Combustibili si echipamente de injectie

Francisc Popescufrancisc.popescu@upt.ro

Suport curs: http://franciscpopescu.weebly.com

Suport curs, I-MASTER ISPA

ResurseEnergetice

Regenerabile

SOLAR EOLIANA HIDRO

BIOMASA

GEOTERMALAHIDROGEN / FUEL-CELLS

Combustibili alternativi

Puţin despre energia solara …Energia solara este energia obţinuta din radiaţia solara care ajunge la suprafaţapamantului.

Sistemele energetice solare pot fi clasificate in:

-sisteme energetice mici, utilizate la alimentarea cu energie (electrica si/saucalorica) a locuinţelor individuale, autovehicule, echipamente electronice

-sisteme energetice mari, utilizate la alimentarea cu energie (electrica si/saucalorica) a grupurilor de locuinţe sau unitati industriale

Pe măsura ce radiaţia solara trece prin atmosfera este absorbita, reflectata siimprastiata de moleculele de aer, vapori de apa, particule, poluanţi, etc. Aceasta senumeşte radiaţie difuza. Partea din radiatia solara care ajunge pe pamant fara sa fieabsorbita, reflectata si imprastiata se numeşte radiaţie directa. Suma celor doua senumeşte radiaţie globala. Condiţiile atmosferice pot reduce radiaţia globala cu pana la10% in zilele cu cer senin si uscat si cu pana la 100% in zilele noroase si cu umiditatemare.

Radiatia solara se exprima in kWh/m2 daca seutilizeaza la producerea de energie electrica si inBTU/ft2 (J/m2) daca se utilizeaza la producerea deenergie calorica

Puţin despre energia solara …Celule fotovoltaice

Celulele fotovoltaice convertesc radiatia solara in energie electrica. Se mai numesccelule solare.

Fenomenul a fost descoperit in 1839 de Edmond Becquerel, insa procesul a fost intelespe deplin abia dupa un secol. Practic, radiatia solara poate fi reflectata, absorbita saupur si simplu sa treaca prin materialul celulei, insa doar radiatia absorbita producecurent electric. Energia radiatie absorbite este transferata electronilor din atomiimaterialului celulei, un material semiconductor. Cu acest aport energetic electronii“scapa” din atom creand un camp electric (curect) intr-un circuit.

Practic, o celula fotovoltaica este formatadin doua materiale semiconductoarealaturate, unul cu abundenta de legaturilibere intre atomi (P-type) si celalalt cuabundenta de electroni (N-type).

Pentru realizarea contactelor se utilizeaza (cel mai frecvent) SnO2

In mod uzual, stratul de acoperireantireflexie se realizeaza din SiO. Otehnica moderna de acoperire este ceachimica, prin crearea de forme geometrice(piramide) pe suprafata celulei care aurolul de a capta radiatia (altfel reflectata) sia o trimite in metrialul semiconductor.

Puţin despre energia solara …

Celule fotovoltaice multijonctiunePuţin despre energia solara …

Puţin despre energia solara …Concentratoare solare:

-lineare

-parabolice

-turn

300 MW

Puţin despre hidrogen …Hidrogenul este un combustibil “curat” in utilizare deoarece, odata consumat, produselesecundare rezultate sunt apa si oxigenul.

Astzi, hydrogenul poate fi produs prin mai multe tehnici, cele mai utilizate/relevanteprocese fiind cele termice, electrolitice si fotolitice.

Procedeul termic, care poate avea trei variante:

Reformarea cu abur. Practic se utilizeaza energia termica pentru aproduce hidrogen prin separarea acestuia din hidrocarburi gen gaznatural, carbune, metanol …

Astazi ~ 95% din productia de hidrogen globala se bazeaza peproceul termic de reformare a aburului!

Gazeificarea materialului organic (carbune sau biomasa),gazul rezultat fiind utilizat apoi pentri producerea dehidrogen

Reformarea combustibililor lichizi bio-fuel. Estesimilar cu gazeificarea

Electroliza …

Electroliza este un procedeu care utilizeaza energia electrica pentru a separa oxigenul sihidrogenul din apa. Hidrogenul rezultat este pur si poate fi utilizat direct in alte aplicatii,spre exemplu producerea de hidrogen prin electroliza la un parc de eoliene … avand 0emisii de gaze cu efect de sera!

Se tinde spre producerea de hidrogen prin electroliza utilizand energie electrica produsaprin resurse regenerabile (vint) sau nucleare, pentru ca lantul tehnologic sa aiba 0 emisiide gaze cu efect de sera.In procesul de electroliză, ionii pozitivi sau cationii sunt dirijați înspre catod (pol negativ), iar ionii negativi sau anionii înspre anod (pol pozitiv) unde își pierd sarcina și se depun sau intră în reacție chimică. Specificăm că la anod există un proces de oxidare, în timp ce la catodunul de reducere

Puţin despre energia eoliana …Energia eoliană este o sursă de energie regenerabilă generată din puterea vântului.La sfârșitul anului 2006, capacitatea mondială a generatoarelor eoliene era de 73904MW, acestea producând ceva mai mult de 1% din necesarul mondial de energieelectrică.Deși încă o sursă relativ minoră de energie electrică pentru majoritatea țărilor, producțiaenergiei eoliene a crescut practic de cinci ori între 1999 și 2006, ajungându-se ca, înunele țări, ponderea energiei eoliene în consumul total de energie să fie semnificativ:Danemarca (23%), Spania (8%), Germania (6%).

Energia eoliană s-a dovedit deja a fi o soluție foarte bună la problema energeticăglobală. Utilizarea resurselor regenerabile se adresează nu numai producerii deenergie, dar prin modul particular de generare reformulează și modelul de dezvoltare,prin descentralizarea surselor. Energia eoliană în special este printre formele deenergie regenerabilă care se pretează aplicațiilor la scară redusă.

Centrale mareomotriceO centrală mareomotrică recuperează energia mareelor. În zonele cu maree, acestea sepetrec de două ori pe zi, producând ridicarea, respectiv scăderea nivelului apei. Existădouă moduri de exploatare a energiei mareelor:Centrale fără baraj, care utilizează numai energia cinetică a apei, similar cum morile devânt utilizează energia eoliană.Centrale cu baraj, care exploatează energia potențială a apei, obținută prin ridicareanivelului ca urmare a mareei.Deoarece mareea în Marea Neagră este de doar câțiva centimetri, România nu arepotențial pentru astfel de centrale.Centralele mareomotrice produc kwh la un preţ de cost de două ori mai mare decât cel obţinut în hidrocentrale.Astfel de centrale mareomotrice se afla în funcţiune în Franţa (în estuarul Rance, format de râul cu acelaşi numela vărsarea în Golful Saint Malo; capacitatea sa este de 240 MW şi a fost construită în perioada 1961-1966;proiectul "Chausey" prevede o construcţie asemănătoare în Golful Le Mont St.Michel), în Rusia (în estuarulKislaya, format de râurile Tuloma şi Kola Ia Marea Barenţ, de 400 MW; un alt proiect vizează ţărmurile Mării Albe);alte proiecte prevăd noi amenajări pe ţărmul S-E al Marii Britanii pe ţărmul Golfului Fundy, unde SUA şi Canadaintenţionează o construcţie de mari proporţii

Energia valurilor

In oprerare din 1966, prima si cea mai mare din lume, in Franta, pe un estuar

Energia ce poate fi captata prin exploatarea energiei potentiale rezultate din deplasarea pe verticala a masei de apa la diferite niveluri sau a energiei cinetice datorate curentilor de maree. Energia mareelor rezulta din fortele gravitationale ale Soarelui si Lunii, precum si ca urmare a rotatiei terestre

Puţin despre energia geotermala …Energia geotermică este o formă de energie obținută din căldura aflată în interiorulPamântului. Apa fierbinte și aburii, captați în zonele cu activitate vulcanică și tectonică,sunt utilizați pentru încălzirea locuințelor și pentru producerea electricității. Este oformă de energie regenerabilă.

Exista trei tipuri de centrale geotermale care sunt folosite laaceasta data pe glob pentru transformarea puterea apeigeotermala in electricitate: 'uscat'; 'flash' si 'binar', depinzanddupa starea fluidului: vapori sau lichid, sau dupatemperatura acestuia.Centralele 'Uscate' au fost primele tipuri de centraleconstruite, ele utilizeaza abur din izvorul geotermal.Centralele 'Flash' sunt cele mai raspandite centrale de azi.Ele folosesc apa la temperaturi de 360° F(182° C),injectand-o la presiuni inalte in echipamentul de lasuprafata.Centralele cu ciclu binar difera fata de primele doua, prinfaptul ca apa sau aburul din izvorul geotermal nu vine incontact cu turbina,respectiv generatorul electric. Apa folositaatinge temperaturi de pana la 400° F(200 °C).

Pompe de caldura

Biomasa este partea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor dinagricultură, inclusiv substanțele vegetale și animale, silvicultură și industriile conexe,precum și partea biodegradabilă a deșeurilor industriale și urbane. (Definiție cuprinsă înHotărârea nr. 1844 din 2005 privind promovarea utilizării biocarburanților și a altorcarburanți regenerabili pentru transport).Biomasa reprezintă resursa regenerabilă cea mai abundentă de pe planetă. Aceastainclude absolut toată materia organică produsă prin procesele metabolice aleorganismelor vii. Biomasa este prima formă de energie utilizată de om, odată cudescoperirea focului.

Puţin despre energia biomasa …

Forme de valorificare energetică a biomasei (biocarburanți):- Arderea directă cu generare de energie termică.- Arderea prin piroliză, cu generare de singaz (CO + H2).- Fermentarea, cu generare de biogaz (CH4) sau bioetanol (CH3-CH2-OH)- în cazulfermentării produșilor zaharați; biogazul se poate arde direct, iar bioetanolul, în amesteccu benzina, poate fi utilizat în motoarele cu combustie internă.- Transformarea chimică a biomasei de tip ulei vegetal prin tratare cu un alcool șigenerare de esteri, de exemplu metil esteri (biodiesel) și glicerol. În etapa următoare,biodieselul purificat se poate arde în motoarele diesel.- Degradarea enzimatică a biomasei cu obținere de etanol sau biodiesel. Celuloza poatefi degradată enzimatic la monomerii săi, derivați glucidici, care pot fi ulterior fermentați laetanol.

Combustibilii si formarea poluantilor

Originea si formarea poluantilor

Surse de poluare antropogenice:

-procese industriale;

-Trafic auto/naval/aerian;

-Sisteme mici/individuale de incalzire a locuintelor

Produse ale arderii complete:CO2H2O

Produse ale arderii incomplete:COparticule de cocs si funingineHC

Produse secundare ale arderii complete:NOx

Produse datorate impurităţilor din combustibil:SO2, SO3;NOx;cenuşă zburătoare

Reducere prin:Controlul arderii:constructiv;operaţional

Alegerea combustibilului şi epurarea gazelor de ardere

Poluanţi emişi

Tipul instalaţiei:sobe;centrale individuale;centrale de bloc;focare industriale;CET-uri

Combustibili:lemn;cărbune;păcură;GPL;gaz natural

Combustibil + aer- procese de ardere -

Ce au aceste surse in comun?

… ARDEREA

OHmnCOOmnHC mn 222 24+→

++

Monoxidul de carbonMonoxidul de carbon (CO) este un produsintermediar al proceselor de ardere,produsul final fiind CO2. Oxidarea COnecesită o aşa-numită temperatură deaprindere de minimum 990 K, iar pentru oardere completă un timp suficient destaţionare în zone cu temperaturi de minim990 K. Dacă temperatura de ardere estescăzută şi timpul de staţionare în flacărăinsuficient sau dacă exista zone în carelipseşte sau este prea puţin aer, o parte dinCO nu se oxidează şi este evacuat înatmosferă.

Dependenţa concentraţiei de CO, CO2, NO, HCşi particule de coef. exces de aer

Particulele

Formarea particulelor la arderea cărbunelui pulverizat

Compusi ai sulfului. SO2/SO3

Compusi ai azotului. NO/NO2/N2OMecanismul termic de formare a NO,“vinovata” fiind concentraţia atomilor de oxigen liberi în timpul şi după ardere,in special peste 1300 grd.C. (Zeldovic)

NNONO +⇔+ 2

ONOON +⇔+ 2

HNOOHN +⇔+Mecanismul prompt de formare a NO,Apare in zonele cu continut scazut de O2(Fenimore)

NHCNNCH +⇔+ 2NCNNC +⇔+ 2

HHCNHCN +⇔+ 2

OHHCNOHCN +⇔+ 2

RNOOCNHCN +→+,

R – reziduu organic

Potential de încălzire globală (GWP) pentru un interval de timp dat Gas name Simbol

Durata de viata (ani) 20-ani 100-ani 500-ani

Dioxid de carbon CO2 30-90 1 1 1 Metan CH4 12 72 25 7.6 Protoxid de azot N2O 114 289 298 153 CFC-12 CCl2F2 100 11 000 10 900 5 200 HCFC-22 CHClF2 12 5 160 1 810 549 Tetrafluormetan CF4 50 000 5 210 7 390 11 200 Hexafluormetan C2F6 10 000 8 630 12 200 18 200 Hexaluorid sulfuric SF6 3 200 16 300 22 800 32 600

Azot trifluorura NF3 740 12 300 17 200 20 700

CFC-12 a fost interzis, insa HCFC-22 a fost “programat” pentru interzecere abia in 2030.

Ciclul NO in atmosfera

Ciclul CO in atmosfera

2221 COOCO →+

HCOCOOH +→+ 2

Ciclul SOx in atmosfera

Biocombustibili lichizi.

BIOETANOL din porumbInstalatiile de producere a etanolului din porumb pot fi clasificate in doua tipuri:

-Procesare umeda (wet milling) – de capacitate mare si produc pe langa etanolmai multe produse secundare valoroase, cum ar fi siropul de glucoza, dextroza,fructoza, etc;

-Procesare uscata (dry milling) – de capacitate mica si produc exclusiv etanol.

Instalatiile de producere a etanolului din porumb sunt mari consumatoare deenergie, atat termica cat si electrica, in mare pentru a obtine ~ 1 litri etanol seconsuma ~ 2.5 kWt (termic) si ~ 0.5 kWh (electric).

S-au efectuat numeroase studii privind eficientaenergetica a producerii de etanol din porumb, uneleprezentand un randament negativ, altele un randamentpozitiv …

Un studiu recent efectuat de Argonne NationalLaboratory sugereaza ca etanolul produce cu ~ 35%mai multa energie decat este necesar pentru alproduce.

Sunggyu Lee, cap.10 - Handbook of Alternative Fuel Technology, 2007, Taylor & Francis Group

Schema tipica a proceslului de producere a etanolului din porumb

Chimia procesului

Majoritatea plantelor sunt formate in principal din biomasa linocelulozica. La randul ei, aceasta este formata in principal din celuloza, hemiceluloza (in principal xiloza) si lignin, toate bogate in zaharuri.

Practic, procesul deobtinere a etanolului dinporumb consta inextragerea zaharurilor dinceluloza si hemiceluloza,intr-o forma propicefermentarii intr-un alcool.

Privind stoichiometric, 1mol de glucoza produce 2 moli etanol si 2 moli CO2.

Schema unui fermentator Alfa-Laval

BIOMASA.

Creşterea gradului de utilizare a resurselor regenerabile la 20 % pana în 2020hotărârea CE

Biomasa – este un produs compus parţial sau în totalitatedintr-o materie vegetală agricolă sau forestieră, ce poate fi utilizatdrept combustibil cu scopul recuperării conţinutului energetic.

Ponderea resurselor energetice primare pentru EU-27

România are un potenţial energetic de biomasă ridicat,evaluat la circa 7594 mii tep/an ceea ce reprezenta aproape 19 %din consumul total de resurse primare la nivelul anului 2000.

De ce co-incinerare cu carbune? Randament de ardere: 98-99 % pentru ASFC, 95-96 %pentru ASFS; Flexibilitate ridicată în raport cu schimbarea calităţiicombustibilului, ceea ce permite menţinerea stabilităţiiprocesului de ardere; Prepararea mai sumară a combustibilului. Pentrufocarele ASFC dimensiunea maximă a particulelor poateajunge la 15-20 mm, iar pentru focarele ASFS la circa 7 mm; Emisiile poluante mai reduse în comparaţie cu celelaltetehnici de ardere (în strat sau praf în suspensie), care arfolosi acelaşi tip de combustibil.

Reducerea emisiilor de SO2 la co-incinerarea cu carbune

a) b)

c) d)

Depuneri de cenuşă apărute la incinerare / co-incinerarea) 100 % cărbune, b) 100 % rumeguş, c) 100 % paie cu conţinut scăzut de clor,

d) amestec de cărbune cu paie de grâu cu conţinut ridicat de clor

Probleme / dezavantaje

Arderea combinată a biomasei cu cărbune

Instalaţii energetice din domeniul de 50-700 MWe, 2007

Co-incinerarea directă Co-incinerare indirectă

Co-incinerare paralelă

Concepte privind organizarea arderii la co-incinerarea biomasei cu carbune

Centrala Gelderland – OlandaPrima aplicaţie practică la nivel industrial pentru a

demonstra co-incinerarea directă a biomasei într-o instalaţie marede ardere, cu rezultate experimentale importante.

- 10 t/h deşeu lemnos co-incinerat.

- 60.000 tone de deşeuri din lemn/an.

- 45.000 tone de cărbune/an.

- 4.000 tone de cenuşă/an.

Puterea electrică generată din co-incinerarea lemnului, deaproximativ 20 MWe, a reprezentat un punct de referinţă pentruviitoarele proiecte privind co-incinerarea (la nivelul anului 1995).

Sursa: EU ENERGY POLICY DATA Brussels, 10.01.2007 SEC(2007) 12

Date referitoare la tehnologiile disponibile pentru producţia de energie electrică

Sursa: “The energy sector in Romania. Present and future”, A. Sandulescu, Director general – Departamentul Energiei, Ministerul Economiei, 2011

Sursa: “The energy sector in Romania. Present and future”, A. Sandulescu, Director general – Departamentul Energiei, Ministerul Economiei, 2011

Previziune instalatii noi.

Bubbling fluidized bed (BFB) combustion

SISTEME DE INJECTIE.Common Rail

Avantaje Common Rail:- Combustibilul este intotdeauna disponibil, la

presiunea necesara injectiei;- Presiune mai mare de injectie si implicit atomizare mai

buna a dozei injectate- Presiunea de injectie este creata independent de

turatia motorului- Sunt posibile injectii multiple pe cilindru- Reducerea emisiilor, in special NOx si particule- Reducerea zgomotului- Scaderea consumului de combustibil- Cresterea performantelor motorului (kW/l)

Secventa injectiei este, in general separate in 3 faze distincte: pre-injectie, injectie si post injectie.

Pre-injectia are rolul de controla arderea in faza de injectie principal, in special de a asigura o temperature de ardere controlata (nu brusca) in vederea reducerii emisiilor de NOx.

O scurta faza de post-injectie are rolul de a reduce emisiile de particule, prin oxidarea complete a acestora.

pinj – presiunea de injectiepcil – presiunea din cilindrupc – densitatea combustibiluluiCd – coeficientul de descarcare (orificiu duza)

V – volumul dozei injectateD – diametrul orificiului duzeiθ – timpul de injectie (unghi arbore cotit)N – turatia (rpm/2 pentru 4 timpi – rpm pentru 2 timpi)Ni – nr. injectii pe minut

Componentele sistemului Common Rail

Pompa de inalta presiune

Accumulatorul (de presiune)COMMON RAILPresiune motorina:~ 300 – 400 bar la ralanti~ 2000 bar presiune maxima

Supapa control presiune in rampa

Senzor presiune

Controlul presiunii in rampa se poate face cu supapa cu solenoid – comandata de ECU (stanga) sau cu supapa mecanica (dreapta)

Injector cu rezervor de combustibil – asigura lipsa fluctuatiilor de presiune in sistemul common rail

Referinte:1. Roger Busch, Advanced Diesel Common Rail Injection System for Future Emission

Legislation, Common Rail System Engineering for PC Diesel Systems, Robert Bosch GmbH,10th Diesel Emission Reduction Conference

2. ***, DELPHI, The advanced diesel engine technology and Fuel Injection System technology,6th to 7th January 2011, CICEA conference Beijing January 2011

3. Ujjwal K Saha, Internal combustion engines. Fuel injection systems, Department ofMechanical Engineering, Indian Institute of Technology Guwahati, QIP-CD Project

4. Tony Kitchen, A technical overview of common rail fuel systems, AK Training resources, UK