Il Ruolo dei Combustibili nella Problematica Ambientale. Felice E. Corcione Istituto Motori CNR - Naples - Italy

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1 Il Ruolo dei Combustibili nella Problematica Ambientale Felice E. Corcione Istituto Motori CNR - Naples - Italy XVII CONVEGNO TECNICO ACI Roma, Febbraio 2006

2 Problema Ambientale Motori Motori convenzionali: convenzionali: Accens. Accens. per per scintilla scintilla Diesel Diesel Motori Motori alternativi: alternativi: Elettrici Elettrici Ibridi Ibridi HCCI HCCI Fuel Fuelcell cell Inquinamento Inquinamento locale locale Qualità Qualità dell aria dell aria in in città città CO, CO, HC, HC, NOx, NOx, Part., Part., Noise Noise + Inquinamento Inquinamento globale globale Gas Gas serra serra CO CO 2, 2, CH CH 4, 4, N 2 O 2 O Comb. Comb. convenzionali: convenzionali: Benzina Benzina Gasolio Gasolio Comb. Comb. alternativi: alternativi: Liquidi Liquidi riformulati riformulati Gassosi: Gassosi: metano metano gpl gpl.... Sintetici Sintetici BTL, BTL, GTL GTL Bio-combustibili Bio-combustibili Idrogeno Idrogeno

3 Il Motore a Combustione Interna Candela - Iniettore aria + comb. Scarico (CO,HC,NOx,..) Benzina Gasolio Sintetico Bio-combustibile Gas metano GPL Idrogeno PM

4 Mercato Mondiale dell Autoveicolo Benzina Diesel 15 Milioni USA Europa occ. Europa est Giappone Resto del mondo

5 Scenario Emissioni di NOx in Europe Nitrogen oxides DGXII Auto-oil Program NOx Waste Solvent kt Trasporto su strada Road transport Process Other mobile Fuel extraction Combustion: non-industry Combustion: industry Combustion: energy Agriculture

6 GLOBAL TRENDS IN NOx CONTROL

7 Problema Ambientale Il principale problema: PM and NO X I motori Diesel H.D. contribuiscono significativamente ad aggravare questo problema Per minimizzarlo sono richiesti significativi miglioramenti tecnologici e nuovi combustibili

8 Impatto della Normativa Europea sulle Emissioni dei MCI Normativa Europea Anno CO HC HC+NOx NOx PM EU ,72-0,97-0,14 EU 2 IDI ,00-0,70-0,08 EU 2 DI ,00-0,90-0,10 EU ,64-0,56 0,50 0,05 EU ,50-0,30 0,25 0,025 EU ,25 0,05 (0,13) 0, Percentuale di riduzione 91% Equiv.87 % 98%

9 Mercato Europeo del Veicolo

10 COSA FARE PER ABBATTERE LE POLVERI SOTTILI E I NOx?

11 PER I MOTORI DIESEL FILTRAZIONE CATALIZZATA DELLO SCARICO EURO 3 EURO 4

12 PER I MOTORI A BENZINA MOTORI I.D. Catalizzatori più efficienti

13 PROGRESSO TECNOLOGICO Tecnologia Motoristica Sistemi di sovralimentazione e down-sizing Common Rail ad altissima pressione di iniezione Nuove Geometrie di Camere di Combustione Nuove Strategie di Controllo Elettronico EGR Sistemi di Trattamento dello Scarico

14 COMBUSTIBILI Liquidi riformulati nella composizione Gassosi: metano, gpl, idrogeno? Bio-combustibili (esteri di colza, soia, palma, ecc.) Sintetici: GTL, BTL (by Fischer &Tropsch), DME

15 EVOLUZIONE GNC Coutesy CRF NOx (g/km) Riduzione percentuale della CO2

16 SCENARIO DEL VEICOLO FUTURO Potenzialità dell Ibrido metano-elettrico

17 Bio-diesel Il Rape Methyl Ester (RME) è l olio vegetale più ampiamente usato in Europa Il Soybean Methyl Ester (SME) è quello più usato in USA Entrambi sono noti come Fatty Acid Methyl Esters (FAME)

18 Che Cosa è il Bio-diesel? Il Biodiesel è il risultato del processo di transesterificazione che nobilita un olio vegetale rendendolo utilizzabile nei motori moderni senza creare problemi di incompatibilità: un alcool (p.e., metanolo o etanolo) in presenza di un catalizzatore come l idrossido di sodio o di potassio rompe chimicamente la molecola dell olio in un metil- o etil-estere dell olio stesso (da usare nel motore) producendo glicerina come sottoprodotto

19 Che Cosa è il Bio-diesel? Chimicamente, la trans-esterificazione è il processo che neutralizza gli acidi grassi producendo un combustibile vegetale nobilitato. 1mole 3mole 3mole 1mole + = kg of raw oil 11 kg of 100 kg ok methanol methyl ester 11 kg of glycerine

20 Confronto tra le Proprietà del bio-diesel e il Gasolio PROPERTY (UNITS/CONDITIONS) RME SME DIESEL FUEL Relative molar mass ~ 300 ~ 310 ~ 200 Carbon content (mass %) ~ Hydrogen content (mass %) ~ Oxygen content (mass %) Carbon-to-hydrogen ratio Relative density (@15 C/ 1 bar) Kinematic 40 C (cst) Boiling temperature ( C/ 1 bar) Cetane number > 51 Stoichiometric air/fuel ratio (mass) Lower heating/calorific value (MJ/kg) Flash point temperature ( C) > 55 Vapour 38 C (kpa) < 1 < 1 Sulphur concentration (ppm, mass) < 10 < 10 < 350 Water content (ppm, mass) < < 200

21 BTL - GTL Fischer Tropsch Il processo Fischer-Tropsch, inventato dai ricercatori tedeschi F. Fischer and H. Tropsch nel 1923, è un metodo per produrre combustibili sintetici liquidi da biomasse, carbone ecc.

22 DME E un estere dimetilico di un combustibile fossile. E un combustibile sintetico adatto ai motori Diesel come il GPL è adatto ai motori ad accensione comandata.

23 DME

24 La Politica Europea L obiettivo dell Unione Europea è la riduzione dei gas serra (CO 2 ). La diffusione dei biocombustibili è in rapida crescita in tutto il mondo (+ 25,7% nell Unione Europea). La Commissione Europea si è impegnata a sostituire entro il 2010, il 5.75% e, entro il 2020, il 20% dei consumi per il trasporto con combustibili di origine vegetale.

25 MERCATO EUROPEO DEL BIO-DIESEL 600 KT France Germany Italy Others Source: Assobiodiesel

26 MERCATO ITALIANO BIO-DIESEL KT Blends 5% max Blends 20-30% Heating 100% Source: Assobiodiesel

27 Il Bio-diesel ha una più bassa infiammabilità rispetto al gasolio, quindi è più sicuro nella gestione Sicurezza

28 ANALISI ENERGETICA ED AMBIENTALE From Well to Wheels CO 2 vs Energy Gasoline Syndiesel: GTL WTW GHG (g CO2eq / km) Conv. diesel Common basis: 2010 PISI or DICI DPF (not for DME) DME: NG SME DME: wood RME WTW energy (MJ / 100 km) EtOH: sugar beet Syndiesel: BTL EtOH: wheat EtOH: wood Source: Well-to-Wheels Analysis by JRC, Eucar, Concawe BTL= Biomass to Liquid Fuel; GTL= Gas to Liquid Fuel; DME=Dimethyl Ether

29 ANALISI ENERGETICA ED AMBIENTALE Energy GHG SME: glycerine as animal feed SME: glycerine as chemical RME: glycerine as animal feed 2010 DICI+DPF SME: glycerine as animal feed SME: glycerine as chemical RME: glycerine as animal feed 2010 DICI+DPF RME: glycerine as chemical RME: glycerine as chemical Conv. Diesel DICI+DPF Conv. Diesel DICI+DPF EtOH: W Wood EtOH: F wood EtOH: Wheat, no straw TTW WTT EtOH: W Wood EtOH: F wood EtOH: Wheat, no straw EtOH: Sugar beet, pulp to heat EtOH: Sugar beet, pulp to EtOH 2010 PISI EtOH: Sugar beet, pulp to heat EtOH: Sugar beet, pulp to EtOH 2010 PISI EtOH: Sugar beet, pulp to fodder EtOH: Sugar beet, pulp to fodder Gasoline PISI Gasoline PISI MJ / 100 km g CO 2eq / km Source: Well-to-Wheels Analysis by JRC, Eucar, Concawe

30 Combustion Visualization Indagini di Combustione

31 Motori Monocilindrici con Accesso Ottico QUARTZ WINDOW SPECTROGRAPH UV lens ICCD UV MIRROR

32 COMBUSTIONE DIESEL TDC +1-5

33 Emissioni allo Scarico

34 BIO-DIESEL Emissioni g/kwh CO HC NOx Particolato Gasolio % RME

35 BTL - GTL Fischer Tropsch

36 DME

37 EFFETTI SUL MOTORE DEL BIO-DIESEL

38 Depositi carboniosi

39 Depositi carboniosi

40 CONCLUSIONI L RME ha emissioni di HC, CO e particolato (PM) più basse L RME produce un particolato con una maggione frazione di composti volatili e minore dry soot. Questo è favorevole a un post trattamento ossidante con catalizzatore Il maggiore contenuto di ossigeno, nella molecola del biocombustibile, è causa di maggiori emissioni di NOx

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42 Grazie per l Attenzione

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