Disertatie 2013

7/28/2019 Disertatie 2013

1/90

1

LUCRARE DE DISERTAIE

Autor: student .........

Coordonatortiinific: ......

BRAOV

2013

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV

FACULTATEA DE INGINERIE MECANICA

MASTER AUTOMOBILUL I TEHNOLOGIILE VIITORULUI


2/90

2

Studii i cercetrii privind utilizarea

hidrogenului la alimentarea grupului moto

propulsor al autovehiculelor

Autor: student ......

Coordonatortiinific: ......

BRAOV2013

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV

FACULTATEA DE INGINERIE MECANICA

MASTER AUTOMOBILUL I TEHNOLOGIILE VIITORULUI


3/90

3

Cuprins

Hidrogenul ....................................................................................................................................... 51. Introducere : Biocombustibili pentru motoare cu aprindere prin scnteie ............................ 51.1 De ce hidrogenul? ................................................................................................................. 81.2 Avantajul hidrogenului ca i purttor de energie .................................................................. 81.3 Utilizarea hidrogenului ......................................................................................................... 82 Tehnologii de obinere a hidrogenului.................................................................................. 92.1 Reformarea catalitic cu vapori de ap ............................................................................... 102.2 Oxidarea partial ................................................................................................................. 112.3 Reformarea autoterm......................................................................................................... 112.4 Gazeificarea biomasei, carbune sau deeuri ....................................................................... 112.5 Electroliza apei.................................................................................................................... 122.6 Energia nuclear.................................................................................................................. 122.6.1 Electroliza n aburi la temperaturi nale (High-Temperature Electrolysis of Steam) ..... 132.6.2 Producerea hidrogenului n reactoare termice cu temperatur foarte nalt................... 133 Tehnologii de stocare a hidrogenului .................................................................................. 193.1 Stocarea hidrogenului n stare comprimat......................................................................... 213.2 Stocarea hidrogenului n stare lichefiat............................................................................. 213.3 Stocarea hidrogenului n hidruri metalice ........................................................................... 233.4 Stocarea hidrogenului n materiale ce au la baz carbonul................................................. 264 Folosirea hidrogenului la motoarele cu ardere intern .................................................... 264.1 BMW Hidrogen Seria 7 ...................................................................................................... 284.2 Mazda RX-8 Renesis Hibrid ............................................................................................... 305 Teste ale unor vehicule ce funcioneaz pe hidrogen ........................................................ 335.1 Dodge RAM Wagon Van 15% Hidrogen i 85% CNG [30] ............................................. 335.2 FORD F-150 cu 30% Hidrogen & Compressed Natural Gas [31] ..................................... 365.3 FORD F-150 cu 50% Hydroge & Compressed Natural Gas [35] ...................................... 455.4 FORD F-150 cu 100% Hidroge, cu 4 supape pe cilindru ................................................... 485.6 FORD F-150 cu 100% Hydroge, cu 2 supape pe cilindru .................................................. 515.7 Comparaie ntre motorul cu 4 i 2 supape pe cilindru ....................................................... 515.8 Mercedes Sprinter 100% Hidrogen ..................................................................................... 526 Arderea hidrogenuluin motoarele cu ardere intern ..................................................... 536.1 Arderea anormal................................................................................................................ 536.2 Controlul sarcinii ................................................................................................................ 536.3 MAS alimentat numai cu hidrogen ..................................................................................... 546.4 Alimentarea cu hidrogen la motoarele cu aprindere prin scnteie ..................................... 576.4.1 Injecie direct................................................................................................................. 61


4/90

4

6.4.2 Injecia in poarta supapei................................................................................................. 656.4.3 Injecia criogenic n poarta supapei............................................................................... 656.5 Puterea................................................................................................................................. 687 Utilizarea hidrogenului n sisteme de propulsive alternative. Pila de combustie ........... 687.1 Structura de baza a pilei de combustie ................................................................................ 687.2 Clasificarea pilelor de combustie ....................................................................................... 697.2.1 PEMFC (Polymer electrolyte fuel cell) -pile de combustie cu membran schimbtore de

protoni 707.2.2 AFC (Alkaline fuel cell)pile de combustie alcaline .................................................... 737.2.2.1 Tipuri de pile alcaline .................................................................................................. 757.2.3 PAFC (Phosphoric acid fuel cell)celule de combustie cu acid fosforic ...................... 767.2.4 MCFC (Molten carbonate fuel cell)celule de combustie cu carbonat topit ................ 777.2.4.1 Componentele unei pile de combustie cu carbonat topit ............................................. 787.2.5 SOFC (Solid oxide fuel cell)celule de combustie pe baza de oxizi solizi................... 807.2.5.1 Componentele unei pile de combustie pe baza de oxizi solizi(SOFC) ........................ 817.2.5.1.1 Modaliti de stivuire i design pentru pilele SOFC.................................................... 838 CONCLUZII ......................................................................................................................... 89Bibliografie ....................................................................................Error! Bookmark not defined.


5/90

5

Hidrogenul

1. Introducere : Biocombustibili pentru motoare cu aprindere prin scnteieBiocombustibilii sunt carburani produsi din surse bioregenerabile provenite din natura,care n urma arderii n motor produc mai puine emisii poluante care s afecteze mediul

nconjurtor. Unii biocombustibili pot fi folosii i n amestec cu combustibilii fosili, prin acestlucru urmrindu-se diminuarea ct mai mult posibil a emisiilor

n continuare voi prezenta cteva tipuri de biocombustibili (Biocarburant, 2013),(STNESCU, 2012):

Bio-etanol: etanol extras din biomas i/sau din partea biodegradabil a deeurilor.Bioetanolul este fabricat din gru, sfecl de zahr i sorg dulce i este adugat de obiceica nlocuitor al benzinei sau adugat ca aditiv. Aproape jumtate din producia mondialde etanol se obine din materie prim cu coninut ridicat de zahr, urmeaz apoi culturileamidonoase, n special porumbul i grul. Celuloza poate fi i ea convertit n etanol, pe

lng zahr i amidon. Dar procesul de conversie a biomasei celulozice n etanol estemult mai complicat fa de fermentarea zahrului sau conversia amidonului. Materialelecelulozice sunt alctuite din celuloz, semiceluloz i lignin, de aceea se numescmateriale lignocelulozice. Pentru a putea fi fermentate i convertite n etanol, materialelelignocelulozice trebuiesc mai nti transformate n zahr cu C5 (semiceluloz) i C6(celuloz) legturi de carbon. Astfel pentru a accesa zahrul fermentabil din materia

prim lignocelulozic, procedeu foarte dificil i costisitor, este nevoie de un pretratamentcu acid, abur presurizat, enzime speciale sau o combinaie a acestora. Ca i combustibil

pentru motoare, etanolul se gsete n diferite forme n lume, n amestec cu benzina, caaditiv al acesteia n concentraii de 5-10% din masa total a amestecului. Amestecurile E5

i E10 (5% i respectiv 10% etanol n amestec) sunt deja comerciale n toat lumea,prezentnd pn n prezent o bun compatibilitate cu motoarele existente cu aprindereprin scnteie. Proprietile etanolului ca i combustibil pentru motoare cu aprindere prinscnteie sunt prezentate n Tabelul 1

Tabelul 1 Proprietile fzico-chimice ale bio-etanoluluiProprietate Etanol BenzinFormul chimic CH3CH2OH C7H16Mas molar. g/mol 46,07 100,2Compoziie chimic

C 52,2 85-88H 13,1 12-150 34,7 0Densitate, 20C. kg/m3 792 790Viscozitate. 20C, m2/s 1,52x10- 0,4-0,6 X10-

Punct de fierbere, C 78.4 27-225Presiune de vapori., MPa 0,016 0,05-0,1Limit de inflamabilitate,20C, %vol 3,3-19 1,4-7,6Raport stoechiometric aer/combustibil 9 14,5-14,7Punct de inflamabilitate C 12 -42Temperatur de autoaprindere. C 423 280-456Entalpia de vaporizare, kJ / kg 910 330-400Putere caloric inferioar. MJ / k g 26,9 42-44


6/90

6

Cifr octanic (Research) 108 90-100Coninutul mare de oxigen al etanolului scade raportul stoechiometric aer/combustibilrelativ la benzin, proporional cu diferena de putere caloric inferioar. Cifra octanicridicat inseamn c etanolul are suficient octan pentru a permite motoarelor sfuncioneze cu raport de comprimare mare, beneficiind astfel de putere i eficien

mbuntit, acest lucru determinnd i o scdere a emisiilorde dioxid de carbon (CO2)dei se folosete mai mult etanol/combustibil. Totui un dezavantaj al mririi raportuluide comprimare este creterea emisiilor de oxizi de azot (NOx) datorit vrfurilortemperaturilor de ardere mai ridicate.

biogaz: Metanul (CH4) este considerat un gaz cu efect de ser, cu efecte mult maiputernice dect dioxidul de carbon (CO2) n blocarea cldurii n atmosfer . Biogazul,cunoscut ca fermentare anaerob, este produs prin descompunerea materiei organice cuajutorul bacteriilor metanogenice n absena oxigenului. Produsul final este o combinaiede gaze: CH4, CO2, H2, N2, O2, H2S i vapori de ap. Cel mai abundent gaz din acest

ameste este metanul (CH4) n proporie de 40-75%, urmat de dioxidul de carbon (CO2)cu 25-55%. Celelalte gaze se gsesc n cantiti mici, de aproximativ 2%. Conversiabiomasei n gaz poate ajunge pn la 35%, depinznd foarte mult de materia prim .Decibiogazul este un combustibil gazos rezultat din biomas i/sau din partea biodegradabil adeeurilorcare poate fi purificat la calitatea gazului pur.

biometanol: dimetilester extras din biomas. Biometanolul poate fi fabricat din lemn sauresturi de lemn i din reziduuri agricole.

biodimetileter: dimetilester extras din biomas, bio-ETBE(etil ter butil ester): pe baz de bioetanol, bio-MTBE(metil ter butil eter): pe baz de biometanol, biocarburani sintetici: hidrocarburi sintatice sau amestecuri de hidrocarburi sintetice care

au fost extrase din biomas. biohidrogen: n momentul de fa hidrogenul este produs n principal prin reformarea cu

aburi a gazului natural, dei el poate fi produs din aproape orice surs care coninehidrogen n structur. Hidrogenul poate fi obinut i prin electroliza apei. Aceast cale de

producie este cea dorit din perspectiva calitii aerului i a modificrilor climatice dacelectricitatea necesar procesului provine din surse care nu folosesc combustibili fosili,

precum hidroenergia, energia eolian i cea nuclear. Totui, costurile pentru producereahidrogenului prin electroliz sunt ridicate. Alte ci de producere a hidrogenului prinintermediul apei sunt:- Disocierea apei pe cale termo-chimic: substane chimice precum bromul i iodul

sunt folosite n conjuncie cu cldura pentru a disocia molecula de ap n mai mulipai;- Fotoliza: molecula de ap este spart de lumina soarelui n prezena unui calaizator;- Disocierea apei pe cale biologic sau foto-biologic: organisme care dezvolt sau

eman hidrogen n procesul de cretere;- Disocierea apei pe cale termic: moleculele de ap sunt sparte folosind temperaturi

foarte nalte (pn la 3000 C).Hidrogenul este singurul combustibil alternativ care nu conine carbon sau oxigen nstructur. Este cel mai uor combustibil, cu o mas molecular de 2,02 g/mol. Hidrogenul

poate fi utilizat n motoarele cu aprindere prin scnteie i n pilele de combustibil. Acestaare o cifr octanic foarte mare i se aprinde n amestecul aer-combustibil de la srac la

amestec bogat. Aceste caracteristici conduc la o eficien a motorului foarte ridicat,deoarece hidrogenul nu are nevoie de o mbogire a combustibilului i poate funciona n


7/90

7

motoare cu amestec srac cu raport de comprimare mai mare dect pentru motoarele pebenzin. Pentru a obine aceeai putere totui, este nevoie de un debit volumetric maimare al amestecului aer-combustibil, un dezavantaj pe care l reduce injecia direct ncamera de ardere. Hidrogenul poate fi injectat ca gaz sau lichid la presiune ridicat.Presiune ridicat pune probleme, iar injecia lichid solicit pompa de injecie deoare

trebuie s opereze combustibilul la temperaturi foarte sczute (-253 C) . (STNESCU,2012)Hidrogenul ofera o putere calorica masic de 121.126 kJ/kg, deci de 2,8 ori mai maredect a benzinei. Energia de ardere este de 15 ori mai redus, iar viteza maxim de

propagare a flacrii este de 8 ori mai mare, iar vaporii de hidrogen nu sunt toxici (DAN &DAN, 2002)n Tabelul 2 am prezentat principalele proprieti fizico-chimice ale hidrogenul ca icombustibil pentru automobile.

Tabelul 2Propritile fizico-chimice ale hidrogenului (STNESCU, 2012)

Proprietate Hidrogen Benzin Motorin Formula chimica H2 C7H16 C14H3CMas molar, g/moi 46.07 100-105 170Compoziie chimic C 0 85-88 86H 100 12-15 140 0 0-4 0Densitate (lichid), kg /m3 39 790 829Putere caloric inferioar.

MJ/kg

119,93 30-33 42,5

Entalpia de vaporizare 20CkJ/kg

448 349 300

Temperatura de autoaprindere.C

535 230-480 250

Punct de fierbere, presiuneatm., C

-252,8 27-225 177-370

Punct de inflamabilitate, C -253 -43 62Punct de topire, C - 259.2Cifr octanic + 130 87 30Raport stochiometric

aer/combustibil34,3 14,7 14,6


8/90

8

1.1 De ce hidrogenul?Hidrogenul este combustibilul pentru totdeauna (Joette Sonnenberg, 2011)

Rezervele de petrol ncep s scad iar preurile ncep s creasc subtil fr a le puteacontrola

Biogazul, incluznd etanolul, nu poate ntmpina creterea cererii transportriicombustibilului

NU este poluant !!! Hidrogenul este considerat combustibilul de viitor pentru motoarele cu ardere intern

destinate mijloacelor de transport auto deoarece rezervele de hidrogen n natur suntpractic inepuizabile. n oceanul planetar hidrogenul i deuteriul reprezint 1,2*1017 irespectiv 2*1013t. Un singur km3de ap din ocean conine 1,13*108 t de H2, echivalentul

energetic al ntregii producii a rii din Golful Persic. Foarte important este si puritateaecologic absolut a H2 deoarece prin ardere n O2sau n aer, el se transform integral nap i un procent foarte sczut de oxizi nocivi (la arderea n aer)

n favoarea hidrogenului pledeaz i faptul c motoareleactuale pe benzin sau motorinpot fi adaptate uor pentru a funciona cu acest nou combustibil stocat pe automobil subform de gaz , lichid sau hidrur (compus, intermetalic de tipul FeTi, LaNi5 .a.)

Hidrogenul are abilitatea s fac societatea independent din punct de vedere energetic

1.2 Avantajul hidrogenului ca i purttor de energie Inepuizabil poate fi extras din ap

Apa este foarte mult raspandit n natur, n toate trei strile de agregare, sub form degaz sau vapori de ap - ceat, aburi i nori - n atmosfer, sub form lichid n ruri,mlatini, lacuri, mri sau oceane i sub form solid sau ghea. Ea acoper mai mult de70% din suprafaa pmntului att lichid ct i solid fiind necesar vieii de pe pamanti constituie o mare parte a lucrurilor vii.

Curat singura emisie de la hirogen este cldura i apa Valabil pentru toate rile se poate produce cu sursele proprii de energie ale fiecrei

regiuni de pe pmnt Puterea caloric masic de 28630 kcal/kg, adic de 2,8 ori mai mare dect a benzinei; Energia de ardere de 15 ori mai redus

Viteza maxim de propagare a flcrii este de 8 ori mai mare dect la combustibiliihidrocarbonici Vaporii de hidrogen NU sunt toxici !!! Hidrogenul poate fi utilizat i n procese industriale (sudare, metalurgie, etc.) ca nlocuitor

al acetilenei i cocsului metalurgic. (Joette Sonnenberg, 2011)

1.3 Utilizarea hidrogenuluiHidrogenul poate fi stocat pentru a fi utilizat ulterior n urmatoarele moduri (Cofaru, 2007):

comprimat n butelii, procedeu dezavantajos datorit restriciilor privind volumul ipresiunea de ncrcare, care penalizeaz drastic ncrctura util a autovehicului;

n stare lichid; hidrogenul lichid poate fi stocat numai la temperatura de-253C, ceea ce impune folosirea unor rezervoare criogenice.


9/90

9

n hidruri metalice: hidrurile metalice sunt compui chimici solizi ntre hidrogn i unmetal (Fe, Ni, Cu, Mn, La, Ti, Zn, V, Pa) sau aliajele acestuia.

Absoria hidrogenului n metal are loc printr-o reacie exoterm, iar desorbia printr-o reacieendoterm.Hidrogenul prezinta o viteza ridicat de difuzie comparabil cu benzina (de 7-8 orimai mare). Aceast caracteristic favorizeaz formarea amestecului la turaiile ridicate de

funcionare ale motorului. (BIOCOMBUSTIBILUL CA SURS ALTERNATIV DEENERGIE, 2008), (Cofaru, 2007)

Amestecurile de hidrogen-aer au limite de aprindere foarte largi i se caracterizeaz prinviteze ridicate de ardere. O alta caracteristic a utilizrii hidrogenului drept combustibil estetendina arderii cu detonaie. Amestecurile hidrogen-aer se aprind uor prin contat cu suprafeelecalde ale motorului sau gazele firbini. (Cofaru, 2007)

Utilizarea hidrogenului impune luarea unor msuri constructive i de reglaj al motoruluipentru a se evita (Cofaru, 2007):

propagarea invers a flcrii tendina arderii rapide tendina de ardere anormal pericolul de explozieDin punct de vedere al emisiilor poluante, motorul cu ardere intern alimentat cu hidrogen

poate fi considerat un motor relativ curat. Emisiile de hidrocarburi i oxid de carbon sunt extremde mici, ele avndu-i originea n arderea incomplet a uleiului care ajunge n camera de ardere.Cantitile de oxizi de azot, care se formeaza n camera de ardere a motorului alimentat cuhidrogen, sunt importante datorita desfurrii arderii cu temperaturi ridicate ale flacrii.Reducera ratei de formare a oxizilor n camera de aredere se poate realiza prin utilizarea unoramestecuri hidrogen-aer srace i prin recircularea unei pri din gazele de evacuare. Pot fialimetate cu hidrogen att motoare cu aprindere prin scnteie, ct i motoarele cu aprindere princomprimare. (Cofaru, 2007)

2 Tehnologii de obinere a hidrogenuluiHidrogenul nu se gseste n stare pur, astfel el va trebui extras din acele substane cu

care este combinat. Astfel l gasim n : ap, hidrocarburi, biomas. Procedeele prin carehidrogenul poate fi extras sunt urmtoarele: termic, chimic i biologic. (Said Al-Hallaj)


10/90

10

2.1 Reformarea catalitic cu vapori de apAcest procedeu folosete un amestec de hidrocarburi i

monoxid de carbon (i anume metanul). Procesul are loc n 4 etape: (1)hidrogenul sulfurat i alti compui sunt eliminai pentru a preveniotrvirea catalizatorului; (2) pre-reformarea este folosit cu scopul de a

proteja mpotriva formrii carbonului n timpul principalului proces de

reformare i de a reduce cantitatea de abur necesar; (3) reformareaprimar care are loc n prezena unui catalizator pe baz de nichel la otemperatur de 700-830C; (4) reformarea secundar are loc la otemperature de 1300C transformnd metanul ramas n gazul de sintez.(Said Al-Hallaj)

Figura 2Proces termochimic de producer a hidrogenului (Ogden)

Figura 1 Producia de hidrogen i utilizarea acestuia (Gupta)


11/90

11

2.2 Oxidarea partialAcest reacie este una exoterm, catalizatorul nu mai este necesar datorita temperaturii

ridicate iar ca materie prim se poate folosii ulei rezidual greu sau crbunele. Acesta este supusoxidarii pentru a produce monoxid de carbon i hidrogen aa cum se poate vedea n relaia de mai

jos:CH4 + 1/2O2CO + 2H2

Astfel pentru fiecare mol de metan se produc dou molecule de hidrogen. (Said Al-Hallaj)

2.3 Reformarea autotermReprezint o combinaie ntre reformareacatalitic cu vapori de ap i oxidarea

parial (procese prezentate mai sus).nfigura 3 am prezentat schematic acestproces.

Figura 3Reactor reformare autoterm (Gupta)1- reformator autotermic; 2- sursa de incalzire; 3- camera de ardere; 4- catalizatorul; 5- boiler

2.4 Gazeificarea biomasei, carbune sau deeurin acest soluie, hidrocarburile din biomas (resturi de plante, lemne), crbune sau

deseuri sunt gazeificate la temperaturi nalte rezultnd astfel gazul de sintez, care apoi esteprocesat pentru a crete fraciunile de hidrogen i a le purifica (RE., 1993) (JS, 1995) (WilliamsRH, 1995)

Figura 4Proces termochimic pentru producerea hidronenului (Ogden)


12/90

12

2.5 Electroliza apeiEste o metod chimic de obiner a hidrogenului.

Prin electroliz, apa este descompus n hidrogen i oxigenla trecerea unui curent electric prin ap aa cum am

prezentat n schema de mai jos (figura 5):

Se poate folosi orice sursa de energie electric, inclusiv celeregenerabile (solar, eolian, hidroelectric) aa cum se

poate vedea n figura 6.

Figura 6Producerea hidrogenului din energie curat, energie regenerabil(Harper)

2.6 Energia nuclearProducia de hidrogen din ap folosind energia nuclear reprezint una din strategiile cele

mai atractive cu emisii zero. Recent a aparut un interes foarte mare n producia de hidrogenfolosind cldura la o temperatur nalt a gazului din reactor (High-Temperature Gas-CooledReactor - HTGR) cunoscut i sub numele de Very High-Temperature Reactor (VHTR). HTGReste o variant foarte atractiv deoarece are capacitatea de a produce energie nuclear latemperaturi nalte ideale pentru producerea hidrogenului n condiii de siguran. (Gupta)

Figura 5 Schema instalaie de electroliz a apei

(Electrolysis of Water - An Explanation)


13/90

13

2.6.1Electroliza n aburi la temperaturi nale (High-TemperatureElectrolysis of Steam)

Acest proces este unul reversibil aa cum se poate vedea n figura 7.

Figura 7Electroliza la temperatur nalt a aburului (Gupta)

Aburul (H2O) este descompus n hidrogen (H2) ce apare la suprafaa catodului : H2O(g) + 2e

H2(g) + O2, n timp ce ionii de oxigen migraz simultan prin electrolit. Moleculele de oxigen

(O2), se formeaz pe suprafaa anodului cu o eliberare de electroni : O2 1/2O2(g) + 2

e.Hidrogenul i oxigenul se vor capta separat, iar reacia chimic la nivelul celor doi electrozi poatefi axprimat astfel:

H2O(g) H2 (g) +1/ 2O2(g)

2.6.2Producerea hidrogenului n reactoare termice cu temperaturfoarte naltTemperatura de funcionare n aceste reactoare este de aproximativ 950C, cu o eficien

de producere a energiei electrice de 50 %, fata de cele cu ap uoar care au o eficien de 34 %.(Gupta)


14/90

14

Figura 8Reactor termic cu temperatur nalt din Japonia dezvoltat de JAEA (Gupta)

Figura 9Reactor GTHR300 de producere a electricitiii hidrogenului (Gupta)


15/90


16/90

16

Figura 11Variaia produciei de hidrogen n paralel cu producia de electricitate (Gupta)

Reactorul

Combustibilul din reactor este sub form de sfere ceramice ce conin particule slabmbogite cu dioxid de uraniu(UO2) aa cum este prezentat n figura 12. Aceste particule asigurizolarea incendiilor pentru o fuziune la o temperatur de

Figura 12Prismatic block fuel element for the HTTR(Gupta)

1600 C sau mai mare. Particulele sunt dispersate ntr-o matrice de grafit, care ulterior estesupus sinterizarii pentru a forma un combustibil compact. Apoi sunt introduce n nite tije,folosite pentru ntroducera n blocul de grafit. Lichidul ce asigur rcirea, curge n spatiul inelar

prevzut n jurul suprafeei exterioare a tijei de combustibil. Miezul activ msoar 2,9 m nnalime i 2,3 m n diametru, conine 30 de coloane de combustibil, fiecare coninnd un grup decinci blocuri mari de combustibil i apte coloane de control suplimentare de ghidare a barelor.Miezul este cptuit de un vas de oel rezistent la presiune. (Gupta)

Schimbtorul de cldur intermediar (IHX)


17/90

17

Acest schimbtor de cldur va genera pierderi gazodinamice. Cea mai bun metod ncare pierderile gazodinamice sunt minime este introducerea unui tub elicoidal n interiorulschimbtorului de cldur aa cum se poate vedea n figura 13. Aceste tuburi elicoidale suntrealizate dintr-un material numit Hastelloy-XR (Aliaj rezistent la temperaturi ridicate, adaptateunui transfer mare de cldur) dezvoltat de firma JAEA (Japan Atomic Energy Agency). (Gupta)

Figura 13 Schimbtor de cldur (IHX) la temperaturi nalte (Gupta)

Integrarea i siguranafabricrii hidrogenului


18/90


19/90

19

Figura 15Planurile firmei JAEA pentru producia de hidrogen cu ajutorul energiei nucleareprin VHTR (Very High-Temperature Reactor) (Gupta)

3 Tehnologii de stocare a hidrogenuluiStocarea hidrogenului reprezint un element foarte important n dezvoltarea icomercializarea hidrogenului i a tehnologiei pilelor de combustibil pentru transport i aplicaiile

staionare.n acest capitol, voi prezenta diferitele tehnologii de stocare a hidrogenului disponibile n

prezent dari unele care sunt n curs de cercetare, cum ar fi: mbutelierea hidrogenului gazos sub presiune

pstrarea hidrogenului lichid la o temperatur de 21,2 K (-251.95C) ntr-o instalaiecriogenic

pstrarea n compui intermetalici (hidruri metalice) pstrarea n compui chimici

Diferena dintre volumul ocupat de hidrogen n stare lichid sau gazoas se poate apreciaprin raportul de expansiune. Raportul de expansiune este raportul dintre volumul la care un gazsau lichid este stocat n comparaie cu volumul de gaz sau lichid. Atunci cnd hidrogenul estestocat n stare lichid i este expus la condiii atmosferice normale, acesta vaporizeaz i imarete volumul. Acest raport este de 1:848. Atunci cnd hidrogenul este stocat n stare gazoasla o presiune de 3600 PSI (248 bar), i apoi expus la condiii normale de presiune i temperaturacesta va avea un raport de expansiune de 1:240.


20/90

20

Moleculele de hidrogen sunt mult mai mici dect alte gaze, ceea ce le face s difuzeze prin multemateriale considerate etanse sau impermeabile pentru alte gaze.

Figura 1Raport expansiune hidrogen lichid n hidrogen gazos (HYDROGEN PROPERTIES,2001)

n figura 2am ilustrat ase metode de baz pentru stocarea hidrogenului.

Figura 2Cele ase metode de baz pentru stocarea hidrogenului (Andreas Zuttel)


21/90

21

3.1 Stocarea hidrogenului n stare comprimatAceast variant de stocare are metode bine puse la punct, este cea mai simpl variant

care necesit doar un compresor i un rezervor unde va fi stocat hidrogenul sub presiune.Rezervoarele sunt din oel, aluminiu invelit n fibr de sticl i material compozit (carbon).Cisternele din oel sunt foarte grele i voluminoase , din aceast cauz ele se vor folosii doar naplicaiile staionare unde greutatea i volumul nu reprezint o problem. Celelale dou variantede stocare (aluminiu i fibre de carbon) sunt utilizate atunci cnd greutatea i volumul au oimortan deosebit asupra sistemului n care sunt integrate, cum ar fi aplicaiile pentru vehicule.Quantum Technologies a dezvoltat recent un rezervor de hidrogen de nalt presiune i anume800 bar (TriShieldTM). nveliul interior al acestui recipient este fabricat dintr-un polimer cugreutate molecular mare, pentru a forma o barier de permeabilitate a gazului, n timp cenveliul exterior este din oel sau un material de aramid, pentru a preveni rezervorul de dauneexterne iar ntre cele dou straturi se afl fibra de carbon. Fibra de carbon reprezint cea maimare parte a tuturor costurilor i deci obiectivul este de a reduce cantitatea de fibre de carbonnecesar meninnd astfel performanele i siguran (Said Al-Hallaj) (figura 3)

Figura 3Rezervor de hidrogen de nalt presiune dezvoltat de firma Quantum (J, 2006)

3.2 Stocarea hidrogenului n stare lichefiatHidrogenul lichid (LH2) este stocat n rezervoare criogenice la o temperatur de 21.2K

(-251.95C) la presiune ambiental. Lichefierea hidrogenului se poate face prin rcireahidrogenului aflat n stare gazoas, pentru al transforma ntr-un lichid. Cel mai simplu proces de

lichefiere este ciclul Joule-Thompson prezentat n figura 4. (Said Al-Hallaj)


22/90

22

Figura 4 Schema bloc lichefiere (Process Design of Turboexpander Based Nitrogen

Liquefier, 2010)

Procesul de lichefiere are loc dupa urmatoarele faze : Gazul este comprimat la presiunea ambiental

Racit ntr-un schimbtor de cldur

Trecut printr-o valv (orificiu ingust), transformndu-se n lichid (isenthalpic process)

Lichidul este stocat ntr-un vas iar gazele rcite sunt recuperate i trecute prinschimbtorul de cldur apoi reintroduse n compresor

Figura 5Ciclu Linde (Joule-Thompson) (florida, 2011)

Prin acest proces de lichefiere a hidrogenului avem un consum de ~ 15.2 kWh/kg, ceea cereprezint jumatate din puterea calorific inferioar a hidrogenului . Odata lichefiat, hidrogenultrebuie depozitat ntr-un rezervor bine izolat. Preocuparea cea mai mare a fost aceea de aminimalize pierderile de hidrogen, care n contact cu mediul ambiant ncepe s fiarb i s sedegaje. Transferul de cldur dintre mediul ambient i hidrogenul aflat n stare lichid, determinca hidrogenul s se evapore. O soluie pentru a prevenii aceste pierderi ar fi ca rezervorul s

poat fi refrigerat, dar ar fi prea costisitoare i consumatoare de energie. Pierderile sunt n generalde 0.4% pe zi pentru un rezervor de 50 m3 cu pereti dubli i vidat. (Said Al-Hallaj)


23/90

23

Aceast solutie este una destul de costisitoare datorit energiei foarte mari necesare lichefieriii limitrii pierderilor din rezervor. O soluie a acestui tip de rezervor am prezentat-o mai jos nfigura 6 i aparine firmei Linde.

Figura 6 Rezervor hidrogen lichid LINDE(HFCIT Hydrogen Storage: Gaseous and LiquidHydrogen Storage., 2007)

3.3 Stocarea hidrogenului n hidruri metaliceStocarea hidrogenului n hidruri metalice se face prin legturi chimice ntre hidrogen i

elementele metalice i aliaje. Hidrurile elibereaz cldur atunci cnd sunt ncrcate cu hidrogen

sub presiune i absorb cldura pentru a elibera hidrogenul. Peste 50 de elmente din sistemulperiodic pot absorbi hidrogenul n cantitti destul de mari, astfel posibilitatile de a alegemateriale hidride sunt enorme. Dar,cu toate acestea numai o parte din ele sunt potrivite pentrustocarea hidrogenului la temperaturi i presiuni moderate.

Intervalul de temperatur trebuie s fie cuprins ntre 10-100C, i anume n timpulncrcri nu trebuie s depeasc 100C, iar n timpul descrcrii trebuie s aib peste 10C.Datorit necesitii utilizarii unor presiuni de ncarcare moderate i presiuni de descrcarecorespunzatoare, alegera elementelor hidride compatibile se restrnge drastic. Pentru a puteaadapta aceste metale hidride, la cerinele ce trebuie ndeplinte, ele se vor alia. Aceste aliaje suntclasificate ca: AB5 (LaNi5), AB (FeTi), A2B (Mg2Ni) i AB2 (ZrV2). n tabelul 1 am prezentatcateva aspect legate de energia coninut de diferite tipuri de hidruri metalice la descrcare.(Gupta)Tabel 1

Material Hidrura Capacitat H2(wt%)

Densitatea energiei(kj/kg hidrura)

Entalpia (kj/mol H2)

AB5 LaNi5 LaNi5H6 1.3 1850 30.1AB FeTi TiFeH1.95 1.7 2560 28.1AB2 ZrMn2 ZrMn2H4 1.7 2419 53.2A2B Mg2Ni Mg2NiH4 7.0 10000 64.5

Metal Mg MgH2 7.7 11000 74.2Rehidrogenarea este un aspect mai important dect dehidrogenzarea, astfel timpul de

rehidrogenare (timpul petrecut la statia de alimentare) trebuie sa fie < 5 min. O compara ie ntre


24/90

24

diferite tipuri de hidruri metalice utilizate pentru stocarea hidrogenului este dat n figura 7.(Gupta)

Figura 7 Comparaie ntre diferite tipuri de hidruri metalice, utilizate pentru stocareahidrogenului, petroli alte hidrocarburi (Gupta)

Acest tip de rezervor se preteaz att pentru motoarele cu ardere intern ct i pentrupilele de combustie. O pil de combustie ofer o eficient a energiei de 2,5 ori mai mare dect ncazul motoarelor cu ardere interni, n general, necesit o hidrur cu o capacitate gravimetricde cel putin 9,1 wt% (% din greutate) i o autonomie de 500 Km. Astfel se vor folosi doar hidruricare au aceast capacitate de stocare a hidrogenului. Eficiena energetic a unui motor cu ardereintern este aproximativ de 25%, n comparaie cu pilele de combustie i un motor electric decurent continuu care are o eficien de pn la 80%.Un rezervor cu o capacitate spre exemplu de5 Kg de hidrogen trebuie sa fie umplut in 5 min. cu o rat de 17g/s i s aib capacitatea sfurnizeze aproximativ 2g/s ctre sistemul de propulsive n condiii de putere maxim (Gupta)

n figura 8am reprezentat dou soluii pentru acest tip de rezervore de stocare a hidrogenuluin hidruri metalice : (a) cilindru din oel umplut cu hidruri metalice sub form de pulberi; (b)

rezervor din material compozite (spum de aluminiu, table de oel, fibre de carbon, i fibrde sticl). Tabla din otel inoxidabil ce cptuete rezervorul are 2 mm grosime i este


25/90

25

Figura 8 Rezervoare stocare hidrogen n hidruri metalice (Gupta)

considerat impermeabil la hidrogen. Hidrurile metalice se gsesc n rezervor sub form depulbere. n spuma de aluminiu sunt incorporate 4 tuburi din oel sub form de U, cu un diametrude 9,5 mm i o grosime a peretelui de 1,2 mm. Tubul central este dotat cu un filtru de metalsinterizat cu scopul de a capta pulberile fine ce pot fi eliberate de hidrura metalic. (Gupta)Alte variante de hidruri metalice complexe cum ar fi alanates of magnesium Mg(AlH4)2 sau desodiu sunt testate n prezent. Aliajele pe baz de Mg necesit o temperatur ridicat( ~ 300C)

pentru a elibera hidrogenul .

Mg(AlH4)2MgH2+ 2 Al +3 H2


26/90

26

3.4 Stocarea hidrogenului n materiale ce au la baz carbonulDei fiecare metod de stocare deine unele atribute dezirabile, nici o abordare nu

ndeplinete toate cerinele legate de eficiena, mrime, greutate, cost i siguran pentruaplicaiile auto. Performanele volumetrice i masice pentru diferite metode de stocare sunt

prezentate n figura 8 .

Figura 8Densitatea volumetric Vs masic pentru diferite variante de stocare a hidrogenului(Gupta)

4 Folosirea hidrogenului la motoarele cu ardere internLa ora actual toat economia mondial depinde n mare parte de rezervele de petrol. Dar

aceste resurce sunt limitate i astfel a aparut nevoia de a cauta noi variante alternative, iar nultimii 30 de ani a avut o amplare destul de mare :

01.23.1990 cungresul SUA adopta o lege de stimulare a dezvoltarii producerii de

energie cu ajutorul hidrogenului


27/90

27

04.1996 n Barstow langa Califonia au nceput construciile a dou turnuri solare cu oputere de 10 MW. Aceste turnuri capteaz energia solar prin intermediul oglinzilorgenernd electricitate

09.10.1996 s-a semnat un act prin care se dorea extinderea domeniului de cercetare,

dezvoltare a conceptului ce avea la baza ca i surs de energie hidrogenul 02.2003 presedintele Busch lanseaz initiativa de propulsare a autoturismelor cu

hidrogen pentru a promova dezvoltarea pilelor de combustie

2009, america semneaz un act prin care aloca miliarde de dolari pentru dezvoltareaproiectelor ce au la baz energia regenerabil (History of Alternative Energy andFossil Fuels)

Combustibilul nou creat trebuie s fie ecologic n ceea ce priveste emisiile de CO2, a gazelor cuefect de seri a altor emisii prevazute n legislaie.

Hidrogenul poate fi un candidat, cu un potenial destul de mare, ce poate nlocuicombustibili clasici. El poate fi produs prin diferite surse de energie, ceea ce l face sa nu fiedependent de o singur surs de energie. Astfel prin utilizarea surselor de energie regenerabilecum ar fi cea eolian, geotermal, solar sau biomasa hidrogenul este un purttor de energiedurabil cu un coninut mic de carbon facndul astfel un combustibil perfect. (Andreas Zuttel)

Pentru a cuantifica proporia amestecului de hidrogen i aer dintr-un motor, valoarea luilamda () este data de relaia (Zuttel, Borgschulte, & Schlapbach, 2008):

Cerinele ce tebuie s le ndeplineasc un motor pe hidrogen sunt de a determina limita deaprindere , precum i de a limita formarea de NOx. Astfel cele mai mici valori pentru NOx seobin la valori ale lui =2,02,2 dupa cum se poate observa nfigura 1.

Figura 1Diagram Noxfucie de (Performance and Emissions in the BMW Hydrogen 7,2006)

Intervalul =12,0 este unul exclus datorita concentratie foarte mari a lui Nox


28/90

28

4.1 BMW Hidrogen Seria 7

Figura 1BMW Hidrogen Seria 7(Zuttel, Borgschulte, & Schlapbach, 2008)

Modelul derivat din Seria 7 cunoscut sub numele de Hidrogen 7, este propulsat de unmotor capabil s funcioneze attpe hidrogen, ct ipebenzin. Oficialii BMW spun c aceasttehnologie le-a permis s minimalizeze emisiile de dioxid de carbon: Atunci cnd funcioneaznumai cu hidrogen, emisiile nu sunt altceva dect vapori de ap au declarat reprezentan iicompaniei. Acest model model va fi propulsat de un motor de 12 cilindri n V cu o putere de260 CP. Maina va accelera de la 0 la 100 de kilometri pe or n 9,5 secunde . Viteza maximeste limitat electronic la 230 km/h (BMW Hydrogen 7, 2006)

Procesul de obinere a hidrogenului, pentru a avea un impact ct mai mic asupramediuliului i asupra emisiilor de carbon, se poate apela la o variant regenerabil i anumeelectricitatea generat de la soare captat prin panourile solare i folosit pentru a separahidrogenului de oxigen, aa cum se poate vedea n figura 2. Oxigenul este eliberat n atmosfer,iar hidrogenul este lichefiat i stocat la o temperatur foatre joas (-253 C). Rezervorul n careeste stocat hidrogenul are 70 de straturi de aluminiu i fibr de sticl, ce asigur pstrareahidrogenului n stare lichid la acest temperaturextreme de sczut.

Figura 2Obinere hidrogen din surse regenerabile (Paukert, 2006)


29/90


30/90

30

n interiorul BMW-ului hidrogen 7:

Figura 7Interiorul BMW-ului Hidrogen Seria 7(BMW's hydrogen car: Beauty or beast?)

1. Rezervorul de combustibil, este ncrcat cu 8 kg de hidrogen lichid la -253 C2. Rezervorul de benzin, cu o capacitate de 74 litri3. Supap pentru control presiuni4. Motor ardere intern, pe hidrogen sau benzin

4.2 Mazda RX-8 Renesis Hibrid

La acest model injecia de hidrogen estecontrolat electronic, motorul este rotativ, iarhidrogenul este pstrat n rezervor la o presiunenalt.

Rx-8 deasemenea poate merge i cubenzin cea ce face din ea s fie prima i singuramain cu motor rotativ hibrid pe hidrogen i

benzin din lume.

Figura 8Mazda's hydrogen- RENESIS Hydrogen RE(2011)


31/90

31

Figura 9 Controlul electronic al injectiei de hidrogen (htt)

Figura 10 (2003 Tokyo Motor Show: Mazda Renesis Hydrogen Rotary Engine, 2003)


32/90

32

Figura 11The dual-fuel hydrogen-gasoline hybrid(Mazda to Display Hydrogen RotaryEngine-Hybrid Concept at Tokyo Show)

Sistemul Mazda RX-8 hibrid conine un motor electric, un invrtor si o baterie de 144 V.Motorul electric antreneaza turbosuflanta care intr n funciune la rotai mici ale motorului, sianume la aproximativ 1000 rpm. La rotaii ridicate turbosuflanta este antrenata in modtradiional de gazelor arse din galeria de evacuare.


33/90

33

5 Teste ale unor vehicule ce funcioneaz pe hidrogen5.1 Dodge RAM Wagon Van 15% Hidrogen i 85% CNG (Laboratory,

2003)

Figura 1Dodge Ram Wagon Van(Laboratory, 2003)

Principalul obiectiv al testului a fost evaluarea siguranei , s reabiliteze funcionareavehiculelor cu hidrogen i amestecarea hidrogenului, interfaa ntre vehicule i infrastructurahidrogenului ca i combustibil.

Al doilea obiectiv a fost s cuantifice emisiile vehiculului, costul i performanele. Dupteste de 40.000 de mile, nu au existat probleme. Deci, reducerile semnificative n emisii suntrealizate prin adugarea hidrogenului n combustibil.

Acest raport prezint rezultatul a 22.816 mile de teste pentru Dodge Ram Wagon Van,care funciona iniial cu CNG(Compressed Natural Gas); dup o serie de operai i testeamestecul carburant a fost modificat i anume 15 % hidrogen i 85% CNG.

Procedura testrii emisiilor

Dou teste de emisii au fost facute la Dodge Ram Wagon Van, i anume:

IM-240

FTP-75

IM-240 (The Inspection and Maintenance Driving Cycle)


34/90

34

Testul este alcatuit dintr-o singura faza, pe o durata de 240 de secunde , care reprezinta1.96 mile de drum parcurs i se atinge o viteza maxima de 56.7 mph i o medie a vitezei de 29.4mph. n acest faz motorul este testat la rece cnd emisiile sunt cele mai ridicate.FTP-75 (Federal Test Procedure)

Testul este format din trei etape : pe o durat de 1874 secunde, care reprezint 11.04 mile;i o medie a vitezei de 21.2 mph. Cele trei faze sunt : faza de pornire la rece , faza de tranzi ie, ifaza cand motorul este cald care ncepe dupa 10 minute dupa terminarea fazei de tranziie.

Operarea rezultatelor

Schimbarea tehnologiei/Istoric

Dodge Ram Wagon Van dinfigura 1, este un model din anul 1999, dotat cu un motor de5.2 L cu 8 cilindrii n V, echipat din fabric cu CNG, nu a fost modificat.Testele au nceput nseptembrie 2000. Dup 16 iulie vehiculul a functiunat cu 15% hidrogen i 85% CNG.

Rezervorul de combustibil se afla la o presiune de 3600 PSI.

Rezumatul emisiilor

n tabelul 1sunt prezentate rezultatele emisiilor pentru Dodge Ram Wagon Van pe CNG.n tabelul 2 sunt prezentate rezultatele emisiilor pentru Dodge Ram Wagon Van cu 15%hidrogen n amestec.Tabelul 1

Data Mile NMHC(g/mil) CH4(g/mil) HC(g/mil) CO(g/mil) NOx(g/mil) CO2(g/mil)

FTP-75

10/11/2000 5647 0,063 0,333 0,454 2,177 0,083 568,19710/13/2000 5679 0,041 0,243 0,327 2,206 0,108 562,405

Media 0,052 0,288 0,391 2,192 0,096 565,301IM 240

10/11/2000 5662 0,011 0,087 0,113 0,637 0,027 542,38110/13/2000 5709 0,007 0,071 0,089 0,649 0,024 539,220

Media 0,009 0,079 0,101 0,643 0,026 540,801

Tabelul 2


FTP-7510/16/2000 5713 0,029 0,193 0,255 1,006 0,176 507,86810/18/2000 5724 0,032 0,19 0,255 0,951 0,191 495,138

Media 0,0305 0,1915 0,255 0,9785 0,1835 501,503

CNG i HCNG (hidrogen amestecat cu gazul natural)

Amestecnd CNG cu 15 % hidrogen, nivelul emisiilor a fost redus aa cum se poatevedea n tabelul 3.

Tabel 3

Hidrocarburi -34,7Monoxide de carbon -55,4


35/90

35

Dioxid de carbon -11,3Oxizi de azot +92,1

Emisiile de NOxtotui, au crescut substanial. Astfel n tabelul 4 emisiile de NOx au fostmprite pe faze:

Faza 1 - emisiile de NOx cresc cu 70%

Faza 2 - faza de tranziie emisiile de NOx sunt reduse cu 40%

Faza 3 - emisiile de NOx cresc cu 142%

Tabel 4

FTP-75 CNG Procentaj

Faza Test 1 Test 2 Media Test 1 Test 2 Media Modificarea

1 0,254 0,337 0,2955 0,482 0,527 0,5045 +702 0,008 0,002 0,005 0,004 0,002 0,003 -403 0,096 0,136 0,116 0,268 0,294 0,281 +142

Costuri de funcionare

Dodge Ram Wagon Van a fcut dou schimburi de lubrifiant i ulei pe toat duratatestului, cu un cost total de 180$ i a parcusr n total 22.816 mile. Deci 0,7 ceni/mil. Pe toatadurata testulului nu a seferit nici o reparaie, deci nu avem costuri de reparaie.

Rezultatele Sumare

Pentru 15% hidrogen n amestecul carburant emisile au avut o cretere de NOx, darscaderi semnificative la celelalte emisii poluante.

Concluzi

Dodge Ram Wagon Van a parcurs 22.816 mile cu un amestec de combustibil format din15% hidrogen si 85% CNG. Emisiile poluante au fost reduse cu excepia NOx.


36/90

36

5.2 FORD F-150 cu 30% Hidrogen & Compressed Natural Gas (Karner& Francfort, Low-Percentage Hydrogen/CNG Blend Ford F-150

Operations Summary , 2003)

Figura 2FORD F-150 (FORDF150)

Figura 3 Compartimentul motor FORD F-150 (2003)


37/90

37

Principalul obiectiv al testului a fost evaluarea siguranei i s reabiliteze funcionareavehiculelor cu hidrogen i amestecarea hidrogenului, i interfaa ntre vehicule i infrastructurahidrogenului ca i combustibil.Al doilea obiectiv a fost s cuantifice emisiile vehiculului, costul i performanele. Dup teste de40.000 de mile, nu au existat probleme. Deci, reducerile semnificative n emisii sunt realizate

prin adugarea hidrogenului n combustibil.Acest raport prezint rezultatul a 16.942 mile de teste pentru FORD F-150 pickup, care afuncionat cu un combustibil n amestec de 30% hidrogen i 70% CNG.



IM-240

FTP-75


Testul este alctuit dintr-o singur faz, pe o durat de 240 de secunde , care reprezint1.96 mile de drum parcurs i se atinge o viteza maxim de 56.7 mph i o medie a vitezei de 29.4mph. n acest faz motorul este testat la rece cnd emisiile sunt cele mai ridicate.

FTP-75 (Federal Test Procedure)

Testul este format din trei etape :pe o durat de 1874 secunde, care reprezint 11.04 mile;

i o medie a vitezei de 21.2 mph. Cele trei faze sunt : faza de pornire la rece , faza de tranzi ie, ifaza cnd motorul este cald care ncepe dup 10 minute dup terminarea fazei de tranziie.

Facilitile testului de emisii

Datele raportului de emisii au fost garantate de Automotive Testing Labs (ATL) i deClean Air Vehicle Technology Centre (CAVTC).



FORD F-150 pickup este un model din anul 2000, dotat cu un motor de 5.4 L cu 8cilindrii n V, echipat din fabric cu CNG. A fost modificat de NRG Technologies n Reno,

Nevada pentru a merge cu un amestec de combustibil in proporie de 30% hidrogen i 70% CNG.Pe lng modificrile fcute de NRG Technologies se numr: adugarea unui dispozitiv desupraalimenatre, modificri ale arderii i recircularea gazelor arse. Rezervorul de pe vehicul estedin oel carbon, are o capacitate de 85 litri i lucreaz la o presiune de 3600 PSI. APS a nceuttestele pe aceast main din iunie 2001pn n septembrie 2002.

Rezumatul emisiilor


38/90

38

Emisiile pentru FORD F-150 au fost msurate de ctre Automotive Testing Labs.Celedou teste IM-240 i FTP-75 i rezultatele lor sunt prezentate n tabelul 5

Tabelul 5Emisiile poluante masurate pe Ford F150 cu 30 % HCNG n (g/mil) (2003)

APS a ales la ntmplare un alt model FORD F-150 echipat de aceast dat cu un motor pebenzin, i i-a testat emisiile la Automotive Testing Labs. Rezultatele obinute se pot vedea ntabelul 6.

Tabelul 6


FTP-756/20/2001 23497 0,122 0,013 0,136 1,644 0,17 620,7096/21/2001 23519 0,107 0,011 0,119 1,457 0,163 623,015

Media 0,1145 0,012 0,1275 1,5505 0,1665 621,862

IM 240

6/10/2001 23509 0,015 0,008 0,023 0,127 0,565 585,1726/21/2001 23531 0,006 0,011 0,17 0,046 0,44 578,728

Media 0,0105 0,0095 0,02 0,0865 0,5025 581,95

n tabelul 7ifigura 4 sunt ilustrate emisiile comparative ale modelului FORD F-150 cu amesteccarburat format di 30% H2i 70% CNG, i modelul Ford F-150 dotat cu un motor pe benzin.Emisiilor sunt reduse major n toate categoriile. Emisiile de monoxid de carbon pe modelul FordF-150 n amestec (30% H2 i 70% CNG) sunt mai mici cu peste 83% n comparaie cu modelul


39/90

39

pe benzin. De asemenea emisiile de NOx au fost reduse destul de mult, ca i emisiile de HC auo scdere de peste 7,5 %, i nu n ultimul rnd CO2 care a nregistrat o scdere de aproximativ30%.Tabelul 7

HC CO NOx CO2

7,6 % 83,5% 53,4% 29,4%

Figura 4 Cantitatea emisiilor motorului FORD F-150 cu amestec carburat format di 30% H2i 70%CNG i modelul Ford F-150 dotat cu un motor pe benzin (2003)

Costuri de uncionare

Prin aceste teste s-a mai urmrit intervalul de schimbare a uleiului, care s-ar puteaprelungi folosind hidrogenul n amestec cu CNG. APS a fcut schimbul de ulei la 2.713 mile.Urmtorul schimb de ulei a fost la 17.408 mile. Uleiul folosit n abele situai a fost Mobil 1Synthetic.

Un schimb de ulei a costat 90$, n total 180$. Vehiculul a parcurs pe toat periada testelor16.942 mile, cu un cost de 1 cent/mil.

ConcluziEmisiile pentru modelul dotat cu combustibilul n amestec sunt extrem de reduse n

comparaie cu modelul pe benzin.

Teste pentru determinarea acceleraiei automobililui

Testele acceleraiei pentru FORD f-150 au fost conduse de Daimler Chrzsles ArizonaProving Grounds n concordan cu motorul cu ardere intern pe hidrogen, pentru modelul cu100% CNG, i modelul n amestec cu 15/30% hidrogen i CNG. Testele s-au desfurat pe odistan de 2,4 mile. n figurile 5, 6i 7 sunt prezentate graficele vitezei funcie de distan, iarn figurile 8, 9 i 10 graficele vitezei funcie de timp pentu diferite tipuri de combustibili. ntabelul 8este prezentat timpul de accelerare pn la 60 mph pentru fiecare tip de combustibil n

parte.


40/90

40

ncercare 1

Incercare 2ncercare 3Incercare 4

Figura 5 Graficul vitezei funcie de distan pentru F-150 100% CNG (2003)

Figura 6 Graficul vitezei funcie de distan pentru F-150 15% HCNG (2003)


41/90

41

Figura 7 Graficul vitezei funcie de distan pentru F-150 30% HCNG (2003)

Figura 8 Graficul vitezei funcie de timp pentru F-150 100% CNG (2003)


42/90

42

Figura 9 Graficul vitezei funcie de timp pentru F-150 15% HCNG (2003)

Figura 10 Graficul vitezei funcie de timp pentru F-150 30% HCNG (2003)


43/90

43

Tabelul 8

Amestec de combustibil Distan parcurs Timpul pn la 60 mph

100% CNG 32,452 10,1015% HCNG 31,943 10,9730% HCNG 31,679 12,68

ntr-un mod neateptat performanele lui F-150 n urma testelor arat o scdere treptatodat cu creterea procentului de hidrogen n amestec cu CNG-ul dupa cum este prezentat n

figurile 11 i 12. Pierderea performanelor fa de combustibilul lichid (benzina) i fa de celgazos (CNG) sunt artate n tabelul 9.

Figura 11Graficul acceleraiei(vitez funcie de distan) pentru F-150 100% CNG, 15%

HCNG i 30% HCNG(2003)


44/90

44

Figura 12 Graficul acceleraiei(vitez funcie de timp) pentru F-150 100% CNG, 15% HCNG

i 30% HCNG(2003)

Tabelul 9

Amestec

combustibil

Timpul pn la 60 mph(secunde)

Modificarea fa de

CNG

Modificarea fa de

benzin

Benzin 8,6 - BazCNG 10,10 Baz 17,4%

15% HCNG 10,97 8,6% 27,6%30% HCNG 12,68 25,5% 47,4%

Acceleraia


45/90

45

5.3 FORD F-150 cu 50% Hydroge & Compressed Natural Gas (Karner &Francfort, HIGH-PERCENTAGE HYDROGEN/CNG BLEND FORD F-150

OPERATING SUMMARY, 2003)

Figura 13FORD F-150 (htt1)

Figura 14 Compartimentul motor FORD F-150 (Don Karner, 2003)

Principalul obiectiv al testului a fost evaluarea siguranei i s reabiliteze funcionarea

vehiculelor cu hidrogen i amestecarea hidrogenului, i interfaa intre vehicule i infrastructurahidrogenului ca i combustibil.


46/90

46

Al doilea obiectiv a fost s cuantifice emisiile vehiculului, costul i performanele. Dup testerapide de 40.000 de mile, nu au existat probleme. Deci, reducerile semnificative n emisii suntrealizate prin adugarea hidrogenului n combustibil.

Acest raport prezint rezultatul a 4.695 mile de teste pentru FORD F-150 pickup, care afuncionat cu un combustibil n amestec de 50% hidrogen si 50% CNG.



IM-240

FTP-75


Testul este alcatuit dintr-o singura faza, pe o durata de 240 de secunde , care reprezinta1.96 mile de drum parcurs si se atinge o viteza maxima de 56.7 mph si o medie a vitezei de 29.4mph. In acesta faza motorul este testat la rece cand emisiile sunt cele mai ridicate.

FTP-75 (Federal Test Procedure)

Testul este format din trei etape : pe o durat de 1874 secunde, care reprezint 11.04 mile;i o medie a vitezei de 21.2 mph. Cele trei faze sunt : faza de pornire la rece , faza de tranzi ie, sifaza cnd motorul este cald care ncepe dup 10 minute dup terminarea fazei de tranziie.

Facilitile testului de emisii

Datele raportului de emisii au fost garantate de Automotive Testing Labs (ATL) i deClean Air Vehicle Technology Centre (CAVTC).



Cel mai mere procentaj de amestec HCNG a fost testat pe un FORD F-150 din2001(Figura 13 i 14) echipat cu un motor pe benzin de

5.4 L cu 8 cilindri n V. Motorul a fost modificat s meargcu un amestec de hidrogen i CNG n proprii de 50%fiecare, de ctre NRG Technologies. S-au mai fcut imodificri la motor:

chiulasa

Intercooler

Turbosuflant

Recircularea gazelor arse

Modificarea arderii

Echiparea cu trei rezervoare de hidrogen (Figura 15)


47/90

47

Figura 15Rezervoarele de hidrogen (Don

Karner, 2003)

Maina a sosit pentru teste n Arizona Public Service (APS) n 6 ianuarie 2002. Pe data

de 1 iunie 2002 NRG Technologies a returnat masina, cu un motor functional cu un amestec decombustibil de 50% hidrogen.

Rezumatul emisiilor

Rezultatele emisiilor n urma testelor efectuate sunt prezentate n tabelul 10

Tabelul 10Data Mile NMHC(g/mil) CH4(g/mil) HC(g/mil) CO(g/mil) NOx(g/mil) CO2(g/mil)

FTP-7510/24/2001 87 0,0014 0,108 0,123 0,879 0,005 518,1

n tabelul 11 i figura 16sunt comparate diferenele de procentaj / cantitate ale emisiilor,dintre amestecul HCNG (50% hidrohen) pentru F-150 i F-150 pe benzin.

Tabelul 11HC CO NOx CO2

3,5 % 43,3% 97% 16,7%

Figura 16 Cantitatea de emisii ale amestecului HCNG (50% hidrogen) i

Cantitatea de emisii ale motorului Ford F-150 pe benzin(Don Karner, 2003)

Rezultatele sumare ale operaiuni

Prima int a testului pe modelul FORD F-150 cu um amestec carburant de 50% hidrogen

i 50% CNG, a fost evaluarea siguranei i reabilitarea funcionri cu sistemul. Maina ademonstrat, prin purtarea sa, cnu a avut nici o problem de funcionare. Vehiculul a nregistrat


48/90

48

emisii foarte sczute n comparaie cu motorul pe benzin i care are valoarea nivelului de NOxapropiat de zero.

Concluzi

Adugarea hidrogenului n combustibilul CNG cu un procentaj de 50%, a redus emisiile destulde mult comparativ cu motorul FORD F-150 pe benzin.Vehiculul a obinut o valoare a emisiilorde NOx apropiat de zero.

5.4 FORD F-150 cu 100% Hidroge, cu 4 supape pe cilindruIstoricul mainii

n octombrie 2001, APS i ETA au fost autorizate s construiasca un FORD F -150 cu 8cilindri n V, pe hidrogen pur (100% H2). Acest proiect a demonstrat abilitatea hidrogenului purn motorul cu ardere intern care poate genera o putere de ieire echivalent, fara a genera emisiisczute i eficien mare a performanelor.

Maina aleas pentru teste avea urmtorea cofiguraie:

Raport de compresie de 9,5:1

300 CP la 5000 rpm

Moment de 355lb-ft la 2750 rpm

Detalii ale modificrii motorului

Raportul de comprimare

Maina avea un raport de compresie static de 9,5:1. Acest raport a fost crescut la ovaloare de 12,8:1, cu alte cuvinte pentru a creste eficiena termic. Creterea raportului decompresie s-a realizat prin modificarea arborelui cotit mrind cursa cu 4,75mm. Cretera cursei,deasemenea a determinat o cretere uoar cilindreii de la 5,4 L la 5,65 L.

Cptuirea cilindrilor

O alt operaie pentru a crete eficiena a fost aceea de a acoperii inveliul cilindrului cuNikasil (nichel-silicon carbide). Acest nveli reduce frecarea dintre cilindru piston pn la 90%.

Dispoziti vul de supraalimentare

Pentru a crete puterea ,a fost adugat motorului o turbosuflant. Aceasta trebuie saindeplineasca doua cerinte importante. Prima cerinta, hidrogenul necesit un amestec foartescazut cu aerul pentru a genera o ardere stabil i pentru a minimaliza producerea de Nox. Frsupraalimentare, cantitatea de combustibil introdus n cilindru va avea un raport foarte sczutal amestecului, limitnd astfel puterea maxim de ieire generat de motor. Astfel prinsupraalimentare raportul aer combustibil poate fi tinut scazut, oferin in acelasi timp suficient

combustibil si oxigen pentu o putere maxima. A doua cerinta, pentru c presiunea parial ahidrogenului este mare(comparativ cu ali combustibili cum ar fi benzina) acesta va impinge


49/90

49

aerul din cilindru i pentru c cteva moleculede hidrogen ocup un volum relativ mare. Cu altecuvinte pentru a menine un amestec aer combustibil sczut, cantitatea de hidrogen folosit

pentru ardere este limitat. Folosind turbosuflanta, aerul este introdus n cilindru cu o presiunemare , reducnd volumul cerut de hidrogen i maximiznd cantitatea de oxigen necesar pentruardre.

Compresorul ales pentru acest proiect a fost Lysholm unit i este prezentat nfigura 17.Acest tip de compresor este cunoscut ca fiind mai eficient dect alte modele, consum mic deputere i o temperatur de ieire redus.

Pentru a instala compresorul , Collier Technologies a fabricat un intercooler ap - aerncastrat ntr-o bucat de aluminiu. Acesta mai cuprinde i un circuit de bypass ce permitecompresorului s sar peste light-load operation, reducnd ncrcturile parazite, imbuntind n general eficiena.(vezi figura 18)

Figura 17Compresor Lysholm (Brayer, Karner, & James, 2006)

Figura 18 (Brayer, Karner, & James, 2006)


50/90

50

Injecia de ap

Injecia de ap este folosit cteodat pentru a mrii performanele motorului rcind

incarcatura proaspata. Apa pentru acest sistem de injecie a fost folosita n timpul testuluimotorului dinamometric. Apa pentru acest sistem este loat dintr-un separator de la gazele deevacuare. Beneficiul folosirii acestei surse de ap este dublu. n primul rnd apa este produ istocat pe main, fiind astfel eliminat necesitatea de a aduga ap de la o surs epuizabil. n aldoilea rnd apa separat din gazele de evacuare este de o puritate mare, cea va diminuadegradarea camerei de ardere n timp. Sistemul de injectie cu ap este pentru uz intermitent ifolosit atunci cnd motorul este solicitat la putere maxim.

Testarea motorului

Randamentele motorului la diferite turaii sunt prezentate n tabelul 12, randamentul maxim este

de 40,1 % la o turai de 1800 rpm i puterea maxim dezvoltat de acest motor este de 194 CP.Tabelul 12

Viteza Puterea Consum Randament Randament

rpm CP g/s LHV % HHV %

1300 35 0,69 31,6 26,81400 38 0,71 33,5 28,41500 43 0,74 36 30,51600 48 0,78 37,8 321700 52 0,83 39 33,11800 58 0,89 40,1 34

1900 63 0,99 39,5 33,52000 69 1,1 38,7 32,82100 74 1,21 37,8 322200 79 1,33 36,8 31,22300 84 1,42 36,6 312400 89 1,51 36,75 31,12500 94 1,57 37,3 31,62600 99 1,64 37,4 31,72700 103 1,68 38 32,22800 108 1,75 38,4 32,5

2900 113 1,8 39 333000 118 1,87 39 333100 121 1,94 38,7 32,83200 125 2,06 37,6 31,93300 131 2,21 36,6 31,13400 137 2,37 35,8 30,33500 141 2,57 34,1 28,93600 146 2,67 33,9 28,83700 151 2,79 33,5 28,43800 154 2,87 33,2 28,23900 155 2,94 32,7 27,74000 156 3,02 32 27,14100 158 3,09 31,7 26,9


51/90

51

4200 162 3,22 31,2 26,44300 168 3,35 31,2 26,44400 176 3,44 31,7 26,84500 183 3,57 31,7 26,94600 189 3,68 31,8 27

4700 193 3,82 31,3 26,54800 194 3,91 30,8 26,1

5.6 FORD F-150 cu 100% Hydroge, cu 2 supape pe cilindruDatorit costurilor ridicate de fabricare a motoarelor cu ardere intern pe hidrogen, cu 4

supape pe cilindru, s-a recurs la producerea motoarelor cu ardere intern pe hidrogen cu 2 supapepe cilindru.

Ford F-150 a fost dotat cu trei rezervoare de hidrogen (150 litri fiecare), la o presiune de2900 PSI. Rezervoarele i regulatoarele de presiune au fost montate n remorc.

Motorul de 5.4 l cu 8 cilindrii n V dezvolt o putere de 106 CP la 3000 rpm i ummoment de 189 lb-ft la 1500 rpm.Performanele obinute cu FORD F-150 cu 2 supapeAcceleraie de la 0-50 mph: 18,1 secViteza maxim: 80,9 mph

5.7 Comparaie ntre motorul cu 4 i 2 supape pe cilindruDou motoare au fost testate pe bancul de probre, primul un FORD F-150 de 5.6 L cu 4

supape pe cilindru cu un dispozitiv de supraalimentare cu trei ci, iar al doilea tot un FORD F-

150 de 5.4 L dar de aceast dat cu 2 supape pe cilindru cu un dispozitiv de supraalimentareconvenional de tiop roots . Rata de compresie pentru fiecare motor, au fost testate, astfel pentrucel cu 4 supape aproximativ 12,5:1 i pentru cel ci 2 supape 13,5:1.

Rezultatele testelor sunt prezentate n tabelele 13, 14. Randamentul cel mai mare a fostobinut n ambele cazuri la turaia de 1500 rpm, iar puterea maxim n jurul valorii de 4000 rpm.

Tabelul 13

Tip

motorViteza(rpm) Forta(ft-lb) Puterea(hp) CO (ppm) NO,(ppm) HC (ppm)

2-valve 1502 126 36 3 1 -4-valve 1500 240 69 1 118 4

Tabelul 14

Tip motor Viteza (rpm) Forta(ft-lb) Puterea(hp) CO (ppm) NO (ppm) HC (ppm)

2-valve 3943 131 99 11 1 -

4-valve 4120 230 180 4 5 7


52/90

52

5.8 Mercedes Sprinter 100% Hidrogen

Figura 19 Mercedes Sprinter - 100% Hidrogen (mercedessprinter)

Principalul obiectiv al testului a fost evaluarea siguranei i s reabiliteze funcionareavehiculelor cu hidrogen i amestecarea hidrogenului, i interfaa intre vehicule i infrastructurahidrogenului ca i combustibil.

Al doilea obiectiv a fost s cuantifice emisiile vehiculului, costul i performanele. Dupteste rapide de 40.000 de mile, nu au existat probleme. Deci, reducerile semnificative n emisiisunt realizate prin adugarea hidrogenului n combustibil.

Acest raport reprezint rezultatul a 6.864 Km(4,265 mile) parcuri de Mercedes Sprinterce a folosit drept combustibil 100% Hidrogen.


Istoricul masini

Motorul original al maini Mercedes Sprinter Van din 1998 era unul de 2.4 litri pe benzin.Maina a fost modificat n Hamburg de ctre guvernul german, pentru a merge cu hidrogen pur.Modificrile includeau:

Adugarea a trei rezervore de hidrogen (115 L) la 360 Psi

Injecie la volum constant

Modificri ale arderii (scnteii)


53/90

53

Rezumatul emisiilor

La Mercedes Sprinter Van pe hidrogen pur, singura emisie potenial existent este oxidulde azot. n urma testelor nu au existat emisii poluante pe acest vehicul.

6 Arderea hidrogenului n motoarele cu ardere intern6.1 Arderea anormal

Exist o serie de caracteristici specifice hidrogenului ce influenteaza fenomenele deardere i anume: (Murat CNVZ, 2012)

gam larg de inflamabilitate

energie de aprindere sczut

temperatur nalt de autoaprindere vitezmare a flacrii la raporturile stoechiometrice

densitate foarte sczut

Datorit acestor caracteristicii pot aprea unele fenomene nedorite. ncercarea deeliminare a acestor fenomene n motoarele cu ardere intern s-a dovedit a fi o provocare iar nacest sens s-au luat urmtoarele msuri: reproiectarea motorului, formarea amestecului icontrolul umplerii. La motoarele cu aprindere prin scnteie avem trei tipuri de ardere anormal(Cofaru, 2007):

Detonaia (autoaprinderea amestecului ce se afl naintea frontului de flacr )

Aprinderea naintea producerii scnteii (ardera necontrolat , ce poate apreadatorit uneizone incandecente din camera de ardere )

ntoarcerea flcrii (aprinderea prematura pe perioada admisiei )

ntoarcerea flcrii a reprezentat un element cheie ce trebuia eliminat i astfel s-au studiatcauzele aparatiei acestui fenomen (Cofaru, 2007):

Punctele calde n camera de ardere

Energia reziduala

Inducia

Arderea

Pre-aprinderea

6.2 Controlul sarciniiCnd vorbim de controlulu sarcinii, hidrogenul este un combustibil foarte instabil.

Vitezele ridicate ale flacrii amestecului hidrogen aer i nivelul su ridicat de inflamabilitatepermite funcionarea cu amestecuri srace. Hidrogenul stocat n hidruri metalice poate funcionadoar la presiuni sczute, hidrogenul comprimat poate fi utilizat dar limitat deoarece rezervorul nuva putea fi golit la maximum pentru a se pstra presiune de injecie. Varianta aceasta comprimatnecesita un compresor , deci o cretere de energie suplimentar. Pentru o cretere a

randamentului, o reglare a sarcinii, i o bogie a amestecului o variant arfi aceea de a funcionacu clapeta de acceleraie deschis la maxim. Aceast variant are nite neajunsuri atunci cnd


54/90


55/90

55

Figura 1Injector hidrogen acionat cu solenoid(J.M. Gomes Antunes, 2009)

Figura 2Injector Common-Rail de hidrogen n stare gazoas la presiune nalt (Yoshio Sato,2009)

Lubrifierea - uleiul trebuie s fie compatibil cu apa ce apare n carter. Uleiul nutrebuie s se dilueze n contact cu hidrogenul i s formeze ct mai puini acizi.Un ulei fr calciu este recomandat pentru evitarea regiunilor firbini.

Raportul de comprimare - pentru stabilirea unui raport de comprimare optimtrebuie inut cont de: un randament maxim, arderea s fie normal iar transferul de


56/90

56

caldur s nu depeasc limitele stabilite. n general raportul de comprimare alunui motor ce funcioneaz pe hidrogen este mai mare dect n cazul unuia pe

benzin

Tulburena n cilindrii - datorit vitezelor mari de ardere ale hidrogenului se vorfolosii camera de ardre cu turbulen redus (camere de ardere orizontale sau cuform de disc sau galerii de admisie aliniate axial simetric), care aduc beneficii nceea ce privete randamentul motorului. Scopul acestor camera este de a evitaapariia fenomenului de ardere anormal atunci cnd funcioneaz cu amestecuristoichiometrice

Acceleraia electronica - dup cum am menionat mai sus faptul c motoarele cefuncioneaz pe hidrogen trebuie s aib clapet de acceleraie deschis n orice

moment, totui pentru o stabilitate a arderii la sarcini joase i o limitare a emisiilorde hidrogen nearse, dimensiunea seciunii de curgere trebuie micorat. n cazulsarcinilor medii spre nalte diminuarea seciunii de curgere este necesar pentru alimita emisiile de NOx. Astfel managementul acestui control se poate realiza cuajutorul unui sistem electronic.


57/90

57

6.4 Alimentarea cu hidrogen la motoarele cu aprindere prin scnteieExist cteva concepte de formare a amestecului (hidrogen-aer) la motoarele cu aprindere

prin scnteie i aceset lucru este prezentat n figura 3 unde se pot vedea diferite moduri deformare a amestecului, temperatura amestecului, i puterea dezvoltat.

Figura 3Diferite concepte de formare a amestecului carburant(Fickel, 2005)

Puterea i densitatea de putere a motoarelor cu ardere intern alimentate cu hidrogen, sunto provocare datorit densitii sczute a hidrogenului aflat n stare gazoas ce reducerandamentul volumic de formare a amestecului extern. Prin utilizarea supraalimentrii sau ainjeciei directe aceste limite pot fi depite.Folosind amestecuri parial omogene hidrogen-aer,acestea ard la temperaturi sczute, obinnd astfel eficien foarte mare i emisii de NOx minime,dar n acelai timp o reducere a densitii de putere a motorului. (Zuttel, Borgschulte, &Schlapbach, 2008)

Deci alimentarea, motoarelor cu aprindere prin scnteie, cu hidrogen se poate face ndou moduri aa cum se poate observa n figura 4:

Injecie direct Injecie n poarta supapei


58/90

58

Figura 4Injecia direct(stnga) / n poarta supapei (dreapta) de hidrogen (EU Commission

Study On Hydrogen Combustion Engine Complete, 2007)

Pentru a cuantifica proporia amestecului de hidrogen i aer dintr-un motor, valoarea luilamda () este data de relaia (Zuttel, Borgschulte, & Schlapbach, 2008):

Amestecurile omogene pot fi arse foarte slab ( ). Acest lucru permite un control alcalitii amestecului pe o gam larg de ncrcri, oinndu-se astfel randamente bune. Pe de alt

parte concentraia de NOx depinde de raportul aer/combustibil (), aa cum se poate observa nfigura 5. Limita emisiilor de NOxse situeaz n intervalul =2.02.2. Pentru amestecurile srace

Figura 5Emisiile de NOxfuncie de raportul aer/combustibil i aplicarea strategiilorpentru motoarele cu ardere interna pe hidrogen (Zuttel, Borgschulte, & Schlapbach, 2008)

emisiile de NOx sunt aproape zero, iar pentru amestecuri bogate emisiile de NOx crescsemnificativ. Pentru amestecuri stoichiometrice emisiile de NOx, pot fi reduse prin posttratarea

gazelor de evacuare cu ajutorul convertorului catalitic cu trei ci, cu o rat de conversie de 99,9%.Dac cretem sarcina motorului printr-o mbogire continu a amestecului (controlul sarciniicalitativ), atunci vor aprea efecte nedorite privind emisiile poluante ale motorului. Deci dac seatinge un raport =2.02.2, atunci motorul trece automat pe un raport stoichiometric (controlulsarcinii cantitativ). Concentraia amestecului aer combustibil cuprins n intervalul 1.0


59/90

59

De-a lungul evoluiei utilizrii hidrogenului la motoarele cu ardere intern au fost testatemai multe variante de formare a amestecului, toate urmrind funcionarea fr propagarea inversa flcrii (Cofaru, 2007):

Amestec format n exterior folosind un carburator

Amestec format n exterior prin inducie paralel (figura 7)

Amestec format n exterior folosind un carburator i injecia de apa, cteodatfolosind i recircularea gazelor de evacuare (EGR)

Amestec format n exterior cu injecie de combustibil n colector sau n poartasupapei cteodat i cu inducie paralel (vezi subcapitolul 6.4.2)

Amestec format n interior prin injecie direct de combustibil. (vezi subcapitolul6.4.1)

Variantele ce pot fi controlate uor sunt injectia n poarta supapei i injecia direct (ntimpul cursei de compresie sau mai trziu). Formarea amestecului n exterior prin injecia n

poarta supapei s-a dovedit a avea eficien crescut, funcionare prelungit cu amestecuri srace,variaii ciclice mici i niveluri mai sczute de NOx

n comparaie cu injecia direct. n plus,

costul i complexitatea instalaiei sunt semnificativ mai sczute pentru injecia n poarta supapeifa de injecia direct i este posibil echiparea ulterioar a echipamentului pe un motor existent.Pe de alta parte, puterea unui motor cu hidrogen a crui amestec se formeaz n exterior estelimitat din cauza scderii coeficientului de umplere : din cauza densitii sczute a hidrogenuluii cerinele sczute de aer pentru amestecuri stoichiometrice, volumul ocupat de hidrogen ncilindru n amestec stoichiometric poate ajunge la 29.5% . Aceasta duce la o scdere a niveluluide energie cu 18% a hidrogenului n comparaie cu benzina. Dac este folosit injecia direct ,

pentru a introduce hidrogenul dup ce supapa de admisie a fost nchis, puterea maxim poate ficu pn la 17% mai mare dect la utilizarea benzinei.Avantajul important al injeciei directe fa

de injecia n poarta supapei este imposibilitatea apariiei autoaprinderii. i aceasta determincreterea puterii maxime a motorului n cazul injeciei directe fa de injecia n poarta supapei,deoarece pot fi folosite amestecuri mai bogate fr riscul de a aprea aprindere invers. Pre-aprinderea poate totui aprea, exceptnd cazul n care ntrzie momentul injeciei. Injeciadirect are performane bune n sarcin maxima iar injecia n poarta supapei are randament bunla sarcini partiale. (Cofaru, 2007)


60/90

60

Figura 6 Strategie de lucru a valorii lui la motoarele alimentate cu hidrogen (Zuttel,Borgschulte, & Schlapbach, 2008)

Figura 7 Supap de admisie n paralel de hidrogen i aer (Watson, 2006)Randamentul teoretic al unui motor Otto este n funcie de raportul de comprimare sicoeficientul adiabatic :

Cu ct raportul de comprimare () este mai mare cu att randamentul este mai ridicat.Coeficientuladiabatic are o valoare de k=1.4 (pentru amestecul hidrogen-aer), i reprezint un avantaj fa demotoarele care funcioneaz pe combustibili pe baz de hidrocarburi unde coeficientul adiabaticare o valoare de k=1.3 sau mai mic. n figura 8 am prezentat efectul unui raport de comprimaremare asupra randamenului pentru mai multe valori ale lui k. Teoretic pentru un raport de

comprimare de =16, s-ar obine un randament foarte bune, dar in realitate un raport de


61/90

61

comprimare de =16 sau mai mare este greu de realizat datorita solicitarilor i frecrilor la careeste supus motorul. (Zuttel, Borgschulte, & Schlapbach, 2008)

Figura 8 Randamentul termic teoretic al unui motor Otto (la volum constant) funcie de raportul

de comprimare (Zuttel, Borgschulte, & Schlapbach, 2008)n figura 9 se poate observa faptul c, dei randamentul termic teoretic al unui motor cefuncioneaz pe hidrogen este mai mic dect al unui motor ce funcioneaz pe motorin,randamentul indicat este mai mare. Principalele cause fiind: viteza mare de ardere determina

pierderi mici ale schimbului de gaze. n comparative cu un motor pe benzin randamentul unuimotor alimentat cu hidrogen este mai mare cu aproximativ 8 % i astfel va avea un consum mai

Figura 9Randamentul unui motor pe hidrogen la 2000rpm n comparie cu unul pe benzina i

altul pe motorin(Zuttel, Borgschulte, & Schlapbach, 2008)mic cu 25 %. (Zuttel, Borgschulte, & Schlapbach, 2008)

6.4.1 Injecie direct


62/90

62

F igura 10Injectoare pentru injecia direct de hidrogen (Fickel, 2005)

Injecia direct folosete o presiune ridicat de injecie a combustibilului n camera deardere mpingndul astfel ctre suprafeele fierbini sau ctre bujie. Aceast combinaie elimindou problemene:

propagarea invrers a flcrii tendina arderii rapide (pre-ignition)

Folosirea unui raport mare de compresie (mai mare de 14) conduce catre eficiene ridicate.

Rezultatele, folosirii unei injecii directe, sunt emisiile slabe de NOxi emisii neglijabileale celorlalnti poluanti. (M.Ciniviz, 2012)

2H2 +O2+N2H2O +N2+NOx (Saravanan N., 2008)

Oxizi de azot se formeaz la temperaturi ridicate n camera de ardere n urma combustiei.Cantitatea de NOx format depinde de :

raportul aer/combustibil

raportul de comprimare

turaia motorului

momentul aprinderii

regimul termic (M.Ciniviz, 2012)

Alte caracteristici i avantaje: injecia direct necesit presiuni nalte de injecie a combustibilului pentru c sistemul de injecie direct poate fi introdus usor la motoarele existente,

comercializarea lor rapid este foarte posibil injectorul are un cost de producie mic, dar care este eficient i cu emisi sczute

Schema unui astfel de injector este prezentat n figura 11.


63/90

63

Figura 11 Schema unui injector de hidrogen la presiune nalt i supapa acestuia(Kim Y.Y.,

2005)

Arderea i performanele unui motor pe hidrogen cu injectie direct n cilindru depindemult de omogenitatea amestecului aer-hidrogen, care este afectat de orificiile de injecie. (KimY.Y., 2005) nfigura 12sunt prezentate configuraiile a 5 tipuri de astfel de orificii de injecie.


64/90

64

F igura 12 Configuraileunor tipuri de orificii de injecie(Kim Y.Y., 2005)

Mai jos am prezentat o diagram de funcioanare a injeciei directe nfigura 13:

Figura 13 Injecia direct(E., 1999)

nfigura 14 este artat digrama indicat desfurat n coordinate p-, care permite sse urmreasc caracterul variaiei presiunii gazelor n cilindru n funcie de unghiul de rotaie a

arborelui cotit.

F igura 14Variaia presiunii n timpul arderii (Fickel, 2005)


65/90

65

6.4.2 Injecia in poarta supapeiInjecia de combustibil n poarta supapei folosete un sistem de management macanic sau

electronic. De obicei, hidrogenul este injectat dup nceputul cursei de admisie. Injectoarele auun design robust, cu un control foarte precis asupra momentului de injec ie, a duratei de injecie

i cu un raspuns mai rapid, n condiii de funcionare de mare vitez. La injecia n poarta supapei,aerul este introdus separat la nceputul cursei de admisie pentru a dilua gazele reziduale fierbin ii pentru a rci orice pata fierbinte din camera de ardere. (Desert), 2001). Mai jos am prezentat odiagram de funcioanare a injeciei n poarta supapei nfigura 15

F igura 15Galeria de admisiei injecia n poarta supapei (E., 1999)

Volumul de aer introdus n colectorul de admisie pe ciclu i cilindru este meninutconstant iar puterea de iesire poate fi controlat prin cantitatea de combustibil injectat ncurentul de aer. Cantitatea de combustibil poate fi msurat prin modificarea presiuni de injeciea hidrogenului sau modificnd durata de injecie i anume prin controlul duratei impulsului

primit de injector. (E., 1999)

6.4.3 Injecia criogenic n poarta supapei


66/90

66

Figura 16Prima generaie de jector criogenic (Hans-ChristianFickel, 2005)

Designul este conceput, n aa fel nct s poat fi folosit pentru diferite elementa deetanare aa cum se poate observa nfigura 17.

Figura 17 Diferite elementa de etanare(Hans-ChristianFickel, 2005)


67/90

67

Figura 14Schem unui injector criogenic de hidrogen (Hans-ChristianFickel, 2005)


68/90

68

Figura 15Variaia raportului de compresie n timpul arderii (Hans-ChristianFickel, 2005)

6.5 PutereaPuterea teoretic maxim a unui motor pe hidrogen depinde n mare masur de raportul

aer/carburant i metoda de injecie a combustibilului. Raportul stoichiometric aer/hidrogen estede 34:1. La aceast valoare hidrogenul va ocupa 29% din camera de ardere lasand 71% pentruaer . Drept urmare coninutul de energie al acestui amestec va fi mai mic dect n cazul n carecombustibilul folosit este benzina (benzina find n stare lichid, ea va ocupa un volum mai mic ncamera de ardere, i astefel permite introducera unei cantitati mai marei de aer).n cazulinjeciei directe la care amestecul combustibil-aer se face dup ce supapa de admisie a fostinchis(n camera de ardere avem 100% aer), puterea poate fi cu 15% mai mare dect n cazulmotoarelor alimentate cu benzin. (M.Ciniviz, 2012)

Randamentul maxim pentru un motor pe hidrogen poate fi cu 15% mai mare sau mai micdect cel pe benzin, dac se folosete un raport aer / combustibil stoichiometric. Cu toateacestea, la un raport aer / combustibil stoichiometric, temperatura de combustie este foarte mare

i, ca urmare, se va forma o cantitate mare de oxizi de azot (NOx), care este un poluant periculos.Datorita faptului ca moatoarele alimentate cu hidrogen au emisii poluante reduse, acestea nu suntn mod normal proiectate sa functioneze la un raport aer/combustibil stoichiometric (Desert),2001).

7 Utilizarea hidrogenului n sisteme de propulsive alternative. Pila de combustie

7.1 Structura de baza a pilei de combustie

Aceste dispositive transforma energia chimic n energie electric. Structura de baz aunei pile de combustie, const dintr-un strat de electrolit ce se afl n contact cu un anod i un


69/90

69

catod. n figura de mai jos am reprezentat schematic o astfel de celul. Celulele de combustie ngeneral sunt alimentate la anod

F igura 1Reprezentare schematic a unei celule de combustie (EG&G Technical Services,

2004)

(electrodul negativ) cu combustibil, iar ca i oxidant se folosete oxigenul care este alimentat lacatod (electrodul pozitiv). Pe tot parcursul alimentrii cu combustibil i oxidant pila de combustieva furniza energie electric. Ca i combustibil pentru alimentarea pilelor de combustie seutilizeaz hidrogenul n stare gazoas sau un gaz de sintez bogat n hidrogen. (EG&G TechnicalServices, 2004)

7.2 Clasificarea pilelor de combustie

n funcie de tipul de electrolit folosit in pilele de combustie avem: PEMFC (Polymer electrolyte fuel cell) celule de combustie cu membran schimbtore

de protoni

AFC (Alkaline fuel cell)celule de combustie alcaline

PAFC (Phosphoric acid fuel cell)celule de combustie cu acid fosforic

MCFC (Molten carbonate fuel cell)celule de combustie cu carbonat topit

SOFC (Solid oxide fuel cell)celule de combustie pe baz de oxizi solizi


70/90

70

F igura 2Diferite tipuri de pile de combustie i temperaturile de funcionare (Zuttel, Borgschulte,& Schlapbach, 2008)

n funcie de combustibilul folosit n pilele de combustie avem: DAFC (Direct Alcohol Fuel Cells) i anume DMFC (Direct Methanol Fuel Cells) DCFC (Direct Carbon Fuel Cell)

7.2.1 PEMFC (Polymer electrolyte fuel cell) - pile de combustie cu membranschimbtore de protoni

Aceste pile utilizeaza un electrolit polimerizat sub forma unei membrane foarte subiri ipermeabile. Polimerul folosit poate fi acidul perfluorosulfuric sau alt polimer similar (EG&GTechnical Services, 2004) .

Aceasta este o pil de combustie de joasa temperatur, datorit intervalului de functionarecuprins ntre 40 si 90 C . Ca i catalizatori folosete materiale preioase nobile cum ar fi platina,att la anod ct i la catod. Managementul apei este foarte important n aceste pile pentruobinerea unor performane superioare. Astfel temperatura de funcionare nu trebuie sadepeasca 80 C, deoarece la temperaturi mai mari membrana nu mai este hidratat, fenomen ce

poate duce la distrugera pilei. O membran uscat va avea o conductivitate sczut. Datorittemperaturilor joase de funcionare unde catalizatorii sunt puini activi, i pentru a preveniotrvirea anodului cu CO, se face o aliere cu Pt-Ru(ruteniu) (EG&G Technical Services, 2004),(Zuttel, Borgschulte, & Schlapbach, 2008), (Pasquale, Fortunato, & Ottorino, 2011).


71/90

71

Fi gura 3Principil de functionare al unei PEM(Pasquale, Fortunato, & Ottorino, 2011)

Principiul de funcionare al unei pile de combustibil PEM (polymer electrolyte membrane )este prezentat mai sus in figura 3, unde hidrogenul pur este introdus la anod drept combustibil.Ionii de hidrogen trec de la anod la catod prin electrolit. Apa, ce se formeaz n urma combinariiionilor de hidrogen si oxigen, este eliminat pe la catod prin curentul de aer format mpreuna cu

azotul i oxigenul n exces. Reacia chimic de combinare a hidrogenului cu oxigenul este unaexoterm, astfel se obine un alt produs la iesire i anume caldura. Din punct de vedere alstructurii unei pile de combustie PEM, avem trei componente aa cum se poate observa n figura4: MEA (Membrane Electrode Assemblies)Ansamblu membran electrod; dou separatoaresau plci bipolare; garniture ntre MEA si plci. Aceste celule pot fi legate n serie, obinndu-seo nseriere de celule de combustibil, i vor furniza o anumit tensiune. Acest tensiune reprezint

pur si simplu suma tensiunilor unicelulare. (Pasquale, Fortunato, & Ottorino, 2011)

F igura 4Componentele unei pile PEMFC(BAGOTSKY, 2012)


72/90

72

a) MEA-membranaRolul membrani este acela de a permite transferal protonilor de la anod la catod, dari de

a impiedica amestecarea combustibilului si oxidantului. Cel mai cunoscut polimer folosit pentrumembrane este NAFION, acesta fiind un copolimer de acid perfluorosulfonic realizat n 1960

de catre firma DuPount. (Pasquale, Fortunato, & Ottorino, 2011) (Rayment, Chris; Sherwin,Scott, May 2, 2003)

b) Plcile bipolare

F igura 5Seciune printr-o pil PEMFC: 1-Plci bipolare; 2-canal colector; 3- strat de difuzie a

gazului; 4-strat catalitic; 5-membran(BAGOTSKY, 2012)

Gazele sunt transportate la electrozi prin canale sub form spiralat sau serpentin ca nfigura 6. (BAGOTSKY, 2012)


73/90

73

F igura 6Canale pentru distribuire gaz sub form de serpentine intr-o plac bipolar(Pasquale,Fortunato, & Ottorino, 2011)

Potenialul electric al unei celule de combustibil PEMFC, alimentat cu hidrogen si oxigen,la o temperatur de 25 C, este egal cu E=1.229V. Tensiunea electric in circuit deschis arevalori cuprinse ntre 0.92 i 1.02 V, n funcie de temperatura i presiunea gazelor. (BAGOTSKY,

2012)

F igura 7Efectul temperaturiii a reactantului asupra performanelor unei pile PEMFC

() 5 atm, O2, 50 C; () 1 atm, O2 50 C; () 95 C, air; ()50 C, air (BAGOTSKY,2012)

n figura 7 se pot observa curbele densitate curent tensiune obinute la diferitetemperaturi i presiuni. n cazul n care se folosete oxigenul pur ca i reactant, se poate observafaptul c, intensitatea curentului pe cm2 este mai mare iar tensiunea este i ea mai mare dect ncazul folosirii ca i reactant a aerului mai ales la presiuni mici si temperaturi sczute. Acestecurbe au fost obinute la o presiune maxim de 5 bari o temperatur cuprins ntre 50 i 95 C.n general densitatea curentului este de 0.8 1.0 A/cm2. Pentru o tensiune pe celul deaproximativ 0.75 V avem o densitate de putere a curentului de 0.6 0.75 W/cm2. n aceste

condiii pierderea de putere total de tensiune E-Ui este de aproximativ 0.48 V (i anume 0.4 V sedatoreaza polarizrii electrodului alimentat cu oxigen, 20 mV polarizrii electrodului alimentatcu hidrogen, iar restul rezistentele cadrului MEA ) (BAGOTSKY, 2012)

7.2.2 AFC (Alkaline fuel cell) pile de combustie alcalineAcest tip de pil de combustibil a fost printre primele variante alternative moderne

dezvoltate ncepnd cu 1960. Ca i domenii de aplicaie putem aminti

Disertatie 2013

Documents

Transcript of Disertatie 2013