In questi mesi sta ritornando di interesse, anche nell’ambito della mobilità sostenibile, l’applicazione dell’idrogeno come combustibile. la novità di questi ultimi anni, rispetto agli anni 2000 è come viene prodotto l’idrogeno, orientato maggiormente ad una produzione da rinnovabili e/o ad una produzione con minore produzione di CO2. Non è questo l’argomento di questo breve articolo, chi fosse interessato ad affrontare l’argomento “Idrogeno” si rimanda al piano nazionale della mobilità a idrogeno di H2IT (Associazione per l’idrogeno e celle a combustibile).
L’utilizzatore naturale di tale combustibile nei veicoli è la fuel cell (anche swe si riparla di motori a combustione interna a idrogeno qui), che ha il vantaggio di avere rendimenti molto alti. Esistono già in commercio veicoli alimentati ad idrogeno con una fuel cell la bordo, la Toyota MIRAI, Honda Clarity, e la Hyundai Nexo, mentre un veicolo con motore a combustione interna alimentato ad idrogeno è stato già realizzato negli anni passati, la BMW Hydrogen 7 (per informazioni più dettagliate si rimanda al paper SAE 2006-01-0431). A prescindere di tutte le problematiche della diffusione dell’idrogeno, ci si chiede se, nell’ottica di transizione verso una mobilità ad idrogeno, i motori a combustione interna possono avere un ruolo.
Si farà quindi una analisi TTW (Tank-To-Wheel) , ovvero dal serbatoio alla ruota, applicata a un motore a combustione interna.
Caratteristiche dell’idrogeno
Per valutare le potenzialità dell’idrogeno si ricorda che non ha atomi di carbonio nella sua formula chimica, consentendo quindi una combustione senza anidride carbonica, tema cruciale di questi anni (la neutralità rispetto al carbonio). l’idrogeno, ad esempio rispetto al metano, ha un elevato potere calorifico per unità di massa, più che doppio rispetto al metano (119.9 contro 50 MJ/kg), ma a causa di un peso atomico molto basso, il potere calorifico per unità di volume invece è molto basso, cosa che suggerisce un lieve calo di potenza se utilizzato i un motore a combustione interna.
| Rapporto Stechiometrico | Potere calorifico inferiore MJ/kg | Potere calorifico inferiore MJ/Nm3 | |
|---|---|---|---|
| Metano | 17.3 | 50 | 31.6 |
| Idrogeno | 34.4 | 119.9 | 10.1 |
un altra grande caratteristica è la velocità laminare di combustione molto elevata, circa 8 volte rispetto al metano, fattore che , se miscelato insieme a quest’ultimo, ne potrebbe aumentare l’efficienza, soprattutto per motori con combustione magra, che soffrono di una bassa velocità di combustione con conseguente peggioramento dell’efficienza.
Viste le limitate disponibilità di idrogeno (in natura non esiste) e quindi visto il costo in termini energetici per la sua produzione (anche se con fonti rinnovabili ha comunque un costo) la domanda che ci si fa è: nell’ipotesi che si possa disporre dell’X% di energia proveniente da idrogeno,
- è meglio avere un X% di veicoli ad idrogeno e il restante ad un combustibile convenzionale (es. metano) oppure
- è meglio avere il 100% dei veicolo con una miscela di combustibile convenzionale con l’X% di idrogeno?
Si sceglie il paragone con il metano perché anche quest’ultimo è un combustibile gassoso e nel caso di utilizzo di una miscela tra i due gas, le modifiche da fare per tale conversione sono praticamente nulle (questo è sicuramente vero per miscele con percentuale di idrogeno fino al 20-30% in volume), in pratica una rimappatura in centralina dell’anticipo del motore.
In ENEA sono stati svolti diversi lavori sull’applicazione di miscele di metano idrogeno su mezzi pesanti (autobus, ma anche mezzi per trasporto merci), attività di tipo sperimentale, con motori a metano riconvertiti a miscela con percentuale dal 5% al 25% in volume. un articolo interessante può essere trovato qui.
con miglioramenti dipendenti dalla percentuale di idrogeno e con ulteriori vantaggi dovuti ad un aumento dell’efficienza del motore termico grazie alla presenza di idrogeno (soprattutto con motori a miscela magra e lambda=1.4). Ora invece, utilizzando un software di simulazione, si vuole valutare se esista una percentuale ottima che possa minimizzare la produzione di CO2 del motore.
Il motore in esame
Per semplicità si simulerà un motore (con tutti i dettagli in questo libro) ad un solo punto di funzionamento, 3000 a pieno carico, partendo da una configurazione “solo metano” ed confrontandola con una miscela di metano idrogeno sempre crescente, fino al 100% di idrogeno. il motore è un 2000cc, originariamente a benzina con circa 115 kW di potenza massima, convertito “virtualmente” a metano, ottimizzandola mappatura dell’anticipo specifica per questo combustibile.
Il motore funziona con miscela stechiometrica, scelta più conservativa, applicabile più facilmente a tutti i motori, ma se si usassero miscele magre, cosa realizzabile con miscele, si avrebbe un ulteriore beneficio dovuto ad un aumento di rendimento del motore.
Risultati
Se guardiamo il grafico di sotto, si può facilmente rispondere alle domande di partenza: se l’introduzione di idrogeno avviene con veicoli solo “H2” la diminuzione della produzione Tank-To-Wheel di CO2 è lineare con la percentuale di idrogeno disponibile, con una produzione di CO2 nulla per il motore alimentato solo ad H2 (linea grigia).
Se invece l’idrogeno viene miscelato con il metano e bruciato dal motore, la riduzione di CO2 è più che proporzionale ed ha un minimo per una percentuale in massa di H2 attorno al 40%. il miglioramento è dell’ordine del 18% in meno di produzione di CO2, che è un grande risultato. la risposta quindi è che miscelare l’idrogeno nel metano ha un miglioramento maggiore che produrre veicoli solo metano e solo idrogeno, chiaramente sotto l’ipotesi che l’idrogeno sia limitato.
Volendo approfondire ulteriormente l’argomento, si potrebbe ripetere l’esercizio con un motore a miscela magra, dove potrebbero essere osservati anche miglioramenti in termini di efficienza termica del motore, e uno studio sui potenziali benefici dell’adozione di idrogeno al 100%.
