MHYBUS: verso una mobilità de-carbonizzata

Antonino Genovese

Verona 28/05/14

Verona 28/05/14

Trasporto e gas serra

La CO2 è indicato come il principale responsabile del riscaldamento globale e dei cambiamenti climatici. Altri gas sono altresì considerati come inquinanti che contribuiscono al processo di riscladamento atmosferico in atto : N2O, CH4 e composti fluorati HFC , PFC.

Il trasporto risulta una fonte importante delle emissioni di CO2 contribuendo per 1/3 alle emissioni totali.

Verona 28/05/14

Le emissioni di CO2 in Italia

Emissioni totali

Emissioni trasporto stradale

Emissioni da trasporto 1990 25.1 % 2011 29.8% 93%

causato dal trasporto su gomma

Le emissioni di CO2 in Italia da trasporto

Cosa fare per ridurre le emissioni ?

• Migliorare l’intensità energetica ( energia/pax-km) favorendo lo spostamento modale : - traffico privato + trasporto pubblico

Minore congestione della rete e un alto tasso di occupazione dei veicoli.

• Migliorare le prestazioni in consumo dei mezzi ( aumento dell’efficienza del sistema di propulsione)

trazione ibrida o elettrica

• Decarbonizzare : utilizzo di combustibili a basso contenuto di carbonio; Ridurre il quantitativo di carbonio ossidabile nella combustione

Verona 28/05/14

Verona 28/05/14

La riduzione degli impatti ambientali causati dal trasporto decresce l’esposizione della popolazione agli inquinanti e contrasta il cambiamento climatico ed il consumo energetico.

Una delle vie possibili per il raggiungimento di questi obiettivi è attraverso l’utilizzo di combustibili non-fossili o a basso contenuto di carbonio.

Riduzione delle emissioni di CO2 tramite ulteriore decarbonizzazione del metano riducendo il carbonio presente nel combustibile tramite sostituzione con idrogeno.

In attesa che maturino le tecnologie per un uso efficace dell’idrogeno nelle FC una nuova possibilità è offerta dalle miscele di idrogeno e metano.

Queste miscele sono state spesso definite come “il ponte” grazie al quale sarà fattibile la transizione verso una economia basata sull’idrogeno

Verona 28/05/14

Idrometano H2 & CH4CH4 H2

Svantaggi dell’idrogeno :

aumento della T di combustione

incremento delle emissioni di NOx

maggiori oneri energetici per produzione H2

Vantaggi dell’idrogeno :

migliore velocità di combustione

migliore efficienza della combustione

riduzione delle emissioni di CO2

riduzione dei consumi energetici

Quale % di H2 è preferibile ?

Verona 28/05/14

010

2030

4050

60

0 10 20 30 40

% volume H2

Co

nte

nu

to e

ne

rge

tico

Pcw (MJ/kg) Pcv (MJ/m3)

Contro:

all’aumentare dell’idrogeno nella miscela, mentre l’energia per unità di peso cresce, l’energia per unità di volume diminuisce, e quindi si riduce sia potenza massima che autonomia.

Idrometano : quale formulazione ottimale (1)

Verona 28/05/14

Idrometano : quale formulazione ottimale (2)

Verona 28/05/14

Pro: un miglioramento del rendimento complessivo del motore, con conseguente riduzione dei consumi. di conseguenza, una riduzione delle emissioni di CO2 aggiuntiva (effetto leva) a quella ottenuta solo per effetto della sostituzione di carbonio con idrogeno, riducendo così i costi “energetici” della produzione dell’idrogeno da metano (qualora questo non fosse disponibile da fonte rinnovabile o da nucleare).

100

95.84 94.51

90.49

86.55 86.59 84.98

75

80

85

90

95

100

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

Energy consumption %

Percentuale scelta: 15%

Quale % (in volume) di idrogeno ?

Risultati del progetto IDROMETANO

Verona 28/05/14

Consorzio tra RER, Università, Enti di ricerca, Camera di Commercio, Associazioni d’impresa per promuovere azioni per lo sviluppo del sistema produttivo regionale

Regione Emilia-Romagna - D.G. Reti infrastrutturali, logistica e sistemi di mobilità

Ente per le nuove Tecnologie, l’Energia e l’Ambiente -Centro Ricerche Casaccia (Roma)

Società di trasporto pubblico dell’area romagnola nei territori di Cesena, Forli, Rimini e Ravenna

Società di produzione, ricerca applicata e commercializzazione di gas tecnici - industriali, puri e medicinali

MHYBUS - I partner del progettoH2CH4

Verona 28/05/14

Messaggi CAN bus

del motore

Verona 28/05/14 Modifica e messa a punto del motore al banco, (ENEA, CRE Casaccia, Roma)

Cicli di prova

Verona 28/05/14

Metano 3°BMC+2°AC 4° 5° 5° + 0.05λ 5° + 0.02λ 3.5° + 0.02λ0

1

2

3

4

1.11

3.64

3.01

2.58

1.14 1.18 1.27

NO

x em

issi

on g

/kW

h

Metano 3°BMC+2°AC 4° 5° 5° + 0.05λ 5° + 0.02λ 3.5° + 0.02λ

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

00.00

-4.45-4.46

-6.20

-5.17

-3.61

-4.94

ΔC

O2

e

mis

sio

n

%

5.03% riduzione teorica con 15% di H2 a parità di

energia erogata

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Riduzione CO2 ed NOx

Verona 28/05/14

Test di omologazione per emissione e coppia (Istituto Motori CNR, Napoli)

CO2 e consumi Risultati al banco con ciclo ETC

7% > 5.03%Riduzione % consumi

DATA FUEL

CO NOx PT THC BSFC CO2g/kWh

22/11/2011 CNG 0.01 1.44 nn 2.96 265 697

22/11/2011 CH4/15%H2 0 1.41 nn 2.28 244 649

02/12/2013 CH4/15%H2 0 1.58 nn 2.65 242 645

7 %8 %

Verona 28/05/14

0 km

45000 km

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600

Giri, [rpm]

Co

pp

ia, [

Nm

]

HCNG 2011

HCNG 2013

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600

Giri, [rpm]

Po

ten

za, [

kW]

HCNG 2011

HCNG 2013

Curve di coppia e potenza Risultati al banco con ciclo ETC

Verona 28/05/14

Verona 28/05/14

Prove in normale esercizio a Ravenna, da gennaio 2013 a dicembre 2013

CO2 e consumi Risultati su strada

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

Chart Title

Consumi da gennaio 2013 a settembre 2013

Kg/km

Hy 0.280 kg/kmCH4 0.322 kg/km -13%

Verona 28/05/14

CH4 16 MJ/km Hy 14.3 MJ/km -10%

CO2 Risultati su strada

CH4 0.8855 kg/km Hy 0.752 kg/km -15%

28 tons di CO2 su 38500 km - 5.6 tons CO2

Well-to-Wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context, WELL-TO-TANK Report Version 2c, March 2007

-7.9 %

- 5.6 tons CO2 - 2.7 tons CO2

Produzione H2 da SR con emissione CO2

Verona 28/05/14

Conclusioni

Immaginiamo di alimentare con idrogeno puro il 5% di tutti i bus a metano in circolazione

Ciò significa introdurre il 5% di idrogeno (in energia) sul mercato complessivo del metano per autotrazione (95% metano, 5% idrogeno)

Di conseguenza per il 5% dei veicoli (a metano) le emissioni di CO2 si riducono a zero

Si riducono quindi del 5% le emissioni di CO2 (TTW) del parco circolante a metano

Verona 28/05/14

In alternativa, aggiungiamo invece il 15% (in volume pari al 5% in energia) di idrogeno su tutti i bus a metano

Si introduce sempre il 5% di idrogeno (in energia) sul mercato complessivo del metano per autotrazione

La sperimentazione ci dice le emissioni “dal pozzo alla ruota” di CO2 si riducono del 7,9%

La riduzione delle emissioni di CO2 è quindi del 50% maggiore rispetto al caso precedente (effetto leva = 1.5).

Non solo si è “decarbonizzato”, ma si è fatto anche meglio che usando “idrogeno puro”, senza aumentare le emissioni convenzionali, a costi ridottissimi rispetto all’uso di autobus con celle a combustibile.

Verona 28/05/14

"Questo progetto - ha dichiarato Alfredo Peri, assessore regionale ai trasporti della Regione Emilia-Romagna - ha avuto valore di apripista. È un esempio di soluzione che contrasta il cambiamento climatico e migliora la qualità dell'aria".

Verona 28/05/14

Grazie per l’attenzione

antonino.genovese@enea.it