Soluzioni e Tecnologie per una Mobilità Sostenibile

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1 Dipartimento Energia e Trasporti Istituto Motori Soluzioni e Tecnologie per una Mobilità Sostenibile Ing. Paola Belardini Direttore Istituto Motori

2 Quali necessità???? Motori Convenzionali Acc. Comandata Diesel Motori innovativi LTC: HCCI, CAI Ibridi PFI, SIDI Elettrochimica : H 2 Fuel cell, Batterie, MCI H 2 CIDI Risparmio Energetico e Inquinamento Globale: CO 2, CH 4, N 2 O... Qualità aria urbana Inquinamento locale NOx, PM, HC, CO,... Combustibili Convenzionali da fonti fossili Combustibili Alternativi Gas : CNG, LPG Fuels Ex GN : GTL, DME, MeOH, H 2 Fuels ex biomass Biofuels Biogas

3 Previsioni di scenario per propulsori e propellenti Previsione europea (Eucar) Previsione worldwide (J.D.Power and Associates, World Energy Council ) Energy Demand (x 18 J ) Hydrogen 300 Gas Electricity 2 Synthetic Fuels 0 And biofuels 1 0 Diesel/Gasoline Heavy Oil Gaseous Fuels Millions of Units Liquid Fuels 30 Hydrogen Hybrids 0 Fuel Cell Diesel Gasoline Port Fuel Injected Natural Gas Gasoline Direct Injection GDI

4 Previsione di evoluzione delle tecnologie di trasporto DIVERSIFICAZIONE Motori Combustibili Fonte: General Motors

5 Evoluzione tecnologica dei motori Diesel Benzina Standard europei 00->14 Standard USA 1988-> PM [g/bhp-hr] Pa rticola to [g/km] Euro Euro Euro Euro NOx [g/km] NOx [g/bhp-hr] Evoluzione dei limiti di emissione del Soot/Nox trade off Fonte: Fiat Powertrain EnergyMed, Napoli, 2 Marzo 12

6 Nel breve termine: tecnologia dei motori Riduzione delle perdite energetiche: miglioramento dell aereodinamica, riduzione di pesi ed attritri Incremento dell efficienza della combustione: Sistemi avanzati di iniezione, turbocompressori innovativi; Tecniche di downsizing con turbo charging and Variable Valve Actuation; Controllo del ciclo di pressione, tecniche di EGR; Sistemi di combustione in bassa temperatura. Homogenous Charge Compression Ignition Advanced Diesel Combustion System Combustione in bassa temperatura, Conseguente riduzione degli NOx, Combustione completa del combustibile iniettato Fonte Volkswagen

7 Nuovi tipi di combustione: effetto sui consumi Fonte: IFP Confronto di consumi di combustibili (%) caratteristici di differenti tipi di processi di combustione

8 Nel breve termine: tecnologia dei motori Tecnologia EGR: effetto sul soot Combustione convenzionale (linee continue) EGR + injection timing combustione PCCI Nox con simili valori di soot ot del o s l u s Ef fetto llo a ciclo o o con tr d ell ant icip chiu so Reference Reference Diesel Diesel Fuel: Fuel: nd gen.): GTL; FT FT fuel fuel (2 (2nd st gen.biofuel RME (RapeSeed Methyl Ester); 1 1st gen.biofuel RME (RapeSeed Methyl Ester); st 1 1st gene.biofuel gene.biofuel SME SME (Soybean (Soybean Methyl Methyl Ester); Ester); RME/SME RME/SME

9 Nuovi tipi di combustione: effetto sul particolato Fonte: IFP Confronto di emissioni di particolato (%) caratteristiche di differenti tipi di processi di combustione

10 Nuovi tipi di combustione: effetto su NOx Fonte: IFP Confronto di emissioni di NOx (%) caratteristiche di differenti tipi di processi di combustione

11 Nel breve termine: i combustibili Combustibili: predominanza dei combustibili fossili Gas Naturale Derivati da combustibili gassosi (GTL), biocombustibili diffusione limitata dell idrogeno. Il Gas Naturale è il candidato più probabile per gestire la transizione verso le applicazioni dell idrogeno Gas Gas (CH4) CNG Compressed Natural Gas GTL SYNGAS Gas To Liquid LPG LiquifiePetroleumGas Propano FT Synthesis LNG LiquifiedNaturalGas GTL Ultra-Clean Diesel Jet Fuel Lubricants Alpha olefins Fuels Ex GN NaturalGas Fuels ex biomass EMHV Formaldehyde Ester metilico Olio Vegetale Acetic acid (CO + H2) MTBE DME EtOH Fuels/ Dimethylether CH3OCH3 Methanol AlcolEtilico Etanolo Additives Hydrogen Me MEOH ETBE MethylAlcohol Metanolo Ethyl Tertiary Butyl Ether Olefins Fuel Cells Ammonia DME GTL Gas To Liquid Green Fuels H2 Urea Power Generation LPG Diesel Substitute Fuel Fuel Cells BTL BiomassToLiquid Polyethylen Biogas e Ethylene Glycol Alpha-olefins Polypropylen e Acrylonitril e

12 Nel breve termine: il metano Torque, [Nm] Motori SI Heavy-Duty ad alta efficienza alimentati a gas metano Ac tual Torque Demanded T orque Ac tual Speed Demanded Speed 800 Speed, [r pm] EEV limits Tempo, [s] Obtained values PT NOx % NMHC 0.40 CO % - 80% - 80% TWC PFI

13 Nel breve termine: il biometano Utilizzo di biogas per la propulsione: Biometano Pressure Swing Adsorption Scrubber technologies Chemical absosbtion Membrane separation Vantaggi/Svantaggi Vantaggi/Svantaggi rispetto a propulsione standard: A LIVELLO TECNICO COME CNG COSTO PIU PIU BASSO DEL COMBUSTIBILE; PER QUALUNQUE TIPO DI MOTORIZZAZIONE; MOTORE DEDICATO MONO O BIBI- FUEL (SI); MOTORE DUAL FUEL (CI); COSTO PIU PIU ALTO DEL VEICOLO; APPROVIGIONAMENTO E STOCCAGGIO DEL COMBUSTIBILE;.

14 Nel breve termine: il biometano Confronto con benzina Riduce CO 90%-97% Riduce CO2 25% Riduce NOx 35%-60% Riduce non-methane HC %-75% Più basse emissioni tossiche cancerogene Poco o niente particolato Confronto con Diesel Valori ridotti di particolato Effetto sulle emissioni Riduce significativamente CO Riduce NOx Riduce CO2 25% Riduce significativamente emissioni tossiche cancerogene Più alti valori di emissioni di CH4

15 Nel breve termine: il biometano Emissioni di CNG/Biometano a confronto con Gasolio/Benzina

16 Nel breve termine: i bio-combustibili Additivo ossigenato, ricavato dal biobio-etanolo Mo to ri B Motori Diesel en z in a al % con combustibile diesel Motore lightlight-duty alimentato con miscele na/etanolo Miscele di Benzina ed Etanolo al %, %

17 Nel breve termine: miscele metano/bio-combustibili Motore SI Light-Duty con EGR alimentato con miscele Metano/Idrogeno NG NG/H2 % SA (NG) SA (NG/H2 %) CO NOx più rapido processo di accensione NOx a parità di SA Crank angle, [deg] THC, upstream catalyst, NOx, upstream catalyst, CO, upstream catalyst, Experimental points Experimental points Experimental points Natural Gas Natural Gas Natural Gas Torque, [Nm] Tor que, [Nm] Torque, [Nm] NG NG/H2 % SA (NG) SA (NG/H2 %) Experimental points Experimental points Experimental points NG/H2 % NG/H2 % NG/H2 % Experimental points Experimental points Experimental points Gasoline Gasoline Gasoline Speed, [rpm] Speed, [rpm] Speed, [rpm] Speed, Speed, Speed,[rpm] [rpm] Speed, [rpm] Speed, [rpm] Speed, [rpm] Metano/Idrogeno % Metano/Idrogeno Metano 40 CO, NOx,upstream upstreamcatalyst, catalyst, THC, upstream catalyst, Crank angle, [deg] rpm 80 Nm implica più alti NOx, upstreamcatalyst, catalyst, THC, upstream catalyst, CO, upstream 45 5 Torque, [Nm] Torque, Torque, [Nm] [Nm] 40 In-cylinder pressure, [bar] Miscela ng/h2: Anticipo ritardato a compensazione della maggiore velocita di reazione di-thc h2 17 rpm 80 Nm Torque [Nm] Torque, Torque,,[Nm] [Nm] In-cylinder pressure, [bar] 45 Benzina

18 Nel lungo termine: Idrogeno L Idrogeno come combustibile del futuro. ol utilizzo dell idrogeno sarà propizio ai fini dell immissione di CO2 in atmosfera purchè prodotto da fonte rinnovabile. Il passaggio dai combustibili fossili all idrogeno : perchè? ola riduzione delle riserve di combustibili fossili, ol aumento dei costi dei prodotti petroliferi, oconsiderazioni di difesa ambientale. Il passaggio dai combustibili fossili all idrogeno : perchè mai? onon esiste rete di distribuzione, odifficoltà di approvigionamento per l utente finale, oingenti investimenti, non motivati in fase iniziale da adeguata utenza. Necessità di strategie politiche e sociali di indirizzamento, a sostegno del necessario sviluppo tecnologico

19 Nel lungo termine: Idrogeno Laboratorio DHARMA* * Device for Hydrogen-Air Reaction Mode Analysis Camera ad alta pressione per lo studio di H2 (puro o in miscele) in condizioni tipiche dei motori a c.i. Caratteristiche di combustione di H2 Sviluppo di propulsori dedicati Riduzione emissioni Aumento efficienza Propagazione di fiamma di H22 Pressione Pressione 3 3e e6 6 bar bar = 1 (motori con = 1 (motori con catalizzatore) catalizzatore)

20 Nel medio termine: Ibrido Auto elettrica Il veicolo ibrido può gestire i tempi della transizione a tecnologie alternative di trasporto per raggiungere bassi valori di consumi e tipologie di veicolo EZEV (Equivalent Zero Emission Vehicle). Necessità di strategie politiche e sociali per sostenere il costo della transizione e per convogliare gli investimenti industriali finalizzati all "electrificazione del motore. Vari tipi di veicolo ibrido: oibrido termico, oibrido a fuel cell, orange Extender.. Auto Elettrica Configurazioni diverse in funzione di: oautonomia di percorrenza, olocalizzazione dell utilizzo, otipologia d utenza.

21 Nel medio termine: Ibrido Auto elettrica Configurazione in funzione della specifica applicazione: non esiste una scelta jolly!!!!!!!!!! (Source: Ricardo and Daimler)

22 Nel medio termine: Ibrido Auto elettrica Attività sperimentale su fuel cell power trains per ottimizzare efficienza e prestazioni AIR FUEL CELLS SYSTEM INVERTER OUTPUT H2 O M Electric Drive AUXILIARY MANAGEMENT H2 Optic Cable Realizzazione di prototipi in cooperatione con produttori di veicoli elettrici, di fuel cells, di componenti elettronici e di hydrogen suppliers DC/DC Controlled Converter Battery Control Unit BATTERY PACK Br ak e Control Unit Ibrido a Fuel Cell ad idrogeno (PEM) Alta Densità di Potenza - Alta efficienza Test benches per sistemi a fuell cells ad H2 fino a 30kW e sist di propulsione fino a 1kW HIERARCHIZED CONTROL SYSTEM OF POWER TRAIN Minibus 30 kw H2 scooter 2 kw

23 Nel medio termine: Ibrido Auto elettrica Sistemi innovativi di automotive powertrain Kwe Ra-Ex (Range Extender) Applicazioni City car ibride serie e vetture Plug-in elettriche Risultati conseguibili Riduzione significativa delle dimensioni e dei relativi costi del pacco batterie Conferimento al veicolo di una autonomia dipendente solo dalla capacità del serbatoio (@ 90 km/h constant speed) Elevata efficienza complessiva (motore monocilidrico ottimizzato Elevata compattezza e agevole inseribiltà all interno di un moderno veicolo Immediata fattibilità industriale e ridotti costi di produzione.

24 Conclusioni Il trasporto su strada motore a combustione interna. Tecnologia dominante per i prossimi decenni Tecniche ottimizzate di combustione, Combustibili sia alternativi che convenzionali Componentistica avanzata, Sistemi di after-treatment Diversificazione di motore /combustibile in funzione dell applicazione: oauto per uso privato oflotte di veicoli in ambito municipale, oflotte di veicoli per car sharing, oveicoli per accesso a città d arte. L attuale sistema di trasporto è il risultato di un evoluzione spontanea compiutasi nell arco di un secolo. L entità e la rapidità del cambiamento impone pianificazione e strategie politiche ad indirizzamento degli investimenti industriali. Ricerca ---- Soggetti Politici ---- Industria Esperimenti su scala reale per Sviluppo di prototipi sperimentali per applicazioni di nicchia

25 Istituto Motori -CNR Grazi e