ALMA MATER STUDIORUMUniversità degli studi di Bologna

FACOLTA’ DI INGEGNERIACORSO DI LAUREA in INGEGNERIA MECCANICA

Disegno Tecnico Industriale

STUDIO DI MASSIMA PER L’IMPIEGO DI UN PROPULSORE AD IDROGENO

PER AEREI DI PICCOLE DIMENSIONI

TESI DI LAUREA DI: RELATORE: Matteo Benaglia Prof. Ing. Luca Piancastelli

CORRELATORI: Prof. Ing. Franco PersianiProf. Ing. Gianni CaligianaDott. Ing. Lorenzo Dardi

Anno Accademico 2004/05Sessione I

SCOPO DEL LAVORO

• Esaminare l’idrogeno come vettore energetico, la suaproduzione ed il suo stoccaggio

• Esaminare i sistemi energetici di tipo Fuel Cells• Esaminare la possibile conversione di Motori a

Combustione Interna (MCI) ad idrogeno• Progettare un sistema completo basato sulle due

diverse tecnologie, valutandone emissioni, affidabilità, costi

• Valutarne l’applicabilità alla replica ultraleggera del velivolo Macchi C 205 Veltro e verificare la compatibilità con la normativa vigente

Proporre e progettare un sistema di propulsione ad idrogeno per la replica sperimentale Macchi C 205 Veltro.FASI DEL LAVORO:

MACCHI C 205 VELTROMACCHI C 205 VELTRO

Apertura alare 10.58 mSuperficie alare 16.8 m2

Lunghezza totale 8.84 mAltezza 3.03 m

Massa totale 3408 Kg Motore Daimler-Benz 605 (700 kg a vuoto, 1450 CV) Velocità max 648 Km/h

CARATTERISTICHE TECNICHE:

Limite massimo in peso dell’aeroplano: 1200 kg al decollo

IDROGENO

• Potere calorifico inferiore 120 MJ/kg • Limiti di infiammabilità 4-75% in miscela con aria• Energia di accensione in aria 0.02 mJ• Temperatura di autoaccensione 585 °C • Calore specifico elevato (rendimento in MCI oltre al 50%)• Assenza di atomi di C emissioni di CO e C02 nulle

VANTAGGI:

SVANTAGGI:

• Densità 0,08987 kg/m3 (Evol = LHV•ρ penalizzata)

• Temperatura di liquefazione –253°C

• Vettore energetico (rendimenti globali bassi)

• Costi elevati

PRODUZIONE

• η molto variabile: 0.23 - 0.89

• Alcuni processi richiedono il sequestro

di CO2

• Costi di investimento elevati

• Costo di H2 prodotto= (benzina 10 $/GJ)

8-15 $/GJ da combustibili fossili

Oltre 30 $/GJ da fonti rinnovabili

STOCCAGGIOSISTEMI DI STOCCAGGIO ATTUALMENTE FRUIBILI:• Gas Compresso (CGH2)

- fino a 700 bar

- η = 0.90 (ottimistico)

• Liquido (LH2)

- densità volumetrica di energia più alta

- si perde 1/3 del potere calorifico inferiore η =

0.67 non è chiaro….- problemi di contenimento

• Altri

• Idruri di litio (troppo pesanti)

N t tt

SISTEMA FUEL CELL

•Potenza 68 kW

•Peso 220 kg (con ausiliari)

•Efficienza 48%

•Emissioni nulle

•Costo 2550 $ (commerciale solo dopo il 2010)

Modulo Ballard X-CELLSIS HY-80

- Il modulo è collegato ad una APU (Auxiliary Power Unit a batteria) tramite controller; l’energia alimenta un motore elettrico che aziona l’elica.

- L’idrogeno (CGH2) è stoccato sulle ali del velivolo

SISTEMA FUEL CELLS•APU: “ModPack” Modular Energy Device (14.8 V, 76 Ah lithium battery), fornisce 12 kW aggiuntivi per 9’ 30”

•Motore elettrico: “MPM 80” UQM TECHNOLOGIES

•Elica: “MTV-1” MT PROPELLER a passo variabile

•Bombole idrogeno: “Type IV-TriShield” QUANTUM

per un volo di 2 ore = 2 bombole da 100 L a 700 bar

INTEGRAZIONE COL VELIVOLO

Rendimento sistema: 37%

Peso totale 324+100: 424 kg

Velocità massima: 220 Km/h

Baricentro dell’aereo: 10 cm di indietro rispetto all’originale (stabilità ancora garantita)

• Sensibilità alla quota: riduzione di potenza del 2% a 3,000 m

(35 % per un normale motore aspirato)

RENDIMENTO TOTALE E COSTIPRODUZIONE DA: TOTALE

prop. + produzione idrogeno•STEAM REFORMING, η= 70-89% → 24-30% con 8.9 kg di CO2 per Kg di H2

•TERMOCRACKING con riutilizzo di → 19% idrogeno, η= 49%

•ELETTROLISI, η= 59-74%, con → 10% maxgenerazione elettrica al 39% medio

•ALTRI PROCESSI → <6%

COSTI: 9,500 euro + 6,000/30,000 (reformer/elettrolizzatore)

CONVERSIONE di un MOTORE a CONVERSIONE di un MOTORE a COMBUSTIONE INTERNA ad H2COMBUSTIONE INTERNA ad H2

• RENDIMENTO TERMODINAMICO: oltre 50%

• EMISSIONI: H2O e NOx (eliminabili)

VANTAGGI:

SVANTAGGI:

•RAPPORTO STECHIOMETRICO 34:1, L’IDROGENO OCCUPA IL 29% DELLA CAMERA DI COMBUSTIONE

•PROBLEMA DI PREACCENSIONE E DETONAZIONE PER PUNTI CALDI NEL CILINDRO

•TEMPERATURA DI AUTOCCENSIONE: 585°C →NECESSARIO L’UTILIZZO DI CANDELE

INIEZIONE

•Migliori prestazioni con INIEZIONE DIRETTA, nel punto morto inferiore

•Potenza teorica massima ottenibile =115% del motore originale senza sovralimentazione

EMISSIONI

-CO, CO2, HC nulli

-NOx : abbattimento con una quantità d’aria doppia di quella stechiometrica (ma dimezza la potenza) o riduzione selettiva catalitica SCR con urea (diminuiscono i consumi ed il peso dei serbatoi)

MOTORE A BENZINA MOTORE AD IDROGENO

CONVERSIONE FIAT 1900 JTD•Impiego dell’iniettore QUANTUM “Gaseous Fuel Injector”

•Portata di H2: 0.8 g/s

•Pressione di esercizio: 0.5 MPa

•Abbinato al common-rail per H2 della IMPCO

•Sostituzione candelette con candele CR7EKC, semifredde, non di platino (catalizzatore)

CONVERSIONE FIAT 1900 JTD• L’idrogeno (LH2) è stoccato sulle ali del velivolo; per una crociera di due ore servono due bombole da 232 litri e 198 kg l’una (MAGNA STEYR “Free Form”), costo 2,400 euro l’uno

• Peso propulsore + serbatoi: 628 kg

• Il baricentro dell’aereo si sposta di 21 cm (inaccettabile)

• Potenza teorica: 190 kW (126 kW originari, 136 kW senza sovralimentazione)

CONVERSIONE VD 007•12 cilindri a V, funzionamento per accensione spontanea

•1710 cc per cilindro, con 2 camere di combustione

MODIFICHE EFFETTUATE:

•Sostituzione iniettori originali con quelli QUANTUM

•Inserimento candele NGK B9ES, fredde, non di platino

•Collegamento al common-rail per H2 IMPCO

•Progetto serbatoi ad LH2 posti sulle ali

CONVERSIONE VD 007

• Potenza teorica ottenuta: 2044 kW (1460 kW senza sovralimentazione a 0.14 MPa)

• Peso propulsore: 350 kg senza la sovralimentazione

CONVERSIONE VD 007• Per una crociera di un’ora servirebbero due serbatoi da 1,250 litri e 1064 kg (totale 2128 kg)

→ supero il limite di 1200 kg al decollo

• Possibile solo un volo di 27 minuti

•Costo serbatoio: 6,000 euro l’uno!

•Il baricentro dell’aereo si sposta di 71 cm (inaccettabile)

RENDIMENTO TOTALE E COSTIPRODUZIONE DA: TOTALE

•STEAM REFORMING, η= 70-89% → 25-31% con 8.9 kg di CO2 per Kg di H2

•TERMOCRACKING con riutilizzo di → 20% idrogeno, η= 49%

•ELETTROLISI, η= 59-74%, con → 11% maxgenerazione elettrica al 39% medio

•ALTRI PROCESSI → <7%

COSTI: + (reformer/elettrolizzatore)

1900 JTD =12,900 euro + 6,000/30,000

VD 007= 22,000 euro + 9,000/40,000

SICUREZZA E NORMATIVASICUREZZA E NORMATIVA

•Percezione del rischio amplificata

•Disinformazione

•Alta diffusività, incendi meno intensi e più rapidi

•Fiamme veloci, ma limite di detonabilità 2 volte quello del gas naturale e 12 volte quello della benzina

•Infragilimento da idrogeno: può penetrare nel reticolo cristallino (favorito da pressione, temperatura, umidità)

SICUREZZA E NORMATIVASICUREZZA E NORMATIVA• UNECE WP.29 GRPE Informal Group: Hydrogen/Fuel

Cell Vehicles

- Draft ECE Compressed Gaseous Hydrogen Regulation, CGHR, Rev.12a del 14/09/2003 e Rev.12b del 12/10/2003

- Draft per l’idrogeno liquido, Rev.14 del 7/03/2003 e Rev.14 add1 del 29/10/03

• ISO TC 197, con vari Work Group (WG, in totale 12)

CONCLUSIONICONCLUSIONIIDROGENO: OCCASIONE O TRUFFA?

-> idrogeno vettore energetico•Rendimento del sistema completo ad H2 molto BASSO:

<10% da fonte rinnovabile

<30% da steam reforming (e utilizzo di combustibili fossili)

•Costo elevato (15,500 / 62,000 euro)

•Capacità di stoccaggio dell’energia unica per sistemi ad elevata potenza e per velocità di rifornimento→ Non è il deus ex machina, ma può essere proficuamente utilizzato abbinato allo sviluppo del SOLARE TERMICO (si prevede sostituirà il 50% dell’energia da combustibili fossili nel 2050)

STOCCAGGIOSISTEMI DI STOCCAGGIO NON UTILIZZABILI:

• IDRURI METALLICI

- peso proibitivo

- costi molto elevati

• NANOSTRUTTURE DI CARBONIO

- migliore capacità di immagazzinaggio

- ancora in fase di ricerca

CELLE A COMBUSTIBILE

STACK SCELTO: PEM (POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE)

Anodo: H2 →2H++2e-

Catodo: 2H++½O2+2e-→H2O

•Elevata densità di potenza

•T < 100 °C

•Emissioni nulle

•Applicato con successo nell’autotrazione