L'utilizzo di miscele di idrogeno e gas naturale: attività internazionali, obiettivi e pianificazione delle attività in Italia - Dipartimento di ...
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ENTE PER LE
NUOVE TECNOLOGIE,
L’ENERGIA E L’AMBIENTE
L’utilizzo di miscele di idrogeno e gas
naturale: attività internazionali, obiettivi e
pianificazione delle attività in Italia
Giovanni Pede
Dipartimento TER
C.R. Casaccia, Via Anguillarese 301, 00060 Roma
MR/2006-1
Caratteristiche di rilievo delle miscele
metano-idrogeno ai fini dell’utilizzo nei motori (1)
Rispetto al metano, l’idrogeno ha:
una maggiore velocità di combustione (2.6-3.2 m/s vs. 0.37-0.45
m/s)
una minore energia di ignizione (0.02 mJ vs. 0.29 mJ)
Quindi, l’aggiunta di idrogeno al metano:
Aumenta la velocità di avanzamento del fronte di fiamma
Stabilizza la combustione anche con miscele molto magre
Riduce la variabilità ciclica del motore, permettendo una
maggiore precisione del dosaggio del combustibile
MR/2006-2 Dipartimento TER
Caratteristiche delle miscele metano/idrogeno (2)
Pcw (MJ/kg) Pcv (MJ/m3)
Contenuto energetico
60
50
40
30
20
10
0
0 10 20 30 40
% volume H2
All’aumentare dell’idrogeno nella miscela, l’energia per unità di peso
cresce, mentre l’energia per unità di volume (tonalità termica della
miscela) diminuisce
MR/2006-3 Dipartimento TER
Ruolo delle miscele metano/idrogeno
L’utilizzo di miscele metano/idrogeno (fino a ~ 30% vol) a partire da
veicoli convenzionali a metano può:
Costituire un “ponte” verso l’introduzione dei veicoli ad
idrogeno puro, permettendo la creazione di infrastrutture
idrogeno prima della diffusione dei veicoli con celle a
combustibile
Permettere nel breve termine e con investimenti limitati una
riduzione significativa delle emissioni, sia a livello locale
che globale (gas serra)
MR/2006-4 Dipartimento TER
Tecnologia a breve termine: le miscele metano-idrogeno
L’esperienza svedese
Emissioni HC di HCNG/ Emissioni HC di CNG = 71,2%
Efficienza HCNG/ Efficienza CNG = 1,122 Emissioni CO di HCNG/ Emissioni CO di CNG = 82,9%
5.9
4.2
3.5
2.9
35 %
31.2%
Funzionamento non stabile
Dati dal rapporto : ”Malmö Hydrogen and CNG/Hydrogen filling station and Hythane bus project”
MR/2006-5 Dipartimento TER
Tecnologia a breve termine: le miscele metano-idrogeno
Caso di studio: Roma
La flotta ATAC numero autobus: 2709 veicoli
percorrenza totale della flotta pari a 132,6 milioni
km/all’anno
consumi dell’intera flotta a gas naturale:
92.468.619 Nm3/anno, equivalenti a 832.218 MWh/anno;
CO HC NOx PM CO2
t/anno t/anno t/anno t/anno t/anno
Gas Naturale 437,58 96,80 175,03 2,92 182.325
HCNG30 362,75 68,92 105,02 n/a 141.324
Riduzione emissioni 74,83 27,88 70,01 n/a 41.001
% -17% -29% -40% n/a -22%
MR/2006-6 Dipartimento TER
Infrastrutture per l’uso di miscele HCNG
Stazione di rifornimento per veicoli a miscele metano idrogeno
I sistemi gas naturale e idrogeno sono distinti:
la miscelazione viene effettuata nell’erogatore,
che può essere programmato per percentuali
diverse di idrogeno nella miscela
La stazione può così erogare:
• Gas naturale
• Idrogeno
• Miscele
Stazione di rifornimento di Idaho Fallls (Arizona)
MR/2006-7 Dipartimento TER
Programmi internazionali
USA- Department of Energy
National Renewable Energy Laboratory (NREL) and the South Coast Air Quality
Management District (SCAQMD).
Development and Demonstration of Hydrogen and
Compressed Natural Gas (H/CNG) Blend Transit Buses
October 15, 2002 — September 30, 2004
SunLine Services Group Thousand Palms, California
MR/2006-8 Dipartimento TER
Programmi internazionali
Il marchio Hythane identifica una miscela del 20% idrogeno e 80% gas naturale,
BREVETTATA Brehon Energy plc che ha proposto in Cina un progetto di “
Demonstration of the Environmental and Economic benefits for the Beijing Bus
Fleet of Hythane (Hydrogen/Natural Gas Mixture) compared with Natural Gas
and Diesel Fuel”.
Con questo progetto si intende sia
ridurre in modo significativo le emissini
locali nella città di Pechino, che
sviluppare tecnologia da esportare
MR/2006-9 Dipartimento TER
MR/2006-10 Dipartimento TER
Programmi nazionali e internazionali
ENI – Distributore a
Collesalvetti
inaugurato il 19/7/2006
MR/2006-11 Dipartimento TERProgrammi europei:
NaturalHy
• 39 partner Europei, 15 dall’Industria del gas
• Integrated Project del 6 PQ
• budget totale 17.3 M€, finanziamento 11
M€
• Avvio ~01-05-2004, durata 5 anni
MR/2006-12 Dipartimento TERBlend Of Natural Gas and HYdrogen (BONG-HY)
Il progetto prevede attività per circa 250 k€ in 11 mesi,
finanziati per il 50% dalla Commissione Europea, e per i
soli partecipanti italiani, per il restanrte 50 % dala Regione
Lombardia (35%) e Ministero del Lavoro (15%)
Le attività sono così suddivise:
Italia: messa a punto e prove sperimentali delle miscele
HCNG in motori a CI (150k€)
Upper Austria: analisi in laboratorio dell‘utilizzo di miscele
HCNG in SOFC (80 k€)
Baden Wurttemberg: Diffusione and disseminazione dei
risultati (20 k€)
Le attività ENEA, di messa a punto della tecnologia e
prime prove sperimentali, da effettuare in collaborazione
con l‘Università di Tor Vergata, ammontano a 40 k€
MR/2006-13 Dipartimento TERGli obiettivi della sperimentazione al banco a rulli
Verificare la fattibilità dell’alimentazione con miscele
metano/idrogeno senza modifiche “pesanti” al motore
Verificare quanto riportato dalla letteratura sulla riduzione dei
consumi energetici (grazie al miglioramento del rendimento del
motore) e sulla riduzione delle emissioni
In particolare, verificare la possibilità di una riduzione delle
emissioni di CO2 (attraverso la riduzione dei consumi), mantenendo
invariate le altre emissioni (e, se possibile, riducendole)
Il tutto in condizioni più pesanti del ciclo di omologazione, quindi a
carico maggiorato e considerando solo la parte urbana del ciclo
Costruire e validare un modello del motore per una migliore
comprensione dei fenomeni e per l’ottimizzazione della ri-mappatura
della centralina (Università di Roma Tor Vergata)
MR/2006-14 Dipartimento TERCaratteristiche della miscela al 15% di idrogeno, in volume
Contenuto energetico
CH4 50,00 MJ/kg 35.71 MJ/m3
CH4/H2 15% 51.51 MJ/kg 31.96 MJ/m3
Variazioni % + 3% (in massa) -11% (in volume)
A parità di volume, la miscela al 15% di idrogeno ha l’11% in meno di
energia, e poiché il motore aspira volumi costanti a pari numero di giri,
questo comporta una corrispondente perdita di potenza
A parità di lavoro (energia erogata), il motore ha bisogno di un minore
massa di carburante (-3%) in ingresso, a parità di rendimento totale.
Infine, la miscela al 15% di idrogeno in volume ha il 2.16% di idrogeno in
peso, cioè un ugual peso di miscela bruciando emette il 2.16% di
anidride carbonica in meno rispetto al metano
MR/2006-15 Dipartimento TERConfronto, a parità di missione, CH4 vs. CH4/H2 15%
15%
Per eseguire la stessa missione, (lo stesso percorso con lo
stesso profilo di velocità, ad esempio il ciclo di omologazione),
si deve ragionare in termini di energia erogata:
a parità di missione del veicolo, l’energia che il motore
deve erogare è la stessa, sia a metano che a miscela,
quindi con la miscela è sufficiente una massa minore (-3%)
rispetto al metano, grazie al 3% in più di potere calorifico
In definitiva, si emette, a parità di massa, meno anidride
carbonica (-2%), e se ne consuma, a parità di missione, una
minore quantità (-3%): complessivamente si emette quindi il 5%
circa di CO2 in meno (a parità di rendimento del motore)
MR/2006-16 Dipartimento TERProcedura di prova per la messa a punto del motore
1) Caratterizzazione del funzionamento a metano (punto “zero”)
2) Taratura e verifica del modello
3) Messa a punto con la miscela attraverso prove in stazionario per
smagrimenti crescenti, passando dallo stechiometrico a λ = 1.4
4) Scelta di due messe a punto diverse, di minima CO2 e di minima
riduzione delle prestazioni complessive
5) Prove su ciclo per il confronto con il metano
Inquinanti misurati con strumentazione Horiba
Consumo misurato con doppia pesatura delle bombole, prima e
dopo l’esecuzione della prova
CO2 calcolata dal consumo di miscela
MR/2006-17 Dipartimento TERAttrezzature e strumentazione MR/2006-18 Dipartimento TER
Bombolaio e mezzo in prova MR/2006-19 Dipartimento TER
Alimentazione del motore, centralina ed emulatore MR/2006-20 Dipartimento TER
Sonda emissioni MR/2006-21 Dipartimento TER
Strumentazione di misura MR/2006-22 Dipartimento TER
Il Daily dalla visiva della sala controllo del banco MR/2006-23 Dipartimento TER
Strumentazione mappatura Centralina Motore •Software per la modifica delle mappe del motore •Emulatore di Eprom •Programmatore di eprom MR/2006-24 Dipartimento TER
Parametri modificabili
Anticipo al minimo
Anticipo parzializzato
Iniezione parzializzato
Iniezione correzione
Arricchimento in accelerazione
Carico Specifico Quantità aria
Limitatore Rpm
MR/2006-25 Dipartimento TERMappa di anticipo Daily MR/2006-26 Dipartimento TER
Mappa di iniezione Daily MR/2006-27 Dipartimento TER
Arricchimento in accelerazione MR/2006-28 Dipartimento TER
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