# Análisis 150: Mezcla de hidrogeno y amoniaco para una combustión en turbina de gas

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FXgRqPpiF9bWM7KeF3nYt%2Findustryversion.png?alt=media&#x26;token=41333722-0dff-4ee0-a410-5a3228fabf26" alt=""><figcaption><p>(solo versión profesional)</p></figcaption></figure>

El amoníaco se perfila como una alternativa viable a los combustibles fósiles en los sistemas de combustión, contribuyendo a la reducción de las emisiones de carbono. Sin embargo, su uso presenta desafíos, como las emisiones de NO<sub>x</sub> y la baja velocidad de la llama, por lo que es necesario aspectos innovadores para lograr optimizar su uso. El NH<sub>3</sub> puede emplearse directamente como combustible sin necesidad de descomposición. El amoníaco generalmente se almacena en forma líquida y puede suministrarse a los sistemas de combustión tanto en forma gaseosa como líquida.

El amoníaco, como posible portador de energía renovable, ha despertado recientemente un renovado interés en el sector energético, debido a su alta densidad energética volumétrica y a su practicidad en términos de almacenamiento y distribución.

La mezcla de hidrógeno con amoníaco ofrece una solución sinérgica para mejorar las propiedades de\
combustión. El hidrógeno, gracias a su alta reactividad, actúa como promotor de la combustión, permitiendo el potencial libre de carbono del amoníaco, a la vez que mejora la estabilidad de la llama. Si elegimos adecuadamente las proporciones volumétricas de ambas sustancias, podemos conseguir velocidades de llama comparables a las del gas natural, (como la mezcla empleada en este análisis, de 70 % de NH<sub>3</sub> y 30 % de H<sub>2</sub>)  lo que la convierte en una buena opción para su incorporación en los sistemas energéticos actuales. Cuando se mezclan ambas sustancias, la velocidad de combustión (acelera considerablemente la propagación de la llama) del NH<sub>3</sub> mejora debido a la mayor cantidad de átomos de H<sub>2</sub> en la llama con la adición de H<sub>2</sub>, ampliando los límites de inflamabilidad del NH<sub>3</sub>. Además, la descomposición del amoníaco puede garantizar un suministro estable de hidrógeno, lo que mejora aún más la eficiencia de la combustión y minimiza las complejidades logísticas.&#x20;

Sin embargo, el uso de amoníaco como combustible conlleva importantes emisiones de NO<sub>x</sub>, lo que exige la implementación de estrategias avanzadas como la recirculación de gases de escape. Es conocido que al incrementar la proporción de mezcla de hidrógeno en el combustible (mezcla amoníaco-hidrógeno) se consigue una reducción de las emisiones de NOx, teniendo además un efecto positivo en la mejora de la estabilidad de la combustión.

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FPFnsXPjoi3oN71gTrseL%2FP150-1.png?alt=media&#x26;token=2190be97-4198-48a4-8dc0-b5a1e4601a6e" alt=""><figcaption><p>Tª adiabática para el hidrógeno</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FCE34sSFxR3FaeHYcLs1Z%2FP150-2.png?alt=media&#x26;token=41f09f82-98ae-4e2b-8d8f-e6a2e2896ac4" alt=""><figcaption><p>Tª adiabática para el metano</p></figcaption></figure>

La temperatura de llama adiabática del amoníaco es inferior a la del hidrógeno y el gas natural,  registrada a 1835 °C, en comparación con 2252 °C y 2054 °C, respectivamente. Esta menor temperatura y la ausencia de CO2 en los gases de escape reducen la transferencia de calor radiativa, lo que retrasa la combustión. La velocidad de combustión laminar del amoníaco también es inferior a la del hidrógeno y el gas natural, con velocidades registradas de 0.07 m/s, 2.91 m/s y 0.37 m/s, respectivamente. Su estrecho rango de inflamabilidad plantea desafíos adicionales para la ignición.&#x20;

Una preocupación importante con la combustión del amoníaco es el potencial de emisiones de NO<sub>x</sub>. Aunque la combustión estequiométrica del amoníaco no produce NO<sub>x</sub>, las condiciones reales pueden provocar la formación de radicales que contienen nitrógeno y las consiguientes emisiones de NO<sub>x</sub>. Sin embargo, las tecnologías avanzadas para la eliminación de NO<sub>x</sub>, como la reducción catalítica selectiva (SCR), pueden mitigar estas emisiones y, curiosamente, el amoníaco del combustible podría utilizarse en este proceso. El riesgo de inquemados de amoníaco también es preocupante debido a su toxicidad, y el amoníaco puede causar corrosión en los materiales, lo que requiere una cuidadosa selección de materiales. Se han desarrollado diversas estrategias para mejorar el proceso de combustión, como el uso de amoníaco gaseoso, la adición de aditivos de combustión y el empleo de agitadores y soportes de llama, todos los cuales han demostrado mejorar la estabilidad y la eficiencia de la combustión, a la vez que reducen las emisiones de NO<sub>x</sub>.

Hay algunas evidencias de que el uso de amoníaco e hidrógeno como combustibles no puede proponerse de forma segura debido a su toxicidad y reactividad. De hecho, existen varios\
riesgos asociados a la quema de estos combustibles:&#x20;

\- El hidrógeno es difícil de detectar, al arde con una llama incolora. Además, a diferencia de la\
mayoría de los gases comunes, aumenta su temperatura cuando se fuga de una fuente de alta presión (efecto Joule-Thompson inverso).

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FrVIEm7F3diViQOMJxkd6%2FP150-3.png?alt=media&#x26;token=7671ce52-b0f1-413a-9ee6-3600a4c90fc7" alt=""><figcaption><p>Efecto Joule-Thompson</p></figcaption></figure>

&#x20;Afortunadamente, el hidrógeno no es tóxico ni cancerígeno, pero puede actuar como asfixiante. No obstante, se disipa rápidamente cuando se libera porque es mucho más ligero que el aire, lo que permite una dispersión relativamente rápida del combustible en caso de fuga.

El amoníaco generalmente se considera no inflamable. Sin embargo, en altas concentraciones y en ciertas condiciones atmosféricas, presenta peligro de incendio y explosión (se debe prestar especial atención a los protocolos de sellado y seguridad de los sistemas). El fuego produce gases irritantes, corrosivos y tóxicos. El NH<sub>3</sub> puede corroer materiales como el cobre y ciertos plásticos. El amoníaco también puede descomponerse a altas temperaturas, formando hidrógeno.

En los motores de encendido por chispa, la resistencia del NH<sub>3</sub> a la autoignición requiere\
relaciones de compresión elevadas, lo que complica el diseño del motor. Para evitarlo, la investigación se ha centrado en mezclar NH<sub>3</sub> con combustibles más reactivos o en utilizar sistemas de combustible dual, donde se inyecta una pequeña cantidad de combustible similar al diésel para encender la mezcla de NH<sub>3</sub> y aire.

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FXefASm2yefVn14BxvBWW%2FP150-4.png?alt=media&#x26;token=3d1ef0c6-3681-4323-9e2d-f1b900c679cb" alt=""><figcaption><p>Poder calorífico del H2 gaseoso</p></figcaption></figure>

El hidrógeno, a pesar de su alto contenido energético por masa (120 MJ/kg, PCI), la baja densidad del hidrógeno requiere soluciones de almacenamiento complejas, lo que lo hace menos ideal para aplicaciones de uso marítimo y aeronáutico de largo alcance.

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FFVxZXl9csBjDeLcRnEZV%2FP150-5.png?alt=media&#x26;token=10663ff7-9069-4b12-a6c5-85547727bcee" alt=""><figcaption><p>Poder calorífico del NH3</p></figcaption></figure>

El amoníaco, por otro lado, ofrece una energía específica por masa menor (18.6 MJ/kg, PCI), pero puede\
almacenarse en forma líquida a presiones moderadas, lo que lo hace más viable para aplicaciones de propulsión marítima.

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FuCn5MUh99av9CbAReCRk%2FP150-6.png?alt=media&#x26;token=06c8625b-b9e9-4bce-8403-5e48f74b2380" alt=""><figcaption><p>Propiedades del NH3</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FXnOUrF962JkNymBa0e8V%2FP150-7.png?alt=media&#x26;token=6f6e5a3e-c37a-4f47-ba42-46fc43f91d26" alt=""><figcaption><p>Propiedades del NH3</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FLFpBpMuI5LvLxZKil8oU%2FP150-13.png?alt=media&#x26;token=8a9a8167-61cc-44b4-bab2-eac6301d7cd0" alt=""><figcaption><p>Condiciones de la combustión</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FFPIuKwVic0Mzw5RYwlhh%2FP150-16.png?alt=media&#x26;token=94148b4f-4158-4cab-99e0-8a67fe989756" alt=""><figcaption><p>Mezcla de combustibles</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FIaOErEahoFGRbXLGJn2L%2FP150-14.png?alt=media&#x26;token=3ee3e270-8e81-49cb-8a8b-ed0900056d8a" alt=""><figcaption><p>Modo disociación química (equilibrio químico)</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2Ff6sxeEOHK3grIwooaMI4%2FP150-29.png?alt=media&#x26;token=a8cd3af9-86fe-4a9a-b2e3-5ce22f026ab8" alt=""><figcaption></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FwE6wfkt1SMaEMXsgFykZ%2FP150-15.png?alt=media&#x26;token=8fb805e1-2831-4378-9117-3176c9313475" alt=""><figcaption><p>NOx en modelo de equilibrio químico con 30% H2 y 70% NH3</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FBNXortRpachmpsa8Qjme%2FP150-8.png?alt=media&#x26;token=f80ba644-63cd-4f1f-9168-9990725df187" alt=""><figcaption><p>NOx en modelo de equilibrio químico con 30% H2 y 70% NH3</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FCEAohinLqmmCAW0mkdR4%2FP150-12.png?alt=media&#x26;token=74dfd7b4-46b1-4e35-b1b7-6dac28971df5" alt=""><figcaption></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2Fky4PfksRJ1eLswIjxQir%2FP150-11.png?alt=media&#x26;token=7542cbbd-afcc-4347-be0c-696985d50b30" alt=""><figcaption><p>NOx en modelo de equilibrio químico con 100% H2</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FtJreojKLXiRYgImFsCvU%2FP150-10.png?alt=media&#x26;token=fbd3bb2d-64c4-4084-8884-cc2a5488f200" alt=""><figcaption><p>NOx en modelo de equilibrio químico con 100% H2</p></figcaption></figure>

Turbina de gas (análisis energético y exergético): 30% H2 y 70% NH3

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2Fnh117qSGavTpBCV7HZGX%2FP150-17.png?alt=media&#x26;token=fbeee5dc-46e1-4d2d-9cf6-70c4466fab33" alt=""><figcaption><p>Central térmica con TG</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FEfumusRD9Veo9vcYRID6%2FP150-27.png?alt=media&#x26;token=108ee13f-d724-4578-9f67-4bf34f4ede81" alt=""><figcaption><p>Poderes caloríficos, 30%H2 y 70%NH3</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FIE9tu54HFPkWW89iaZnI%2FP150-28.png?alt=media&#x26;token=4a6b809d-273c-4d8f-b084-0a7f21050a45" alt=""><figcaption><p>Propiedades, 30%H2 y 70%NH3</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FBLfgJ0IloSoIkwSvmbay%2FP150-18.png?alt=media&#x26;token=3e4d5bd7-798f-4b04-a36d-bedca9051201" alt=""><figcaption><p>Temperatura adiabática de la llama</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2Fr0wmd9vpsJaC8qtWcck0%2FP150-19.png?alt=media&#x26;token=fd2a4482-f573-4aff-b223-6434d96abecd" alt=""><figcaption><p>Balance de energía</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2Fnj9xUCDyCdcQm3GXy4O0%2FP150-20.png?alt=media&#x26;token=2e97078b-2aa3-4b2e-9125-9262f665184c" alt=""><figcaption></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FQU7R6vYdDHEI522wqMHC%2FP150-21.png?alt=media&#x26;token=a840c4f0-6184-4240-a36b-ab9768037245" alt=""><figcaption></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FEKGGSN05WGeIe2c99iup%2FP150-22.png?alt=media&#x26;token=08cd794e-2826-4b56-9118-053084353ea6" alt=""><figcaption><p>Diagrama de Sankey</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FFxJ0DAWlmgjQUf69AVVO%2FP150-23.png?alt=media&#x26;token=887da6ec-9901-48d3-86ae-4f5ab6089cb3" alt=""><figcaption><p>Análisis de exergía</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FgzD8LeBh6PXC509lyLT9%2FP150-24.png?alt=media&#x26;token=58ab8fc5-8d37-4ad4-a1b7-605ad69954f1" alt=""><figcaption></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FiYobUTwBRX1q6uaYpZeQ%2FP150-25.png?alt=media&#x26;token=0e79dd6b-1ee2-4a85-b70b-37dda2f3527b" alt=""><figcaption><p>Análisis de exergía</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2F8ROjRnenv6knvcojxpJA%2FP150-26.png?alt=media&#x26;token=b242ce82-be6b-4e5f-9f3a-33a4e1435878" alt=""><figcaption><p>Diagrama de Grassmann</p></figcaption></figure>

Turbina de gas (análisis energético y exergético): 100% H2&#x20;

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FR7epyqjnxyvgqfBT4DVy%2FP150-30.png?alt=media&#x26;token=2e15a55f-12f8-46b0-9600-82ac0d57c53c" alt=""><figcaption><p>Temperatura adiabática de la llama</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FKgih9RIZlttkIfEpa2GN%2FP150-31.png?alt=media&#x26;token=48c82416-6185-41c4-a28c-f7b548b192e7" alt=""><figcaption><p>Diagrama de Sankey</p></figcaption></figure>

<figure><img src="https://2560597899-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FLkHubMayHg3IFaHzzF7c%2Fuploads%2FKirBpw6yLf0gjBMpSynb%2FP150-32.png?alt=media&#x26;token=270cd78a-a785-4cff-8015-937fa25e4554" alt=""><figcaption><p>Diagrama de Grassmann</p></figcaption></figure>
