Il potenziale dell'idrogeno come combustibile per i futuri motori del ciclo di Otto

La spinta globale per decarbonizzare il trasporto e l'industria ha messo l'idrogeno nei riflettori come promettente vettore di energia zero-carbonio. Mentre gran parte della conversazione di mobilità dell'idrogeno si concentra sui veicoli elettrici delle cellule a combustibile, un tranquillo ma determinato sforzo di ingegneria è in corso per bruciare l'idrogeno direttamente nei motori a combustione interna (ICE) che operano sul ciclo di Ottone.

Combustione dell'idrogeno nel ciclo di Otto: Scienza e Comportatore

Il classico ciclo di Ottone, compressione, accensione, espansione, scarico, si basa su una carica premessa di carburante a aria innescata da una scintilla. L'idrogeno introduce una marca di combustione notevolmente diversa rispetto alla benzina. La sua ampia gamma di infiammabilità (4% al 75% da volume in aria, 4% a 7,6% per la velocità di combustione dei gas) consente una combustione stabile anche in condizioni di calore (valore di combustione).

L’energia di accensione minima dell’idrogeno (circa 0,02 mJ, rispetto a 0,25 mJ per la benzina) rende la miscela suscettibile a temperature di accensione anticipate da superfici calde, residui di petrolio o depositi di fulmine. La distanza di eliminazione dell’idrogeno è più piccola della benzina, permettendo alla fiamma di propagarsi attraverso cresivi stretti dove si spegne una fiamma gassosa, aumentando il rischio

Sfide di ingegneria e soluzioni specifiche

Metodi di introduzione del combustibile

L’impiego di un motore SI convenzionale all’idrogeno richiede molto più di una nuova mappa del combustibile. Una delle decisioni più fondamentali è il metodo di introduzione del combustibile. I primi motori dell’idrogeno spesso utilizzano l’iniezione del combustibile della porta, che è relativamente semplice da implementare, ma altamente soggetta a backfiring, perché l’esplorazione della bassa densità dell’idrogeno significa che un volume significativo della porta di aspirazione è riempito con una miscela convenzionale.

Materiali Compatibilità

I sistemi di irrigazione a getto d'acqua sono in grado di degradare gli acciai ferritici, leghe di nichel e alcuni acciai inossidabili comunemente utilizzati nei motori. I progetti di motori a idrogeno contemporanei si basano su acciai inossidabili austenitici, leghe di alluminio e rivestimenti specializzati per componenti come le guide di combustione dei combustibili, gli ugelli di iniettore e le valvole.

Sistemi di accensione e Turbocharging

Il turbocompressore è comunemente abbinato a motori a idrogeno per recuperare la densità di potenza persa dal funzionamento magro. Un motore a idrogeno tipico opera in λ tra 1,6 e 2,5, che riduce la potenza specifica rispetto al funzionamento della benzina stoichiometrica del 30% al 50%. Un turbocompressore può recuperare il 20% di quella perdita, aumentando la pressione di assunzione fino a 1,5–2.0 bar assoluti.

Gli esempi concreti di questi adattamenti non sono più confinati al laboratorio. L’idrogeno di BMW 7 degli anni 2000 ha dimostrato un V12 a doppio combustibile con lo stoccaggio liquido criogenico, anche se è rimasto una nicchia costosa. Più recentemente, i produttori di motori come Cummins hanno presentato un motore a idrogeno a tempo pieno da 6.7 litri per i camion pesanti, e JCB ha investito pubblicamente oltre 100 milioni di sterline sviluppando un motore a combustione a ciclo a emissioni zero.

Il percorso verde di irrigazione e produzione dell'idrogeno

Grigio, blu e verde idrogeno

Le credenziali ambientali di un motore a idrogeno-fugliato dipendono interamente da come l'idrogeno è prodotto. Oggi, la maggior parte dell'idrogeno del mondo è generato attraverso la riforma del metano del vapore (SMR), che reagisce al 65% del gas naturale con vapore ad alta temperatura, producendo l'idrogeno e l'anidride carbonica.

Tecnologie e Traiettori di elettrolizzatore

Il gas di combustione dell’energia elettrica dell’Ottogeno è un fattore di produzione equivalente a 1,5%, mentre il motore elettrico a combustione interna è un fattore di produzione equivalente a 1,5%, mentre il motore a combustione interna è un fattore di produzione di energia elettrica a lunga distanza.

Urdinaggio di stoccaggio e infrastrutture

Idrogeno gassoso compresso

Per un volume di energia medio-bassa, la densità di energia volumetrica dell'idrogeno è di circa un terzo rispetto al gas naturale, e di circa 3000 volte più bassa della benzina. Per raggiungere la gamma di veicoli accettabili, l'idrogeno deve pesare, liquefatto o immagazzinato in un solido mezzo. La tecnologia più matura per l'uso automobilistico è costituita da idrogeno gassoso accumulato a 350-700 barili in tipo IV

Deposito liquido e Cryo-compresso

Idrogeno liquido, immagazzinato a 20 K in serbatoi di tipo Dewar isolati sotto vuoto, offre una densità volumetrica superiore (70 g/L rispetto a 40 g/L a 700 bar) ma introduce perdite di gasolio-off—in genere 1-5% al giorno a seconda della qualità dell’isolamento—e una notevole penalità energetica per l’iquefazione, circa il 30% del contenuto energetico dell’idrogeno stesso.

Sviluppo delle infrastrutture di riflessione

Per i motori a ciclo di Otto, la necessità di accogliere un sistema di iniezione ad alta pressione, uno spazio per serbatoi e misure di sicurezza, come dispositivi di riduzione della pressione termicamente attivati e sensori di perdita a idrogeno-specifici, aumenta la complessità e il costo, ma questi stanno gradualmente diventando una pratica di ingegneria standard.

Analisi dei cicli di vita ambientali ed economici

Il gas di compressione di tipo SCR è un motore a basso consumo energetico, che può essere utilizzato per il 95%, e che può essere mantenuto a livelli ultra bassi, attraverso la combustione magra o trattati con un sistema di riduzione catalitica selettiva (SCR) utilizzando l'ammoniaca.

Il costo totale della proprietà (TCO) è decisivo. Oggi, l'idrogeno verde è costoso, generalmente $4 a $6 per chilogrammo nelle regioni favorevoli, che rende il costo del carburante per chilometro più alto di benzina o diesel.

Programmi industriali attuali e direzioni di ricerca future

Iniezione ad ultra-lean e ad acqua

I propulsori di ricerca si concentrano su tre fronti: raggiungere l'uscita di NOx quasi zero senza un pesante post-trattamento, aumentando la potenza specifica dei motori a idrogeno per abbinare i loro omologhi diesel, e sviluppare soluzioni di stoccaggio robuste e a basso costo. Una delle tecniche più promettenti è "disattiva con la combustione ultra-lean".

Concetti di accensione avanzati

I sistemi di controllo avanzato dell'accensione, compresi i sistemi multi-spark e l'accensione della corona, vengono esplorati per consentire l'accensione affidabile di miscele estremamente magre (λ > 2.5). L'accensione della corona utilizza un campo elettrico ad alta frequenza per creare un plasma non-termico che accende la miscela di gasolio-aria applicata su un volume più grande di una spina a scintilla, riducendo il ritardo dell'accensione e consentendo il funzionamento del leagrane.

Integrazione elettrica ibrida

Oltre al motore stesso, l'integrazione di un motore Otto idrogeno in una powertrain elettrica ibrida apre uno spazio di ottimizzazione parallelo. Un motore a idrogeno che opera solo in una banda ad alta efficienza stretta (λ = 2.0–2.5, BMEP = 8–12 bar) con motori elettrici che maneggiano carichi transitori può semplificare notevolmente la sfida di controllo delle emissioni e spingere l'efficienza complessiva del sistema a oltre il 50% su un motore a carro armato-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-

I veicoli a motore a motore aerodinamici a livello regionale (FLT:0]) sono dotati di un programma di idrogeno ambizioso (H2Hubs) finanziato dalla legge sulle infrastrutture di bipartisan, che investe 7 miliardi di dollari per la creazione di reti di idrogeno, di stoccaggio e di offtake in tutto il paese.

Conclusione e Outlook

L'idrogeno come combustibile per i futuri motori a ciclo di Ottone non è più una curiosità futuristica. La convergenza delle ricerche a combustione avanzata, la maturazione della produzione di idrogeno verde e gli investimenti mirati del governo sta per creare un percorso pratico per i motori a combustione di scintilla che permetta di gettare il loro patrimonio fossile-fuel.