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

XV E.P. EMISSIONI DA TRASPORTO SU STRADA

• 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

Obiettivi:Obiettivi:

100 %

CH4

90 %

CH4

10 %

H2

95 %

CH4

5 %

H2

85 %

CH4

15 %

H2

80 %

CH4

20 %

H2

75 %

CH4

25 %

H2

5 miscele sottoposte a test a diverse composizioni volumetriche

Riferimento : Metano ( G20 99 %)

Miscele in provaMiscele in prova

2 veicoli utilizzati per le prove

Avancity

Vivacity

100 % CH100 % CH4 4 ee HH22-CH-CH44 5% 5%

100 % CH100 % CH4 4 ee

HH22-CH-CH44 5%, 10 %, 15 %, 20 % ,25% 5%, 10 %, 15 %, 20 % ,25%

Veicoli:Veicoli:

•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

Vivacity CNG

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

HH22 con CH con CH44::

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.

HH22 con CH con CH44::

Stazione di rifornimento del combustibileStazione di 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

Rifornimento del combustibileRifornimento del combustibile

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.

CaricoCarico

Sistema di misura Horiba OBS 1000 :

Consumo , CO, CO2, HC, NOx

Sistema di misura HoribaSistema di misura Horiba

Percorso di prova Casaccia

Circuito di provaCircuito di prova

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 70000

5

10

15

20

25

30

35

40velocità veicolo 8 m urbano

tempo (sec)

velo

cità

(

km

/h)

Lunghezza : 3.8 km

Velocità media : 20 km/h

Velocità max : 40 km/h

Durata : 730 sec

Percorso di prova Casaccia

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).

Cicli di riferimento

309.18 293.56 289.49274.43

259.73 256.82 248.76

0

50

100

150

200

250

300

350

CH4 Hy 5% Hy 5% 1g Hy 10% Hy 15% Hy 20% Hy 25%

Consumo in g/km

Riduzione consumi percorso urbano

100

95.84 94.51

90.49

86.55 86.5984.98

75

80

85

90

95

100

CH4 Hy 5% Hy 5% 1g Hy 10% Hy 15% Hy 20% Hy 25%

Consumo equivalente metano %

100.00

0

93.85

98.45

92.36

98.45

88.13

96.77

83.01

94.97

80.52

93.02

76.90

90.91

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

CH4 Hy 5% Hy 5% 1g Hy 10% Hy 15% Hy 20% Hy 25%

emissione CO2 % reale

teorica

Effetto leva ( riduzione reale/riduzione teorica)

3 – 5 volte

Emissioni COEmissioni CO22

3.43.2

3.9

3.4 3.3 3.3

2.8

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

CH4 Hy 5% Hy 5% 1g Hy 10% Hy 15% Hy 20% Hy 25%

emissione HC (g/km)

0.07

0.09 0.10

0.18

0.20

0.11 0.12

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

CH4 Hy 5% Hy 5% 1g Hy 10% Hy 15% Hy 20% Hy 25%

emissione CO (g/km)

Emissioni CO - HCEmissioni CO - HC

La regolazione dell’anticipo non riesce a recuperare l’aumento di NOx : occorre smagrire la miscela

CO e HC

Emissioni NOEmissioni NOxx

100.00 99.74

53.7462.33 57.23

104.00

145.42

0

20

40

60

80

100

120

140

160

CH4 Hy 5% Hy 5% 1g Hy 10% Hy 15% Hy 20% Hy 25%

NOx emission %

Limiti di emissione europei NOx

2.2 2.2

3.85

7.7

5.5

8.8 10.4

9.1

6.5

2.6 2.6

4.55

2 g/kWh 2 g/kWh

3.5 g/kWh

5 g/kWh

7 g/kWh 8 g/kWh

0

2

4

6

8

10

12

Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 EEV

Lim

iti

NO

x

(g/k

m e

g/k

/kW

h)

g/km @ 1.1 kWh/km

g/km @ 1.3 kWh/km

g/kWh

Limiti emissione NOxLimiti emissione NOx

Limiti emissione NOxLimiti emissione NOx

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

CH4 5% 5% 1g 10% 15% 20% 25%

NO

x (

g/k

m)

Euro III

Euro IV

Euro V & EEV

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50

HC g/km

NO

x

g/k

m

25 %

5 %

5 % 1g15 %

10 %

CH4

20 %

EURO III

EURO IV

EURO VEEV

Emissione NOx - HCEmissione NOx - HC

Per ottimizzare le miscele di idrogeno metano occorre aumentare lo Per ottimizzare le miscele di idrogeno metano occorre aumentare lo smagrimento del motore ( oltre 1.25 sino ad almeno 1.4-1.5);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 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 ciclo ETC per miscele sino al dal 5% al 15% con riduzione

dell’anticipo;dell’anticipo;

Le emissioni di HC e CO sono molto basse Le emissioni di HC e CO sono molto basse

La riduzione dei consumi è evidente in seguito al migliorato La riduzione dei consumi è evidente in seguito al migliorato rendimento del motore.rendimento del motore.

ConsiderazioniConsiderazioni

Steam reforming

η = 0.76

Trasporto

η = 0.9Gas

naturale η = 0.68

-3.00

-2.00

-1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

0 5 10 15 20 25 30

% in volume idrogeno

Δ c

on

sum

i en

erg

etic

i (

MJ/

km)

Δ Consumi esterni

Δ Consumi su strada

Δ Consumi WTW

Riduzioni consumi WTWRiduzioni consumi WTW

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

0 5 10 15 20 25 30

% idrogeno miscela

Δ

emis

sio

ne

CO

2

g/k

m

Δ CO2 su strada

Δ CO2 esterna

Δ CO2 WTW

Riduzioni emissioni CORiduzioni emissioni CO22 WTW WTW

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 Emilia-Romagna, 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