Please use this identifier to cite or link to this item: http://ktisis.cut.ac.cy/handle/10488/5608
Title: Το υδρογόνο ως πρόσθετο καυσίμου σε μηχανές εσωτερικής καύσης
Authors: Αγαθοκλέους, Μαργαρίτα 
Keywords: Ηydrogen
Fuel
Issue Date: 2012
Publisher: Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Περιβάλλοντος, Σχολή Γεωτεχνικών Επιστημών και Διαχείρισης Περιβάλλοντος ,Τεχνολογικό Πανεπιστημίο Κύπρου
Abstract: Since the beginning of 1950 the energy problem, has slowly made its appearance first, as a philosophical thought. Although the fact that in 1950 the estimated exploited reserves of fossil fuels had sufficiency for 20 years, there was some sobriety in relation to energy demand. The energy crisis of 1973 led to the deterioration of energy problems. Due to the energy problem which is even more intense today and the reserves of the fossil fuels that are expected to be exhausted within the next 60 years, people should turn their attention to other energy sources or carries. One promising strategy to solve the energy problem is the exploitation of hydrogen (H2) which is abundant in nature but bound to other molecules. This «clean energy» - hydrogen economy, targets the replacement of the conventional mineral fuels, as soon as possible. The benefits of the use of the H2 as an energy source are multiple. Among them is the energy sufficiency, the economical independence from hydrocarbon economy, the economic decentralization and the protection of the environment. The purpose of this Thesis is to use hydrogen as a fuel additive in Internal Combustion Engines (ICE) to improve combustion, reduce consumption of fossil fuels and simultaneously reduce emissions of sulfur dioxide (SO2), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), particulate matter (PM) and unburned hydrocarbons (HCs). The latter gases pollutants are considered to be the major greenhouse gases that cause the climate change witnessed nowadays. Hydrogen is generated through the electrolysis of water and is not stored but produced on demand. Hydrogen is used in the engine as a fuel additive so the engines do not have to be built from scratch, but it can be fed into existing engines. The first chapter presents an overview of the characteristics focusing on its presented of hydrogen the physical and chemical properties. A reference is made to the energy problem and hydrogen is as an energy source and carries that can alleviate this problem and the areas that research on hydrogen evolves. Moreover, a brief presentation of the methods used to produce the H2 is mentioned, such as water electrolysis. An important aspect is then studied concerning the safety measures that need to be considered prior the use of H2. Finally, the advantages and disadvantages of hydrogen compared with other conventional fuels are presented. The second chapter includes comprehensive references of the use of hydrogen as a fuel. The process of water electrolysis for hydrogen production is therefore described. The ABSTRACT ix amount of energy produced from the combustion of hydrogen is then compared of the resulting from the combustion of oil as fuel. The gaseous products of H2 combustion are mentioned at the end of this chapter. Thus, an overview of the regulations for the prevention of air pollution from ships (International Convention MARPOL 73/78) is been made. The third chapter includes a description of the experimental procedure followed in this thesis. In this chapter the experimental apparatus used for internal combustion engines is presented. The instruments used and the methodology followed for the measurement of the concentration gaseous emissions, temperature and fuel consumption are mentioned. Finally, the materials used for the construction of the electrolysis apparatus are described. In order to performing the experiments on the burner and the electrical generator and ultimately on ships, the water electrolysis was first contacted in order to produced hydrogen and oxygen. The device constructed consists of eight fuel cells. All of them were used in the burner while only six of them for the electrical generator. Also throughout the experimental procedure, a power converter was used to supply the necessary power to the entire electrolysis process. The exhaust gases produced from the internal combustion engine were measured with the use of a portable gas analyzer, as well as the temperature of the ICE and of the exhaust gases. The fourth chapter presents and analyzes the results obtained from the experiments conducted in internal combustion engines. The results obtained concerned the use of conventional fuel and hydrogen fuel mixture. Measurements conducted concern the temperature of the engine and the conventional fuel consumption and the concentration of gaseous emissions. The results obtained from the aforementioned measurements are summarized as followed: the concentration of SO2 when H2 is added to the burner for combustion decreased by 22%, while in the electrical generator exhaust stream was decreased by 52%. The concentration of CO also decreased when H2 was added, to 38,5% and 34% in the boiler and electrical generator respectively. On the contrary, the concentration of NOX was found to be 5% and 2% increased for the burner and the electrical generator respectively when H2 was added as a fuel. The concentration of particulate matter and unburned hydrocarbons could not be measured, however they are expected to be reduced, based on certain observations concerning the color of smoke (opacity) and the analyzer’s filters. It was found that the use of the mixture of H2/O2 increased the temperature of the ICE and the exhaust gases to 10-15°C. Calculations were ABSTRACT x performed in order to estimate the fuel consumption with the use of H2/O2 as a fuel additive. It was found that 9.504 L/month of conventional fuel were conserved for the burner (13.115 €/month), while the electrical generator conventional fuel consumption was reduced by 2.016 L/month (2.782 €/month). Finally, the fifth chapter remarks the general conclusions resulting from this thesis as well as a summary of techniques that can combine the process of water electrolysis with hydrogen combustion in internal combustion engines in order to achieve optimization. The conclusion that can be easily derived is that H2 is the fuel of the future since it is abundant and does not burden the atmosphere with harmful pollutants that cause many environmental problems. As seen from the results obtained, H2 can effectively replace the conventional fuels used for energy production.
Description: Από τις αρχές του 1950 έκανε δειλά την εμφάνισή του, υπό τη μορφή φιλοσοφικού στοχασμού το ενεργειακό πρόβλημα. Παρά το γεγονός ότι το 1950 τα εκτιμώμενα εκμεταλλεύσιμα αποθέματα των ορυκτών καυσίμων είχαν επάρκεια 20 χρόνων, επικρατούσε μια σχετική νηφαλιότητα όσον αφορά την απαίτηση σε ενέργεια. Η ενεργειακή κρίση όμως του 1973 οδήγησε στην επιδείνωση του ενεργειακού προβλήματος. Χάρη στο ενεργειακό πρόβλημα που είναι ακόμα πιο έντονο στις μέρες μας αλλά και λόγω του ότι τα αποθέματα συμβατικών καυσίμων με την πάροδο του χρόνου εξαντλούνται ο άνθρωπος οφείλει να στρέψει την προσοχή του σε άλλους φορείς ενέργειας. Μια υποσχόμενη στρατηγική αντιμετώπισης του ενεργειακού προβλήματος είναι η εκμετάλλευση του υδρογόνου (Η2) που βρίσκεται σε αφθονία στη φύση, αλλά δεσμευμένο σε άλλες δομές. Αυτή η οικονομία «καθαρής ενέργειας» - υδρογόνου, στοχεύει στην όσο το δυνατόν συντομότερη αντικατάσταση των συμβατικών ορυκτών καυσίμων από το Η2. Τα οφέλη από την αντικατάσταση αυτή θα είναι πολλαπλά: ενεργειακή αυτάρκεια, απεξάρτηση από την οικονομία των υδρογονανθράκων, ενεργειακή αποκέντρωση και προστασία του περιβάλλοντος. Σκοπός της παρούσας Πτυχιακής Διατριβής (Π.Δ.) είναι η χρήση του Η2 ως πρόσθετο καυσίμου σε Μηχανές Εσωτερικής Καύσης (ΜΕΚ) με στόχο τη βελτίωση της καύσης, τη μείωση της κατανάλωσης των συμβατικών καυσίμων αφού όσο περνάει ο καιρός τα αποθέματά τους μειώνονται ενώ ταυτόχρονα μειώνονται οι εκπομπές διοξειδίου του θείου (SO2), μονοξειδίου του άνθρακα (CO), διοξειδίου του άνθρακα (CO2), αιωρούμενων σωματιδίων (PM) και άκαυστων υδρογονανθράκων (HCs), που σε αυτά οφείλεται το έντονο περιβαλλοντικό πρόβλημα σήμερα. Το Η2 που τροφοδοτείται στη μηχανή παράγεται μέσω της διαδικασίας της ηλεκτρόλυσης του νερού και δεν αποθηκεύεται αλλά παράγεται ανάλογα με τις ανάγκες σε καύσιμο. Χρησιμοποιείται ως πρόσθετο καυσίμου στη μηχανή έτσι ώστε να μη χρειαστεί οι μηχανές να κατασκευαστούν από την αρχή αλλά να μπορεί να τροφοδοτείται σε υφιστάμενες μηχανές. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται κάποια γενικά χαρακτηριστικά του Η2 ενώ παράλληλα αναφέρονται οι φυσικές και χημικές του ιδιότητες. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα και παρουσιάζεται το Η2 ως ο ενεργειακός φορέας που μπορεί να αμβλύνει αυτό το πρόβλημα και στους τομείς όπου η έρευνα για το Η2 εξελίσσεται. Ακολουθεί μια σύντομη παρουσίαση των μεθόδων μέσω των οποίων μπορεί να παραχθεί το Η2 και παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του ως καύσιμο. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στην ασφάλεια του Η2 ως μια από τις σημαντικότερες παραμέτρους όσον αφορά την ασφαλή χρήση του. Τέλος, παρουσιάζονται κάποια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που παρουσιάζει το Η2 σε σχέση με άλλα συμβατικά καύσιμα. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται εκτενής αναφορά στη χρήση του Η2 ως καύσιμο. Γίνεται μια περιγραφή της διαδικασίας της ηλεκτρόλυσης του νερού για παραγωγή Η2. Ακολούθως, πραγματοποιείται σύγκριση της ενέργειας που προκύπτει από την καύση του Η2 σε σχέση με την ενέργεια που λαμβάνεται από τη χρήση συμβατικών καυσίμων (π.χ. πετρελαίου). Τελειώνοντας το κεφάλαιο αυτό γίνεται αναφορά στα καυσαέρια που καταλήγουν στην ατμόσφαιρα όταν το Η2 χρησιμοποιηθεί ως πρόσθετο καυσίμου. Λόγω του γεγονότος ότι η παρούσα Π.Δ. καταπιάνεται με τη χρήση του Η2 στα πλοία παρουσιάζεται η Διεθνής Σύμβασης MARPOL 73/78 (Παράρτημα VI της Διεθνής Σύμβασης MARPOL 73/78 - Κανονισμοί για την Πρόληψη της Ρύπανσης του Αέρα από Πλοία) που ασχολείται με τα όρια που πρέπει να τηρούν τα πλοία όσον αφορά τα αέρια που εξέρχονται από τη μηχανή τους. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε στα πλαίσια της παρούσας Π.Δ. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται οι πειραματικές συσκευές που χρησιμοποιήθηκαν για την εφαρμογή του Η2 σε ΜΕΚ, τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν και η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τη μέτρηση της συγκέντρωσης των καυσαερίων ΝΟΧ, CO, SO2 στην έξοδο της μηχανής, της κατανάλωσης καυσίμου και της θερμοκρασίας της ΜΕΚ και των καυσαερίων, ενώ στο τέλος περιγράφονται τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή της συσκευής ηλεκτρόλυσης. Για την πραγματοποίηση των πειραμάτων σε καυστήρα και ηλεκτρογεννήτρια με απώτερο στόχο τη χρήση του Η2 σε πλοία αρχικά κατασκευάστηκε η συσκευή ηλεκτρόλυσης στην οποία πραγματοποιείται η διάσπαση του νερού σε υδρογόνο (Η2) και οξυγόνο (Ο2). Στη συσκευή αυτή τέθηκαν σε λειτουργία έξι και οκτώ κελιά ηλεκτρόλυσης για την ηλεκτρογεννήτρια και τον καυστήρα αντίστοιχα. Η συγκέντρωση των καυσαερίων που εξέρχονταν της ΜΕΚ (ΝΟΧ, CO, SO2) μετρήθηκαν με φορητό αναλυτή αερίων ενώ ταυτόχρονα γινόταν καταγραφή της θερμοκρασίας τόσο στο εσωτερικό της ΜΕΚ όσο και στα καυσαέρια. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσματα που λήφθηκαν από τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε ΜΕΚ. Τα αποτελέσματα αυτά αφορούν τόσο τα καυσαέρια που εξέρχονται από τη μηχανή όταν χρησιμοποιείται μόνο συμβατικό καύσιμο όσο και όταν προστίθεται και Η2 για καύση. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της θερμοκρασίας τόσο στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης όσο και στην έξοδο των καυσαερίων, έτσι ώστε να είναι δυνατή η σύγκριση της συμπεριφοράς της ΜΕΚ όταν χρησιμοποιείται και Η2 ως πρόσθετο καυσίμου, έτσι ώστε να είναι δυνατός ο υπολογισμός της ενεργειακής απόδοσης του Η2. Στο τέλος του κεφαλαίου αυτού και αφού λήφθηκαν μετρήσεις για την κατανάλωση του συμβατικού καυσίμου όταν προστέθηκε και Η2, υπολογίστηκε η ποσότητα του συμβατικού καυσίμου που μπορεί να εξοικονομηθεί για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα (ένα μήνα) λειτουργίας της ΜΕΚ. Ακολούθως, υπολογίστηκαν και οι οικονομικοί πόροι που μπορούν να εξοικονομηθούν σε αυτό το χρονικό διάστημα. Τα αποτελέσματα που λήφθηκαν από τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν συνοψίζονται ως εξής: η συγκέντρωση του SO2 στην έξοδο όταν προστέθηκε και Η2 για καύση στον καυστήρα μειώθηκε κατά 22%, ενώ στην ηλεκτρογεννήτρια το καυσαέριο αυτό μειώθηκε κατά 52%. Η συγκέντρωση του CO μειώθηκε κι αυτό όταν προστέθηκε Η2, 34% και 38,5% στον καυστήρα και στην ηλεκτρογεννήτρια αντίστοιχα. Αντίθετα, η συγκέντρωση των ΝΟΧ στην έξοδο αυξήθηκε όταν το Η2 χρησιμοποιήθηκε ως καύσιμο. Στον καυστήρα παρατηρήθηκε αύξηση 5% ενώ στην ηλεκτρογεννήτρια 2%. Η μέτρηση της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων (PM) και άκαυστων υδρογονανθράκων (HCS) παρόλο που δεν κατέστη δυνατή αναμένεται να είναι μειωμένη βάση παρατηρήσεων στο χρώμα του καπνού των καυσαερίων και στο χρώμα των φίλτρων του αναλυτή. Διαπιστώθηκε ότι η χρήση μίγματος Η2/Ο2 οδήγησε σε αύξηση της θερμοκρασίας των καυσαερίων και της ΜΕΚ κατά 10-15°C. Μετά από υπολογισμούς διαπιστώνεται το γεγονός ότι όταν το Η2 χρησιμοποιηθεί ως πρόσθετο καυσίμου στον καυστήρα εξοικονομούνται 9.504 L/μήνα συμβατικού καυσίμου τα οποία συνεπάγονται σε 13.115 €/μήνα. Τέλος, όσον αφορά την ηλεκτρογεννήτρια εξοικονομούνται 2.016 L/μήνα συμβατικού καυσίμου τα οποία αντιστοιχούν σε 2.782 €/μήνα. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα γενικά συμπεράσματα που προκύπτουν από την παρούσα Π.Δ. και γίνεται μια περιληπτική αναφορά σε τεχνικές που μπορούν συνδυαστούν με τη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης του νερού και της καύσης του Η2 στη ΜΕΚ έτσι ώστε να βελτιωθούν στο μέλλον. Ολοκληρώνοντας την παρούσα Π.Δ. εξάγεται το συμπέρασμα ότι το Η2 είναι το καύσιμο του μέλλοντος αφού υπάρχει σε αφθονία στη φύση και επιπλέον δεν επιβαρύνει την ατμόσφαιρα με επιβλαβή ρύπους που σήμερα δημιουργούν πληθώρα περιβαλλοντικών προβλημάτων. Όπως διαπιστώνεται και από τα αποτελέσματα που εξάγονται μέσω των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν, το Η2 μπορεί επίσης να εξοικονομήσει μεγάλα ποσά συμβατικών καυσίμων γεγονός το οποίο οδηγεί σε ταυτόχρονη εξοικονόμηση οικονομικών πόρων.
URI: http://ktisis.cut.ac.cy/handle/10488/5608
Rights: Απαγορεύεται η δημοσίευση ή αναπαραγωγή, ηλεκτρονική ή άλλη χωρίς τη γραπτή συγκατάθεση του δημιουργού και κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων
Appears in Collections:Πτυχιακές Εργασίες/ Bachelor's Degree Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Μαργαρίτα Αγαθοκλέους.pdf2.61 MBAdobe PDFView/Open
Show full item record

Page view(s) 10

36
Last Week
1
Last month
2
checked on Aug 19, 2017

Download(s) 10

14
checked on Aug 19, 2017

Google ScholarTM

Check


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.