Sistemi di accumulo per i veicoli elettrici

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1 Sistemi di accumulo per i veicoli elettrici Ing. Giovanni Pede - Responsabile Laboratorio Sistemi e Tecnologie per la Mobilità e l Accumulo Seminario PROFESSIONI EMERGENTI E NUOVE OPPORTUNITA PER GIOVANI INGEGNERI Ordine degli Ingegneri - Milano 23 febbraio 2016

2 Indice della presentazione Le ragioni dell elettrico Analisi dal pozzo alla ruota e catena dei rendimenti Missioni e tecnologie: un problema di adattamento I sistemi di accumulo per veicoli elettrici Panoramica delle prestazioni richieste per le varie tipologie di veicoli I sistemi di accumulo Vantaggi e svantaggi delle diverse tecnologie La ricerca e sviluppo attuale

3 Premessa: quale impatto ambientale per i combustibili di origine fossile? Consumo delle risorse Consumo delle materie prime Consumo di energia Danneggiamento della qualità dell eco sistema Emissione di gas serra Emissione di sostanze responsabili delle piogge acide Danneggiamento della salute umana Emissione di gas inquinanti

4 Un confronto specifico, Piaggio Porter Elettrico: diagramma di Sankey TTW (tank-to-wheel) 141 Wh/km 1 9 Wh/km 27 Wh/km 15 Wh/km 29 Wh/km 221 Wh/km Trasm. Macchina elettrica AC DC Accumulo elettrico 94 % 85 % 92 % 87 % 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) 1 Impostato considerando 100 Wh/t km, M.Ceraolo, UNIPISA

5 Consumi WTT (well-to-tank) Rendimenti dalla produzione (pozzo) al punto di rifornimento (distributore o presa in BT) Versione GPL Versione elettrica Estrazione e trasporto GPL: 94% Estrazione e trasporto NG: 95,4% (JRC/EUCAR/CONCAWE) Generaz. E.E. 53,1 % Trasporto/distrib.: 94% In totale: 47,6% Consumi di energia primaria WTW (well-to-wheel) Considerando anche questi rendimenti, i consumi aumentano come segue : versione a GPL (5.25kg/100km) versione elettrica 710 Wh/km 755 Wh/km 221 Wh/km 464 Wh/km 1 kg GPL = 49 MJ = 13 kwh) ( 38 %)

6 Missioni e prestazioni stradali Motori a combustione interna Per informazioni mario.conte@enea.it Fonte: GM)

7 Prestazioni stradali ed impatto ambientale (1) Autonomia e velocità Veicoli elettrici con generatore di piccola potenza (range extender) Ibridi full performance e/o plug in Ibridi micro e minimi Veicoli elettrici con batterie al litio Veicoli con FC a idrogeno di potenza piena, ibridizzati e non Veicoli elettrici con batterie Na-NiCl Veicoli elettrici con batterie piombo-acido Elettricità Idrogeno Idrocarburi Impatto ambientale

8 Prestazioni stradali ed impatto ambientale (2)

9 L universo dei veicoli elettrico-ibridi Veicoli elettrici Veicoli Ibridi minimi Veicoli Ibridi range extender Veicoli Ibridi plug-in Sistema di accumulo Veicoli a fuel cell Veicoli Ibridi parallelo Veicoli Ibridi serie Veicoli Ibridi full

10 Funzioni dell accumulo elettrico Toyota Prius Honda Insight Opel Ampera Citroen C2 Marcia in elettrico (ridotta) Marcia in elettrico, di norma Motor assist Motor assist Frenatura a recupero Frenatura a recupero Frenatura a recupero Start & Stop Start & Stop Start & Stop Start & Stop Frenatura a recupero Micro ibridi Mild hybrid Full performance E Rev o Batt.Electric

11 Le prestazioni richieste ad un accumulo Deve pesare poco, quindi elevata energia e potenza specifiche (per unità di peso) Deve occupare poco spazio, quindi elevata densità d energia e di potenza Deve esser sicura e lavorare a lungo: robustezza e durata Deve avere un buon rapporto costo/prestazioni, a fine vita del mezzo (LCA)

12 Peso ed ingombro: dipende dalla potenza ed energia specifica * * Il valore indicato è un valore equivalente, che tiene conto del rapporto tra i rendimenti medi delle motorizzazioni elettriche, 80%, e di quelle termiche, 20%, per un corretto confronto sul diagramma

13 Durata : dipende dal dimensionamento e dalla gestione Durata delle batterie in funzione della temperatura Anni 6 Ore Durata delle batterie in funzione del livello di potenza richiesto Potenza specifica in W/kg Temperatura d'esercizio ( C) Fonte: Magna Steyr Fonte: ENEA Fonte: ENEA

14 Sicurezza d uso: dipende dal progetto del sistema e dalla gestione

15 Costo a fine vita: costo del sistema x n.sostituzioni

16 Ridurre il costo a parità di prezzo unitario 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 durante il giorno, riducendo il tempo per la ricarica : aumentare le potenze di ricarica, fast charge o sostituire la batteria 2. Ricaricare continuativamente, ibridizzando il veicolo: mettere a bordo una seconda sorgente di energia

17 Fast charge: veicoli studiati ad hoc Shanghai Aowei Technology Development Company & Sinautec ZeroFilo Bus Industria 2015

18 Sistemi di accumulo per veicoli a trazione elettrica: quadro d assieme Sistema di accumulo Vantaggi Svantaggi Batteria al Piombo Costo Limitate prestazioni Batterie Ni Idruri metallici Batteria ad alta temperatura Na NiCl Batterie al Litio Supercondensatori Accumulatori a fluido Volani Prestazioni: 2 volte Pb in energia,anche meglio in potenza, sicurezza Prestazioni: 3 volte Pb Prestazioni: 4 6 volte Pb Alta potenza, vita elevata, modularità Alta potenza, vita elevata, modularità Alta potenza, vita elevata Costo +elevato Modularità ridotta Gestione accurata, anche per la sicurezza Bassa energia Specifici per ibridi termoidraulici Bassa modularità, effetto giroscopico, sicurezza

19 Le batterie al litio: una tecnologia dalle molte facce LCO LMO NMC NCA LFP LiCoO 2 LiMn 2 O 4 Li(NiCoMn)O 2 Li(NiCoAl)O 2 LiFePO 4 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, ,3 N. cicli Densità di energia (Wh/L) Energia specifica (Wh/kg)

20 Il mercato: dalla singola cella alla batteria

21 Dalla cella alla batteria al sistema Fonte: Mercedes

22 Il ruolo dell elettrificazione

23 Grazie dell attenzione! Centro Ricerche ENEA Casaccia Via Anguillarese km Anguillara Sabazia - Roma, Italy