Oxy-combustion potential assessment in a spark ignition engine for CO2 capture

Abstract

[ES] Con el fin de mitigar el impacto ambiental producto de la actividad humana, los principales países del mundo buscan activamente planes de desarrollo sostenibles para que los diversos sectores productivos mantengan su actividad de forma eficiente y al mismo tiempo minimizando los contaminantes producidos. Para paliar dicha problemática la Comisión Europea ha puesto como objetivo para el año 2030 reducir un 40% las emisiones de gases de efecto invernadero (CO2, CH4 y gases fluorados entre otros), como así también aumentar la eficiencia energética del territorio europeo un 32.5%. Adicionalmente, se busca reducir la polución de las zonas urbanas producida por el CO, HC, NOx y PMx con el fin de mejorar la calidad del aire, ya que estos productos se registraron como los causantes de 490.000 muertes prematuras en el año 2018. Por estas razones se ha establecido como objetivos prioritarios la descarbonización del sistema energético, la generación de una economía circular y el desarrollo de un transporte sostenible.

Uno de los sectores con mayores emisiones es el del transporte, representando un 25% de las emisiones que contribuyen al efecto invernadero dentro del continente europeo. Como alternativa para solucionar la problemática, surge la electrificación de los vehículos. Si bien esto reduciría a cero las emisiones locales, los motores eléctricos presentan una baja autonomía y un alto tiempo de recarga de las baterías. Se ha planteado como solución en los últimos años acoplar un motor de combustión interna de forma que trabaje de manera hibrida con el motor eléctrico para solventar las limitaciones de este último, pero debido a que se continúa haciendo uso de un MCIA operando con combustión convencional, seguimos estando ante la presencia de un sistema que produce emisiones contaminantes. Finalmente, cabe destacar que las soluciones mencionadas, a día de hoy, son inviables en sectores como el transporte marítimo o maquinaria pesada, así como en aplicaciones estacionarias.

Considerando otras tecnologías en desarrollo, surge como alternativa prometedora la implementación de un MCIA operando bajo el concepto de la oxicombustión. En este caso, a diferencia de la combustión convencional, el proceso de oxicombustión se lleva a cabo en un ambiente altamente enriquecido con O2, en el cual se controla las altas temperaturas a partir de la recirculación de los gases de escape (EGR por sus siglas en inglés), compuestos principalmente por CO2 y vapor de H2O, en lugar de N2. Dentro de los beneficios que conlleva la implementación de la oxicombustión está la posibilidad de capturar el CO2 para su uso como subproducto en una economía circular. Por otra parte, gracias a la ausencia de N2 en el comburente se eliminarían los NOx producidos por las altas temperaturas de la combustión.

En el mencionado contexto, este trabajo de fin de Master busca establecer los rangos de operación en los que podría funcionar un MCIA de encendido provocado operando con oxicombustión, sin superar sus límites termo-mecánicos. Para lograr este propósito es de vital importancia analizar el proceso de combustión, por ello, en primer lugar se validará una metodología mediante el acople de simulaciones 0D-1D y CFD para determinar la ley de combustión en un cilindro cuya composición presenta altas concentraciones de O2. Con esta metodología validada, se estudiarán distintos niveles de EGR con el fin de establecer el mínimo porcentaje de O2 necesario para no superar las temperaturas límite de los materiales y el máximo valor que podría utilizarse sin degradar drásticamente la combustión.

[EN] To mitigate the environmental impact caused by human activity, the world¿s main countries actively pursuit sustainable development plans so that productive sectors maintain their activity efficiently while minimizing the pollutants emissions. In particular, the European Commission has set a goal for 2030 to reduce greenhouse gas emissions by 40% (CO2, CH4 and fluorinated gases, among others), as well as to increase the energy efficiency of the European territory by 32.5%. Additionally, it seeks to reduce the pollution of urban areas produced by CO, HC, NOx and PMx to improve air quality, since these products were recorded as causing 490.000 premature deaths in 2018. For these reasons, the decarbonization of the energy system, the generation of a circular economy and the development of sustainable transport have been established as priority objectives.

Transport sector represent 25% of the emissions that contribute to the greenhouse effect within the European continent. The electrification of vehicles appears as an alternative to reduce the pollutants produced by the transport sector. Although this would diminish local emissions to zero, electric motors have still a low autonomy and a long battery recharging time. Hybrid systems have been proposed to deal with these disadvantages, but these systems have an internal combustion engine (ICE) that still produces pollutant emissions. Finally, it should be noted that the aforementioned solutions based on electrification are unfeasible in the maritime sector, in heavy duty vehicles or in stationary applications.

Considering other technologies under development, the implementation of an ICE operating under the oxy-fuel combustion concept arises as a promising solution. In this case, unlike conventional combustion, the oxy-fuel combustion process is carried out in a highly enriched O2 environment, in which high temperatures are controlled from the exhaust gases recirculation (EGR), composed mainly of CO2 and H2O vapor, instead of N2. Among the benefits of oxy-fuel combustion there is the possibility of capturing CO2 to be used in a circular economy. On the other hand, the NOx produced due to the high combustion temperatures would be eliminated thanks to the absence of N2 in the oxidizer.

In this context, this Master thesis aims to establish the operating range where oxy-combustion spark ignition engines can operate in optimal conditions without exceeding the thermo-mechanical limits of the engine. For this purpose, the combustion process needs to be analyzed, thus a methodology based on coupling 0D-1D and CFD simulations will be validated to determine the heat release law in a highly enriched O2 atmosphere. With this validated methodology, different EGR levels will be studied to set the minimum O2 concentration necessary to avoid exceeding the temperatures limit of the materials and the maximum value that could be used without causing a combustion degradation.