Cómo reaccionan los combustibles alternativos ante el frío extremo

Recientemente, Power Progress informó sobre una investigación realizada por la Asociación de Transporte Motorizado de Alberta (AMTA) de Canadá sobre el uso de combustible de hidrógeno en temperaturas extremadamente frías.

Resulta que cuando el mercurio baja, otros combustibles alternativos enfrentan desafíos similares.

Jeffrey D. Naber, profesor Richard & Elizabeth Henes de Sistemas Energéticos en la Universidad Tecnológica de Michigan, utilizó el diésel fósil en motores de encendido por compresión como punto de referencia.

“El combustible diésel tiene una volatilidad relativamente baja”, dijo Naber. “Eso significa que es difícil vaporizarlo y mezclarlo a bajas temperaturas. Tiene algunas parafinas, por lo que normalmente comenzará a formar cera a bajas temperaturas”.

Según Matt Leuck, gerente técnico de Transporte Terrestre Renovable para América del Norte del fabricante de combustible sustentable Neste, el funcionamiento en climas fríos del combustible diésel es una función de los tipos de moléculas que contiene el combustible.

“Si las moléculas de diésel son más pesadas y de cadena más larga, se solidificarán más rápido”, dijo. “Si las moléculas de diésel son más ligeras y de cadena más corta, permanecerán líquidas durante más tiempo”.

Los aditivos permiten que el combustible diésel fluya a temperaturas más bajas para operar en climas fríos sin ser demasiado volátil para el uso en verano, dijo Naber, así como otros métodos para promover la ignición.

“Dependemos del calor de la compresión y posiblemente de otros mecanismos para lograr temperaturas en el cilindro que permitan que el combustible se encienda automáticamente”, dijo.

HVO y biodiesel

Una alternativa al diésel fósil en los motores de encendido por compresión es el diésel renovable, también conocido como aceite vegetal hidrotratado (HVO). Leuck dijo que si bien no es posible abordar las bajas temperaturas una vez que se ha producido diésel renovable, se puede hacer mucho en el proceso de refinación para abordar el funcionamiento en climas fríos.

Neste MY Renewable Diesel en la parada de camiones de KW Rastall Oil en North Brunswick, Nueva Jersey. Neste anunció recientemente una asociación con el municipio de North Brunswick para permitir que todos los vehículos y equipos diésel del municipio cambien a diésel renovable. (Foto: KW Rastall Oil)

“Básicamente, podemos decir que queremos fabricar este tipo de combustible”, dijo Leuck. “Podemos decir que queremos fabricar un punto de enturbiamiento de X, Y o Z, y podemos lograrlo cualquier día de la semana gracias a la tecnología que tenemos en el proceso de producción”.

Leuck agregó que el punto de enturbiamiento es el punto en el que comienzan a formarse cristales de cera.

Otra alternativa al diésel fósil es el biodiésel, que también se produce a partir de materias primas similares al diésel renovable, pero mediante un proceso de refinado diferente. Sin embargo, según Naber, no se comporta de forma muy diferente al diésel fósil en condiciones de frío extremo.

“El biodiésel tiende a tener largas cadenas [de hidrocarburos] y tiende a formar ceras como el combustible diésel, por lo que tiene un problema a bajas temperaturas”, dijo Naber.

Leuck dijo que, a diferencia del diésel renovable, el proceso de refinación del biodiésel junto con los tipos de materias primas limitan lo que los productores pueden hacer para adaptarlo a temperaturas extremadamente frías.

“Sólo pueden descomponer la materia prima, pero no pueden volver a introducir más hidrógeno en esa molécula de combustible”, dijo Leuck, refiriéndose al proceso de hidrotratamiento del diésel renovable que crea hidrocarburos parafínicos. Agregó que el proceso de biodiésel no permite la isomerización de las moléculas, que es el paso en el proceso de refinación del diésel renovable que realmente define sus propiedades en climas fríos.

Naber dijo que los compuestos parafínicos (aquellos que son de cadena larga, cadena lineal o isoparafínicos) tienen un número de cetano alto.

“El índice de cetano es su capacidad característica de autoencenderse”, dijo. “Eso es bueno. Cuantos más cetanos tenga, cuantos más parafínicos tenga, menor será la temperatura a la que se autoencenderá”.

Agregó: “Dependiendo de cómo se produzca el diésel renovable, por lo general (nuevamente, depende del proceso) tiende a tener más de estos hidrocarburos de cadena larga que tienen un índice de cetano más alto. También tienen menos capacidad de generar hollín. Pero estos combustibles suelen tener puntos de encerado más altos”.

Opciones de encendido por chispa

También existen combustibles alternativos para los motores de encendido por chispa. Uno de los que se utiliza con frecuencia es el etanol, que según Naber “tiene una baja volatilidad, por lo que tampoco es bueno para los arranques a bajas temperaturas”.

Agregó: “Podríamos recurrir a combustibles gaseosos. La ventaja de un combustible gaseoso es que no tengo que vaporizarlo”.

Tanto el gas natural licuado (GNL) como el gas licuado de petróleo (propano o GLP) todavía se vaporizarán en condiciones normales, incluso a bajas temperaturas, dijo Naber.

Un tanque de almacenamiento de gas natural licuado (GNL). (Foto: Adobe Stock)

“Uno de los desafíos del gas natural es que, al igual que el aire, cuando se expande, se enfría”, dijo Naber. “Tengo que expandirlo desde el tanque de alta presión, por lo que el enfriamiento puede ser bastante significativo”.

Agregó que los intercambiadores de calor pueden garantizar que el combustible que ingresa al cilindro no esté demasiado frío.

En los motores de combustión interna, dijo Naber, el hidrógeno funciona de manera similar.

“Necesito tener hidrógeno licuado almacenado criogénicamente, o podría tenerlo en un tanque comprimido”, dijo. “No se enfría tanto cuando se expande. Tiene diferentes propiedades termodinámicas”.

Sin embargo, al igual que el gas natural y el GLP, no necesita vaporizarse.

“Solo necesito mezclarlo (obtener la cantidad correcta con aire) y encenderlo con una chispa”, dijo Naber.

El desafío con los motores de encendido por chispa a temperaturas frías es obtener la mezcla estequiométrica correcta de combustible y aire en el momento del encendido por chispa, dijo Naber.

A pesar de estos desafíos, los motores son mejores que muchas otras tecnologías para operar en condiciones de frío extremo.

“Si piensas en un motor, en realidad puede funcionar a un conjunto extremo de temperaturas en comparación con casi cualquier otro dispositivo que puedas imaginar”, dijo Naber. “Las baterías tienen problemas a bajas temperaturas. Las pilas de combustible tienen problemas a bajas y altas temperaturas. Por lo tanto, un motor es bastante resistente a la temperatura en general”.

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