I pro e i contro del metanolo e dell'idrogeno

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I risultati di un recente test al banco di prova effettuato dalla Anglo Belgian Corporation (ABC) sui carburanti rinnovabili metanolo e idrogeno su un motore monocilindrico hanno dimostrato il loro potenziale di riduzione dei gas serra (GHG). I risultati sono stati presentati al Congresso CIMAC 19 tenutosi a Vancouver quest'anno in un documento intitolato "ABC's Dual-Fuel Engines Running on Renewable Fuels like Methanol and Hydrogen", dall'ingegnere di sviluppo ABC Luc Mattheeuws e dal CEO & managing director Tim Berckmoes.

Alle condizioni atmosferiche, il metanolo è un liquido, che si maneggia come il gasolio, ma a causa della sua minore densità, richiede serbatoi da due a tre volte più grandi, il che presenta problemi di stoccaggio. Con un basso punto di infiammabilità, bolle a 65°C a pressione atmosferica e all'iniezione, utilizza il calore latente dell'aria di aspirazione per vaporizzare; per favorire l'evaporazione del metanolo, il calore può essere prelevato dal turbocompressore per integrare la temperatura dell'aria di aspirazione.

All'iniezione, il metanolo ha un ritardo di accensione, causato dal fatto che il metanolo vaporizza e toglie il calore dalla miscela, causando l'abbassamento della temperatura e della pressione e creando un calo della pressione massima di compressione. I test di ABC hanno rilevato l'importanza di impostare correttamente l'angolo di iniezione per ridurre al minimo la nebulizzazione e l'impatto dello spruzzo.

Con un angolo di iniezione ottimizzato, il metanolo poteva evaporare più velocemente ed è stata misurata una riduzione degli NOx di 1 g/kWh, senza modificare altri parametri. Sul lato negativo è stato notato che l'efficienza del motore è diminuita con l'aumento della quantità di metanolo. Tuttavia, l'efficienza del motore è stata riportata a livelli accettabili riducendo la massa d'aria di aspirazione e un calo del 3-5% di metanolo è stato sufficiente ad aumentare l'efficienza del motore fino a un limite accettabile. In alternativa, aumentando la temperatura dell'aria di sovralimentazione è stato possibile aumentare il calore latente necessario per vaporizzare il metanolo, utilizzando la quantità impostata in origine.

Nel complesso, è stata osservata una riduzione generale degli NOx, con una riduzione potenziale di 3 g/kWh con metanolo al 50% e una buona efficienza del motore. La CO2 è stata misurata ad una riduzione potenziale del 50-70% con l'iniezione ottimizzata e l'aumento della temperatura di aspirazione.

Il particolato (PM)/fuliggine ha dato una riduzione potenziale, ma dipendeva dal rapporto aria/carburante e deve essere convalidato e studiato più in dettaglio, secondo la Anglo Belgian Corporation, soprattutto quando il carburante pilota diesel può essere impostato al minimo. Nel complesso, il motore di prova è risultato funzionare in modo efficiente, paragonabile al diesel, quando le impostazioni di combustione sono state controllate.

L'idrogeno, in quanto miscela esplosiva, ha un'energia 2,5 volte inferiore al GN, con meno danni potenziali, ed è liquido a - 253°C, con conseguenti problemi di stoccaggio. I motori a doppio carburante costruiti per utilizzare idrogeno hanno un iniettore diesel e una valvola di ammissione a GN (GAV) ed è altrettanto possibile convertire i motori esistenti.

L'idrogeno ha un problema alternativo con il metanolo, in quanto pre-accende. Si è constatato che nello stesso punto di iniezione, con la stessa compressione, velocità e carico, la preaccensione è sempre iniziata con la stessa concentrazione di idrogeno. Quando si aumenta il flusso d'aria, aumenta anche la possibile quantità di idrogeno da iniettare; ma la preaccensione avviene ancora a causa del suo basso punto di infiammabilità.

L'idrogeno ha anche la tendenza all'autoaccensione e, poiché i test sono stati effettuati su un motore monocilindrico, non è stato possibile aumentare la pressione dell'aria di sovralimentazione per cercare soluzioni al problema. Si è ritenuto che il motore di prova soffre di punti caldi o di un'alta concentrazione locale di idrogeno. Ulteriori test saranno presi in considerazione quando ABC è in grado di aumentare la massa d'aria di aspirazione per vedere se questo impedirà l'autoaccensione.

La formazione di NOx era paragonabile a quella del gasolio, anche se ciò è dovuto solo all'elevata portata massica dell'aria di aspirazione e la formazione di NOx dipende fortemente dalla velocità di diluizione dell'idrogeno. La velocità della fiamma dell'idrogeno (e la velocità di espansione) è molto più alta di quella del gasolio, quindi il rilascio di calore nel cilindro è più precoce e questo si tradurrà anche in un'elevata emissione di NOx. Una soluzione per ridurre l'emissione di NOx è quella di diluire la miscela, diminuendo la velocità della fiamma e ritardando così il rilascio di calore.

CO2 è stato trovato per avere un potenziale di riduzione del 50-60% quando testato con una pressione di sovralimentazione più alta ed è sotto inchiesta per miglioramento.PM / fuliggine è stato misurato con una potenziale riduzione positiva e ridotto con l'introduzione di idrogeno maggiore. L'efficienza del motore di prova era paragonabile a quella del diesel e dovrebbe essere leggermente superiore quando sarà completamente sviluppato e progettato.

In generale, il metanolo e l'idrogeno hanno il potenziale per ridurre le emissioni di CO2 con benefici positivi e negativi. La gestione del metanolo in fase liquida rende più facile l'utilizzo di questo carburante in soluzioni di retrofit. Il rifornimento di idrogeno a bordo di una nave renderà più difficile. Entrambi i carburanti non sono facilmente disponibili in tutti i porti, per cui è necessario sviluppare le infrastrutture. I costi di questi carburanti non sono ancora stabilizzati e fluttueranno a seconda della produzione, della domanda e della disponibilità.

Il potenziale di combustione di carburanti verdi nel motore a combustione ABC è dimostrato, anche se il processo di combustione è in fase di revisione. Se la progettazione del motore di ricerca monocilindrico può essere estrapolata ad un motore multicilindrico, allora l'uso di metanolo e idrogeno mostra il potenziale per ridurre le emissioni di CO2.

Il metanolo e l'idrogeno riducono potenzialmente le emissioni di CO2. La manipolazione del metanolo in liquido rende più facile l'alloggiamento dei retrofit, mentre l'idrogeno è difficile da immagazzinare. L'idrogeno si accende più facilmente del metanolo, ma deve essere completamente rinnovabile per diventare totalmente CO2 neutrale.