La tecnología de plasma transitorio proporciona una nueva chispa para la reducción de emisiones

Por Becky Schultz16 enero 2023

Para aquellos nacidos antes de la década de 2000, su primera exposición reconocida a la tecnología de plasma puede haber sido en la forma del televisor de pantalla plana de plasma que alguna vez se anunció. Sin embargo, el plasma es mucho más común de lo que podría pensar (tomar una chispa de la estufa, por ejemplo), y las aplicaciones son mucho más variadas y duraderas que esas primeras "maravillas" visuales que desaparecieron poco más de una década después del lanzamiento. .

De hecho, la tecnología de plasma ha mostrado un potencial significativo a largo plazo en la lucha para descarbonizar los motores de combustión interna (ICE) y pronto podría dar nueva vida a los esfuerzos para reducir su huella de carbono. La firma de desarrollo de tecnología con sede en Torrance, California, Transient Plasma Systems (TPS) ofrece dos soluciones comercialmente listas, un sistema de postratamiento y de encendido, que utilizan una potencia de pulso patentada de nanosegundos que dice que puede "desbloquear capacidades de plasma previamente inaccesibles".

Fundado en 2009, TPS es un spin-off de la Universidad del Sur de California, que ha realizado investigaciones sobre el "plasma transitorio" durante décadas. A diferencia del plasma convencional generado típicamente a través de materia sobrecalentada, el plasma transitorio de baja temperatura se produce mediante pulsos eléctricos ultracortos (nanosegundos) de alto voltaje que controlan el proceso de ionización hasta el punto de evitar el sobrecalentamiento. En este estado "transitorio", el plasma permite beneficios superiores para aplicaciones como la combustión y el control de emisiones.

TPS se formó con el propósito expreso de traducir esta tecnología de plasma transitorio en productos y sistemas comercializables. Los avances en la conmutación de alto voltaje y estado sólido abrieron aún más oportunidades, lo que permitió a la empresa desarrollar soluciones de alta potencia en un paquete más compacto.

"De repente, esta tecnología que se había investigado durante tanto tiempo como potencialmente valiosa para reducir las emisiones se volvió viable", dijo Dan Singleton, cofundador y director ejecutivo de TPS.

Una infusión de fondos de inversión de riesgo en 2019 permitió a TPS dar el impulso final para desarrollar sus productos. Con ambas soluciones demostradas para mejorar las emisiones y la eficiencia en muchas plataformas de motores, TPS ahora está "cerrando socios para salir al mercado".

El sistema de postratamiento TPS combina un módulo de energía de plasma, un reactor y un electrodo que esencialmente "elimina" las partículas y las emisiones de NOx antes de que salgan por el tubo de escape.

"Imagínese mirar la parte trasera de un vehículo o un generador con un tubo de escape recto. Pondríamos un cable en el medio del tubo, le aplicaríamos pulsos de nanosegundos de alto voltaje y produciríamos plasma en el escape", explicó Singleton. "Lo que entendemos que le hace a las partículas es convertir gran parte de ellas nuevamente en carbono gaseoso. En términos de NOx, lo descompone básicamente en nitrógeno y oxígeno".

Según la empresa, el proceso puede reducir las emisiones de NOx hasta en un 80 % y las partículas de diésel hasta en un 85 %, al mismo tiempo que reduce la complejidad del postratamiento. "La ventaja comercial general es un sistema más simple", dijo Singleton. "En este momento, necesita dos sistemas: necesita SCR (reducción catalítica selectiva) o un catalizador de oxidación diésel (DOC) combinado con un filtro de partículas diésel (DPF)".

La solución de postratamiento TPS elimina el DPF y su necesidad de regeneración, además es más fácil de inspeccionar y mantener. También se puede personalizar y escalar para diferentes motores y equipos, y está disponible tanto para el desarrollo de nuevos productos como para una solución retroadaptable adicional.

Si bien muchas empresas podrían apuntar inicialmente al extremo pequeño del espectro de aplicaciones para el desarrollo de nuevos productos, TPS fijó su mirada en aplicaciones de servicio pesado, como vehículos grandes en carretera, equipos fuera de carretera, generación de energía e incluso la industria marina.

"No hay una bala de plata, simplemente pon esto en cada motor de esta forma y lo tienes resuelto", afirmó Singleton. "Hay problemas de nicho que estamos resolviendo... Para el trabajo fuera de carretera que estamos haciendo, que es una gran parte del trabajo que hacemos, se enfoca en regulaciones particulares que son específicas para las aplicaciones".

Por ejemplo, un OEM puede llegar a TPS con la necesidad de reducir el NOx en una cantidad específica para cumplir con las regulaciones que, de lo contrario, podrían requerir un motor completamente nuevo. "En cada mercado, es un problema diferente", dijo Singleton. "Estamos tratando de trabajar con los fabricantes de equipos originales para decir: este es el problema que podemos resolver por usted, y así es como se ve nuestra solución en este formulario.

TPS ha estado fabricando fuentes de alimentación en el rango de 1 kW durante muchos años. "Tenemos mucha experiencia allí, por lo que podemos entregarlos rápidamente a los motores más pequeños", dijo Singleton. Sin embargo, se ha destinado una cantidad significativa de fondos a aplicaciones de servicio pesado hasta embarcaciones con motor diésel.

"Eso se reduce a una decisión comercial. El problema del barco es un gran problema, por eso se ha invertido mucho dinero allí", dijo Singleton. "Desde una perspectiva práctica, es más fácil empezar con algo más pequeño. Pero si hay una necesidad crítica que está impulsando la financiación, entonces puedes ir a lo grande desde el principio".

El uso de tecnología de plasma en soluciones de postratamiento ha sido evaluado por OEM en el pasado.

“La idea de aplicar este tipo de plasma para tratar las emisiones no es nueva”, reconoce Singleton. "De hecho, a principios de la década de 2000, todos los grandes nombres que cabría esperar lo analizaron muy detenidamente. Ellos, en ese momento, optaron por el enfoque SCR, y la razón es que los sistemas de plasma no estaban listos. El las fuentes de alimentación no eran fiables, eran grandes, eran caras".

TPS está trabajando para convencer a los OEM de que lo consideren nuevamente. "Estamos de visita ahora para decir: hay décadas de ciencia que muestran que esto funciona. Sabemos que lo ha probado, sabemos que lo ha observado. Lo que es diferente ahora es que tenemos una fuente de alimentación comercializable para impulsar el plasma". dijo Singleton. "Lo principal que quiero decirles es: miren otra vez, porque ya está listo".

Y aunque el costo del sistema aún puede ser una preocupación, Singleton dijo que debe compararse con los sistemas actuales. "Una gran parte de donde pusimos nuestro dinero de capital de riesgo fue en la reducción de costos. Obviamente, ir a mayores volúmenes es una forma de reducir costos, y eso será fundamental para que se adopte más rápido. Pero lo que mostramos el año pasado y medio es que podemos encajar dentro de la estructura de costes de la tecnología existente, si nos fijamos en el SCR, el DOC y el filtro de partículas diésel".

Los beneficios proporcionados también son proporcionales al costo. "Si necesita cumplir con una regulación que dice que tiene que [eliminar] el 80% de las partículas, ese es un costo", dijo Singleton. "Si tuviera una necesidad crítica, como, 'Vamos a perder todo este mercado si no llegamos al 90 %', aumentaría el costo del sistema, pero se beneficiaría más".

Luego está la capacidad de preparar la tecnología ICE existente para el futuro. El equipo actual no solo se puede actualizar con el sistema TPS, sino que es independiente del combustible. "Si pasa del diésel a un combustible con menos carbono, todavía funcionará", dijo Singleton, y agregó: "Creemos que, al trabajar con los OEM, tendremos el sistema listo para la próxima generación de combustibles".

El sistema de encendido basado en plasma es "un poco más sutil" en su funcionamiento, dijo Singleton. El sistema adaptable reemplaza las bujías utilizadas en un motor de encendido por chispa convencional con bujías de plasma no resistivas que se conectan a un módulo de encendido, que a su vez está conectado a una fuente de alimentación TPS. Esta combinación produce ráfagas de plasma rápidas y controladas con precisión para crear una potencia máxima alta que permite un funcionamiento estable y de mezcla pobre del motor con encendido de baja energía.

"Lo que todos los diseñadores de motores querían hacer era poder ejecutar modos de combustión que fueran más eficientes", comentó Singleton. El sistema de encendido TPS amplía esa "ventana de encendido", dijo, lo que permite que se use mucho menos combustible en el proceso de encendido, mientras se logra una mejor eficiencia del motor y se reducen las emisiones de CO2 y NOx. "Si está poniendo mucho menos combustible y también va a quemar a una temperatura más baja, eso reducirá las emisiones".

Según TPS, se ha demostrado que el sistema mejora la eficiencia del combustible hasta en un 20 % en puntos de baja carga (p. ej., conducción en carretera) y entre un 10 % y un 15 % durante un ciclo de conducción completo. Se han demostrado mejoras en la eficiencia en una variedad de diseños de motores de encendido por chispa, que incluyen gasolina, híbridos y gas natural.

El sistema de encendido basado en plasma también ofrece oportunidades con combustibles alternativos, como el hidrógeno. Si bien el hidrógeno es muy fácil de encender, el NOx es un problema importante porque el combustible se quema a alta temperatura, señaló Singleton. "Una vez más, querrá poner menos combustible para quemar a una temperatura más baja, lo que reducirá el NOx".

Otros combustibles alternativos para ICE han demostrado ser muy lentos de quemar y difíciles de encender. "Los motores se han vuelto mucho más eficientes de lo que eran incluso hace 10 años. El último tipo de bloque de eficiencia sobre la mesa antes de llegar a los límites de la física está relacionado con la ignición", dijo Singleton.

"El futuro va a ser este tipo de combinación ecléctica de diferentes combustibles, diferentes tipos de soluciones, híbridos, todo este tipo de cosas para diferentes mercados. La tecnología de encendido TPS ampliará la ventana operativa del diseñador de motores. Ahora pueden estirar los límites de lo que podían hacer antes.

"Vemos esto como parte de cada solución de combustión esencialmente en el futuro".

Si bien Singleton ve varias aplicaciones para la tecnología de encendido, los objetivos iniciales explorados nuevamente han estado en el extremo de servicio pesado, incluida la generación de energía y los camiones a gas natural.

"Si bien estamos investigando la tecnología a través de todos los canales, creo que la adopción será primero en el lado de servicio pesado y luego entraremos en la industria automotriz", dijo, y señaló que las aplicaciones como la generación de energía tienden a "moverse". más rápido." "Desde una perspectiva comercial, sus plazos para obtener un nuevo producto en el mercado son más rápidos".

Aunque el sistema podría resultar una solución rápida e inmediata para motores encendidos por chispa de baja potencia, como los que alimentan equipos de construcción livianos, Singleton dijo: "El desafío allí, nuevamente, es el costo. Esos son motores realmente económicos. Eso es por qué este último año y medio se ha centrado en reducir el costo para que podamos saltar allí".

TPS ha trabajado extensamente con los OEM para realizar pruebas en la tecnología de encendido, obtener comentarios e identificar tanto las oportunidades como los desafíos futuros. "Aprendimos con ellos... cuáles son los problemas que ven para que no los desarrollemos en la oscuridad", dijo Singleton. "Ha sido una forma muy positiva de desarrollar un producto con múltiples socios".

Los socios OEM seguirán demostrando ser críticos para cruzar cualquier barrera final para la comercialización de ambos productos.

"En el lado de la ignición, estamos muy seguros de que podemos [hacer frente] a la tecnología de ignición existente y tener una alta confiabilidad. La razón inmediata es que todo se basa en dispositivos de estado sólido conocidos que tienen una vida útil muy larga", Singleton dicho.

"Por el lado de las emisiones, va a ser un poco más de trabajo al principio porque necesita dedicar tiempo a esos sistemas de postratamiento para saber cuáles son los desafíos que van a surgir en el dispositivo físico en el tubo de escape. Tenemos no hay preocupaciones sobre la fuente de alimentación, pero lo que está sucediendo en el tubo de escape, tenemos que explorar Así que, de nuevo, eso solo requiere pruebas y un socio que pueda poner... miles de horas en los motores muy rápidamente.

"Desde una perspectiva tecnológica, hemos superado la mayoría de los obstáculos que... los OEM han establecido. Así que, realmente, en este momento se trata de la comercialización. Se trata de cerrar esos acuerdos de comercialización y descubrir quiénes son los socios que están vamos a llevar esto hasta la línea de meta con nosotros. Eso es lo que sigue para nosotros".