Diseño de un sistema de sustitución parcial de combustible diésel por hidrógeno en el motor del vehículo minero Komatsu 930E mediante la producción de hidrógeno a través energía producida durante el frenado

Abstract

El vehículo Komatsu 930E transporta enormes cantidades de carbón desde el fondo de la mina de cielo abierto hasta la superficie donde son descargados. Estos camiones operan en un recorrido repetitivo donde desciende al fondo de la mina para recibir el carbón y posteriormente volverlo a subir a la superficie. Cuando el vehículo desciende al fondo de la mina en una pendiente donde va la mayor parte del tiempo frenado para reducir la inercia de la bajada con el fin de disminuir la velocidad, se genera una gran cantidad de energía eléctrica debido a los motores generadores que se encuentran en las ruedas. Durante el descenso es grande la cantidad de energía que se produce, pero actualmente esta energía no tiene una utilidad en el funcionamiento del vehículo por lo que se disipa a través de unas grillas de resistencias eléctricas en forma de calor. Por el contrario, en la etapa de ascenso cuando recibe el carbón y es llevado a la superficie sufre las condiciones de máxima exigencia, donde se produce el mayor consumo de combustible. Debido a esto, este vehículo representa altos costos para la empresa en términos de consumo de combustible. Por lo cual, este proyecto consiste en el uso de la energía producida durante el frenado en los camiones Komatsu 930E para producir hidrógeno y posteriormente pueda ser sustituido en el motor de combustión del vehículo con el fin de reducir costos debido al uso de combustibles y disminuir las emisiones de gases contaminantes al ambiente. En el proyecto se estudia la cantidad de diésel que puede ser sustituida por hidrógeno como combustible, mediante el análisis del ciclo de operación de un camión minero estándar. Adicionalmente, se presentan las consideraciones y los análisis realizados para cuatro alternativas de solución propuestas, y los criterios de la alternativa seleccionada. Por último, se muestra el diseño detallado del mezclador aire con hidrógeno, uno de los componentes contemplado en la alternativa seleccionada.

The Komatsu 930E vehicle transports large quantities of coal from the bottom of the open-pit mine to the surface where it is unloaded. These trucks operate on a repetitive path where it descends to the bottom of the mine to receive the coal and then brings it back up to the surface. When the vehicle descends to the bottom of the mine on a slope where it is braked to reduce the inertia of the descent to slow down, a large amount of electrical energy is generated due to the generator motors located on the wheels. During the descent, a large amount of energy is produced, but this energy is not currently used in the operation of the vehicle and is dissipated through electrical resistance grids in the form of heat. In contrast, when it receives the carbon and is taken to the surface during the ascent stage, it undergoes the most demanding conditions, where the highest fuel consumption occurs. Because of this, this vehicle represents high costs for the company in terms of fuel consumption. Therefore, this project consists of using the energy generated during braking in Komatsu 930E trucks to produce hydrogen, which can then be substituted in the vehicle's combustion engine to reduce costs due to the use of fuel and reduce emissions of polluting gases into the environment. The project studies the amount of diesel that can be replaced by hydrogen as fuel, by analyzing the operating cycle of a standard mining truck. Additionally, the considerations and analyses carried out for four proposed solution alternatives are presented and the criteria for the selected alternative. Finally, the detailed design of the hydrogen-air mixer, one of the components contemplated in the selected alternative, is shown.