L esperienza di ENEA nel campo dei carburanti alternativi

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1 L esperienza di ENEA nel campo dei carburanti alternativi Ing. Nicola Contrisciani ENEA Dipartimento TER Laboratorio Energia ERG Bologna, 14 dicembre

2 Miscele idrogeno/metano in motori a combustione interna 2

3 Miscele idrogeno/metano in motori a combustione interna L idrogeno, rispetto al metano, è caratterizzato da una maggiore velocità di combustione e da una minore energia di ignizione. L aggiunta di idrogeno al metano, nei motori a combustione interna: aumenta la velocità di avanzamento del fronte di fiamma in camera di combustione; riduce la variabilità ciclica del motore; completa le reazioni di combustione. 3

4 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. 4

5 L idrogeno miscelato ad un combustibile aumenta velocità di propagazione del fronte di fiamma in camera di combustione. 5

6 Riduzione delle emissioni Il marchio Hythane identifica una miscela del 20% idrogeno e 80% gas naturale, brevettata Brehon Energy plc. Riduzione delle emissioni dichiarate per la miscela Hythane 6

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

8 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/M 3 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. 8

9 Prove sui veicoli Denver Hythane Project Colorado State University ed in California, supporto del DOE e del NREL Chevrolet (2500 cm3) NMHC (gr/miglio) CO (gr/miglio) NOx (gr/miglio) Gas naturale Benzina Hythane (H 2 15%vol) ULEV Heavy-duty vehicle (5700 cm3) THC (gr/miglio) CO (gr/miglio) NOx (gr/miglio) Gas naturale Hythane (H 2 15%vol) Il PEO (Pennsylvania Energy Office) con una sperimentazione, con composizioni stechiometriche delle miscele, ha dato risultati analoghi, mostrando i benefici effetti dell idrogeno anche post-catalizzazione. 9

10 ESPERIENZA SVEDESE 10

11 Obiettivi della sperimentazione: Verificare la fattibilità dell alimentazione con miscele metano-idrogeno (al 10% ed al 15%, in volume) senza modifiche pesanti al motore Esperienza ENEA nel progetto Bend Of Natural Gas - HYdrogen 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 11

12 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 l = ) 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 12

13 Attrezzature e strumentazione 13

14 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% il miglioramento % del rendimento del motore 9,0% 6,0% 5,2% 3,0% 0,0% 0,9% HCNG10 stech. HCNG10 magro HCNG15 stech. HCNG15 magro 14

15 ENEA - Brasimone L impianto per la compressione a 350 bar e distribuzione di idrogeno. E trasportabile. 15

16 GENERATORI DISTRIBUITI DI IDROGENO BASATI SULLA RETE DI GAS NATURALE. Sistemi multi-uso, grazie allo sviluppo di mini reformer che producono piccole quantità di idrogeno da gas naturale. MAIN CHARACTERISTICS OF THE SYSTEM Primary fuel Electric power Thermal power Net electric efficiency Overall efficiency Test on field Natural gas 5 kw 8 kw > 30 % > 80 % jan

17 ENEA-BOLOGNA Impianto di cogenerazione che produce idrogeno da gas naturale di rete e lo utilizza metano per produrre energia elettrica e calore. E possibile spillare idrogeno ed utilizzarlo miscelato al gas naturale 17

18 Conclusioni L utilizzo di miscele metano/idrogeno a partire da veicoli convenzionali a metano può quindi: 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 standard ULEV e SULEV che globale (gas serra) 18

19 Grazie 19

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