Sperimentazione miscele idrogeno metano

XV E.P. EMISSIONI DA TRASPORTO
SU STRADA
Rilievo sperimentale delle prestazioni
energetico-emissive dei veicoli da trasporto
urbano alimentati con miscele idrogeno-metano
Antonino Genovese
SALONE CENTRALE ENEA
ROMA 29/04/2010
Obiettivi:
• Verifica delle prestazione energetiche e valutazione della
riduzione dei consumi;
• Valutazione delle riduzioni di emissioni di CO2 ;
• Analisi delle emissioni degli inquinanti sottoposti a
controllo di legge ( CO, HC, NOx );
• Verifica dell’utilizzo su strada;
• Valutazione energetica sull’intero ciclo di vita
Miscele in prova
Riferimento : Metano ( G20
99 %)
5 miscele sottoposte a test a diverse composizioni volumetriche
100 %
95 %
90 %
85 %
80 %
75 %
CH4
CH4
CH4
CH4
CH4
5%
10 %
15 %
20 %
25 %
H2
H2
H2
H2
H2
CH4
Veicoli:
2 veicoli utilizzati per le prove
Avancity
100 % CH4 e H2-CH4 5%
Vivacity
100 % CH4
H2-CH4
e
5%, 10 %, 15 %, 20 % ,25%
Vivacity CNG
•Motore MERCEDES M 906 LAG sovralimentato intercooler EEV, posteriore trasversale,
raffreddato a liquido.
•Funzionamento accensione comandata diretta mediante 1 bobina per cilindro, iniezione
elettronica multipoint, marmitta catalitica bivalente e sonda Lambda.
•Cilindrata totale 6.880 cm3, 6 cilindri in linea, 3 valvole per cilindro.
•Potenza max 170 kW a (231 CV) a 2.200 giri/min.
•Coppia max 808 Nm (Kgm 82) a 1.400 giri/min.
•Cambio ZF 5 HP 504 ECOMAT 4 step 5 TOPODYN a 5 marce + retromarcia.
•Tara 9100 kg con conducente.
•Portata max 8150 kg.
•Serbatoi gas : 4 bombole per 1280 lt sul tetto
H2 con CH4:
Rispetto al metano, l’idrogeno ha:
- una maggiore velocità di combustione (fino ad 10 volte)
- una minore energia di ignizione (0.02 mJ vs. 0.29 mJ)
Quindi, l’aggiunta di idrogeno al metano:
Aumenta la velocità di avanzamento del fronte di fiamma, aumentando così il rateo di
espansione, cioè il lavoro utile
Riduce la variabilità ciclica del motore, permettendo una gestione dell’anticipo più precisa
Riduce gli incombusti, cioè le emissioni di CO ed HC, utilizzando in modo più completo il
combustibile
Migliora i limiti di combustione magra ( λ > 1.5 ) riducendo le emissioni di NOx
H2 con CH4:
L’aggiunta di idrogeno al metano comporta:
Un miglioramento del rendimento complessivo del motore, con conseguente
riduzione dei consumi.
Una riduzione delle emissioni di CO2 aggiuntiva (effetto leva) a quella
ottenuta solo per effetto della sostituzione di carbonio con idrogeno.
La possibilità di lavorare con miscele molto magre, con ulteriore
miglioramento del rendimento.
Stazione di rifornimento del combustibile
Rifornimento del combustibile
Si è utilizzata solo una delle 4 bombole costituenti il serbatoio ( le
rimanenti 3 sono state chiuse)
Rifornimento del veicolo a 190 bar max
Svuotamento residuo
dal serbatoio
Carico
Il veicolo è stato zavorrato con sacchetti di sabbia al fine di simulare
un carico passeggeri medio ed avere indicazioni maggiormente
realistiche sui consumi e sulle emissioni.
Sistema di misura Horiba
Sistema di misura Horiba OBS 1000 :
Consumo , CO, CO2, HC, NOx
Circuito di prova
Percorso di
prova Casaccia
Percorso di prova Casaccia
velocità veicolo
Velocità media : 20 km/h
35
Velocità max : 40 km/h
30
velocità
Durata : 730 sec
(km/h)
Lunghezza : 3.8 km
40
8m
urbano
25
20
15
10
5
0
0
1000
2000
3000
tempo
4000
(sec)
5000
6000
7000
Cicli di riferimento
Braunschweig Cycle
Duration: 1740 s
Average speed: 22.9 km/h
Maximum speed: 58.2 km/h
Idling time: about 22%
Driving distance: about 11 km
ETC Cycle
Comparison studies indicate that
the ETC produces about 40%
lower power output and 30 - 70%
lower regulated emissions than
the Braunschweig cycle (AB
Svensk
Bilprovning
Motortestcenter, Report 9707,
1997).
Riduzione consumi percorso urbano
Consumo in g/km
350
309.18
293.56
289.49
300
274.43
259.73
256.82
248.76
250
200
150
100
50
Consumo equivalente metano %
0
Hy 5%100Hy 5% 1g
CH4
100
95.84
Hy 10%
Hy 15%
Hy 20%
Hy 25%
94.51
95
90.49
90
86.55
86.59
84.98
85
80
75
CH4
Hy 5%
Hy 5% 1g
Hy 10%
Hy 15%
Hy 20%
Hy 25%
Emissioni CO2
reale
emissione CO2 %
98.45
100.00
100.00
90.00
80.00
93.85
70.00
60.00
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
teorica
98.45
92.36
96.77
88.13
94.97
83.01
93.02
80.52
90.91
76.90
0
0.00
CH4
Hy 5%
Hy 5% 1g
Hy 10%
Hy 15%
Hy 20%
Hy 25%
Effetto leva ( riduzione reale/riduzione teorica)
3 – 5 volte
Emissioni CO - HC
emissione HC (g/km)
3.9
4
3.4
3.5
3.4
3.2
3.3
3.3
2.8
3
2.5
2
1.5
emissione CO (g/km)
1
0.20
0.5
0
0.18
0.2
0.18
CH4
Hy 5%
Hy 5% 1g
Hy 10%
Hy 15%
Hy 20%
Hy 25%
0.16
0.14
0.11
0.12
0.1
0.08
0.09
0.10
Hy 5%
Hy 5% 1g
0.12
0.07
0.06
0.04
0.02
0
CH4
Hy 10%
Hy 15%
Hy 20%
Hy 25%
Emissioni NOx
NOx emission %
145.42
160
140
120
100.00
104.00
99.74
100
80
53.74
62.33
57.23
Hy 10%
Hy 15%
60
40
20
0
CH4
Hy 5%
Hy 5% 1g
Hy 20%
Hy 25%
La regolazione dell’anticipo non riesce a recuperare l’aumento di NOx :
occorre smagrire la miscela
CO e HC
Limiti emissione NOx
Limiti di emissione europei NOx
12
Limiti NOx (g/km e g/k/kWh)
g/km @ 1.1 kWh/km
g/km @ 1.3 kWh/km
10
g/kWh
8 g/kWh
7 g/kWh
8
8.8 10.4
6
5 g/kWh
7.7 9.1
3.5 g/kWh
4
5.5 6.5
2 g/kWh
2 g/kWh
3.85 4.55
2
2.2 2.6
2.2
2.6
0
Euro 1
Euro 2
Euro 3
Euro 4
Euro 5
EEV
Limiti emissione NOx
7.00
6.00
Euro III
NOx ( g/km)
5.00
Euro IV
4.00
3.00
Euro V & EEV
2.00
1.00
0.00
CH4
5%
5% 1g
10%
15%
20%
25%
Emissione NOx - HC
10.00
9.00
8.00
g/km
7.00
6.00
25 %
NOx
5.00
EURO III
20 %
4.00
3.00
5%
EURO IV
CH4
10 %
2.00
1.00
0.00
0.00
15 %
EEV
5 % 1g
EURO V
0.50
1.00
1.50
2.00
HC
2.50
g/km
3.00
3.50
4.00
4.50
Considerazioni
Per ottimizzare le miscele di idrogeno metano occorre aumentare lo
smagrimento del motore ( oltre 1.25 sino ad almeno 1.4-1.5);
Le emissioni di NOx sono al livello EEV anche su circuiti diversi dal
ciclo ETC per miscele sino al dal 5% al 15% con riduzione
dell’anticipo;
Le emissioni di HC e CO sono molto basse
La riduzione dei consumi è evidente in seguito al migliorato
rendimento del motore.
Riduzioni consumi WTW
Steam
reforming
Gas
naturale
Trasporto
η = 0.68
η = 0.9
η = 0.76
Δ consumi energetici (MJ/km)
3.00
Δ Consumi esterni
2.00
1.00
0.00
-1.00
Δ Consumi WTW
-2.00
Δ Consumi su strada
-3.00
0
5
10
15
% in volume idrogeno
20
25
30
Riduzioni emissioni CO2 WTW
150
Δ CO2 esterna
Δ emissione CO2 g/km
100
50
0
0
5
10
15
20
25
-50
Δ CO2 WTW
-100
-150
-200
Δ CO2 su strada
-250
% idrogeno miscela
30
The MHyBus project was born as a follow up of a sequence of actions put into
place by the regional Government of Emilia-Romagna, DG Mobility and
Transport, intending to explore the possibilities and potentialities of the use of
the blend of hydrogen and methane gas – namely: Hydro-methane - as a mean
to reduce the urban pollution and CO2 emissions due to public transport.
The project MHyBus - based on the partnership formed by Region EmiliaRomagna, ASTER, ENEA, ATM Ravenna - aims at taking a further steps and
obtaining the authorisation necessary for one hydro-methane fuelled bus to
circulate on public roads.
Grazie per l’attenzione