Muhammad Armaghan, Product Manager de Generac Power Systems

En los generadores alimentados con gas natural, un método habitual para reducir y controlar los niveles de emisiones es utilizar catalizadores y el control de la relación aire-combustible (RAC). Esto se puede aplicar a un motor de mezcla rica o pobre. La elección entre los dos tipos depende de las necesidades de aplicación del cliente.

En aplicaciones de emergencia, las ventajas de las tecnologías de mezcla rica son mayores que las de una mezcla pobre. Entre estas ventajas, destacan sus menores emisiones, un mejor arranque y aceptación de la carga (incluidos los bloques de carga) y una tolerancia superior de las condiciones ambientales de funcionamiento.

En este documento, se revisan todos los enfoques de la relación aire-combustible y se explica por qué la alternativa de mezcla rica es más apropiada para las soluciones de suministro para casos de emergencia.

El cambio hacia los generadores de gas natural se ha acelerado gracias al bajo coste del gas natural y a la amplia demanda de generación de energía limpia.

Introducción
El interés por los generadores de gas se ha acelerado gracias al bajo coste del gas natural y a la amplia demanda de generación de energía limpia. Es probable que los cortes de suministro provocados por inclemencias climáticas o sobrecargas en la red continúen impulsando la demanda de generadores de gas natural en el sector industrial. El gas natural es una fuente de combustible prácticamente ilimitada y sus propiedades de combustión limpia representan un coste mínimo o nulo en comparación con el costoso tratamiento posterior de los gases de escape de los grupos electrógenos diésel actuales. Como dato, se espera que el segmento de mercado de grupos electrógenos a gas crezca hasta los 1.600 millones de dólares en Norteamérica para el año 2022.

No obstante, un método popular para reducir y controlar los niveles de emisiones es utilizar la reducción catalítica y el control de la relación aire-combustible. La elección entre la relación aire-combustible de una “mezcla pobre” o una “mezcla rica” depende de las necesidades de aplicación del cliente, con respecto a la flexibilidad, fiabilidad y coste del combustible, y el cumplimiento de la normativa vigente. Los motores de gas de mezcla pobre a veces funcionan con cargas más altas, pero los motores de mezcla rica pueden lograr niveles de emisión más bajos y, en general, tienen una mayor capacidad de carga transitoria.

Generadores de gas natural y sus tipos de combustión
Los generadores alimentados con gas natural pueden clasificarse en función de la relación aire-combustible (RAC) con la que funcionan. Generalmente, esto se representa mediante el signo lambda (λ).  A continuación, se presentan los tres tipos de RAC:

• Estequiométrica:  la RAC estequiométrica contiene una proporción precisa de aire y combustible, y produce una combustión químicamente completa. El factor lambda (λ) de la RAC estequiométrica equivale a 1,00. En una mezcla con una RAC estequiométrica, hay suficiente aire para quemar cada molécula de combustible.
• Mezcla rica: los motores de mezcla rica funcionan con una RAC con una concentración más alta de combustible en el aire. Se trata de una mezcla “rica en combustible”. Los motores de mezcla rica normalmente funcionan con un factor lambda (λ) igual a 0,995.
• Mezcla pobre: los motores de mezcla pobre funcionan con una RAC que tiene una menor concentración de combustible en el aire, lo que la convierte en una mezcla “pobre en combustible”. Los motores de mezcla pobre funcionan con un factor lambda (λ) de entre 1,5 y 2,2.  Esto significa que puede haber el doble de aire del que teóricamente se necesita para quemar cada molécula de combustible.

Motores de mezcla rica frente a motores de mezcla pobre para soluciones autónomas
Aproximadamente el 80 % del mercado global de generadores son para aplicaciones de reserva para situaciones de emergencia. En una aplicación hospitalaria, la capacidad del generador para arrancar y aceptar carga puede ser una cuestión de vida o muerte. Por lo tanto, en aplicaciones de emergencia, el uso de motores de mezcla rica, en general, ha demostrado ofrecer ventajas significativas sobre los motores de mezcla pobre, ya que:

• Proporcionan sistemáticamente un mejor arranque del generador y aceptación de la carga para el uso en emergencia.
• Son excelentes para aceptar bloques de carga debido al mayor contenido de energía de la RAC.
• Tienen la capacidad de proporcionar potencia de salida nominal a mayores altitudes y a temperaturas ambiente más altas debido a sus requisitos mínimos de turboalimentación.
• Tienen una mayor tolerancia a las variaciones en la calidad del combustible y, al quemarlo, producen un índice de metano más bajo debido a las características inherentes de la combustión de mezclas ricas.

Por el contrario, la tecnología de mezcla pobre ofrece un rendimiento y unas capacidades de aceptación de bloques de carga deficientes a temperaturas y altitudes más altas. La mayoría de los motores de mezcla pobre también requieren un tratamiento posterior de los gases de escape mediante reducción catalítica selectiva (SCR), que es costoso y requiere un alto mantenimiento. Las normativas locales sobre emisiones pueden permitir el funcionamiento de los motores de mezcla pobre sin una SCR, pero aun así se les puede exigir que tengan un catalizador de oxidación para controlar el monóxido de carbono (CO).

Veamos con más detalle algunas de las ventajas de los motores de mezcla rica en aplicaciones de emergencia.

• Emisiones más bajas

Cuando están equipados con un catalizador de tres vías, los grupos electrógenos de mezcla rica tienen emisiones más bajas en comparación con las unidades de mezcla pobre. Un catalizador de tres vías suministrado por Generac es un producto rentable y fácil de instalar, que también puede actuar como silenciador. Por regla general, un motor de mezcla rica con este catalizador emite óxido de nitrógeno (NOx) en una cantidad inferior a los valores de salida de los motores de mezcla pobre con las tecnologías más avanzadas.

• Rendimiento consistente en condiciones ambientales cambiantes

La menor cantidad de aire y una combustión más estable permiten que el rendimiento de un motor de mezcla rica sea más constante en condiciones climáticas cambiantes, como humedad, temperatura y presión atmosférica.

Los grupos electrógenos de mezcla rica también tienen una mayor tolerancia antidetonante que un motor de mezcla pobre.Esto permite una mayor variación de la calidad del combustible y el funcionamiento con combustibles “calientes” como el propano HD-5.

• Amplio rango de funcionamiento de carga

Los motores de mezcla rica tienen un mayor rendimiento en aplicaciones de emergencia debido a su capacidad para aceptar bloques de carga y funcionar en un amplio rango de potencia. Los motores de mezcla pobre no aceptan bien bloques de carga y tienen un rendimiento deficiente ante variaciones de potencias de consumo. Desde el punto de vista del cliente, esto generalmente se cuantifica a través de la aplicación de la norma ISO 8528, que establece los límites de variación de frecuencia y voltaje ante variaciones de carga. Los generadores diésel suelen ser de clase G2. Los generadores a gas de mezcla rica pueden cumplir con las estrictas normas de rendimiento G2, mientras que los generadores de mezcla pobre tienen que declarar modificaciones a estas exigentes normas.

Motores de mezcla rica en aplicaciones de gestión energética (<2000 horas/año)
Junto con aplicaciones de emergencia, Generac ha optimizado su tecnología de mezcla rica para su uso en aplicaciones de gestión energética, como la respuesta a demanda (demand response) y los picos de consumo (peak shaving). Las ventajas mencionadas anteriormente representan un bajo coste capital, lo que permite al usuario final disminuir sustancialmente su carga de pico máxima en comparación con los motores de mezcla pobre.

Dado que en las aplicaciones de gestión energética la cantidad de horas de uso es superior, la industria normalmente piensa que las ventajas en el consumo de combustible de una solución de mezcla pobre favorecerán su uso. Sin embargo, el ingeniero debe analizar todos los gastos de capital y operativos para determinar la solución óptima para la aplicación del cliente. En muchos casos, los motores de mezcla rica y alto consumo de energía realmente ofrecen una mayor eficiencia de funcionamiento que los de mezcla pobre.

Conclusión
Las ventajas de las tecnologías de mezcla rica superan a las de un enfoque de mezcla pobre en aplicaciones de emergencia. Un menor nivel de emisiones, un mejor arranque y una mejor aceptación de la carga, así como una mayor versatilidad frente a las condiciones ambientales de funcionamiento son sólo algunas de las ventajas de un motor de mezcla rica.