DESEMPENHO E EMISSÕES DE UM MOTOR DIESEL OPERANDO COM BAIXAS VAZÕES DE HIDROGÊNIO Responsável pelo Projeto Luiz Augusto de Noronha Mendes FPT Industrial
RESUMO Este trabalho apresenta um estudo sobre o desempenho e emissões de um motorgerador de ignição por compressão operando com óleo diesel como combustível principal e hidrogênio como combustível secundário, admitido juntamente com o ar de admissão. Neste estudo, o hidrogênio é produzido através do processo de eletrólise da água e o montante de hidrogênio produzido é diretamente direcionado para o duto de admissão do motor em produção descentralizada, ou seja, sem que haja o armazenamento de gás. O estudo experimental consiste, inicialmente, em caracterizar o dispositivo gerador de hidrogênio através da avaliação da vazão volumétrica de gás produzida em função da corrente elétrica do sistema. Com o dispositivo gerador de hidrogênio caracterizado, o estudo busca avaliar o comportamento do motor-gerador sob diferentes cargas de trabalho e diferentes vazões de gás hidrogênio, em comparação com o funcionamento do mesmo motor quando operado apenas com óleo diesel. Os resultados indicaram que a adição de hidrogênio sob baixas vazões não apresentou reduções significativas de consumo e emissões, para um motor-gerador, operando a uma rotação constante de 1800 rpm. A maior redução de consumo obtida foi da ordem de 1,4%, quando comparado com o funcionamento do motor apenas com óleo diesel. Aplicabilidade A busca por fontes energéticas renováveis e limpas em substituição aos combustíveis fósseis para suprir a demanda energética do setor de transportes mundial tem sido uma clara preocupação nas últimas décadas. Esta procura é impulsionada não apenas pela dependência dos combustíveis derivados do petróleo, como também por questões ambientais, como as emissões de monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO2) e o consequente impacto no aquecimento global. A utilização do hidrogênio (H2) como alternativa de combustível para motores de combustão interna (MCI) tem sido uma importante opção estudada nos últimos anos. Diversos trabalhos realizados puderam demonstrar não só o potencial da combustão do hidrogênio e seus benefícios quanto às emissões, mas também os pontos negativos do uso desta tecnologia. O presente trabalho apresenta um estudo sobre a utilização do hidrogênio como combustível complementar ao óleo diesel em um motor com ignição por compressão e seus efeitos sobre desempenho e emissões. Objetivo O objetivo geral deste trabalho é avaliar a utilização do hidrogênio obtido a partir do processo de eletrólise como fonte alternativa e complementar a um motor do ciclo diesel. Diversos estudos sobre projeções acerca da demanda energética global e sobre a distribuição das matrizes energéticas estão sendo realizados (International Energy Outlook, 2012 e PNE 2030). Estes estudos são motivados principalmente pela
necessidade de definir as estratégias sobre produção, distribuição e consumo energético em um cenário global onde cresce anualmente a demanda energética e diminui a oferta de combustíveis fósseis, seja por motivos de disponibilidade, seja por questões ambientais. A figura 1 apresenta uma projeção realizada pela International Energy Outlook (IEO), sobre o crescimento demográfico do setor de transportes global para veículos leves até 2040 e o respectivo combustível utilizado. Percebe-se que há uma taxa de crescimento constante neste segmento. Porém, nota-se uma considerável diminuição na utilização de veículos movidos exclusivamente por combustíveis fósseis, que cede espaço para a utilização de veículos com tecnologia híbrida. Complementarmente, a figura 2 apresenta a crescente projeção sobre a eficiência na utilização dos combustíveis no setor de transportes até 2040, o que ressalta a demanda por novas tecnologias que busquem o melhor aproveitamento energético dos combustíveis disponíveis. No Brasil, a projeção da oferta interna de energia indica uma redução relativa da disponibilidade de combustíveis derivados de petróleo até 2030 (PNE 2030). Em contrapartida, é possível observar um crescimento considerável na oferta de energias disponibilizadas por outras fontes primárias e renováveis, dentre as quais se insere o hidrogênio (figura 3). Ainda no cenário nacional, observa-se até 2030 uma considerável redução nas emissões de CO2 pela queima de combustíveis fósseis e também pelo setor de transportes (figura 4). Figura 1 - Projeção de veículos leves e utilização energética (Fonte: IEO 2012)
Figura 2 - Consumo energético - setor de transportes (km/litro x 0,46) (Fonte: IEO 2012)
Figura 3 - Oferta interna de energia no Brasil em 2030 (Fonte: PNE 2030) Figura 4 - Projeção de emissões de CO2 no Brasil (Fonte: PNE 2030)
1. Hidrogênio Em motores do ciclo Otto, também descritos como motores de ignição por centelha Spark Ignition (SI), o hidrogênio pode ser uma alternativa de combustível, podendo substituir em sua totalidade o combustível original (Etanol ou Gasolina). A injeção do combustível, neste caso, pode acontecer diretamente na câmara de combustão, ou se realizar indiretamente, ainda no duto de admissão. Em motores do ciclo Diesel o uso do hidrogênio é uma alternativa viável quando combinado com outro combustível piloto para auxiliar a autoignição da mistura na câmara de combustão. Uma vez que a temperatura de autoignição do hidrogênio puro é elevada (858 K), por si só, o H2 não se autoinflama sem auxílio de uma chama piloto. A forma de injeção pode acontecer direta ou indiretamente, assim como em motores SI. Como pode ser observado na tabela 1 as propriedades físicas e termodinâmicas do hidrogênio mostram que, apesar de sua elevada temperatura de autoignição, o H2 possui uma elevada velocidade de propagação de chama, possibilitando uma queima muito mais homogênea e completa que os demais combustíveis comumente utilizados em motores. Em contrapartida a baixa energia de ignição do H2, quando em contato com um ponto de calor, pode acarretar em um fenômeno conhecido como backfire. Nesta situação o hidrogênio entra em ignição quando ainda está no sistema de admissão em direção à câmara de combustão. Estudos comprovam que este fenômeno é mais propício a acontecer quando se utiliza a tecnologia de injeção indireta de hidrogênio. Para estes casos convém a utilização de sistemas de segurança que diminuem a ocorrência deste fenômeno no duto de admissão, como válvulas de antirretorno. Além disso, orienta-se que o sistema de injeção, quando atuar de forma indireta, seja instalado o mais próximo possível da válvula de admissão para que os danos no duto de admissão sejam minimizados em caso de ocorrência de backfire. Tabela 1 - Propriedades físicas dos combustíveis (Fonte: Adaptado de Venturi et. al., 2010
Uma das dificuldades de utilizar o hidrogênio como combustível automotivo está na sua forma de armazenamento. Devido à sua alta difusibilidade, o uso de tanques para armazenamento de hidrogênio requer uma alta tecnologia de vedação e uso de materiais resistentes a alta pressão, o que encarece consideravelmente o projeto, além de esbarrar em questões de segurança devido ao risco de vazamentos e explosão. Como alternativa à tecnologia de armazenamento, uma das possíveis soluções é o uso de hidrogênio gasoso resultante de um processo de eletrólise da água, através da utilização de um módulo acoplado no próprio veículo. O presente estudo consiste na aplicação do hidrogênio obtido através do processo de eletrólise como fonte alternativa e complementar a um motor do ciclo diesel. 2. Obtenção do H2 através da eletrólise O processo da eletrólise é uma reação química desencadeada a partir de uma fonte de energia externa ao sistema. O fornecimento da tensão e da corrente contínua é efetuado entre os eletrodos do eletrolisador, separados por um eletrólito com boa condutividade iônica, conforme mostra a figura 5. Figura 5 Dispositivo gerador de H2 e O2 (Fonte: Própria do Autor)
A reação total do processo de eletrólise da água, cuja molécula é quebrada em hidrogênio e oxigênio, é (Collings, 2012): A energia absorvida no processo é convertida em calor nos eletrodos e energia química na forma de hidrogênio gasoso. As reações nos eletrodos são descritas como: Neste processo, a água é consumida e somente dois elétrons estão envolvidos na dissociação de uma molécula da água. A mistura gasosa produzida pelo dispositivo, composto por moléculas estáveis de hidrogênio e oxigênio é conhecida pela literatura como gás HHO, ou hidroxi gás.
A eficiência do dispositivo gerador de HHO pode ser calculada pela razão entre a quantidade de energia disponível no gás HHO, pela quantidade de energia consumida pelo dispositivo gerador de HHO para a produção do gás, conforme descrito na Equação 19. Dispositivos modernos possuem eficiência entre 75% e 90% (Neto, 2008). Em que: : Eficiência do dispositivo gerador de HHO; : Quantidade de energia por tempo produzida no gás HHO produzido (W/s); : Potência consumida por tempo pelo dispositivo gerador de HHO (W/s); A potência consumida pelo dispositivo, por sua vez, pode ser calculada pela relação mostrada na Equação abaixo: Em que: - Tensão elétrica disponibilizada (V); - Corrente elétrica do dispositivo (A); A corrente elétrica do dispositivo é influenciada diretamente pela resistência das placas do dispositivo e da concentração do eletrólito na solução utilizada. A resistência, por sua vez, varia em função da temperatura do dispositivo e da precipitação de hidrogênio e oxigênio nas placas (Neto, 2008). Estudos mostram que a utilização de sistemas ligados ao dispositivo gerador de HHO, responsáveis por modular a corrente em pulsos a certa frequência, chamados de PWM, possibilita o aumento da produção do gás HHO para uma mesma quantidade de energia consumida pelo dispositivo (Neto, 2008). A utilização de PWM para pulsar a corrente do dispositivo possibilita o desprendimento das bolhas de oxigênio de hidrogênio das placas, reduzindo a resistência de sobretensão do dispositivo, aumentando sua eficiência.
3. Metodologia Para a realização dos testes de desempenho e emissões de gases foi utilizado um motor diesel de aplicação estacionária, para geração de energia em um grupo gerador. Desta forma, o motor foi projetado originalmente para operar em duas rotações fixas, 1500 rev/min ou 1800 rev/min, correspondentes às frequências de 50 e 60 Hz. Estas frequências são geradas de acordo com as características da rede elétrica da localidade em que o equipamento for instalado. O principal objetivo dos testes experimentais foi a avaliação de desempenho e emissões do motor-gerador, inicialmente funcionando com óleo diesel, e a comparação do funcionamento do motor sob mesmas condições de operação, porém com alimentação adicional de hidrogênio produzido a partir do sistema eletrolisador. Para a realização dos testes comparativos, foi definida como parâmetro principal de avaliação do desempenho a variação do consumo específico de óleo diesel em função da carga corrigida do motor. Considerou-se, para efeito de cálculo de eficiência térmica e desempenho do motor, que toda a quantidade de energia referente à parcela do HHO, assim como a quantidade de energia disponibilizada para a produção do gás está inserida no volume de controle. Uma vez que o motor avaliado é acoplado a um gerador de potência, foi definida a rotação constante de 1800 rpm ao longo do teste, variando-se apenas a carga de atuação do motor através de um banco de carga resistiva. Para a avaliação de emissões de CO e O2 utilizou-se um analisador de gases. O procedimento experimental se baseou na realização de 12 testes distintos, dentre os quais: três ensaios com o motor operando apenas com óleo diesel com 5% de biodiesel como combustível (condição denominada B5H0) e mais nove ensaios com o motor operando com óleo diesel e acoplado ao sistema gerador de hidrogênio (condições B5H1, B5H2 e B5H3). Conforme descrito anteriormente, estas nove curvas foram obtidas variando-se a corrente do dispositivo gerador de hidrogênio, resultando em diferentes vazões volumétricas de gás. Para cada modo de operação distinto, as cargas foram variadas de 0 kw a 37,5 kw, em um total de nove pontos distintos avaliados por teste. O valor máximo de 37,5 kw foi definido pois é a máxima carga permissível ao gerador, sem que haja variações ao longo das aquisições. Para cada teste, a aquisição dos dados ocorre de forma automática. Para o controle da temperatura de admissão e umidade relativa da sala de testes, utilizou-se um termo-higrômetro Delta Ohm 9406 cujos valores foram lidos e processados automaticamente ao longo dos testes. A medição da pressão barométrica foi feita a partir de um barômetro de Torricelli.
Para o controle da temperatura de entrada e saída do fluido de arrefecimento do motor na saída do motor e entrada foram utilizados Termorresistores de platina, modelo PT100. A temperatura dos gases de exaustão foi medida, através da utilização de um termopar. Para o controle da carga atribuída ao motor, foi utilizado um banco de cargas resistivas, através do qual a energia elétrica gerada pelo alternador do motor estacionário pode ser consumida e controlada. Para uma melhor troca térmica e maior eficiência, o banco foi instalado na parte externa da sala de testes. A leitura das cargas resistivas do banco foi feita através de um painel de leitura de corrente e tensão. Com base nos valores lidos, foi aplicada a correção de potência, conforme a norma SAE INTERNACIONAL J1346. CONCLUSÃO Neste trabalho, pudemos chegar às seguintes conclusões: A taxa geração de hidrogênio obtida pelo processo de eletrólise da água se mostrou linear em relação à quantidade de energia requerida pelo sistema. O dispositivo utilizado apresentou condições estáveis de produção do gás HHO nas respectivas condições testadas (B5H1, B5H2 e B5H3). Nas condições B5H1 e B5H2, utilizou-se a técnica de modulação do pulso de corrente elétrica (PWM), para reduzir a tensão média do sistema. Na condição B5H2, o PWM foi configurado em 90% ligado e 10% desligado, a uma frequência de 10 Hz, o que proporcionou a redução de 36% da corrente elétrica do dispositivo, quando em condições originais de funcionamento. Na condição B5H1, o PWM foi configurado em 50% ligado e 50% desligado, a uma frequência de 10 Hz, resultando na redução de 77% da corrente elétrica, comparando com a condição B5H3. Em ambos os resultados, não houve redução ou aumento da eficiência de geração do gás. Em condições gerais, a adição de hidrogênio obtido pelo processo da eletrólise da água não apresentou resultados significativos para a redução do consumo específico de óleo diesel, quando comparado com as condições originais de funcionamento do motor. Entre os modos de funcionamento com hidrogênio, a condição B5H1 apresentou os melhores resultados de consumo, cerca de 1,4% menor quando comparado com a condição B5H0 e cerca de 4% menor quando comparado com as condições B5H2 e B5H3. Da mesma forma, houve uma redução na eficiência térmica do motor proporcionalmente aos resultados encontrados de consumo de óleo diesel. Os resultados insatisfatórios explicam-se pela característica do motor avaliado e suas condições de funcionamento. A rotação de 1800 rpm e o atraso de ignição de 33 BTDC não são condições favoráveis para a adição de hidrogênio.
Observou-se um aumento nas emissões de CO2 nos modos de operação com hidrogênio, quando comparados com a condição original de funcionamento do motor. Este resultado é proporcional ao aumento de consumo de óleo diesel observado. Houve uma redução nas emissões de O2 proporcionalmente à quantidade de hidrogênio admitida pelo motor, indicando que houve uma redução na razão ar combustível nos modos de operação com hidrogênio. REFERÊNCIAS [1] CONSELHO NACIONAL DE POLÍTICA ENERGÉTICA (CNPE). Plano Nacional de Energia (PNE) 2030, Brasília, 2007. [2] EXXON MOBIL. International Energy Outlook: A view to 2040, Corporate Headquarters, 5959 Las Colinas Blvd, Irving, Texas 75039-2298, 2012.