L applicazione di miscele di idrogeno e gas naturale in veicoli industriali: risultati in termini energetici ed ambientali

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1 L applicazione di miscele di idrogeno e gas naturale in veicoli industriali: risultati in termini energetici ed ambientali MARIA CHIESA Università Cattolica del Sacro Cuore - Brescia BONG-HY ( parallel application of Blends Of Natural Gas and HYdrogen in internal combustion engines and fuel cells)

2 OBIETTIVI DELLE SPERIMENTAZIONI LE SPERIMENTAZIONI SONO STATE EFFETTUATE SU UN DAILY ALIMENTATO ORIGINARIAMENTE A METANO DELLA SOCIETA ASM SPA DI BRESCIA TUTTE LE PROVE SPERIMENTALI SUL VEICOLO HANNO AVUTO COME OBIETTIVO LA RIDUZIONE DELLE EMISSIONI DI ANIDRIDE CARBONICA E NELLO STESSO TEMPO LA RIDUZIONE O AL PIU IL NON PEGGIORAMENTO DELLE SEGUENTI EMISSIONI INQUINANTI : MONOSSIDO DI CARBONIO (CO) OSSIDI DI AZOTO (NOX) IDROCARBURI TOTALI (HC)

3 PROVE SPERIMENTALI EFFETTUATE Le prove sono state effettuate al banco a rulli secondo due modalità: Prove stazionarie (a velocità costante) lungo la curva di utilizzazione strada; Sul CICLO DI GUIDA urbano (CICLO ECE) Tutti i test sono stati condotti confrontando le prestazioni energetiche ed ambientali del motore a miscela (con un contenuto di idrogeno in volume nel metano pari al 10% e 15%) con quelle analoghe per il metano puro Nel funzionamento a miscela sono state adottate due condizioni di dosatura: 1) Condizione stechiometrica ( λ = 1) (λ = rapporto aria/combustibile) 2) Condizione di miscela magra (λ = 1.4)

4 PROVE STAZIONARIE Le prove stazionarie sono state effettuate con metano puro e con miscele stechiometriche e magre contenenti il 15% in volume di idrogeno nei punti di funzionamento caratteristici della curva di utilizzazione strada Le condizioni operative del veicolo che sono state analizzate sono le seguenti: Regime di minimo Velocità costante V 1 = 15 km/h Velocità costante V 2 = 30 km/h Velocità costante V 3 = 45 km/h Velocità costante V 4 = 60 km/h.

5 PROVE STAZIONARIE CO2 (%) METANO MIX 15% STECHIO MIX 15% MAGRO MINIMO 9,15 9,00 6,40 15 km/h 9,65 9,44 6,64 30 km/h 9,65 9,30 6,70 45 km/h 9,62 9,33 6,80 60 km/h 9,56 9,26 6,87

6 PROVE STAZIONARIE CO (%) METANO MIX 15% STECHIO MIX 15% MAGRO MINIMO 0,000 0,001 0, km/h 0,004 0,030 0, km/h 0,002 0,077 0, km/h 0,001 0,040 0, km/h 0,001 0,037 0,000

7 PROVE STAZIONARIE NOX (PPM) METANO MIX 15% STECHIO MIX 15% MAGRO MINIMO km/h km/h km/h km/h

8 PROVE STAZIONARIE HC (PPM) METANO MIX 15% STECHIO MIX 15% MAGRO MINIMO km/h km/h km/h km/h

9 PROVE STAZIONARIE.. DALLE ANALISI DELLE PROVE STAZIONARIE PER DIVERSI TIPI DI VELOCITA SENZA APPORTARE MODIFICHE ALLA CENTRALINA ELETTRONICA E STATA RISCONTRATA UNA DIMINUZIONE DELLE EMISSIONI DI CO2 E CO PER MISCELE STECHIOMETRICHE E MAGRE RISPETTO AL METANO PURO. VICEVERSA, DALLE PROVE STAZIONARIE INIZIALI E EMERSO CHE L UTILIZZO DI MISCELE SENZA APPORTARE MODIFICHE ALLA CENTRALINA ELETTRONICA COMPORTAVA UN AUMENTO DELLE EMISSIONI DI IDROCARBURI E DEGLI OSSIDI DI AZOTO RISPETTO ALL UTILIZZO DI METANO PURO MESSA A PUNTO DEL VEICOLO PER UN SUO UTILIZZO CON MISCELE SU CICLO URBANO

10 CICLO ECE (URBANO)_ CARATTERIZZAZIONE DELLE FASI velocità (km/h) Andamento della velocità del veicolo lungo un CICLO URBANO Potenza media impiegata : 4,5 kw Durata complessiva di un ciclo: 195 s Cambio marcia del veicolo Sec VEL km/h tempo (s)

11 CICLO ECE (URBANO)_ CARATTERIZZAZIONE DELLE FASI N Operazione Tipo operazione Accelerazione (m/s 2 ) Velocità (km/h) Tempo (s) 1 fermata 0, accelerazione 1,04 da 0 a v costante 0, decelerazione -0,83 da 15 a fermata 0, accelerazione 0,69 da 0 a accelerazione 0,79 da 15 a v costante 0, decelerazione -0,81 da 32 a fermata 0, accelerazione 0,69 da 0 a accelerazione 0,51 da 15 a accelerazione 0,46 da 35 a v costante 0, decelerazione -0,52 da 50 a v costante 0, decelerazione -0,97 da 35 a fermata 0,00 0 7

12 CICLO ECE (URBANO)_ CARATTERIZZAZIONE DELLE FASI PROVE EFFETTUATE: 1) funzionamento del motore alimentato a miscela sic et simpliciter Risultato: Aumento delle emissioni di ossidi di azoto rispetto al metano 2) Funzionamento del motore con miscele stechiometriche (λ = 1) ritardando la combustione ( diminuendo l anticipo) Risultato: ottimizzazione del funzionamento ritardando l anticipo di 4 gradi ed operando un arricchimento della miscela del 25% in fase di accelerazione per ridurre le perdite di potenza e le emissioni di gas inquinanti rispetto al metano (NOx inclusi) 3) Funzionamento del motore con miscele magre (fino a λ = 1.4) Risultato: Riduzione elevata di CO 2 e di tutti gli inquinanti (ad eccezione degli HC) ma perdite di potenza notevoli del veicolo (non di efficienza)

13 CICLO ECE _ EMISSIONI ED EFFICIENZA g/km 1,000 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 EMISSIONI DI GAS INQUINANTI SUL CICLO DI GUIDA URBANO - 11% - 63% - 73% metano miscela 10% stech - 99% - 27% + 45% miscela 10% magra combustibile EMISSIONI CO EMISSIONI HC EMISSIONI NOX - 37% - 60% -0,8% miscela 15% stech -100% + 45% - 24% miscela 15% magra

14 CICLO ECE_EMISSIONI ED EFFICIENZA Consumi di combustibile ad emissioni di CO 2 (CICLO URBANO) g/km ,5% -9,5% metano miscela 10% stech -15,1% -14,1% -13,4% miscela 10% magra combustibile -15,4% miscela 15% stech -18,3% - 20% miscela 15% magra CONSUMO COMBUSTIBILE EMISSIONI CO2 Valori medi su 20 cicli urbani

15 CICLO ECE_EMISSIONI ED EFFICIENZA Consumo (kwh/km) Consumi di combustibile per il metano puro e le miscele 2,60 2,40 2,20 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 METANO MIX 10 STECHIO -7,3% -11,8% -12,5% -16,7% MIX 10 MAGRA Combustibile MIX 15 STECHIO MIX 15 MAGRA METANO MIX 10 STECHIO MIX 10 MAGRA MIX 15 STECHIO MIX 15 MAGRA Valori medi su 20 cicli urbani

16 CICLO ECE_EMISSIONI ED EFFICIENZA Per quanto riguarda le emissioni di anidride carbonica in particolare....confrontando l utilizzo del metano con l uso di miscele 85%CH 4-15%H 2. CH 4 85%CH 4-15%H 2 85%CH4-15%H2 (miscela stechio) (miscela magra:λ = 1.4) EMISSIONI CO 2 (g/km) : 390 g/km 330g/km 312g/km RISPARMIO NETTO CO 2 : 15,4% 20% Diversi contributi: Sostituzione di atomi di C con atomi H: 2% 2% Maggiore potere calorifico della miscela: 3% 3% Maggiore rendimento del motore ICE: 10.4% 15%

17 CONCLUSIONI Le analisi sperimentali condotte hanno dimostrato l efficacia dell applicazione di miscele metano-idrogeno in un motore a combustione interna tradizionale alimentato originariamente a metano sia in termini energetici che ambientali. La condizione ottimale di esercizio di un veicolo industriale soggetto ad un ciclo di guida urbano caratterizzato da frequenti stop and go è data dall utilizzo di miscele stechiometriche variando l anticipo della combustione e arricchendo il combustibile del 25% in fase di accelerazione. In questo modo si ottengono dei benefici ambientali significativi rispetto all utilizzo del metano puro sia in termini di emissioni inquinanti che climalteranti senza limitare troppo le prestazioni del veicolo in termini di potenza erogata durante il suo ciclo di guida ( perdita di potenza massima prevista: 10%)

18 POSSIBILI SVILUPPI FUTURI Eventuali sviluppi futuri del progetto prevedono le seguenti azioni : la valutazione delle prestazioni motoristiche e di inquinanti mediante un ottimizzazione dei parametri motoristici in sala prova motore (light duty vehicle /heavy duty vehicle autobus urbano, autocompattatore, veicolo per il trasporto delle merci a livello urbano, ecc ) la modifica dei parametri di combustione al fine di ottimizzare la riduzione delle emissioni inquinanti e climalteranti riducendo al minimo le perdite di potenza del veicolo e aumentando l efficienza del motore a combustione interna (con conseguente riduzione dei consumi di combustibile) un eventuale estensione dei risultati ad una flotta di veicoli, creando una stazione di rifornimento sul territorio interessato alla sperimentazione