I COMBUSTIBILI NEI TRASPORTI

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1 Progetto Formativo Scuola 21 IIS Enrico Mattei San Donato Milanese I COMBUSTIBILI NEI TRASPORTI Francesco Avella Responsabile Laboratorio Motori Stazione Sperimentale per i Combustibili avella@ssc.it

2 INTRODUZIONE Nato intorno alla metà del 1800, il motore a combustione interna (C.I.) alternativo risulta ancora il propulsore per eccellenza per il movimento degli autoveicoli, perché caratterizzato da un elevata potenza per unità di peso, da una facile regolazione e da un elevata autonomia di funzionamento. Fin dai primi anni del secolo scorso l alimentazione dei motori C.I. è costituita essenzialmente da combustibili di origine fossile, quali la benzina e il gasolio, prodotti dalla raffinazione del petrolio (distillazione atmosferica e processi di conversione dei distillati medi). Solo nell ultimo decennio i combustibili destinati ad alimentare motori degli autoveicoli sono stati diversificati con l introduzione dei combustibili alternativi per tenere conto dei problemi ambientali determinati dal settore dei trasporti. 2

3 I COMBUSTIBILI PER L AUTOTRAZIONE NEGLI ANNI 2000 CONVENZIONALI benzina, gasolio ALTERNATIVI GASSOSI GPL, GNC DERIVATI DA FONTI RINNOVABILI biodiesel, bioetanolo Idrometano e IDROGENO DERIVATI DA FONTI RINNOVABILI 2 a generazione (XTL) 3

4 INTERAZIONE MOTORE / COMBUSTIBILE La qualità dei combustibili influenza le emissioni inquinanti Negli ultimi venti anni è stato messo in evidenza che la qualità e la costituzione chimica dei combustibili influenzano le emissioni inquinanti degli autoveicoli, sia in modo diretto che indiretto. Gli effetti risultano, comunque, meno incisivi rispetto a quelli provocati dalle tecnologie motoristiche. Interazione tra tecnologia motoristica e qualità dei combustibili I risultati di grandi programmi sperimentali svolti negli USA e in Europa negli anni 90 hanno rilevato l esistenza di una notevole interazione tra tecnologia motoristica e qualità del combustibile con riguardo alle emissioni inquinanti. Regolamentazione delle emissioni inquinanti e dei combustibili A partire dalla fine degli anni 90 le strategie messe in campo dalla Commissione Europea (CE) per ridurre in modo efficace l impatto degli autoveicoli sull ambiente hanno riguardato azioni normative congiunte per regolamentare sia le emissioni inquinanti che la composizione e la qualità dei combustibili. 4

5 LA RIDUZIONE DELLE EMISSIONI DEGLI AUTOVEICOLI Principali problemi dei Costruttori per produrre autoveicoli conformi agli standard di emissione degli inquinanti Euro 5 (2009) ed Euro 6 (2014): riduzione contemporanea dell emissione degli ossidi di azoto e del particolato dei motori diesel, contrastata dalla ben nota relazione di trade-off NOx PM contenimento dei consumi di combustibile al fine di limitare l emissione dell anidride carbonica, in ottemperanza al Protocollo di Kyoto, al valore previsto di 120 g CO2 /km entro il 2012 Entrambi questi obiettivi possono essere raggiunti soltanto se le nuove tecnologie adottate per la costruzione dei motori sono combinate con l applicazione di dispositivi catalitici di nuova generazione per il posttrattamento dei gas di scarico e con il miglioramento della qualità dei combustibili. 5

6 PERCHÉ È NECESSARIO DEFINIRE I REQUISITI DI QUALITÀ DEI COMBUSTIBILI per limitare l emissione di sostanze tossiche e nocive prodotte direttamente dalla combustione nel motore benzene idrocarburi aromatici aldeidi composti dello zolfo particolato carbonioso IPA per evitare gli effetti indesiderati sui dispositivi di alimentazione del motore (formazione dei depositi, corrosione, ecc.) e il malfunzionamento dei sistemi catalitici di riduzione delle emissioni inquinanti marmitta catalitica a tre vie catalizzatore ossidante diesel filtro antiparticolato trappole per gli NOx 6

7 NORMATIVA EUROPEA PER LA QUALITÀ DEI COMBUSTIBILI Si esplica attraverso l emanazione di direttive da parte della Commissione Europea che dovranno essere recepite e applicate dai governi dei paesi membri. Direttiva 2009/30/CE regolamenta la qualità dei combustibili per autotrazione, includendo quelli tradizionali e i combustibili derivati da fonti rinnovabili (biocombustibili), da immettere sul mercato europeo nei prossimi anni. Essa estende i requisiti ambientali anche ai combustibili destinati all alimentazione di veicoli off-road (macchine per agricoltura, macchine semoventi, navi adibite alla navigazione interna). Questa direttiva è la revisione delle precedenti direttive comunitarie emesse per la prima volta a partire dal 1998 (Direttive 98/70/CE e 2003/17/CE) per definire i requisiti minimi di qualità dei combustibili fossili e per promuovere l uso dei biocombustibili (2003/30/CE). 7

8 COME SI ATTUANO LE DIRETTIVE EUROPEE Definizione di norme europee Si esplica attraverso l emanazione da parte dell Ente Normativo Europeo (CEN) di norme tecniche che definiscono i requisiti minimi di qualità dei combustibili da immettere sul mercato dei paesi membri. Le norme riportano i valori limite delle proprietà chimiche e fisiche che influenzano il comportamento e le emissioni dei motori e i relativi metodi per la loro determinazione in laboratorio. Tutti i combustibili sono soggetti a norme di qualità Attualmente tutti i combustibili, siano essi convenzionali che alternativi, sono obbligatoriamente soggetti a norme tecniche di qualità, valide in ambito internazionale, essendo queste un requisito essenziale per assicurare il corretto funzionamento dei motori. Revisione periodica delle norme Le norme tecniche sono soggette a revisione periodica per tenere conto dei progressi tecnologici dei motori e per venire incontro all occorrenza di nuove esigenze ambientali. 8

9 I REQUISITI DI QUALITÀ DEI COMBUSTIBILI Riguardano restrizioni ai valori di alcune proprietà chimiche e fisiche PRESTAZIONALI AMBIENTALI REQUISITI DI QUALITA DEI COMBUSTIBILI PRESTAZIONALI AMBIENTALI (la maggior parte) 9

10 COSTITUZIONE E NORME TECNICHE DI QUALITÀ DELLA BENZINA IN EUROPA CARATTERISTICHE NORMATE DELLA BENZINA E DEL BIOETANOLO Numero delle proprietà sottoposte a limiti prestazionali ambientali prestaz. + ambient. BENZINA ora: max 5% vol dal 2011: max 10% vol EN 228 (2009) [tot 15] BIOETANOLO EN (2009) [tot 11]

11 COSTITUZIONE E NORME TECNICHE DI QUALITÀ DEL GASOLIO IN EUROPA CARATTERISTICHE NORMATE DEL GASOLIO E DEL BIODIESEL Numero delle proprietà sottoposte a limiti prestazionali ambientali prestaz. + ambient. GASOLIO ora: max 7% vol dal 2013/14: max 10% vol EN 590 (2010) [tot 18] BIODIESEL EN (2009) [tot 26]

12 TENORE DI ZOLFO NEI COMBUSTIBILI Il tenore di zolfo nella benzina e nel gasolio è stato il parametro che ha subito la riduzione maggiore nel corso degli anni per la sua forte incidenza diretta e indiretta (durata dei dispositivi catalitici) sulle emissioni inquinanti. Il valore massimo attualmente imposto è di 10 mg/kg. zolfo [mg/kg] pre benzina gasolio Direttiva 2003/17/CE prima del dopo il S > 50 mg/kg S < 50 mg/kg + + S < 10 mg/kg S < 10 mg/kg 12

13 MOTIVAZIONI DELLA RIDUZIONE SPINTA DEL TENORE DI ZOLFO NEI COMBUSTIBILI È stato necessario definire un limite massimo molto restrittivo del tenore di zolfo nella benzina e nel gasolio (S < 10 mg/kg) per consentire l introduzione di nuovi dispositivi per il controllo delle emissioni inquinanti (NOx e PM) sugli autoveicoli di modello attuale e di prossima generazione in conformità con gli standard Euro 4, Euro 5 ed Euro 6. sezione depurati sezione filtrante sezione catalitica ingresso catalitica gas gas ingresso sezione uscita gas Three-Way Catalyst catalizzatore ossidante al Pt catalizzatore CRT (J&M) filtro a nido d ape SCR NOx catalyst (J&M) Questi dispositivi, infatti, presentano una sensibilità più o meno elevata verso una rapida e irreversibile disattivazione quando nei combustibili sono presenti composti solforati. 13

14 I BIOCOMBUSTIBILI QUALE ALTERNATIVA AI COMBUSTIBILI DI ORIGINE FOSSILE Nel caso specifico dei biocombustibili il loro uso nei trasporti costituisce una delle iniziative legislative più importanti messe in atto dalla CE per ridurre l emissione dei gas serra nell atmosfera e contenere la dipendenza dalle fonti energetiche fossili. L impiego dei biocombustibili nei trasporti, quindi, non è tanto determinato dalla necessità di ridurre le emissioni inquinanti degli autoveicoli, bensì quello di utilizzare combustibili derivati da fonti rinnovabili. La recente Direttiva 2009/30/CE, infatti, regolamenta la qualità dei combustibili per autotrazione e obbliga i paesi dell Unione Europea a un uso sempre più esteso dei biocombustibili di 1 a generazione (biodiesel, bioetanolo). bioetanolo 14

15 PROBLEMI PRATICI: COMPATIBILITÀ DEI BIOCOMBUSTIBILI CON I MOTORI I biocombustibili convenzionali non possono essere impiegati tal quali per alimentare i propulsori della quasi totalità dei modelli di autoveicoli circolanti in Europa in sostituzione di quelli tradizionali di origine petrolifera perché possono determinare effetti indesiderati nei motori convenzionali e sul funzionamento dei dispositivi catalitici per la riduzione delle emissioni inquinanti. I motori attualmente prodotti, infatti, risultano incompatibili con i biocombustibili puri, ma si adattano a miscele a bassa concentrazione di biodiesel con il gasolio e di bioetanolo anidro con la benzina. È necessario, quindi, assicurare la completa intercambiabilità con i combustibili tradizionali. 15

16 ASPETTI CRITICI NELL IMPIEGO DEI BIOCOMBUSTIBILI DI 1 a GENERAZIONE Negli ultimi anni in Europa si è fatto ricorso all uso di biodiesel e bioetanolo, come componenti di sostituzione degli idrocarburi, in miscela col gasolio e con la benzina solo in concentrazioni limitate, senza necessità di apportare modifiche alla rete di distribuzione e ai motori degli autoveicoli, anche di modello recente. Infatti, nel corso degli anni sono stati evidenziati alcuni problemi di carattere prestazionale (malfunzionamento) dei motori convenzionali alimentati con miscele gasolio/biodiesel e benzina/bioetanolo, che possono influenzare le emissioni inquinanti anche quando la concentrazione è di poco superiore ai valori tuttora ammessi. biodiesel fenomeni di corrosione formazione depositi sugli iniettori degradazione del lubrificante disattivazione dispositivi antinquinamento bioetanolo problemi di avviabilità del motore a freddo e a caldo compatibilità con i materiali elastomerici e metallici elevate emissioni evaporative 16

17 MISCELE AD ELEVATO CONTENUTO DI BIODIESEL In linea generale soltanto una parte modesta della flotta autoveicolare circolante nei paesi EU può essere alimentata con miscele molto ricche in biocombustibili senza incorrere in problemi di durabilità. BIODIESEL Su indicazione di differenti costruttori europei è possibile alimentare soltanto alcuni modelli di autoveicoli e flotte captive con miscele al 20/30 % in volume di biodiesel (B20/B30). Anche per queste miscele è in atto presso l Ente Normativo Europeo (CEN) lo sviluppo una norma tecnica che ne prescrive i requisiti minimi di qualità. 17

18 MISCELE AD ELEVATO CONTENUTO DI BIOETANOLO BIOETANOLO è possibile alimentare esclusivamente alcuni modelli speciali di autovettura già disponibili sul mercato EU e USA con miscele al 75/85 % in volume di bioetanolo (E75/E85) in benzina. Questi modelli sono costruiti con materiali compatibili con l alcool e dotati di sistemi di controllo specifici della composizione del combustibile per ottimizzare automaticamente l iniezione del combustibile nel motore e l accensione della miscela combustibile/aria che si forma (FFV = Flexible Fuel Vehicles). 18

19 I BIOCOMBUSTIBILI DI 2 a GENERAZIONE (XTL) I biocombustibili di 2 a generazione: BTL (Biomass to Liquid) GTL (Gas to Liquid) HVO (Hydrogenated Vegetable Oils) bioetanolo ottenuto per fermentazione di biomasse di natura ligneo-cellulosica costituiscono la migliore alternativa a quelli di 1 a generazione. Gli XTL e gli HVO devono considerarsi prodotti sintetici, chimicamente assimilabili a idrocarburi paraffinici con catena lineare, aventi elevate caratteristiche prestazionali. 19

20 PRODUZIONE DEI BIOCOMBUSTIBILI DI 2 a GENERAZIONE Sono ottenuti per sintesi a partire da biomasse e gas naturale O 2 BTL biomassa SYNgas (CO+H 2 ) Sintesi Fischer- Tropsch Hydro processing NG GTL e per idrogenazione spinta degli oli vegetali purificazione Hydro processing HVO olio vegetale 20

21 CONSIDERAZIONI SUI BIOCOMBUSTIBILI DI 2 a GENERAZIONE migliore combustione Rispetto ai combustibili diesel convenzionali presentano vantaggi dal punto di vista ambientale: assenza o quasi di zolfo assenza di HC aromatici bassa densità elevata qualità di accensione In miscela col gasolio minerale risultano adattabili: ai motori diesel attuali agli impianti di distribuzione esistenti Non c è ancora un numero sufficiente di sperimentazioni e prove di campo per accertare la loro effettiva idoneità per alimentare i motori di produzione attuale, sia tal quali che in miscela con gasolio minerale. Nel 2009 è stato adottato dal CEN l Accordo europeo N N per predisporre lo sviluppo di una norma di qualità degli XTL e degli HVO. 21

22 COMBUSTIBILI GASSOSI CONVENZIONALI PER MOTORI AD ACCENSIONE COMANDATA GAS NATURALE (GNC) la composizione è determinata dal luogo di origine CH 4 min 80% vol (gas L) - max 100 % vol (gas H) le caratteristiche del gas naturale per uso autotrazione sono regolamentate con la norma internazionale ISO Natural gas quality designation for use as compressed fuel for vehicles. GAS DI PETROLIO LIQUEFATTI (GPL) sono una miscela di idrocarburi costituita prevalentemente da propano e butano i requisiti minimi di qualità sono regolamentati attraverso la norma europea EN 589. Le tecnologie motoristiche attuali, e anche quelle meno recenti, sono in grado di adattarsi adeguatamente ai combustibili gassosi convenzionali senza penalizzare apprezzabilmente le prestazioni e le emissioni inquinanti in tutte le condizioni di funzionamento dell autoveicolo. 22

23 L IDROGENO COMBUSTIBILE DEL FUTURO? VANTAGGI L idrogeno è un vettore energetico prodotto sia da fonti sia fossili che rinnovabili, la cui combustione nel motore non genera inquinanti, a parte gli ossidi di azoto, eliminabili con un comune catalizzatore. È utilizzabile per alimentare direttamente i motori C.I. dedicati, come quelli messi a punto dalla BMW e da altre Case automobilistiche in progetti dimostrativi, o per alimentare le Fuel Cell di autoveicoli con motore elettrico. SVANTAGGI Ha un contenuto energetico inferiore a quello della benzina e del gas naturale, per cui l autonomia dell autoveicolo è relativamente bassa. Sebbene dal punto di vista ambientale risulti molto interessante, le difficoltà tecniche e i costi di produzione e di distribuzione ecocompatibili, ancora molto elevati, non lo rendono competitivo. 23

24 CONCLUSIONI Nel panorama attuale le prospettive di sviluppo dei combustibili per autotrazione nei prossimi venti anni indicano che: si farà ricorso a quantità sempre più elevate dei biocombustibili in miscela con la benzina e con il gasolio di origine petrolifera le cui proprietà a carattere ambientale sono state notevolmente migliorate i combustibili gassosi tradizionali (GNC, GPL) rimarranno ancora combustibili di nicchia, anche se si intravede la tendenza verso una crescita della richiesta di mercato di autoveicoli bi-fuel ci sarà un forte sviluppo dei biocombustibili di 2 a generazione (XTL e HVO) che presentano caratteristiche prestazionali e ambientali nettamente migliori dei biocombustibili di 1 a generazione e di quelli di origine petrolifera anche se i progetti dimostrativi messi in campo hanno indicato che è possibile produrre in serie autovetture con propulsori a idrogeno, questi potranno avere una diffusione tra non meno di anni qualora risultassero competitivi con altre tecnologie di propulsione. 24