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

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Romina Dini
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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

APPLICAZIONE DI UN SISTEMA ALIMENTATO AD IDROGENO PER UN SOLLEVATORE

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

O NULLE EMISSIONI INQUINANTI PER UN SOLLEVATORE A

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

) Brucia completamente anche in miscele idrogeno-aria magre complessivamente ho maggiore

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

interno/esterno) Nessun problema di peso in quanto il sollevatore è

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

gasolio122 m3 idrogeno (10 kg circa) in forma gassosa (compresso in bombole) In forma liquida

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

distillata + 10 da corrente elettrica + 0 da energia solare Vantaggi: Costo di

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

serbatoio criogenico da 150 litri Peso = 180 kg - SISTEMA

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

una) Ok (zavorra 967 kg) 174 litri H2 a 700 bar: 3 bombole speciali da 50 litri

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

Peso = 150 kg OK NANOSTRUTTURE DI CARBONIO: Assorbimenti fino al 68% in peso di

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)

SPONTANEA funzionamento ad idrogeno puro MOTORI IBRIDI DUAL FUEL

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)

scarico SVANTAGGI Problema isolamento Indurimento olio

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

potenza No preaccensione No ritorno di fiamma Rendimento

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

emergenza Non solo NOx allo scarico No perdite di potenza:

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

elettrovalvole adatte all'idrogeno; sostituzione della centralina elettronica per l'alimentazione ad idrogeno.

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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