Attività e progetti realizzati da ENEA sull idrometano

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1 Attività e progetti realizzati da ENEA sull idrometano Nicola Contrisciani ENEA 1

2 Che cosa è l idrometano. Con il termine idrometano (coniato dal sottoscritto nel 2005) si indica un combustibile costituito dalla miscela di metano ed idrogeno, dove l idrogeno è minoritario (5-30 % in volume) ed ha principalmente la funzione di migliorare la combustione, mentre il metano ha principalmente il compito di fornire la massima parte l energia. 2

3 Le miscele metano idrogeno. Le miscele metano idrogeno sono indicate in vari modi. I più diffusi sono: HCNG (Hydrogen Compressed Natural Gas) Idrometano Hythane (che è anche un marchio commerciale registrato) 3

4 Le caratteristiche dell idrometano Questa miscela sta ottenendo sempre di crescente interesse per le prospettive che sembra offrire in termini di riduzione delle emissioni veicolari e per il ruolo che può avere nell agevolare l ingresso dell idrogeno, un combustibile intrinsecamente pulito, nel mercato dei combustibili per autotrazione 4

5 Le caratteristiche dell idrometano L idrogeno, rispetto al metano, è caratterizzato da una maggiore velocità di combustione avendo una maggiore velocità di propagazione del fronte di fiamma pari a m/s contro m/s del metano (circa 7 volte più veloce). L idrogeno, rispetto al metano, è anche caratterizzato da una minore energia di ignizione pari a (0.02 mj contro 0.29 mj del metano (circa 15 volte più piccola). 5

6 Gli effetti dell idrometano L idrogeno in miscela: aumenta la velocità di avanzamento del fronte di fiamma, aumentando così il rateo di espansione effettivo; riduce la variabilità ciclica del motore, permettendo una gestione dell anticipo più precisa, che aumenta il lavoro ottenibile; completa le reazioni di combustione e quindi riduce gli incombusti, sfruttando meglio il combustibile; stabilizza la combustione anche con miscele molto magre; 6

7 All aumentare della percentuale di idrogeno: cresce l energia per unità di peso di combustibile ma diminuisce l energia per unità di volume e quindi si verifica: una riduzione della potenza massima del motore, anche con dosatura stechiometrica; un miglioramento del rendimento complessivo, con conseguente riduzione dei consumi; la possibilità di lavorare con miscele molto magre, con ulteriore miglioramento del rendimento (a prezzo però di una ulteriore riduzione della potenza); la riduzione delle emissioni di CO2, sia per la sostituzione del carbonio con l idrogeno sia per la riduzione dei consumi di combustibile grazie al miglior rendimento. 7

8 L importanza della velocità di combustione nei motori Fonte: F. Piscaglia, Modelli di combustione nei motori ad accensione comandata Dipartimento di Energetica, Politecnico di Milano 8

9 Conseguenze sul funzionamento dei motori Miglioramento del rendimento complessivo del motore, con conseguente riduzione dei consumi. Notevole riduzione delle emissioni (effetto leva). Possibilità di lavorare con miscele molto magre. Visualizzazione della velocità di combustione Fonte:IRFR combustion journal 12/2002

10 Riduzione delle emissioni dichiarate per la miscela Hythane Hythane é un marchio registrato (Hydrogen Components Inc., USA) che identifica una miscela metano-idrogeno in cui l idrogeno é presente al 20% in volume (7% in contenuto energetico). 10

11 Effetto leva secondo Hytane What is the best use of 7% Hydrogen Energy? Hydrogen Bus CNG Bus Hythane Bus 7% NOx reduction with 7% hydrogen energy 50% NOx reduction with 7% hydrogen energy 11

12 Per basse percentuali di idrogeno utilizzato nella miscela: I sistemi per la distribuzione e lo stoccaggio a bordo del veicolo sono uguali a quelle per il metano. I motori non necessitano modifiche sostanziali. Prestazioni analoghe a quelle dei veicoli a metano. MJ/M3 quasi uguale al caso di solo metano (energia accumulata nei serbatoi analoga all accumulo di metano) Consente una notevole diminuzione delle emissioni: Sostituzione di parte del combustibile fossile con idrogeno. Si possono raggiungere standard Ultra Low Emission Vehicle e Super Ultra Low Emission Vehicle. 12

13 Prove sui veicoli (prove condotte con miscele stechiometriche) Denver Hythane Project Colorado State University ed in California, supporto del DOE e del National Renewable Energy Laboratori Chevrolet (2500 cm3) NMHC (gr/mig lio) CO (gr/miglio ) NOx (gr/migli o) Veicoli grossa cilindrata (5700 cm3) Gas naturale THC (gr/miglio) 1 CO (gr/miglio) 2.6 NOx (gr/miglio) 1.5 Gas naturale Hythane(H 2 15%vol) Benzina Hythane (H 2 15%vol) ULEV Queste prove hanno dato risultati analoghi ai precedenti mostrato i benefici effetti dell idrogeno anche post-catalizzazione, usando composizioni stechiometriche delle miscele 13

14 ESPERIENZA SVEDESE. HYTANE BUS PROJECT. Malmö bus and fuel dispenser. 14

15 IL PROGETTO ALTHYTUDE IN FRANCIA Demonstration of buses fuelled with natural gas and hydrogen in Dunkirk and Toulouse Fonte

16 Obiettivi della sperimentazione: Esperienza ENEA nel progetto Bend Of Natural Gas - HYdrogen Verificare la fattibilità dell alimentazione con miscele metano-idrogeno (al 10% ed al 15%, in volume) senza modifiche pesanti al motore 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) 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 aggiuntiva delle emissioni di CO 2 (attraverso la riduzione dei consumi), mantenendo invariate le altre emissioni (e, se possibile, riducendole) Stimare consumi ed emissioni di CO 2 dal pozzo alla ruota ottenibili grazie a questa tecnologia 16

17 Procedura 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 Lamda = ) 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 della miscela misurato con doppia pesatura delle bombole, prima e dopo l esecuzione della prova CO2 calcolata dal consumo di miscela 17

18 Attrezzature e strumentazione 18

19 Rendimenti 0,620 0,600 0,580 0,560 0,540 0,534 Percorrenza unitaria, in km/kwh 0,602 0,562 0,539 0,595 L utilizzo delle miscele ha consentito, in ogni caso, un aumento della percorrenza del mezzo 0,520 0,500 0,480 METANO HCNG10 stech. HCNG10 magro HCNG15 stech. HCNG15 magro 15,0% 12,0% Miglioramento % del rendimento del motore 12,8% 11,5% 9,0% il miglioramento % del rendimento del motore 6,0% 3,0% 0,9% 5,2% 0,0% HCNG10 stech. HCNG10 magro HCNG15 stech. HCNG15 magro 19

20 Effetto leva 1.2 CNG IDROGENO + FC IDROMETANO 1-5% -50% 0.8 Effetto leva CO NOx CH4 CO2 nmhc 20

21 Prove sui veicoli Department of Energy (DoE) Accelerazione Consumo (a 45 mph costante) Emissioni 21

22 Studio ENEA per conto della Regione Emilia Romagna su Utilizzo della miscela idrogeno/gas naturale idrometano come carburante, per l alimentazione di autobus circolanti in ambito urbano, nei comuni capoluogo di provincia nella regione Emilia-Romagna. 22

23 Urbano NOx - urbano (kg/anno) CO - urbano (kg/anno) CNG HCNG (H2 20% vol) CNG HCNG (H2 20% vol) HC - urbano (kg/anno) CO 2 - urbano (tonn/anno) CNG HCNG (H2 20% vol) CNG HCNG (H2 20% vol) 23

24 Suburbano NOx - suburbano (kg/anno) CO - suburbano (kg/anno) CNG HCNG (H2 20% vol) 0.00 CNG HCNG (H2 20% vol) HC - suburbano (kg/anno) CO 2 - suburbano (tonn/anno) CNG HCNG (H2 20% vol) CNG HCNG (H2 20% vol) 24

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26 SPERIMENTAZIONE ENEA SPERIMENTAZIONE SU CIRCUITO DI UN AUTOBUS DI ATR (FC) E DI UN AUTOBUS DI ATM (RA) ALIMENTATI AD IDROMETANO AUTOBUS DI ATR (FC) AUTOBUS DI ATM (RA) La sperimentazione è completata. 26

27 Abbiamo sperimentato gli autobus su due percorsi: un percorso rappresentativo del ciclo reale; Un percorso standard CUNA. Abbiamo sperimentato a metano ed diverse miscele di idrogeno ( 5%, 10%, 5%, 20%, 25% in volume di idrogeno). Sono state misurate le micro polveri prodotte I risultati saranno presentati nei prossimi giorni. 27

28 Conclusioni L utilizzo di miscele metano/idrogeno a partire da veicoli convenzionali a metano: Costituisceun ponte verso l introduzione dei veicoli ad idrogeno puro, permettendo la creazione di infrastrutture idrogeno prima della diffusione dei veicoli con celle a combustibile Permette nel breve termine e con investimenti limitati una riduzione significativa delle emissioni, sia a livello locale che globale (gas serra) 28

29 GRAZIE Nicola Contrisciani ENEA 29