Estudio experimental de la inflamabilidad de mezclas gaseosas de CH4, H2 y CO2 en aire y su potencial energético

Resumen

La crisis medioambiental actual ha llevado a la Unión Europea a marcar ambiciosos objetivos de descarbonización para 2030 y 2050. Alcanzarlos depende de la capacidad de investigadores e industria de encontrar nuevos sistemas energéticos que permitan un suministro estable, eficiente y seguro. En este escenario, los gases renovables como el biogás y el hidrógeno cobran gran importancia, a pesar de que su integración en el sistema energético convencional aún debe superar barreras tecnológicas, económicas y sociales. En concreto, es esencial mejorar aspectos como la eficiencia de combustión del biogás, o los problemas de seguridad industrial asociados al uso y manejo del hidrógeno. De entre todas las técnicas desarrolladas en los últimos años para mejorar estas condiciones, este trabajo se centra en el enriquecimiento de combustibles gaseosos con hidrógeno. Esta técnica se ha estudiado y aplicado en las últimas décadas para mejorar las características de combustión del gas natural, llegándose a inyectar actualmente hasta un 5% de hidrógeno en la red gasista. Las mezclas CH4-H2 tienen por tanto un gran potencial energético. En los sistemas de producción de energías renovables, como en las plantas de biogás, encontramos esta mezcla junto a otros gases como el CO2, ya que es el componente principal del biogás. El CO2 es un gas inerte con un gran impacto en la combustión y en las características de inflamabilidad de la mezcla en aire, por lo que el objetivo principal de esta investigación es establecer las condiciones de utilización segura y el aprovechamiento energético óptimo de las mezclas metano-hidrógeno en aire, en presencia o no de dióxido de carbono. Para ello, se ha llevado a cabo un exhaustivo estudio experimental centrado, en primer lugar, en las características de inflamabilidad de las mezclas CH4-H2-CO2 en aire. Se han evaluado parámetros como los límites inferior y superior de inflamabilidad, la concentración límite de oxígeno y las regiones inflamables de las mezclas ternarias y cuaternarias. Los ensayos se han llevado a cabo en el ruptor de seguridad intrínseca o STA, para lo que se ha desarrollado un nuevo método experimental basado en la representación gráfica de los parámetros de inflamabilidad en los diagramas ternarios. Además, para una mayor comprensión del efecto dual del hidrógeno y el dióxido de carbono en la mezcla cuaternaria, se presenta en este estudio un nuevo gráfico tridimensional. Este gráfico se diseña para evaluar el efecto de la adición del H2 a la región inflamable del CH4 en presencia de CO2. Por último, una vez establecidas las condiciones seguras de operación de la mezcla cuaternaria, se ha estudiado su comportamiento en la combustión. Parámetros de eficiencia como la temperatura y composición de gases de escape, o de estabilidad de combustión como el comportamiento de ignición o la estructura de llama se han analizado en un quemador convencional de gas natural de 100 kW. Las pruebas se realizaron para tres composiciones diferentes de biogás: BG70 (30% de CO2), BG60 (40% de CO2) y BG50 (50% de CO2). Para lograr una mayor estabilidad de la llama, cada biogás se enriqueció con hidrógeno del 5% al 25%. Los resultados revelan un volumen de mezclas inflamables menor al esperado, lo que se debe principalmente a la demanda de oxígeno del CH4 y el H2 en la mezcla. Los resultados de inflamabilidad obtenidos se relacionan estrechamente con los resultados experimentales de combustión, confirmando la dificultad de quemar biogás en sistemas convencionales. Tras el análisis de resultados se observa que la adición de hidrógeno implica mejoras en los parámetros de combustión lo que supone también un aumento de las regiones inflamables de metano en aire. Este efecto queda contrarrestado por el CO2, desestabilizando la combustión y reduciendo la temperatura y por tanto la energía aprovechable. Los puntos óptimos de operación se detallan en este estudio.