Sistemi di trazione innovativi per autoveicoli: dai nuovi combustibili ai veicoli elettrici

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1 Sistemi di trazione innovativi per autoveicoli: dai nuovi combustibili ai veicoli elettrici Prof. Fabio Orecchini Responsabile GRA Gruppo di Ricerca Automotive

2 Indice Scienza della Sostenibilità e Sostenibilità Energetica Tecnologie alternative a quelle convenzionali finalizzate alla mobilità sostenibile MCI alimentati da biocombustibili Sistemi di trazione Ibridi Veicoli Elettrici (Plug-in) Veicoli Elettrici (Fuel Cell) Attività del GRA (Gruppo di Ricerca Automotive)

3 SOSTENIBILITÀ ENERGETICA

4 Sostenibilità Energetica L esigenza crescente di sostenibilità in tutti i settori sta portando alla nascita di una nuova Scienza: LA SCIENZA DELLA SOSTENIBILITÀ Sfida cruciale di questo secolo è la transizione verso un SISTEMA ENERGETICO SOSTENIBILE

5 Sostenibilità Energetica Lo schema di definizione della Sostenibilità Energetica proposto dal gruppo SOSTENIBILITÀ DEI SISTEMI ENERGETICI E DELLA MOBILITÀ del CIRPS identifica 5 pilastri per la sostenibilità energetica: Rinnovabilità delle risorse; Efficienza nella conversione, distribuzione e uso dell energia ; Riduzione dell impatto ambientale; Aumento dell accesso all energia; Adattamento dei sistemi energetici alle condizioni sociali, economiche e ambientali locali

6 CICLI CHIUSI DELLE RISORSE ENERGETICHE Quello che ieri sembrava impossibile, oggi è il nostro obiettivo: realizzare sistemi energetici che non consumino risorse e non producano rifiuti Sistemi energetici basati su cicli chiusi delle risorse

7 TECNOLOGIE ALTERNATIVE A QUELLE CONVENZIONALI FINALIZZATE ALLA MOBILITÀ SOSTENIBILE

8 Biocombustibili: ciclo chiuso CO 2 della Biomassa Nei processi di digestione, combustione o decomposizione, la biomassa rilascia la stessa quantità di CO 2 che ha fissato Possono esserci emissioni dovute a: Coltivazione Macchinari Fertilizzanti Diserbanti e antiparassitari Raccolta Trasporto Modena, 8 03 dicembre 2009

9 BIODIESEL Materia base Soia Colza Girasole Grassi animali Oli e grassi vegetali anche di scarto Trattamenti Spremitura per ottenere olio vegetale Transesterificazione: l olio reagisce con metanolo in presenza di catalizzatori alcalini e si ottiene una miscela di esteri metilici di acidi grassi Modena, 9 03 dicembre 2009

10 PRODUZIONE DI BIODIESEL

11 Confronto tra il Biodiesel e il Gasolio Biodiesel puro Gasolio PCI (kj/kg) Densità kj/kg kj/litro kg/m ,86 0,9 0,82 0,845 Punto di infiammabilità C Viscosità a 40 C mm 2 /s 3, ,5 Numero di cetano 51 49

12 BIOETANOLO Combustibili di sintesi Fermentazione anaerobica del glucosio Da biomasse di tipo cellulosico Produzione di zuccheri dalla biomassa Fermentazione degli zuccheri Fasi Pretrattamento (lavaggio, sminuzzamento) Idrolisi (chimica, acido solforico o soda caustica, o fisica, steam explosion, o biologica, cellulasi o amidasi) Fermentazione anaerobica Distillazione e deidratazione.

13 PRODUZIONE DI BIOETANOLO

14 Confronto tra il Bioetanolo e la Benzina Bioetanolo Benzina Densità kg/litro 0,789 0,753 Solubilità in acqua Solubile Non solubile Temperatura di autoaccensione C 423 > 200 Limiti di infiammabilità in aria Superiore Inferiore % Vol % Vol 4,3 1,4 19 7,6 Viscosità a 20 C mm 2 /s 1,17 0,5 1 Potere calorifico inferiore kj/litro kj/kg

15 Ford Focus Flexi-Fuel BioEtanolo

16 Saab BioPower Hybrid Cabrio

17 Ferrari F430 Biofuel

18 TRAZIONE IBRIDA Un veicolo si dice ibrido quando nel suo powertrain sono presenti due differenti tipologie di motori primi di trazione Termico Elettrico Riduzione dei consumi e delle emissioni Recupero dell energia in frenata Aumento del rendimento globale e del rendimento medio del MCI Miglioramento condizioni di combustione MCI 18

19 Configurazione Ibrida MCI e Motore Elettrico Ibrido serie Ibrido parallelo Ibrido serie-parallelo 19

20 IBRIDO SERIE 20

21 Flussi di energia Configurazione Serie Batterie Serbatoio della benzina Motore elettrico Power controller Generatore Motore termico : flussi diretti Ruote motrici : flussi inversi 21

22 CARATTERISTICHE IBRIDO SERIE Il motore termico lavora a punto fisso con rendimenti elevati A benzina: 25 % Diesel: 35 % Può funzionare come ZEV Il motore elettrico deve fornire l intera potenza alle ruote Recupero dell energia in frenata 22

23 FLUSSI DI ENERGIA IBRIDO SERIE Energia generatore (705 kj) Energia batterie (648 kj) Energia inverter (551 kj) Energia al motore elettrico (524 kj) Energia all albero (482 kj) Energia alle ruote (448 kj) Energia primaria (2.014 kj) Perdite MCI (1.309 kj) Perdite batterie (56 kj) Perdite batterie (97 kj) Perdite all inverter (28 kj) Perdite trasmiss. (34 kj) Perdite motore elettrico (42 kj) Rendimento alle ruote: 22,5 % 23

24 IBRIDO PARALLELO 24

25 CARATTERISTICHE IBRIDO PARALLELO Trazione solo termica o solo elettrica In caso di utilizzo di motori ruota, eliminazione delle perdite di trasmissione meccanica Recupero dell energia in frenata Con queste soluzioni: rendimento alle ruote: ~ 30 % 25

26 CARATTERISTICHE IBRIDO PARALLELO Il motore non lavora a punto fisso, ma comunque con rendimenti elevati grazie all ausilio del motore elettrico Può funzionare come ZEV Le batterie devono essere caricate dalla rete (a parte il recupero dell energia in frenata) Il motore elettrico non deve fornire necessariamente l intera potenza alle ruote (se non in ZEV) 26

27 IBRIDO SERIE PARALLELO 27

28 CARATTERISTICHE IBRIDO SERIE-PARALLELO Il motore non lavora a punto fisso, ma comunque con rendimenti elevati grazie all ausilio del motore elettrico Può funzionare come ZEV Le batterie sono ricaricate dal motore termico (a parte il recupero dell energia in frenata) Il motore elettrico non deve necessariamente fornire l intera potenza alle ruote 28

29 CONFIGURAZIONI IBRIDO Serie Parallelo Serie-Parallelo

30 CLASSIFICAZIONE DEGLI IBRIDI Funzione dell ibrido Sistema ibrido Stop & start Trazione elettrica Recupero energia in frenata Marcia soltanto elettrica Ricarica elettrica esterna Veicolo non ibrido Possibile NO NO NO NO Micro HEV SI NO Minimo NO NO Mild HEV/Medium HEV SI Limitata SI Minima NO Full HEV SI SI SI SI NO Plug-in HEV (PHEV) SI SI SI SI SI Extended Range HEV (ERHEV) SI SI SI SI SI

31 Function Increase Increase in power CLASSIFICAZIONE DEGLI IBRIDI No Substantial Propulsion Assist Motor / Generator Peak Power Electric Propulsion Assist Ref: Honda IMA Ref: Escape Hybrid Increase in Storage System Voltage 12V 14+xV 36V 144V 288+V Electric Accessories Comfort Cranking Limited Regenerative Braking Crank to Idle Torque Smoothing Launch Assist / Shift Assist Fullhybrid Mildhybrid Electric Powerpoint Medium Power Assist / Full Regen Braking Full Power Assist / Electric Drive Microhybrid Mediumhybrid 31

32 Micro Hybrid

33 Mild Hybrid Honda

34 Full Hybrid Toyota Prius

35 Full Hybrid in arrivo come versione a listino di modello "convenzionale" Toyota Auris

36 L AUTO ELETTRICA Schema di un Powertrain Elettrico Carica Batterie Mot/Gen elettrico Convertitore AC/DC Batterie di trazione Inverter sistema di regolazione

37 RENDIMENTO Rendimento di scarica delle batterie: 90 % Rendimento dell inverter: del 95 % Rendimento del motore elettrico del 92 % Rendimento globale: 78 % Perdite meccaniche (circa 7%) Rendimento alle ruote: 73 % circa. 37

38 FLUSSI DI ENERGIA DAL SERBATOIO ALLE RUOTE Energia batterie (612 kj) Energia inverter (582 kj) Energia al motore elettrico (524 kj) Energia all albero (482 kj) Energia alle ruote (448 kj) Perdite batterie (42 kj) Perdite all inverter (28 kj) Perdite motore elettrico (42 kj) Perdite di trasmissione (34 kj) 38

39 POSSIBILI SOLUZIONI PER MIGLIORARE L EFFICIENZA Motori ruota Si eliminano le perdite meccaniche di trasmissione Recupero dell energia in frenata Si recupera parte dell energia da dissipare in frenata 39

40 FLUSSI DI ENERGIA DAL SERBATOIO ALLE RUOTE Alle batterie (68 kj) Perdite carica batterie Perdite nell inverterperdite nel generatore (7 kj) (4 kj) (7 kj) Energia alle Energia Energia dalle batterie all inverter ruote (75 kj) (79 kj) (86 kj) Batterie (502 kj) Inverter (513 kj) Energia al motore elettrico (487 kj) Energia alle ruote (448 kj) Rendimento: 89,3 % Perdite scarica batterie (57 kj) Perdite Inverter (26 kj) Perdite motore elettrico (39 kj) 40

41 ANALISI WELL TO TANK ELETTRICITA Energia elettrica prelevata dalla rete di distribuzione perdite di trasporto e distribuzione dell energia elettrica rendimento medio di conversione del parco elettrico nazionale emissioni specifiche del parco elettrico nazionale ripartizione delle fonti primarie per la produzione di energia elettrica (percentuale di rinnovabili e non rinnovabili) consumi di energia per l estrazione, il trasporto, la raffinazione e la distribuzione del combustibile. Energia elettrica prodotta in loco Efficienza della tecnologia Risorsa primaria usata Modena, dicembre 2009

42 Auto ricaricabile

43 Plug-in Hybrid

44 Auto elettrica con estensione di autonomia Opel

45 Auto elettrica a batterie

46 Auto elettrica a batterie

47 Auto elettrica con cambio veloce batterie

48 Opel Autoplaya di Cesenatico concessionaria auto a emissioni zero

49 TRAZIONE A IDROGENO FC MCI 49

50 TRAZIONE A IDROGENO MCI H2 Il ciclo termodinamico è il ciclo Otto I rendimenti sono potenzialmente più elevati Emissioni No HC No CO No CO 2 Piccole quantità di NO x 1 H O N2 H2O N2 50

51 COMBUSTIONE DELL IDROGENO Elevata velocità di fiamma Ampi limiti di infiammabilità Bassa energia di ignizione Elevata temperatura di fiamma Elevato potere calorifico Bassa distanza di quenching 51

52 Auto a idrogeno MCI BMW

53 Problemi di Sicurezza Alta temperatura di autoaccensione (550 C) 15 volte più leggero dell aria Bassa radiazione termica della fiamma Non è tossico né corrosivo 53

54 TRAZIONE A IDROGENO FC Il rendimento FC Più elevato del MCI (più del doppio) Pressoché costante a regimi variabili Nei cicli reali il rendimento alle ruote è meno influenzato dalle variazioni di carico rispetto MCI Maggiori costi Allo stato attuale il costo delle FC è oltre cento volte il costo dei MCI circa /kw le FC, circa 30 /kw MCI Minore durata Allo stato attuale circa ore 54

55 POWERTRAIN AD IDROGENO CON FC ME Sistema di FC stack Sistema di controllo ME FC stack controllo Batterie Supercondensatori Supercondensatori ME Sistema di controllo FC stack ME Sistema di controllo FC stack Batterie 55

56 TRAZIONE A IDROGENO CON FC Configurazione diretta Rendimento più elevato per l assenza di carica/scarica batterie e/o supercondensatori Minori ingombri e pesi per l assenza di batterie e/o supercondensatori Configurazioni ibrida Possibilità di recupero dell energia in frenata Migliore risposta ai transitori 56

57 EFFICIENZA CONFRONTO MCI - FC h 50 % FC 25 % MCI Ciclo urbano Ciclo extraurbano Autostrada P 57

58 FLUSSI DI ENERGIA DAL SERBATOIO ALLE RUOTE (DIRETTA) Energia primaria (1.015 kj) Energia elettrica (558 kj) Energia all inverter (551 kj) Energia al motore elettrico (524 kj) Perdite Inverter (28 kj) Energia all albero (482 kj) Energia alle ruote (448 kj) Perdite di trasissione (34 kj) Perdite nelle celle (457 kj) Consumi ausiliari (28 kj) Perdite motore elettrico (42 kj) 58

59 STOCCAGGIO DELL IDROGENO A BORDO Gas compresso Pressioni: Standard attuale: fino a 350 bar In corso di standardizzazione: 700 bar Energia spesa per la compressione 4 7 % del contenuto energetico (in funzione della pressione di stoccaggio) Idrogeno liquido Temperatura di stoccaggio C Energia spesa per la liquefazione Circa 30 % dell energia stoccata Idruri Metallici 59

60 Stato dell arte e prospettive dell auto ad idrogeno STACK Riduzione dei costi Miglioramento della densità di potenza Miglioramento tolleranza al CO SISTEMA DI ACCUMULO Compattezza Rapido start-up e risposta ai transitori Diminuzione costi Sicurezza SISTEMA DI POTENZA Riduzione pesi e volumi del sistema Sviluppo di componenti (elettronica di potenza, drive train, sistema di controllo) ottimizzati per la trazione INFRASTRUTTURE Estese Affidabili Basso costo Sicure Facili da integrare/sostituire 60

61 Auto a idrogeno con celle a combustibile

62 Auto a idrogeno con celle a combustibile

63 ATTIVITÀ DEL GRA GRUPPO DI RICERCA AUTOMOTIVE

64 Attività del GRA Gruppo di Ricerca Automotive L attività scientifica dell Unità fa riferimento allo schema dei cicli chiusi delle risorse naturali applicato nel campo della mobilità. Sviluppo di sistemi innovativi per la trazione (attraverso reverse engineering, sistemi di trazione ibrida ed elettrica ad alta efficienza, componenti modulari, ottimizzazione dei flussi energetici) Analisi energetico emissive dei veicoli in condizioni reali attraverso strumentazioni sviluppate dal GRA. Progettazione e messa in opera di stazioni di autoproduzione e distribuzione di idrogeno (con produzione via elettrolisi) e impiego di un autobus alimentato da fuel cell. Attività sperimentale nel laboratorio Automotive

65 H2Roma energy&mobility show H2Roma è un contenitori di eventi. Il primo "Workshop Scientifico con la Stampa" nasce nel 2002 dall'intuizione e dallo sforzo di ricercatori CIRPS, CNR ed ENEA impegnati sul fronte Idrogeno come Vettore Energetico. H2Roma intende mostrare la roadmap dell innovazione nel mondo dell'auto, della mobilità, dell energia e dell ambiente capace di alimentare lo sviluppo di un mondo più prospero, libero e dinamico È possibile salire a bordo di auto ibride, elettriche e a idrogeno, provando le innovazioni più importanti presenti o in arruvo sul mercato

66 Prof. Fabio Orecchini Responsabile Unità SEM Sostenibilità dei sistemi Energetici e della Mobilità fabio.orecchini@uniroma1.it GRAZIE PER LA VOSTRA ATTENZIONE UN RINGRAZIAMENTO AI GRUPPI DI RICERCA GEA E GRA