Alma Mater Studiorum - Università di Bologna STUDIO DELL APPLICAZIONE DI UN SISTEMA ALIMENTATO AD IDROGENO PER UN SOLLEVATORE AUTOPROPULSO

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1 Alma Mater Studiorum - Università di Bologna SECONDA FACOLTA DI INGEGNERIA CON SEDE A CESENA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA STUDIO DELL APPLICAZIONE DI UN SISTEMA ALIMENTATO AD IDROGENO PER UN SOLLEVATORE AUTOPROPULSO Tesi di laurea di: ALESSANDRO RAPPARINI Relatore: Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI

2 SCOPO DEL LAVORO STUDIARE L APPLICAZIONE PRATICA DI UN SISTEMA ALIMENTATO AD IDROGENO A BASSISSIME O NULLE EMISSIONI INQUINANTI PER UN SOLLEVATORE A FORCHE FRONTALI ATTUALMENTE ALIMENTATO A DIESEL O GPL

3 SOLLEVATORE PER L APPLICAZIONE CESAB DRAGO 150 Alimentazione Diesel o GPL (+1640)

4 CARATTERISTICHE DEL SOLLEVATORE ALIMENTATO A DIESEL Motore Diesel 4 cilindri TOYOTA 1 DZ II di 2486 cm3 Potenza max. 40 KW a 2400 rpm Sistema misto di raffreddamento acqua-olio Capacità serbatoio 40 litri

5 CARATTERISTICHE DEL SOLLEVATORE ALIMENTATO A G.P.L. Motore a Benzina alimentato solo a GPL 4 cilindri TOYOTA 4Y di 2237 cm3 Potenza max. 37 KW a 2400 rpm Coppia max. 157 Nm a 1800 rpm Capacità bombola variabile a seconda della richiesta

6 ALTRE CARATTERISTICHE COMUNI Presenza di un sistema di controbilanciamento di 967 kg Freni a bagno d olio Trasmissione idrostatica a controllo elettronico Presenza di un sistema idroguida

7 FASI DEL LAVORO Esaminare l idrogeno come combustibile e studiare la tecnologia ad esso collegata Esaminare i sistemi di propulsione ad idrogeno Valutarne l applicabilità al sollevatore

8 IDROGENO VANTAGGI GENERALI: Rendimenti termodinamici maggiori per motori a combustione interna (alti rapp.compr.) Brucia completamente anche in miscele idrogeno-aria magre complessivamente ho maggiore potenza erogata Velocità di combustione 7 volte superiore VANTAGGI AMBIENTALI: Combustione in aria NOx (eliminabili) Combustione in ossigeno H2O zero emission

9 IDROGENO VANTAGGI DELL APPLICAZIONE: Le ridottissime o nulle emissioni rendono possibile l uso del sollevatore in ogni ambiente (uso promiscuo interno/esterno) Nessun problema di peso in quanto il sollevatore è zavorrato per la stabilità A costi contenuti posso modificare il motore esistente

10 TECNOLOGIA DELL IDROGENO COLLEGATA ALL APPLICAZIONE PRODUZIONE: Fornitura esterna Fornitura interna: Generatore elettrolitico Reformer sul sollevatore STOCCAGGIO sul sollevatore: 40 litri gasolio122 m3 idrogeno (10 kg circa) in forma gassosa (compresso in bombole) In forma liquida (serbatoio criogenico) In forma chimica : Accumulato in idruri metallici Accumulato in nanostrutture di Carbonio

11 PRODUZIONE DELL IDROGENO Generatore on-site elettrolitico: (solare) 64 m3/h 2 ore per 122 m3 necessari Costo di una ricarica: 3 fissi per H2O distillata + 10 da corrente elettrica + 0 da energia solare Vantaggi: Costo di ricarica inferiore rispetto alla eventuale fornitura esterna posso produrne quanto ne voglio

12 PRODUZIONE DELL IDROGENO Reformer sul sollevatore: Costo d esercizio 1/kg VANTAGGI: comodità d uso dimensioni contenute SVANTAGGI: Inquinanti (CO2) Uno per motore

13 STOCCAGGIO IN FORMA LIQUIDA Stoccaggio a T= C Quantità equivalente ai 40 litri di gasolio: 148 litri H2 serbatoio criogenico da 150 litri Peso = 180 kg - SISTEMA COMPLESSO SIA PER IL VEICOLO CHE PER LA DISTRIBUZIONE - COSTOSO

14 STOCCAGGIO IN FORMA GASSOSA Quantità equivalente ai 40 litri di gasolio: 608 litri H2 a 200 bar: 12 bombole normali da 50 litri troppo ingombro Peso = 840kg (70 Kg l una) Ok (zavorra 967 kg) 174 litri H2 a 700 bar: 3 bombole speciali da 50 litri Peso = 150 kg (25 kg l una) Tempo di rifornimento medio:10 minuti SOLUZIONE MOLTO BUONA

15 STOCCAGGIO IN FORMA CHIMICA Quantità equivalente ai 40 litri di gasolio: IDRURI METALLICI AL LITIO: 3 serbatoi (12,7% in peso di H2) Costo = COSTOSO! Peso = 150 kg OK NANOSTRUTTURE DI CARBONIO: Assorbimenti fino al 68% in peso di H2 nanofibre sperimentali (16 kg, 10,5 L) TECNICHE MOLTO BUONE E SICURE MA COSTOSE

16 PROPULSIONE AD IDROGENO Motori alternativi a combustione interna: MOTORI AD ACCENSIONE COMANDATA funzionamento ad idrogeno puro MOTOTI AD ACCENSIONE SPONTANEA funzionamento ad idrogeno puro MOTORI IBRIDI DUAL FUEL funzionamento ad idrogeno assieme ad altri combustibili Celle a combustibile (FUEL CELL)

17 MOTORE AD ACCENSIONE COMANDATA CON MISCELATORE IDROGENO-ARIA VANTAGGI Conversione semplice Solo NOx allo scarico SVANTAGGI Problema isolamento Indurimento olio Preaccensione* Ritorno di fiamma* Basso rendimento (potenza -15% risp.benzina)

18 MOTORE AD ACCENSIONE SPONTANEA CON INIEZIONE DIRETTA DELL IDROGENO VANTAGGI Solo NOx allo scarico No perdita di potenza No preaccensione No ritorno di fiamma Rendimento elevato Funzionamento anche a Diesel SVANTAGGI Complesso Indurimento olio

19 MOTORE IBRIDO GASOLIO IDROGENO ( AD INIEZIONE PILOTA ) CON MISCELATORE IDROGENO ARIA VANTAGGI SVANTAGGI Gasolio in caso d emergenza Non solo NOx allo scarico No perdite di potenza: Rendimento elevato Miscela più magra Ritorno di fiamma* Preaccensione* Indurimento olio

20 MODIFICHE ESSENZIALI PER L ADATTAMENTO DEL MOTORE ATTUALE ALL IDROGENO modifica al collettore di aspirazione (Al); montaggio delle bombole e delle tubazioni che portano il gas al motore (compreso riduttore); montaggio di elettrovalvole adatte all'idrogeno; sostituzione della centralina elettronica per l'alimentazione ad idrogeno. Costo indicativo: 3000 Per la modifica ad iniezione diretta il costo aumenta notevolmente per via degli iniettori di H2 Costo indicativo: min. 5000

21 CELLE A COMBUSTIBILE

22 CELLE A COMBUSTIBILE VANTAGGI: Modularità dello STACK Rendimento elettrico elevato Efficienza indipendente dalle dimensioni dell impianto Emissioni zero Spazi e pesi ridotti Bassi costi di manutenzione SVANTAGGI: Costo elevato Rendimento inferiore a basse temperature (sotto i 50 C) Necessita di calore per l accensione (batteria o rete) Mal funzionamento a temperature sotto i -10 (-40 C) Transitori di carico a rendimenti incerti (batteria)

23 STACK PER L APPLICAZIONE Costo: Potenza erogata: 40 kw Peso: 60 kg circa Partenza a freddo: 1 min (tramite batteria)

24 CONCLUSIONI APPLICAZIONE PIU PRATICABILE: Sistema di produzione dell Idrogeno: generatore elettrolitico on-site (se la distribuzione non è ancora efficiente) Sistema di stoccaggio dell Idrogeno: 3 bombole di idrogeno compresso a 700 bar 3000 Sistema di propulsione ad Idrogeno: Conversione del GPL: Facile, economica, ma -15% potenza 3000 Conversione del Diesel: Costosa e complessa 5000 Conversione del Diesel ad Ibrido: Inquina, -10% potenza; 3000

25 CONCLUSIONI Sistema di propulsione: Celle a combustibile + altri costi (compressore aria, sistemi elettronici) Costosa fondi della Comunità Europea per i veicoli a emissioni zero Vantaggi aggiuntivi: soluzione energetica ed ecologica molto buona facilmente applicabile anche ai tanti modelli già alimentati da motore elettrico

26 Alma Mater Studiorum - Università di Bologna SECONDA FACOLTA DI INGEGNERIA CON SEDE A CESENA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA STUDIO DELL APPLICAZIONE DI UN SISTEMA ALIMENTATO AD IDROGENO PER UN SOLLEVATORE AUTOPROPULSO Tesi di laurea di: ALESSANDRO RAPPARINI Relatore: Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI

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