L utilizzo di miscele di idrogeno e gas naturale: attività internazionali, obiettivi e pianificazione delle attività in Italia

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1 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 C.R. Casaccia, Via Anguillarese 301, Roma MR/2006-1

2 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 ( m/s vs m/s) una minore energia di ignizione (0.02 mj vs 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

3 Caratteristiche delle miscele metano/idrogeno (2) Contenuto energetico Pcw (MJ/kg) Pcv (MJ/m3) % volume H2 All aumentare dell idrogeno nella miscela, l energia per unità di peso cresce, mentre l energia l per unità di volume (tonalità termica della miscela) diminuisce MR/2006-3

4 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

5 Tecnologia a breve termine: le miscele metano-idrogeno L esperienza svedese Efficienza HCNG/ Efficienza CNG = 1,122 Emissioni HC di HCNG/ Emissioni HC di CNG = 71,2% Emissioni CO di HCNG/ Emissioni CO di CNG = 82,9% % % Funzionamento non stabile Dati dal rapporto : Malmö Hydrogen and CNG/Hydrogen filling station and Hythane bus project MR/2006-5

6 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: Nm3/anno, equivalenti a MWh/anno; CO t/anno HC t/anno NOx t/anno PM t/anno CO 2 t/anno Gas Naturale 437,58 96,80 175,03 2, HCNG30 362,75 68,92 105,02 n/a Riduzione emissioni 74,83 27,88 70,01 n/a % -17% -29% -40% n/a -22% MR/2006-6

7 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

8 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

9 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

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11 Programmi nazionali e internazionali ENI Distributore a Collesalvetti inaugurato il 19/7/2006 MR/

12 Programmi europei: NaturalHy 39 partner Europei, 15 dall Industria del gas Integrated Project del 6 PQ budget totale 17.3 M, finanziamento 11 M Avvio ~ , durata 5 anni MR/

13 Blend 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/

14 Gli 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/

15 Caratteristiche della miscela al 15% di idrogeno, in volume Contenuto energetico CH4 50,00 MJ/kg CH4/H2 15% MJ/kg Variazioni % MJ/m MJ/m3 + 3% (in massa) -11% (in volume) A parità di volume, la miscela al 15% di idrogeno ha l 11% l 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 i in peso, cioè un ugual peso di miscela bruciando emette il 2.16% di anidride carbonica in meno rispetto al metano MR/

16 Confronto, a parità di missione, CH4 vs. CH4/H2 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 l 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/

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 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 l della prova CO2 calcolata dal consumo di miscela MR/

18 Attrezzature e strumentazione MR/

19 Bombolaio e mezzo in prova MR/

20 Alimentazione del motore, centralina ed emulatore MR/

21 Sonda emissioni MR/

22 Strumentazione di misura MR/

23 Il Daily dalla visiva della sala controllo del banco MR/

24 Strumentazione mappatura Centralina Motore Software per la modifica delle mappe del motore Emulatore di Eprom Programmatore di eprom MR/

25 Parametri modificabili Anticipo al minimo Anticipo parzializzato Iniezione parzializzato Iniezione correzione Arricchimento in accelerazione Carico Specifico Quantità aria Limitatore Rpm MR/

26 Mappa di anticipo Daily MR/

27 Mappa di iniezione Daily MR/

28 Arricchimento in accelerazione MR/