UNIVERSITA' DEGLI STUDI  DI CASSINO E DEL LAZIO MERIDIONALE

Cicli termodinamici basati sull'idrogeno

Cicli idrogeno/aria (a gas) Idrogeno Cicli idrogeno/ossigeno (a vapore)

Aria

Cicli che impiegano idrogeno (combustione interna) Ossigeno Cicli fossile+idrogeno/aria (co-combustione) Idrogeno

+

Combustibile fossile Cicli fossile+aria idrogeno/ossigeno (a vapore)

Turbogas

L'impiego dell'idrogeno in un ciclo Brayton non porta a particolari vantaggi dal punto di vista termodinamico, ma solamente a vantaggi di tipo ambientale.

Un impianto di questo tipo è stato realizzato all'interno della centrale ENEL “Andrea Palladio” a Fusina. Il combustibile è idrogeno al 97% ed è un sottoprodotto del vicino Petrolchimico di Porto Marghera.

Il gas naturale è impiegato per la fase di avvio, mentre a regime la turbina funziona a idrogeno con iniezione di vapore.

La potenza dell'impianto è di 11 MW e le emissioni evitate di biossido di carbonio ammontano a circa 17.000 t/anno.

Classificazione dei MCI alimentati a idrogeno

I diversi tipi di motori vengono classificati in base alle modalità di immissione dell'idrogeno: motore con alimentazione temporizzata nel collettore di adduzione dell'aria; motore con iniezione a media pressione (1 MPa), poco dopo la chiusura delle valvole; motore con iniezione ad alta pressione (8 MPa), in prossimità del PMS; motore con iniezione in fase liquida.

Con l’immissione dell’idrogeno nel cilindro a valvole chiuse e non c’è pericolo di ritorno di fiamma. Se poi l'iniezione è ritardata, cioè effettuata a corsa di compressione molto avanzata, in prossimità del punto morto superiore, anche la preaccensione è impedita e la temperatura all'interno del cilindro più omogenea. Un ulteriore ostacolo alla preaccensione può essere l'iniezione di combustibile freddo.

Nel primo caso, invece, il combustibile può essere inviato in modo discontinuo realizzando così un raffreddamento del cilindro prima dell'invio del combustibile ed un lavaggio del collettore di adduzione dopo il passaggio del combustibile.

Preaccensione, ritorno di fiamma e detonazione

Preaccensione: accensione della miscela prima che il pistone raggiunga la posizione prestabilita. Favorita da: bassa energia di accensione (0,02 mJ per l'idrogeno contro 0,24 mJ per la benzina); ampio intervallo di infiammabilità (4÷75% per l'idrogeno contro 1÷7,6% per la benzina).

Sfavorita da: refrigerazione delle superfici calde; minima presenza di particolato e depositi; uso di miscele magre.

Ritorno di fiamma: risalita della fiamma nel collettore di adduzione, provocata dalla preaccensione a valvola aperta unitamente ad una velocità di propagazione della fiamma superiore a quella di invio della miscela. Detonazione: funzionamento irregolare del motore dovuto a bruschi incrementi di pressione all'interno dei cilindri e produzione di onde d'urto conseguenti alla preaccensione a valvola chiusa.

Favorite da: velocità di propagazione della fiamma molto elevata (2,65÷3,25 m/s contro 0,37÷0,43 m/s per la miscela aria-benzina).

Rendimento del ciclo limite

Il rendimento termico di un ciclo seguito da un MCI ideale è funzione delle quantità di calore scambiate durante le due trasformazioni non adiabatiche e cresce: con il rapporto di compressione (ρ); con il rapporto tra i calori specifici del gas (k).

Infatti, in prima approssimazione, con riferimento ai valori medi costanti dei calori specifici a pressione costante e a volume costante, tale rendimento (η t ) può essere espresso mediante la relazione:

η

t

= 1 − ρ

k

1 − 1

L'alta temperatura di autoaccensione (580°C contro i 350°C dei combustibili per motore diesel) rende difficile la realizzazione di un ciclo diesel, ma consente di elevare notevolmente il rapporto di compressione rispetto a quello di un motore a benzina perché l'ignizione per compressione risulta praticamente impossibile.

L'ampiezza dell'intervallo di infiammabilità della miscela aria-idrogeno (9-75%) consente l’utilizzo di miscele molto magre ed i gas combusti risultano, quindi, molto diluiti e, avendo una temperatura più bassa, il rapporto tra i calori specifici è più alto.

Rendimento del ciclo indicato

Il rendimento termico reale di un motore a combustione interna risulta minore di quello ideale a causa delle numerose deformazioni che il ciclo indicato presenta rispetto a quello ideale. Tali deformazioni sono dovute a fattori che possono talvolta essere connessi al combustibile utilizzato.

Gli effetti positivi dell’impiego dell’idrogeno si concentrano soprattutto nelle fasi di aspirazione e combustione.

L'ampiezza dell'intervallo di infiammabilità della miscela aria-idrogeno è tale da consentire, a differenza di quanto avviene nel motore a benzina, una regolazione qualitativa della potenza del motore e quindi il flusso di aria nel collettore non viene limitato, se non in casi limite, mediante la valvola a farfalla.

Rendimento del ciclo indicato

A combustione avanzata interviene anche la dissociazione delle specie prodotte dalla combustione stessa, ma il biossido di carbonio ha una propensione a dissociarsi maggiore dell'acqua e quindi le perdite (per incombusti) sono più sensibili in un motore a benzina rispetto ad un motore a idrogeno. Nel processo reale l'accensione della miscela non è istantanea e, quindi, la combustione non è isovolumica ed il distacco tra ciclo indicato e ciclo ideale è in questa fase più significativo, ma la miglior propensione a formare miscele infiammabili, il più alto coefficiente di diffusione e la maggior velocità di propagazione della fiamma giocano fortemente a favore dell'idrogeno consentendo una combustione molto più vicina all’isovolumica ed un anticipo all’accensione molto più modesto.

Potenza

La potenza di un motore è legata al potere calorifico per unità di volume della miscela aria-combustibile. La miscela stechiometrica aria-idrogeno possiede, a parità di volume, un potere calorifico pari all'80÷85% di quello della miscela aria-benzina. Cause: bassa densità dell'idrogeno; minor rapporto tra potere calorifico inferiore e superiore.

Poiché il potere calorifico per unità di volume della miscela aria-combustibile è favorito dalle alte pressioni e dalle basse temperature, si possono adottare i seguenti rimedi: premiscelazione con idrogeno liquido; l'iniezione diretta di idrogeno gassoso ad alta pressione; l'iniezione diretta di idrogeno liquido.

Manutenzione e durata

Vantaggi: funzionamento del motore più regolare e minore usura dei componenti grazie alla maggior omogeneità della miscela stessa ed alla più uniforme distribuzione di pressioni all'interno del cilindro; assenza di depositi carboniosi sui componenti del motore, in particolare sulle candele; minor consumo di olio motore e maggiore stabilità perché non viene diluito dall'idrogeno e non viene attaccato da acidi formatisi a seguito della combustione.

Svantaggi: possibilità di fenomeni di instabilità dovuti alla maggior velocità di fiamma della miscela aria-idrogeno; possibilità di maggiore usura dei componenti a causa della mancanza di potere lubrificante da parte dell'idrogeno.

Un problema che non sembra destare grande preoccupazione è l'infragilimento da idrogeno.

Minori costi di manutenzione e maggior durata del motore a idrogeno.

Motore rotativo (Wankel)

Caratteristiche del motore rotativo

Vantaggi: minor numero di parti in movimento; minor rumorosità; maggior compattezza; minori perdite meccaniche.

Svantaggi: scarsa tenuta delle lamelle che separano le camere; forma della camera di combustione assai schiacciata.

Un prototipo di automobile con motore Wankel a idrogeno è stato realizzato dalla Mazda.

BMW serie 7 Mazda RX-80 Hydrogen

Prototipi

Mini Bus MAN

Ostacoli alla commercializzazione 

Dal punto di vista del veicolo gli aspetti critici sono l'elevato ingombro e peso e la sicurezza del serbatoio, l'elevato volume di idrogeno da iniettare, l'elevato costo.

Dal punto di vista della distribuzione gli aspetti critici sono il costo elevato di un idrogenodotto o, in alternativa, il maggior costo dell'idrogeno prodotto direttamente presso la stazione di rifornimento e l'inadeguatezza, per motivi di distanze di sicurezza, della maggior parte delle stazioni di rifornimento esistenti.

In assenza di una rete distributiva né i potenziali produttori di idrogeno sono incentivati a produrlo, né i potenziali costruttori sono disposti a mettere veicoli sul mercato dato che non ci sarebbero utenti.

E d'altra parte nessuno è disposto a sostenere gli alti costi di un'infrastruttura distributiva senza garanzie sulla creazione di un mercato con costi dei veicoli e dell'idrogeno appetibili per i potenziali utenti.

Motori alimentati con miscele contenenti idrogeno 

I veicoli sono alimentati con benzina, gas naturale, gasolio o GPL. Tutti questi combustibili potrebbero bruciare meglio se nella miscela con l'aria fosse presente dell'idrogeno.

Sono stati realizzati e sperimentati con successo prototipi con miscele gas naturale/idrogeno (denominate hythane o idrometano in relazione alla percentuale volumetrica di idrogeno, rispettivamente fino al 20% e fino al 30%). Ciò corrispondente ad un apporto energetico dell'idrogeno fino al 12%.

La maggior parte dei veicoli sono alimentati a benzina. In tal caso, come per gli altri combustibili liquidi, l'idrogeno verrebbe miscelato all'aria. Un serbatoio da 50 l contiene circa 37 kg di benzina. Un apporto energetico del 5% corrisponde a circa 700 g di idrogeno. Cioè una o più bottiglie di idruri per un peso di circa 40 kg ed un volume di circa 7 l.

Mercedes Multipla

Vantaggi 

La tecnologia dei motori alimentati con miscele contenenti idrogeno presenta interessanti vantaggi: si deve iniettare un modesto volume di idrogeno ad ogni ciclo; si deve accumulare a bordo una modesta quantità di idrogeno; si possono usare idruri metallici che sono più sicuri; si possono trasportare i contenitori di idruri in modo analogo a quanto fatto oggi per i combustibili liquidi o li si possono riempire direttamente presso la stazione di rifornimento nel caso di idrogeno prodotto sul posto; non è necessario acquistare un nuovo veicolo, è sufficiente modificare quello già posseduto.

Dal punto di vista ambientale se non si ha idrogeno per alimentare tutti i veicoli, è preferibile usare le miscele dato che l'abbattimento delle emissioni nocive è superiore alla percentuale di idrogeno impiegato.

Inoltre l'impiego di miscele incrementa il numero di coloro che usano l'idrogeno rendendolo così più familiare.

Certamente non deve essere considerata la soluzione definitiva, ma può essere un'ottima soluzione ponte in attesa di migliorare i diversi aspetti del sistema idrogeno.

Un intervento governativo di detassazione dell'idrogeno e maggior tassazione degli altri combustibili potrebbe essere un buon investimento a medio termine con ritorno economico connesso alla riduzione dei costi dovuti agli effetti dell'inquinamento e dei cambiamenti climatici.

Il risurriscaldatore a miscela

Tutti i cicli idrogeno/ossigeno studiati hanno in comune un dispositivo innovativo rispetto ai tradizionali cicli a vapore: il generatore diretto di vapore.

idrogeno ossigeno vapore risurriscaldato vapore surriscaldamento a superficie

⇒

surriscaldamento a miscela

Confronto tra generatori di vapore

Tipo Combustibile Ossidante Rapporto di equivalenza Temperatura massima del vapore (°C) Potenza specifica del bruciatore (MW/m 3 ) Metodo di trasferimento del calore Temperatura di parete del generatore (°C) Efficienza di combustione Tradizionale Gas, Olio, Carbone Aria >1,1 535÷600 0,1÷1 Allotermico 600÷850 Diretto (H 2 /O 2 ) H 2 O 2 <1,1 1000÷1700 1000000 A miscelazione 200 (refr. a film d’acqua) 500÷1000 (refr. a vapore) 0,9÷0,94 0,98÷0,995

La combustione idrogeno/ossigeno

Vantaggi la combustione è interna al fluido termovettore: i prodotti di combustione vengono scaricati alla temperatura di condensazione che è la più bassa dell’intero ciclo; si può operare con una temperatura di surriscaldamento molto più alta rispetto a quella ottenibile con una caldaia tradizionale perché la temperatura del materiale può essere mantenuta a valori bassi; possono essere realizzati cicli termodinamici con molti surriscaldamenti perché i surriscaldamenti successivi non comportano il rientro in caldaia con le complicazioni impiantistiche e le perdite di calore ad esso conseguenti.

Problemi la miscela idrogeno/ossigeno deve essere stechiometrica, in caso contrario restano dei gas incondensabili possono dare problemi di varia natura, tra cui il pericolo di esplosione, a valle del condensatore; la potenza e la pressione dei prototipi fino ad ora sviluppati sono limitate, ma comunque in crescita (25 MW, 100 bar).

I cicli avanzati idrogeno/ossigeno

Utilizzando i generatori diretti di vapore per ottenere un risurriscaldamento, il limite superiore alla temperatura del ciclo è spostato dal generatore alla turbina. Le turbine a gas della Serie H adottano una tecnologia che impiega vapore in circuito chiuso per refrigerare la pala dall’interno. Il nuovo limite per un ciclo a vapore si sposta a 1500 °C come per i sistemi turbogas. Il progetto giapponese WE-NET prevede un limite di 1700 °C per il 2020.

Si possono quindi disegnare nuovi cicli termodinamici a vapore.

Inizialmente tali cicli erano connessi al problema dell’accumulo di energia durante le ore vuote notturne, e quindi idrogeno ed ossigeno erano supposti prodotti per elettrolisi in pressione.

Successivamente è stato introdotto anche il concetto di “attached cycle”

Il ciclo Jericha (o ciclo Graz)

Il ciclo Jericha è costituito da due cicli, un Brayton sovrapposto, con scarico dei prodotti di combustione al condensatore, ed un Hirn sottoposto. Gli autori hanno calcolato valori di rendimento fino al 60% a 1700 °C (con riferimento al potere calorifico superiore dell’idrogeno e senza valutare la spesa di compressione).

1200 T (°C) 1000 800 600 400 200 0 0 15 2 4 3 22 23 8 10 4 6 7 13 8 s (kJ/kgK) 10

La temperatura massima negli scambiatori di calore a superficie arriva a superare i 1000 °C, fattore che può essere critico per il materiale.

Il ciclo Spazzafumo (ideale)

Il ciclo di riferimento è caratterizzato da:



due trasformazioni isoterme;



due trasformazioni isobare.

Una macchina reale non è capace di scambiare calore durante un'espansione.

C’è anche il pompaggio che, ovviamente, non è isobaro, ma neppure isotermo. Tuttavia è trascurabile.

1000 T (K) 750

A parità di temperature estreme, il rendimento varia dall’87 al 93% del rendimento del ciclo di Carnot.

500

Il calore di condensazione è perduto

250 0 0 3 6 S (kJ/kg K) 9 12

Il calore di desurriscaldamento è rigenerabile

Il ciclo Spazzafumo (reale)

Occorre dividere l’espansione interponendo iniezioni di vapore ad alta temperatura Occorre abbassare la temperatura alla fine dell’espansione poiché la rigenerazione è uno scambio termico a superficie.

hy ox 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 3 21 2 1 Il calore disponibile al termine dell'espansione potrebbe eccedere la quantità impiegabile nel rigeneratore. Si possono però preriscaldare i reagenti riducendone il fabbisogno.

Il rendimento del ciclo, con i parametri impiegati per il ciclo Jericha, si attesta a valori intorno al 65%.

I cicli attached: il concetto

Si definiscono cicli “attached” quelli in cui si impiegano idrogeno ed ossigeno per migliorare le prestazioni di un impianto a vapore tradizionale.

7 5 6

carbone

4 3 14 8 9 12 11 13 10 2 1 15

idrogeno

8 O 2 8’ 7

conversione idrogeno 55%

9 12 11 13 6

carbone

10 5 4 3 14 2 1 15

Sostituendo i due surriscaldamenti con uno solo, realizzato mediante l’impiego di un surriscaldatore a miscela, ed innalzando la temperatura di surriscaldamento fino ad 800 °C, si ottiene un impianto “attached”, il quale raggiunge un rendimento prossimo al 46%.