SPERIMENTAZIONE SU STRADA DELLA MISCELA IDROGENO-METANO. Test condotto su autobus da trasporto pubblico

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1 SPERIMENTAZIONE SU STRADA DELLA MISCELA IDROGENO-METANO Test condotto su autobus da trasporto pubblico Progetto di riferimento: MHyBus LIFE07 ENV/IT/ Contenuto documento: rapporto sull andamento della sperimentazione nei primi km Versione: 1.0 Data emissione: mese di dicembre 2012 Livello di diffusione: pubblico Lingua: italiano Responsabile: START Romagna SpA Autore: Vittorio Cazzola (consulente START per la sperimentazione) Pag 1

2 1.0 Premessa La sperimentazione della miscela idrogeno-metano (idrometano) fa parte di un progetto europeo denominato MHyBus LIFE07 ENV/IT/ con il coordinamento della Regione Emilia Romagna e il coinvolgimento di un partenariato che comprende oltre a RER anche ASTER, ENEA, START Romagna SpA, SOL SpA. La sperimentazione si prefigge lo scopo d indagare sul funzionamento di un motore a combustione interna alimentato con una miscela di idrogeno-metano. Il motore in questione è montato su un autobus urbano da trasporto pubblico già omologato per l impiego di gas naturale (metano) secondo il Regolamento ECE ONU R110. In particolare la sperimentazione vuole indagare sulle prestazioni del motore, sui gas da combustione emessi in atmosfera e sugli eventuali effetti della miscela sugli organi meccanici del motore. L obiettivo è di giungere entro il 2013 al collaudo finale in esemplare unico del veicolo alimentato con idrometano. L autobus oggetto del test è stato messo a disposizione da START Romagna SpA. Il veicolo, acquistato con il contributo speciale della regione ER, è stato immatricolato nel 2008 con targa DP590ML. Si tratta di un BredaMenarinibus M 231/GV Vivacity CNG dotato di motore DAIMLER CHRYSLER - MERCEDES M 906 LAG, potenza massima 170 kw (231 CV) a giri/min e copia massima 808 Nm (82 Kgm) a giri/min. La logica di funzionamento della Unità di Controllo Motore (ECU) è stata parzialmente modificata allo scopo di rendere ottimale la formazione della miscela e la sua combustione in presenza di un combustibile che contiene una quota di idrogeno. La miscela idrometano viene prodotta e fornita da SOL SpA di Ravenna, produttore di gas tecnici, tramite un impianto appositamente attrezzato. Durante il rifornimento l idrogeno e il metano sono miscelati, secondo un rapporto prestabilito fra i due gas (H 2 15% in vol. tolleranza ± 2%), mediante un unità di miscelazione interamente progettata e realizzata da SOL. Durante lo stesso ciclo la miscela idrogeno-metano viene compressa nei serbatoi del veicolo a una pressione di c.a. 200 bar tramite un processo/impianto di carica progettato da SOL che coinvolge nell ordine alcuni serbatoi di stoccaggio e un apposita stazione di pompaggio amovibile proprietà di ENEA (minirete). 1.1 Installazione strumenti per il rilievo dati La verifica delle prestazioni del motore e delle emissioni gassose viene eseguita da ENEA tramite proprie strumentazioni di misura installate a bordo del veicolo. A tale scopo il mezzo è stato equipaggiato con strumentazioni modello Horiba OBS 1300 in grado di fornire la misura in massa delle emissioni di CO, HC, NOx, CO 2 (vedi Fig. 1). Pag 2 Fig 1. Installazione degli strumenti di misura delle emissioni gassose

3 Le diverse misure delle emissioni vengono eseguite secondo campagne di rilievo realizzate in conformità con il programma stabilito dal Centro Prova Autoveicoli di Bologna (CPA). La strumentazione consente anche la rilevazione del consumo di combustibile tramite due misure indirette. Il sistema di misura è inoltre dotato di GPS per fissare la posizione del veicolo, per la determinazione dello spazio percorso e per il calcolo della velocità del mezzo. Al fine di consentire le attività di acquisizione dei dati relativi alla prestazione del motore (potenza, copia, pressione e temperatura olio, energia erogata, consumo) è stata montata una centralina di rilevazione e trasmissione dati su linea CAN bus all interno dello sportello vano cartello anteriore (vedi Fig. 2). Pag 3 Fig 2. Installazione di centralina di rilevazione e trasmissione dati relativi alle prestazioni motore La centralina è alimentata sotto chiave garantendo così la rilevazione dati in continuo dall accensione allo spegnimento del veicolo. I dati raccolti sono trasmessi in ENEA Casaccia (Roma) tramite un collegamento GPRS per successiva elaborazione. Le strumentazione di misura sono state visionate dal funzionario del Centro Prova Autoveicoli di Bologna durante la seduta omologativa del veicolo modificato avvenuta in data 24/01/2012 presso le officine BredaMenarinibus (motore originale sostituito con motore dotato di centralina ottimizzata testato al banco di ENEA Casaccia Roma e Istituto Motori CNR Napoli). 2.0 Stato della sperimentazione Il programma di sperimentazione emesso dal CPA in data 10 maggio 2010 è costituito di tre fasi: 1) Verifiche iniziali per la immissione in circolazione del veicolo. 2) Verifiche e prescrizioni nel corso dell esercizio sperimentale del veicolo. 3) Verifiche conclusive dell esercizio sperimentale del veicolo. Tutte le verifiche della sperimentazione sono state eseguite in conformità a quanto stabilito nel programma di sperimentazione. La fase 1), comprensiva delle verifiche eseguite in presenza di funzionari del CPA sul motore posto al banco e sul veicolo allestito con detto motore, è stata completata con successo nei primi mesi del Superate le verifiche, il veicolo è stato sottoposto ad una revisione straordinaria presso la competente sede di Ravenna della Motorizzazione Civile, conclusasi con esito regolare il 5 maggio Successivamente il CPA, constatato l esito della revisione straordinaria, in data 17 maggio 2012 ha ammesso il veicolo alimentato a idrometano all esercizio sperimentale per un periodo di due anni e comunque per una

4 percorrenza minima di km. Secondo la prescrizione del Ministero dei Trasporti del 25 marzo 2010 per i primi sei mesi o comunque per una percorrenza minima di km la circolazione del veicolo è stata autorizzata a vuoto con idonea zavorra atta a simulare parziali condizioni di carico. A tale fine sono stati caricati a bordo del veicolo, avente tara massima in ordine di marcia di kg, 60 sacchetti di polvere di roccia del peso di 25 kg ogni uno per un peso totale di 1,5 t. Ottenuta dall UMC di Ravenna l aggiornamento della carta di circolazione con l annotazione che autorizza la sperimentazione su strada, la Direzione di esercizio di START ha dato corso alla fase 2) autorizzando la circolazione del veicolo all interno del centro urbano di Ravenna. Superati alcuni problemi tecnici iniziali sorti sul veicolo, indipendenti dall impiego dell idrometano, l attività sperimentale è concretamente iniziata il 16 ottobre 2012, dopo l esecuzione delle verifiche iniziali di cui al paragrafo 3.1 successivo. In data 23 novembre 2012 il veicolo ha terminato di percorrere i primi km. Nel frattempo sono stati eseguiti con esito positivo alla presenza di un funzionario del CPA tutti i rilievi e le verifiche previsti nel programma di sperimentazione (vedi allegati). 3.0 Andamento della sperimentazione nei primi km (fase 2. del programma) In data 22 giugno 2012, prima d iniziare l esercizio sperimentale, è stato effettuato alla presenza di un funzionario del CPA il primo rilievo dei parametri significativi inerenti le emissioni gassose in atmosfera. Durante le misure un inconveniente tecnico causato dal malfunzionamento di una centralina che governa l apertura delle porte ha indotto un arresto del mezzo e del test. Superato l inconveniente tramite l assistenza in linea dell officina START il test è ripreso. Purtroppo la seconda rilevazione non è risultata attendibile per un errore nella misura della portata del gas di scarico generato nella fase di iniziale (errore di calibrazione). Durante la misura continuava inoltre a presentarsi il problema tecnico che in precedenza aveva indotto l arresto del veicolo. In accordo con il CPA si è quindi stabilito di ripetere il test quando sarebbe stata ripristinata la completa efficienza del veicolo. 3.1 Verifiche iniziali Il fermo del veicolo è durato oltre un mese per difficoltà di approvvigionamento delle parti guaste. Alla ripresa, dopo il periodo feriale, è stato definito l appuntamento con il CPA per la ripetizione del test iniziale. Purtroppo nel giorno fissato si è dovuto rimandare ulteriormente l appuntamento a causa di un guasto nella strumentazione ENEA. Superato l inconveniente, in data 9 ottobre 2012 si è potuto ripetere la misura dei valori iniziali delle emissioni alla presenza di un funzionario del Centro Prova. Il test si è concluso positivamente. La lunghezza del circuito di prova appositamente definito è stata fissata in 5 km da percorrere con le stesse modalità del servizio di trasporto urbano, effettuando anche le fermate (vedi allegato: Percorsi per misura emissioni e per sperimentazione primi 5000 km). Il circuito di prova è stato eseguito per tre volte consecutive in modo da avere un riscontro alle misure eseguite. Ogni test è stato preceduto da una operazione di pulizia delle camere di misura e da una calibrazione della strumentazione. I risultati del test e le modalità di misura adottate sono descritti nel documento ENEA (vedi allegato: Report test su strada del 9 ottobre 2012). Le emissioni e i consumi rilevati hanno lo scopo di verificare eventuali scostamenti nel corso della sperimentazione. In particolare i consumi rilevati con la strumentazione Horiba non sono da utilizzare come valori assoluti. Per la valutazione del rendimento della miscela idrogeno-metano rispetto al metano è preferibile tenere conto dei consumi rilevati durante la circolazione sperimentale su strada, calcolati in base alla massa di miscela consumata e ai km percorsi tra un rifornimento e l altro (vedi allegato: Giornale di bordo_parte A (ver 1.3) DEF). Complessivamente i risultati delle rilevazioni fatte con gli strumenti Horiba non mostrano scarti tra le tre misure attribuibili a condizioni differenti di test o errori di sistema. Pag 4

5 3.2 Sperimentazione su strada Eseguito il rilievo iniziale dei dati il CPA ha autorizzato l inizio della circolazione sperimentale con veicolo zavorrato senza passeggeri a bordo per un totale minimo di km, in simulazione del servizio di trasporto pubblico. La sperimentazione è iniziata in data 16/10/12 ed è terminata il 23/11/12 dopo avere percorso km come risulta dal Giornale di Bordo parte A, altrimenti chiamato GB parte A (vedi allegato: Giornale di bordo_parte A (ver 1.3) DEF). Ogni giorno il veicolo ha percorso una media di 216 km ed è stato guidato da autisti informati sulla natura della sperimentazione. L ufficio Movimento di START, tenuto conto dei criteri suggeriti da ENEA, ha individuato un apposito percorso per questa prima parte di sperimentazione della lunghezza di c.a. 21 km con 51 fermate (una ogni c.a. 400 metri). Alcune fermate sono fittizie in aggiunta a quelle esistenti per una simulazione più reale della salita/discesa dell utenza in ambito urbano (vedi allegato: Percorsi per misura emissioni e per sperimentazione primi 5000 km). È stata posta attenzione a non sovrapporre il percorso con le linee del servizio di trasporto pubblico per non generare confusione nell utenza, a fare transitare il mezzo nei pressi del punto di rifornimento per evitare oneri di trasferimento, a evitare la viabilità complessa del centro urbano per facilitare eventuali recuperi del veicolo. Durante la circolazione giornaliera, a un orario prefissato, il veicolo si recava presso lo stabilimento SOL in via Baiona a Ravenna per fare rifornimento di miscela. I dati di percorrenza sono stati raccolti dai conducenti che si sono avvicendati in linea, tramite la compilazione di apposito rapporto di servizio giornaliero direttamente a bordo del veicolo. I dati di rifornimento sono stati raccolti tramite verbale emesso dalla ditta SOL e controfirmato dal conducente presente al rifornimento. Il rapporto di servizio contiene i chilometri percorsi giornalmente e le segnalazioni dell autista. A fronte delle segnalazioni di malfunzionamento l officina START interveniva per rimettere in servizio il mezzo. Successivamente i dati venivano registrati sul GB parte A. 3.3 Anomalie rilevate Durante la circolazione sperimentale non sono stati rilevati inconvenienti al motore, all impianto di alimentazione e ai dispositivi di sicurezza riconducibili all uso della miscela idrogeno-metano, inoltre non sono stati necessari interventi di manutenzione straordinaria sull impianto di alimentazione, in quanto non sono intervenuti guasti o altri inconvenienti tecnici, come attestato sul GB parte B (vedi allegato: Giornale di bordo_parte B (ver. 1.1) DEF). Nel periodo compreso dal 22/10 al 7/11 al primo avviamento, prima dell uscita, il sistema di controllo dei dispositivi di sicurezza comunicava sul display, situato presso il posto guida, anomalie alle elettrovalvole delle bombole e al sensore di fuga gas posto nel vano bombole. I tecnici di officina intervenivano e ripristinavano la funzionalità delle elettrovalvole e del sensore di fuga gas attivando la funzione di reset. Appariva quindi evidente che la segnalazione non era una reale anomalia ma un malfunzionamento dipendente, con buona probabilità, dalla bassa tensione di alimentazione delle batterie del veicolo. In effetti, con la sostituzione delle batterie le segnalazioni non si sono più presentate. Durante il tragitto sono stati necessari alcuni interventi di manutenzione indipendenti dall impiego della miscela che non sono stati riportati sul GB parte A, in quanto non interessano la sperimentazione in atto. 3.4 Consumi di miscela Come detto in precedenza, ogni giorno il veicolo a un orario prefissato si recava presso lo stabilimento SOL, a poca distanza dal deposito START, per fare rifornimento di miscela idrogeno-metano come riportato nel GB parte A. La rilevazione dei consumi deriva dalla lettura dei dati alla pompa, ossia al momento del rifornimento. Il calcolo è stato eseguito mediante differenza di pressione e convertendo in massa il contenuto molare ricavato dalla legge dei gas. Benché non si notino scostamenti significativi tra i consumi rilevati all inizio della sperimentazione e quelli finali, si osserva una non omogeneità dei valori dei consumi (kg/km) che può dipendere da diversi fattori. La variabilità della conduzione del veicolo ha inciso sulla dispersione dei valori dei consumi, così come ha inciso la variazione di temperatura della miscela tra l inizio e la fine della compressione del gas nei serbatoi. Il rilevamento della pressione finale potrebbe quindi essere sovrastimato rispetto al valore a riposo e di conseguenza lo sarebbe anche il calcolo del consumo. Ulteriore Pag 5

6 variabile è il calo di pressione nei serbatoi durante il fermo notturno del veicolo a causa dell abbassamento della temperatura dei gas a riposo, infine non si possono escludere errori di lettura dei dati alla pompa. Se si escludono i valori macroscopicamente divergenti e si considerano quelli appartenenti al range da 0,27 a 0,33 kg/km risulta un consumo medio di 0,309 kg/km che è di qualche punto %le inferiore al consumo di metano proveniente dai dati storici relativi allo stesso veicolo alimentato a gas naturale (metano). 3.5 Rilievo della prestazione del motore Durante tutto il corso della sperimentazione sono stati rilevati i valori istantanei delle grandezze che caratterizzano la prestazione del motore su strada, come riportato nel documento ENEA (vedi allegato: Rapporto su prestazioni motore su strada). La velocità media giornaliera e di conseguenza anche tutte le altre grandezze hanno subito variazioni a causa dei molteplici fattori che influenzano la dinamica del veicolo: il traffico, le condizioni meteo, l autista. D altra parte queste sono le condizioni normali d esercizio durante il trasporto pubblico. La velocità media globale è stata complessivamente pari a km/h, in linea con la normale velocità di crociera. L erogazione della potenza e della copia non hanno subito variazioni significative. In tutte le misure è stata raggiunta la piena erogazione della potenza e la coppia massima ha raggiunto la massima disponibile dal motore. In particolare non si notano scostamenti significativi tra i valori iniziali e quelli finali, segno che il ciclo termodinamico del motore non ha subito variazioni. La misura di temperatura e pressione dell olio motore non ha riscontrato scostamenti particolari attestandosi rispettivamente su un valore medio di 82.5 C e 4,14 bar. Nel rapporto è riportata anche l energia media erogata dal motore nei percorsi eseguiti che è pari a 1.54 kwh/km con un consumo medio pari a 205 g/kwh. Nella fase delle prove al banco sul ciclo ufficiale ETC il consumo è stato di 244 g/kwh. La differenza è da imputare alla diversità dei punti di lavoro del motore tra il ciclo ufficiale e quello omologativo. 3.6 Rilievo dei dati emissivi al termine della sperimentazione Terminata la sperimentazione, in data 5 dicembre 2012 è stata ripetuta la misura delle emissione gassose. Allo scopo ENEA aveva rimontato a bordo del veicolo le strumentazioni Horiba e il misuratore di flusso dei gas esausti e rivelatore di NOx. Gli esiti delle misure e le relative considerazioni sono riportate nel documento ENEA (vedi allegato: Risultati test su strada del 05 Dicembre 2012 v.1). Le rilevazioni sono state eseguite alla presenza di un funzionario del Centro Prova impiegando lo stesso metodo già riferito al punto 3.1. Verifiche iniziali e descritto più in dettaglio nel documento ENEA. Fig 3: Misura emissioni e bombole di gas inerte per pulizia camere di misura e calibrazione strumenti I risultati emersi mettono in rilievo uno scarto tra i valori misurati all inizio e alla fine dei primi km. La natura dello scarto è di complessa definizione in virtù delle notevoli variabili presenti nel confronto tra le Pag 6

7 due prove. Le diverse velocità nei cicli di prova, il diverso numero di fermate, le diverse condizioni ambientali sono variabili che hanno condizionato i valori dei risultati. Nella prossima misura che sarà eseguita a c.a km come da programma si farà particolare attenzione ad eliminare il maggior numero di variabili. 3.7 Verifica del funzionamento dei dispositivi di sicurezza Al termine dei rilievi di cui al punto precedente, in data 5 dicembre 2012 alla presenza del funzionario del Centro Prova è stato verificato il corretto funzionamento dei dispositivi di sicurezza montati sul veicolo, così come previsto nel programma di sperimentazione e come attestato nel GB parte C (vedi allegato: Giornale di bordo_parte C (ver. 1.0) DEF). Il corretto funzionamento dei dispositivi di sicurezza Sistema VCS di monitoraggio del funzionamento delle EV e Sistema di rilevamento fughe gas Amerex è stato verificando impiegando la procedura riportata nella relazione tecnica 001/11 Rev. 1 Elementi costruttivi di sicurezza emessa da BMB in data 8/7/2011 e già in possesso del CPA. Gli esiti dei test condotti dal personale dell officina meccanica di START Romagna sono stati positivi. 3.8 Prove sul motore del veicolo Prima d iniziare la sperimentazione su strada ENEA ha fatto l esame endoscopico iniziale delle camere di combustione per fotografare lo stato di pistoni e cilindri al fine di verificare nel tempo eventuali effetti della miscela. È stato inoltre prelevato un campione d olio lubrificante da sottoporre ad esame di laboratorio per lo stesso scopo. È stato infine verificato lo stato delle candele. Analoghe indagini sono state fatte in data 6 dicembre 2012 al termine della sperimentazione dei km. Nel corso e alla fine della sperimentazione successiva saranno ripetute le stesse operazioni di verifica e al termine saranno tratte le conclusioni sugli eventuali effetti della miscela. Il dato è particolarmente significativo per valutare l eventuale impatto che può avere l impiego della miscela sulla manutenzione. Al momento non sono emerse anomalie tali da pregiudicare il funzionamento del motore. 3.9 Conclusioni I documenti che riportano i risultati delle verifiche condotte da ENEA e il Giornale di Bordo redatto da START durante la sperimentazione sono stati trasmessi, in allegato a questo rapporto, al Centro Prova Autoveicoli di Bologna che li valuterà. Dei risultati delle verifiche e dei riscontri riportati sul Giornale di Bordo il CPA riferirà alla competente sede ministeriale. Il CPA ha presenziato alle prove ufficiali connesse con la prima parte della sperimentazione su strada, rilevando la loro completa e corretta effettuazione. Secondo il programma di sperimentazione il prosieguo della circolazione in esercizio effettivo con persone a bordo non è subordinato a un pronunciamento di nulla osta da parte del MIT. Allegati al rapporto sull'andamento della sperimentazione: 1. Percorsi per misura emissioni e per sperimentazione primi 5000 km 2. Report test su strada del 9 ottobre Giornale di bordo_parte A (ver 1.3) DEF 4. Giornale di bordo_parte B (ver 1.1) DEF 5. Rapporto prestazioni motore su strada 6. Risultati test su strada del 05 Dicembre 2012 v.1 7. Giornale di bordo_parte C (ver 1.0) DEF Ravenna, lì 21 dicembre 2012 Pag 7