Alma Mater Studiorum - Università di Bologna

SECONDA FACOLTA’ DI INGEGNERIACON SEDE A CESENA

CORSO DI LAUREAIN INGEGNERIA MECCANICA

STUDIO DELL’APPLICAZIONE DI UN

SISTEMA ALIMENTATO AD IDROGENO

PER UN SOLLEVATORE AUTOPROPULSO

Tesi di laurea di:ALESSANDRO RAPPARINI

Relatore:Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI

SCOPO DEL LAVORO

STUDIARE L’APPLICAZIONE PRATICADI UN SISTEMA ALIMENTATO AD

IDROGENO A BASSISSIME O NULLEEMISSIONI INQUINANTI PER UN

SOLLEVATORE A FORCHE FRONTALI ATTUALMENTE ALIMENTATO

A DIESEL O GPL

SOLLEVATORE PER L’APPLICAZIONE

CESAB

DRAGO 150

AlimentazioneDiesel o GPL (+1640�)

CARATTERISTICHE DEL SOLLEVATORE ALIMENTATO A DIESEL

• Motore Diesel4 cilindri TOYOTA 1 DZ – IIdi 2486 cm3

• Potenza max. 40 KW a 2400 rpm

• Sistema misto diraffreddamento acqua-olio

• Capacità serbatoio 40 litri

CARATTERISTICHE DEL SOLLEVATORE ALIMENTATO A G.P.L.

• Motore a Benzinaalimentato solo a GPL4 cilindri TOYOTA 4Ydi 2237 cm3

• Potenza max.37 KW a 2400 rpmCoppia max.157 Nm a 1800 rpm

• Capacità bombolavariabile a secondadella richiesta

ALTRE CARATTERISTICHE COMUNI

• Presenza di un sistemadi controbilanciamentodi 967 kg

• Freni a bagno d’olio

• Trasmissione idrostatica a controllo elettronico

• Presenza di un sistemaidroguida

FASI DEL LAVORO

• Esaminare l’idrogeno come combustibile e studiare la tecnologia ad esso collegata

• Esaminare i sistemi di propulsione ad idrogeno

• Valutarne l’applicabilità al sollevatore

IDROGENO

VANTAGGI GENERALI:• Rendimenti termodinamici maggiori per motori a

combustione interna (alti rapp.compr.)• Brucia completamente anche in miscele

idrogeno-aria magre � complessivamente ho maggiore potenza erogata

• Velocità di combustione 7 volte superioreVANTAGGI AMBIENTALI:• Combustione in aria � NOx (eliminabili)• Combustione in ossigeno � H2O “zero emission”

IDROGENO

VANTAGGI DELL’APPLICAZIONE:• Le ridottissime o nulle emissioni rendono

possibile l’uso del sollevatore in ogni ambiente (uso promiscuo interno/esterno)

• Nessun problema di peso in quanto il sollevatore è zavorrato per la stabilità

• A costi contenuti posso modificare il motore esistente

TECNOLOGIA DELL’IDROGENO COLLEGATA ALL’APPLICAZIONEPRODUZIONE:• Fornitura esterna• Fornitura interna:

– Generatore elettrolitico– Reformer sul sollevatore

STOCCAGGIO sul sollevatore:40 litri gasolio����122 m3 idrogeno (10 kg circa)• in forma gassosa (compresso in bombole)• In forma liquida (serbatoio criogenico)• In forma “chimica”:

– Accumulato in idruri metallici– Accumulato in nanostrutture di Carbonio

PRODUZIONE DELL’IDROGENO

Generatore on-siteelettrolitico:• � 25000 – � 75000 (solare)• 64 m3/h � 2 ore per 122 m3

necessari• Costo di una ricarica:� 3 “fissi”per H2O distillata

+ � 10 da corrente elettrica+ � 0 da energia solare

Vantaggi:• Costo di ricarica inferiore rispetto

alla eventuale fornitura esterna• posso produrne quanto ne voglio

PRODUZIONE DELL’IDROGENO

Reformer sul sollevatore:• � 4000 – 8000 • Costo d’esercizio 1�/kg

VANTAGGI:• comodità d’uso• dimensioni contenuteSVANTAGGI:• Inquinanti (CO2)• Uno per motore

STOCCAGGIO IN FORMA LIQUIDA

• Stoccaggio a T= - 253°CQuantità equivalente ai 40 litri di gasolio:• 148 litri H2� serbatoio criogenico

da 150 litri� Peso = 180 kg

- SISTEMA COMPLESSOSIA PER IL VEICOLO CHEPER LA DISTRIBUZIONE- COSTOSO

STOCCAGGIO IN FORMA GASSOSA

Quantità equivalente ai 40 litri di gasolio:608 litri H2 a 200 bar:

� 12 bombole normali da 50 litri� troppo ingombro

� Peso = 840kg (70 Kg l’una)� Ok (zavorra 967 kg)

174 litri H2 a 700 bar:� 3 bombole speciali da 50 litri� Peso = 150 kg (25 kg l’una)

Tempo di rifornimento medio:10 minutiSOLUZIONE MOLTO BUONA

STOCCAGGIO IN FORMA CHIMICA

Quantità equivalente ai 40 litri di gasolio:• IDRURI METALLICI AL LITIO:

3 “serbatoi” (12,7% in peso di H2)– Costo = 26000�� COSTOSO!– Peso = 150 kg � OK

• NANOSTRUTTURE DI CARBONIO:Assorbimenti fino al 68% in peso di H2nanofibre sperimentali (16 kg, 10,5 L)

TECNICHE MOLTO BUONEE SICURE MA COSTOSE

PROPULSIONE AD IDROGENO

• Motori alternativi a combustione interna:– MOTORI AD ACCENSIONE COMANDATA

funzionamento ad idrogeno puro– MOTOTI AD ACCENSIONE SPONTANEA

funzionamento ad idrogeno puro– MOTORI IBRIDI DUAL – FUEL

funzionamento ad idrogenoassieme ad altri combustibili

• Celle a combustibile (FUEL CELL)

MOTORE AD ACCENSIONE COMANDATACON MISCELATORE IDROGENO-ARIA

VANTAGGIVANTAGGI

• Conversionesemplice

• Solo NOx allo scarico

SVANTAGGISVANTAGGI

• Problema isolamento

• Indurimento olio

• Preaccensione*

• Ritorno di fiamma*

• Basso rendimento (potenza -15% risp.benzina)

MOTORE AD ACCENSIONE SPONTANEACON INIEZIONE DIRETTA DELL’IDROGENO

VANTAGGIVANTAGGI

• Solo NOx allo scarico• No perdita di potenza• No preaccensione• No ritorno di fiamma• Rendimento elevato • Funzionamento

anche a Diesel

SVANTAGGISVANTAGGI

• Complesso

• Indurimento olio

MOTORE IBRIDO GASOLIO – IDROGENO( AD INIEZIONE PILOTA )

CON MISCELATORE IDROGENO – ARIA

VANTAGGIVANTAGGI

• Gasolio in caso d’emergenza

• No perdite di potenza:Rendimento elevato

• Miscela più magra

SVANTAGGISVANTAGGI

• Non solo NOx allo scarico

• Ritorno di fiamma*

• Preaccensione*

• Indurimento olio

MODIFICHE ESSENZIALI PER L’ADATTAMENTODEL MOTORE ATTUALE ALL’IDROGENO

• modifica al collettore di aspirazione (Al);• montaggio delle bombole e delle tubazioni che

portano il gas al motore (compreso riduttore);• montaggio di elettrovalvole adatte all'idrogeno;• sostituzione della centralina elettronica per

l'alimentazione ad idrogeno.• Costo indicativo: 3000 �

Per la modifica ad iniezione diretta il costoaumenta notevolmente per via degli iniettori di H2• Costo indicativo: min. 5000 �

CELLE A COMBUSTIBILE

CELLE A COMBUSTIBILEVANTAGGI:• Modularità dello STACK • Rendimento elettrico elevato• Efficienza indipendente dalle

dimensioni dell’impianto• Emissioni zero• Spazi e pesi ridotti• Bassi costi di manutenzioneSVANTAGGI:• Costo elevato• Rendimento inferiore a basse temperature (sotto i 50°C)� Necessita di calore per l’accensione (batteria o rete)• Mal funzionamento a temperature sotto i -10° (-40°C)• Transitori di carico a rendimenti incerti (batteria)

STACK PER L’APPLICAZIONE

• Costo: 7000 – 9000 �

• Potenza erogata: 40 kW

• Peso: 60 kg circa

• Partenza a freddo: 1 min(tramite batteria)

CONCLUSIONIAPPLICAZIONE PIU’ PRATICABILE:Sistema di produzione dell’Idrogeno:

� generatore elettrolitico on-site 25000 �(se la distribuzione non è ancora efficiente)

Sistema di stoccaggio dell’Idrogeno:3 bombole di idrogeno compresso a 700 bar 3000 �

Sistema di propulsione ad Idrogeno:– Conversione del GPL:

• Facile, economica, ma -15% potenza 3000 �– Conversione del Diesel:

• Costosa e complessa 5000�– Conversione del Diesel ad Ibrido:

• Inquina, -10% potenza; 3000�

CONCLUSIONISistema di propulsione:– Celle a combustibile

+ altri costi (compressore aria, sistemi elettronici)10000 �Costosa � fondi della Comunità Europea

per i veicoli a emissioni zeroVantaggi aggiuntivi:– soluzione energetica ed ecologica

molto buona– facilmente applicabile anche ai tanti modelli

già alimentati da motore elettrico

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