combustibles
vigentes al 31 de diciembre del 2 004
Diesel Oil: 3,23 (Bs/l)
1,3 ($Us/MPC) termoeléctrica
Gas
1,7 ($Us/MPC) industrial
natural:
7,04 ($Us/MPC) gasoducto virtual

44. Desarrollo
costo de la energía
Costo de la energía ($Us/kWh)
0,16
0,14
0,12
0,1
$Us / kWh
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0% Gas / 100 % 37% Gas / 63 % 45% Gas / 55 % 59% Gas / 41 % 68% Gas / 32 %
Diesel Diesel Diesel Diesel Diesel
Diesel Oil: 3,23 (Bs/l) - gas natural: 0,1445 0,0973 0,0882 0,0642 0,0528
1,3 ($Us/MPC)
Diesel Oil: 3,23 (Bs/l) - gas natural: 0,1445 0,0991 0,0903 0,0671 0,0563
1,7 ($Us/MPC)
Diesel Oil: 3,23 (Bs/l) - gas natural: 0,1445 0,1235 0,1192 0,1063 0,1023
7,04 ($Us/MPC)
Relación de mezclas (RE)

45. ahorro anual en $Us en un equipo de:
80 kW y RE = 0,7
40000
$s
U
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/ ho ra s/
a ño a ño a ño a ño a ño a ño a ño a ño a ño a ño
Die se l O il: 3,23 (Bs/ l) - g a s 3665 7330 10995 14660 18325 21990 25655 29320 32985 36650
na t ura l: 1,3 ($Us/ M PC )
Die se l O il: 3,23 (Bs/ l) - g a s 3525 7050 10575 14100 17625 21150 24675 28200 31725 35250
na t ura l: 1,7 ($Us/ M PC )
Die se l O il: 3,23 (Bs/ l) - g a s 1690 3380 5070 6760 8450 10140 11830 13520 15210 16900
na t ura l: 7,04 ($Us/ M PC )
ho ra s d e o p e ra c ió n a nua l

46. conclusiones
Simetrías entre experiencias extranjeras y la
prueba piloto realizada en la altura
La potencia del equipo no se ve disminuida.
Es mas, la misma llega a incrementarse
Las emisiones de CO2 se reducen ligeramente
Las emisiones de CO suben
La temperatura del proceso es menor

47. conclusiones
Simetrías entre el estudio teórico y la prueba
piloto realizada en la altura
Funcionamiento suave del motor
El mezclador aire-gas reduce el rendimiento volumétrico
Importancia en el rol del turbocargador
Decremento en la emisión de CO2 menor a lo estimado
Los productos que se emiten por el escape son menores
Menor emisión de cenizas y particulados

48. conclusiones
Caso particular de la prueba piloto
Mejora del rendimiento, especialmente para RE = 0,60
Notable reducción del costo de combustibles
Estabilidad en la operación en el rango MAP calibrado
No se encontraron diferencias debidas a efectos de la altura

49. trabajos futuros
Verificación de la reducción de NOx
Cuantificación de la emisiones de CxHy
Verificación de los requerimientos de mantenimiento
Estudio de sistemas con control realimentado
Mejora del proceso de combustión