Risultati finali

Fase conclusiva sperimentale di H2Power

Engineers:

Michele Battistoni , Claudio Poggiani (Univ. Perugia Dip. Ing. Industriale)  dati in Lab

Raffaele Confidati, Valerio Baldicchi ( Egenera ) dati e console su veicolo

Claudio Sabini, Enzo Iacchettini (Umbria Mobilità ) Allestimento meccanico

Renato Burri (IETCLAB ) Sensoristica

Alessandro Castagnetti ( Castagnetti Engineering) Ottimizzazione ECU

31/10/2013

La sperimentazione è stata completata con i  dati monitorati sull’automezzo in un circuito cittadino.

I test su strada si sono svolti su un percorso diversificato che ha comportato tratti in pianura e dislivelli impegnativi, in modo da poter rilevare il comportamento del veicolo nelle varie fasi di carico sia quando alimentato a mix di idrometano al 35% che a metano 100%.

Il doppio circuito di alimentazione ha permesso di estendere l’uso di idrogeno complessivamente usufruito a  percentuali superiori a quelle che si sarebbero potute ottenere con un sistema ad erogazione fissa. L’azione di commutazione fra il circuito a metano puro e a mix H2, ha reso possibile l’impiego di una coppia sufficiente a sostenere i carichi nelle diverse percorrenze.

La commutazione del duplice sistema di erogazione non ha evidenziato fenomeni di misfiring nella combustione o di stop and go nella fase di guidabilità. L’idrogeno grazie alla sua velocità di diffusione e di propagazione, rende la combustione omogenea e ben distribuita in tutta la camera.

Dall’analisi complessiva dei risultati, si evidenzia un incremento dell’efficienza di conversione pari a circa il 10%, passando dagli originali 28,2 % al massimo di 31,4 % ottenibile con l’alimentazione ad idrometano H2_35% e lambda 1,50.

consum

Si ritiene importante sottolineare che il normale funzionamento del motore a gas metano è quello con miscela stechiometrica, dovuto essenzialmente al fatto che il sistema di post-trattamento dei gas di scarico è effettuato con catalitica trivalente.

L’adozione invece di un’eventuale alimentazione con idrogeno, produce una drastica riduzione delle emissioni di NOx grazie alla quale è possibile pensare ad un sistema di abbattimento delle emissioni, a valle del cilindro, costituito da una semplice catalitica ossidante.

Per tali motivi, è ampiamente giustificabile un confronto diretto tra i risultati del funzionamento con H2 – magro rispetto a quello con metano – stechiometrico.

Risultati in termini di emissioni

Le emissioni di CO registrate durante i test sono mostrate nella figura di seguito, riferita alle concentrazioni grezze.

Le emissioni di CO possono essere drasticamente abbattute, portandole praticamente prossime allo zero, già in uscita dal cilindro motore.

Dal grafico si mostra come il monossido si riduce quasi completamente in presenza di combustione con H2 al 35%.


 CO2 emission

Analogamente, le ragioni del decremento sono fondamentalmente da imputarsi al fatto che l’addizione di H2 al metano riduce il rapporto H/C del combustibile equivalente, oltre al fatto comunque non trascurabile che il rendimento di combustione risulta certamente favorito dalla presenza di idrogeno.

Infine si mostra di seguito il risultato in termini di NOx.

La riduzione conseguibile sui NOx è estremamente importante se si passa dai 1500 ppm ottenuti con metano stechiometrico, ai circa 80 ppm che si hanno operando il motore in forte smagrimento, a lambda = 1,60. Ciò chiaramente è da imputarsi all’abbattimento drastico delle temperature massime raggiunte in camera di combustione.

img1

In definitiva, analizzando il comportamento del motore si possono trarre le seguenti conclusioni:

– risulta fortemente vantaggioso cercare di operare il motore in magro avvalendosi della capacità dell’idrogeno di estendere il limite di funzionamento (di infiammabilità e quindi di funzionamento regolare del motore, senza misfiring o aumento della fluttuazione della coppia erogata) sino a valori di lambda prossimi allo 1,70.

– così facendo il consumo di combustibile può scendere del 18% ed il rendimento aumenta del 10%.

img2

inoltre le emissioni di NOx vengono abbattute di oltre un ordine di grandezza e le emissioni di CO2 ridotte di quasi del tutto.

efficiency

 

Il percorso

– Strada del comparto urbano di Perugia, totale lunghezza 10Km

– 4 Configurazioni di test: Pianura – Salita – Discesa- Accelerazione

– Zavorra 450 kg

 

pathway

Dati relativi al consumo per Km

Consumi rilevati Km/Kg Km/Nm3 Nm3/Km
Metano 6,2 4,008 0,249
Idrometano H2 35% 8,97 4,310 0,232

 

I dati relativi al consumo registrato durante le prove su strada, evidenziano una minore quantità di carburante erogata quando si utilizza il mix H2 35%.

Carburante con H2 Km/kg Km/Nm3
Risparmio complessivo 30% 7%

 

Dati relativi alle emissioni di CO e CO2

I risultati complessivamente ottenuti, li possiamo riportare come segue:

Tipo Percorso Pianura Emissione di CO in Volume Emissione di CO2 in Volume
MIX H2 0,03% 5,08%
Metano 0,30% 9,70%
Riduzione % 90% 47%
Tipo Percorso  Salita Emissione di CO in Volume Emissione di CO2 in Volume
MIX H2 0,11% 7,70%
Metano 0,64% 10,49%
Riduzione % 82% 26%
Tipo Percorso  Discesa Emissione di CO in Volume Emissione di CO2 in Volume
MIX H2 0,0191% 2,73%
Metano 0,21% 5,00%
Riduzione % 90% 26%
Tipo Percorso  Acceleraz. Emissione di CO in Volume Emissione di CO2 in Volume
MIX H2 0,036% 8,23%
Metano 0,29% 10,20%
Riduzione % 87% 19%
Media complessiva 87% 30%

 

La tabella mostra la percentuale di riduzione del monossido e del biossido di carbonio quando il veicolo è alimentato con la miscela a Mix di H2 al 35%.  Le emissioni sono eccezionalmente contenute tenendosi in una media complessiva del 30% di riduzione su un percorso misto ed impegnativo.

La media complessiva è ottenuta a seguito della possibilità di utilizzare l’idrogeno in miscela massima quando la coppia richiesta è compatibile con percorsi pianeggianti ed invece commutata sulla linea ad erogazione a metano full quando la richiesta di coppia è più rilevante.

A conclusione della sperimentazione e delle analisi dei gas, si può affermare di aver ottenuto dei risultati di grande interesse: Il sistema di comando elettronico a doppia alimentazione con idrogeno al 35%, ha evidenziato una riduzione del monossido di carbonio tra l’80 e 90% a secondo del percorso (salite, discese e accelerazione massima) e una riduzione fra il 20% al 40% di CO2, rispetto all’alimentazione a metano puro.  infine, si è registrato un risparmio dei consumi di circa il  30% in peso, o 7% in volume rispetto al metano.

 

Dati finali:

+35% H2

- 90% CO

- 47% CO2

- 30% carburante in peso e – 7% in volume dei consumi

 

finaldata

Il sistema ha evidenziato elevate performance, è tuttora in fase di test per la industrializzazione in un dispositivo retrofit.

La possibilità di usare il mix massimo del 35% sui percorsi pianeggianti e di medio impegno coppia, rende la strategia tecnologica utilizzata del doppio sistema, in grado di pervenire ad una riduzione di emissioni di gas ad effetto serra intorno alla soglia del 50%,  poiché l’efficienza del sistema riduce la quantità di metano che normalmente resta incombusto (gas anch’esso ad effetto serra), e che quindi va a sommarsi alla percentuale di CO2 risparmiata.

La specificità del progetto H2Power del doppio sistema di erogazione si è confermata essere decisamente più performante di una erogazione a mix fisso, essa  estende le potenzialità dell’uso dell’idrogeno a veicoli non più in grado di sostenere un’emissione accettabile dalle normative europee.

La sperimentazione H2Power si propone come un interessante indicatore per le aziende del trasporto pubblico urbano e per le società con flotte interne e mezzi di pubblica utilità, le tecnologie sviluppate possono essere agevolmente trasferite ad altre realtà nazionali ed  europee al fine di ridurre sensibilmente le emissioni di gas ad effetto serra e inquinanti tossici.

Uno degli elementi principali del progetto è stato di poter applicare la ricerca al caso pratico e creare le condizioni per una ricaduta reale a livello economico, ambientale e produttivo, contribuendo all’abbattimento degli agenti inquinanti e risparmiando sui consumi. I risultati ci ribadiscono come le prospettive aperte da questa ricerca siano di grande valore scientifico, sociale ed economico.

L’impiego su larga scala delle miscele metano-idrogeno, può inoltre aiutare sicuramente la diffusione ed il numero dei sistemi di produzione e stoccaggio dell’idrogeno con l’intento di realizzare una rete di approvvigionamento ben distribuita sul territorio.

In ultima analisi ricordiamo che l’idrogeno è  un “vettore energetico”, cioè non ha bisogno di essere trasportato e stoccato in grandi quantità, ma può essere prodotto ove occorre, e se da fonti energetiche rinnovabili , sostiene una filiera di produzione ed uso di energia particolarmente priva di emissioni inquinanti. L’idrogeno, al contrario dei combustibili fossili, non è tossico, né corrosivo ed eventuali perdite dai serbatoi non causano problemi di inquinamento del terreno o di falde idriche sotterranee. L’idrogeno è una risorsa già fruibile e disponibile commercialmente e tecnologicamente. In particolare lo rende ideale per le infrastrutture di distribuzione di energia in forma “Smart Grid”, consente di ottimizzare gli  approvvigionamenti e di superare le forniture in modo assiale e centralizzato, origine di notevoli perdite di gestione e di conseguente innalzamento del “carbon footprint”.

 

 

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