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Inquinamento atmosferico e trasporti: dall’auto elettrica ai bus all’idrogeno
Ing. Giovanni Pede - Responsabile Laboratorio Sistemi e Tecnologie per la Mobilità e l’Accumulo
Giornata di formazione continua in collaborazione con l‘Ordine dei giornalisti del Lazio ROMA 10 marzo 2016
Missioni e tecnologie: un problema di adattamento
Le ragioni dell’elettrico
Analisi “dal pozzo alla ruota” e catena dei rendimenti
I sistemi di accumulo per veicoli elettrici
Prestazioni richieste per le varie tipologie di veicoli
Soluzioni per il trasporto pubblico locale
Soluzioni per il trasporto individuale
L’idrogeno nei trasporti: una soluzione “sostenibile” nell’immediato
Indice della presentazione
Per informazioni
Fonte: GM)
Missioni e prestazioni stradali
Motori a combustione interna
Impatto ambientale
Autonomia
e velocità
Elettricità Idrogeno Idrocarburi
Veicoli elettrici con
batterie al litio
Veicoli elettrici con
batterie Na-NiCl
Veicoli elettrici con
batterie piombo-acido
Veicoli elettrici con
generatore di piccola
potenza (range extender)
Veicoli con FC a
idrogeno di
potenza piena,
ibridizzati e non
Ibridi “full
performance” e/o
“plug in”
Ibridi micro
e minimi
Impatto ambientale
Autonomia
e velocità
Elettricità Idrogeno Idrocarburi
Veicoli elettrici con
batterie al litio
Veicoli elettrici con
batterie Na-NiCl
Veicoli elettrici con
batterie piombo-acido
Veicoli elettrici con
generatore di piccola
potenza (range extender)
Veicoli con FC a
idrogeno di
potenza piena,
ibridizzati e non
Ibridi “full
performance” e/o
“plug in”
Ibridi micro
e minimi
Prestazioni stradali ed impatto ambientale (1)
Prestazioni stradali ed impatto ambientale (2)
Per questo veicolo, nella versione elettrica, il rendimento di conversione in energia meccanica alle ruote risulta intorno al 62 %.
Nella versione termica (GPL) è invece del 16-17% (cicli urbani con prevalenza di transitori)
Macchina
elettrica Trasm. Accumulo
elettrico
15 Wh/km
AC
DC
221 Wh/km
94 % 85 % 92 % 87 %
141 Wh/km1
9 Wh/km
29 Wh/km 27 Wh/km
1 Impostato considerando 100 Wh/t km, M.Ceraolo, UNIPISA
Consumi TTW (tank-to-wheel)
Versione elettrica
Estrazione e trasporto NG: 95,4%
Generaz. E.E. 53,1 %
Trasporto/distrib.: 94%
Complessivo: 48%
Versione GPL
Estrazione e trasporto GPL: 94% (JRC/EUCAR/CONCAWE)
Rendimento della catena “elettrico”: 0,62 x 0,48 = 30% Rendimento della catena GPL: 0,16 x 0,94 = 15%
Nel settore del trasporto, il peso degli idrocarburi potrebbe dimezzarsi!
Consumi WTT (well-to-tank)
Verona 18/05/14
Le emissioni di CO2 in Italia
Emissioni totali
Emissioni trasporto
PEV (pure electric vehicles) of italian production
Piaggio Porter Electric Power / IVECO Daily / Piaggio Liberty e-mail/IndustriaItalianaAutobus Zeus
Veicoli
elettrici
Veicoli
a fuel cell
Veicoli
Ibridi plug-in
Veicoli
Ibridi “full”
Veicoli
Ibridi
“minimi”
Veicoli
Ibridi serie
Veicoli
Ibridi
parallelo
Veicoli
Ibridi range
extender
Sistema di
accumulo
L’universo dei veicoli elettrico-ibridi
Funzioni dell’accumulo elettrico
Micro ibridi Full performance Mild hybrid E-Rev o Batt.Electric
Start & Stop
Frenatura a recupero Frenatura a recupero
Motor assist
Frenatura a recupero
Motor assist
Marcia in elettrico (ridotta)
Marcia in elettrico, di norma
Frenatura a recupero
Opel Ampera
Citroen C2
Toyota Prius
Honda Insight
Start & Stop Start & Stop Start & Stop
Sistema di accumulo Vantaggi Svantaggi
Batteria al Piombo Costo Limitate prestazioni
Batterie Ni – Idruri metallici
Prestazioni: 2 volte Pb in energia,anche meglio in potenza, sicurezza
Costo + elevato
Batteria ad alta temperatura Na NiCl
Prestazioni: 3 volte Pb Modularità ridotta
Batterie al Litio Prestazioni: 4-6 volte Pb Gestione accurata, anche per la sicurezza
Supercondensatori Alta potenza, vita elevata, modularità
Bassa energia
Accumulatori a fluido Alta potenza, vita elevata, modularità
Specifici per ibridi termo-idraulici
Volani Alta potenza, vita elevata Bassa modularità, effetto giroscopico, sicurezza
Sistemi di accumulo per veicoli a trazione elettrica: quadro d’assieme
Le batterie al litio: una tecnologia dalle molte facce
LCO LMO NMC NCA LFP
LiCoO2 LiMn2O4 Li(NiCoMn)O2 Li(NiCoAl)O2 LiFePO4
Litio 7,1% 3,9% 7,3% 7,3% 4,4%
Cobalto 60,2% 9,8% 9,3%
Nickel 25,8% 48,7%
Alluminio 1,6%
Manganese 60,8% 24,0%
Ferro 35,4%
Fosforo 19,6%
LCO NMC LFP
Tensione (V) 3,7 3.7 3,3
N. cicli 500 1500 2000
Densità di energia (Wh/L) 350 300 200
Energia specifica (Wh/kg) 180 150 100
Ridurre il costo della batteria a parità di prezzo unitario (per unità di energia accumulabile)
Per ridurre i costi riducendo il peso della batteria di trazione, le strade sono tre
1. Ridurre l’energia necessaria alla missione: ridurre le dimensioni e/o il peso veicolo
e/o
1. Ricaricare continuativamente, ibridizzando il veicolo: mettere a bordo una seconda sorgente di energia (R-EV)
2. Ricaricare durante il giorno, riducendo il tempo per la ricarica : aumentare le potenze di ricarica, “fast charge”
Fast charge: veicoli studiati “ad hoc”
Shanghai Aowei Technology Development Company &
Sinautec
ZeroFilo Bus
Industria 2015
G & A Engineering s.r.l. Ferrari BSN s.r.l.
T. Huria, G. Lutzemberger, G. Pede, G. Sanna: “Systematic development of series-hybrid bus through modelling”. IEEE VPPC 2010, Vehicle Power and Propulsion Conference, Lille, 1-3/9/2010
Il progetto PBI
Implementazione su minibus: sistema batterie multi stringa - multi modulo
Il re-powering del Tecnobus
F. Baronti, R. Di Rienzo, R. Moras, R. Roncella, R. Saletti, G. Pede , F. Vellucci "Implementation of the fast charging concept for electric local public transport:the case-study of a minibus”, INDIN 2015 IEEE International Conference on Industrial Informatics, 22-24 July 2015, Cambridge, UK
Report 2014 1) “Design and Experimentation of Two-coil Coupling for Electric City-Car WPT Charging”, Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Taylor & Francis, 2) “Design and Experimentation of WPT Charger for Electric City-Car”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 3) “Series-series resonant IPT system analysis under frequency mismatch”, Accepted in Proceedings of IEEE Industrial Electronics International Conference (IECON), 2015 Yokohama, pp. 1-6. 4) Reactive power control for an energy storage system: A real implementation in a Micro-Grid - Journal of Network and Computer Applications- 2015 Experimental Test Campaign on a Battery Electric Vehicle: On-Road Test Results (Part 1) (Part 2) - SAE Int. J. Alt. Power. 4(2):2015, 5) EV fast charging stations and energy storage technologies: a real implementation into the smart grid paradigm – Electric Power System Research Journal Volume 120, March 2015, Pages 96–108 6) Elettrificazione del trasporto pubblico locale: valutazione e risultati per il caso dell’Aquila- Energia Ambiente e innovazione, Rivista bimestrale ENEA, n.3 2015 7) L’evoluzione normativa per l’efficienza energetica nel settore trasporti- Rapporto annuale Efficienza Energetica 2015, ENEA ISBN 978 88 8286 317 3. 8) Il contributo Italiano alla ricerca internazionale in materia di usi finali dell’energia - Rapporto annuale Efficienza Energetica 2015, ENEA ISBN 978 88 8286 317 3. 9) Exposure Assessment of Stray Electromagnetic Fields Generated by a Wireless Power Transfer System -• Proceedings of the 9th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP2015), Lisbon, Portugal, April 12-17, 2015. 10) Experimental assessment of stray electromagnetic fields exposure from a wireless power transfer system prototype - Abstract Collection of the Annual Meeting of the Bioelectromagnetics Society (BioEM 2015), Asilomar, USA, June 14-19, 2015. 11) Multi-source power converter system for EV charging station with integrated ESS- 2015 IEEE 1st International Forum on Research and Technologies for Society and Industry Leveraging a better tomorrow (RTSI) Turin Sept. 16-18, 2015 12) On the energy efficiency of quick DC vehicle battery charging - EVS28 International Electric Vehicle Symposium Kyntex Goyang Korea, May 3-6, 2015 13) Life cycles test on a lithium battery system- IECON 2014, Dallas TX - USA, 29 Ottobre - 1 Novembre 2014 14) Implementation of the fast charging concept for electric local public transport: the case-study of a minibus INDIN 2015, 22-24 Luglio 2015, Cambridge, UK 15) Ultra-fast and contactless charging,a new frontier for the electric vehicle” World Magnetic Conference, Coiltech 2015, 24-25 settembre, Pordenone
R&D in ENEA
E per il trasporto individuale? O batterie piccole…
Giappone: kei jidosha , pesano per circa il 30% dell'intero mercato domestico
Europa: Classe Sub-A e microvetture
Vetturetta da città
D-costo [k€] 2
Abbattim. CO2 [t/10 anni] 3.06
Possibile incentivo [k€] 1,2
Incentivo / D-costo 60%
……oppure il car sharing
Problemi dell’elettrico
Autonomia ridotta
Costo batteria
Necessità di infrastrutture
Caratteristiche del Car sharing
Viaggi brevi
Utilizzo elevato
Parcheggi riservati = punti di ricarica ben sfruttati
…o la ricarica: dalla standard a quella ultrafast
0
Standard charge (AC) 1ph: beetween 4 an 8 hours
3ph: beetween 1 an 2 hours
Battery exchange in a few minutes !
Fast charge (AC or DC) 1 hour or less
Power
Fast charge
Single Ψ BE
Speed
IEC 62196-2
for vehicle inlet
HEMS: home energy management system
EDMS: regional energy data management systems
L’auto come elemento di un sistema
Hydrogen hybrid fuel cell bus
Private and Public Companies joined in a Consortium to design and to manufacture the First Italian Hydrogen Bus
1st Target : approval by National Safety and Transport Board to dispatch public transport service
2nd Target : decrease energy consumption and pollutants emissions
1stOK
Hydrogen for Public Transport Application: past and on-going activities
Consorzio tra RER, Università, Enti di ricerca, Camera di Commercio, Associazioni d’impresa per promuovere azioni per lo sviluppo del sistema produttivo regionale
Regione Emilia-Romagna - D.G. Reti infrastrutturali, logistica e sistemi di mobilità
Ente per le nuove Tecnologie, l’Energia e l’Ambiente -Centro Ricerche Casaccia (Roma)
Società di trasporto pubblico dell’area romagnola nei territori di Cesena, Forli, Rimini e Ravenna
Società di produzione, ricerca applicata e commercializzazione di gas tecnici - industriali, puri e medicinali
MHYBUS - I partner del progetto
H2 CH4
Verona 18/05/14
Messaggi CAN bus
del motore
Verona 18/05/14 Modifica e messa a punto del motore al banco, (ENEA, CRE Casaccia, Roma)
Verona 18/05/14
Prove in normale esercizio a Ravenna, da gennaio 2013 a dicembre 2013
La sperimentazione svolta ci dice le emissioni “dal pozzo alla ruota” di CO2 si riducono del 7,9%
La riduzione delle emissioni di CO2 è quindi del 50% maggiore rispetto a quanto ci si sarebbe aspettato per effetto della sostituzione H2 CH4 (effetto leva = 1.5).
ENEA Research on Transport Systems
Centro Ricerche ENEA “Casaccia” Via Anguillarese km. 1.3 - 00060 Anguillara Sabazia -
Roma, Italy