Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere

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Cornelio Casadei
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1 Bari, 26/07/2011 Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere 6 -Evoluzione degli accumulatori per applicazioni Giuseppe Mauri Dip. Sviluppo del Sistema Elettrico Ricerca sul Sistema Energetico - RSE Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri

Sviluppo del Sistema Elettrico Ricerca sul Sistema Energetico - RSE Veicoli

2 Batterie per applicazioni Veicolari Elemento chiave è la batteria che ne determina, a parità di prestazioni, i costi e le criticità! Emas Ital Design Giugiaro Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri - 2 -

Emas Ital Design Giugiaro Veicoli elettrici ricaricabili da rete:

3 Batterie per applicazioni Veicolari ieri oggi domani Fuel Cell Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri - 3 -

4 Requisiti richiesti agli accumulatori elettrochimici per il veicolo elettrico! Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri - 4 -

5 I minimi obiettivi economici e prestazionali Criteri del consorzio USABC per i veicoli elettrici: Parametro Obiettivi minimi Densità di potenza [W/l] 600 Picco di potenza specifica in scarica all 80% DOD (depth of discharge), per 30 s [W/kg] 400 Densità di energia (tasso di scarica C/3) [Wh/l] 300 Energia specifica (tasso di scarica C/3) [Wh/kg] 200 Rapporto tra potenza specifica ed energia specifica 2:1 Dimensione del pacco batteria [kwh] 40 Cicli di vita (DOD = 80%) [num.] 1000 Tempo di vita [anni] 10 Costo specifico (con una produzione di unità l anno da 40 kwh) [$/kwh] Temperatura di lavoro [ C] da -40 a Tempo di ricarica normale [ore] Tempo di ricarica rapido da 3 a 6 ore 15 minuti fino all 80% del SOC (state of charge) Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri - 5 -

specifica 2:1 Dimensione del pacco batteria [kwh] 40 Cicli di vita (DOD = 80%) [num.

6 Scegliere le caratteristiche I sistemi Li-ione sono sicuramente preferibili per le maggiori densità di energia principalmente legate al basso peso dei materiali. Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri - 6 -

7 Batterie e ioni di Litio 1. Batterie agli ioni di litio con elettrolita liquido 2. Batterie litio ioni-polimeri Catodo: ossido litiato di metallo di transizione con struttura a strati o tunnel (LiCoO 2, LiFePO 4, NCA,..) Anodo: Grafite o titanato di litio Elettrolita: Sali di litio disciolti in solvente organico LiCoO Carica 2 + 6C LixC6 + Li1 xcoo2 Scarica SEI: strato di separazione all interfaccia anodo-elettrolita. Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri - 7 -

NCA,..) Anodo: Grafite o titanato di litio Elettrolita: Sali di litio disciolti in solvente organico LiCoO Carica 2 + 6C LixC6 + Li1

8 Batterie e ioni di Litio Vantaggi: Alta densità di energia e di potenza Bassa resistenza interna Alta efficienza energetica Numero elevato di cicli di vita Rendimento amperorametrico unitario Svantaggi: Sensibilità alla sovraccarica e alla sovratemperatura Necessitano di sistemi elettronici di gestione e controllo per le singole celle e la batteria Costi ancora elevati ( /kwh) Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri - 8 -

sovratemperatura Necessitano di sistemi elettronici di gestione e controllo per le singole celle e la batteria Costi ancora

9 Da che cosa dipendono le prestazioni delle celle per applicazioni? Dai MATERIALI che devono essere: a basso costo disponibili in grandi quantità non inquinanti processi industriali a bassa tecnologia alto livello di sicurezza Dalla costruzione della cella e dall assemblaggio delle celle che deve essere STANDARDIZZATO Dal meccanismo di controllo della TEMPERATURA dell accumulatore a bordo veicolo Dalla strumentazione di controllo del funzionamento della batteria La ricerca su questi temi già pronta a passare dal livello di laboratorio al livello pre-industriale - S.Bodoardo Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri - 9 -

costruzione della cella e dall assemblaggio delle celle che deve essere STANDARDIZZATO Dal meccanismo di controllo della TEMPERATURA dell accumulatore a bordo veicolo Dalla

10 I COSTI DEI DIVESI MATERIALI anodo catodo Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri

11 Batterie Zebra La batteria ZEBRA appartiene alla famiglia degli accumulatori elettrochimici ad alta temperatura. Temperatura interna di lavoro attorno ai 300 C. Presenta elettrodi allo stato fuso, divisi da un separatore ceramico: 2Na Scarica + NiCl2 Ni + 2NaCl Carica Catodo: cloruro di nichel Anodo: sodio allo stato liquido Separatore: allumina che svolge anche la funzione di elettrolita Elettrolita liquido: costituito dal tetracloroalluminato di sodio Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri

Presenta elettrodi allo stato fuso, divisi da un separatore ceramico: 2Na Scarica + NiCl2 Ni + 2NaCl Carica Catodo: cloruro di nichel Anodo:

12 Batterie Zebra Vantaggi: Insensibilità alla temperatura ambiente Alta densità di energia Numero elevato di cicli di vita Rendimento amperorametrico unitario Svantaggi: Bassa potenza di picco Autoconsumo necessario per garantire la temperatura interna di funzionamento (in stand-by e scollegata da rete) Necessitano di sistemi elettronici di gestione e controllo della batteria Costi ancora elevati (600 /kwh) Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri

di funzionamento (in stand-by e scollegata da rete) Necessitano di sistemi elettronici di gestione e controllo della batteria

13 Batterie provate Batteria Thundersky Batteria Kokam Batteria GAIA Batteria ZEBRA Le prove di caratterizzazione per applicazioni hanno coinvolto: due batterie litio-ioni una batteria litio-ioni-polimeri una batteria ad alta temperatura Sodio/Cloruro di Nichel Le prove sono state effettuate su batterie nuove. Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri

litio-ioni-polimeri una batteria ad alta temperatura Sodio/Cloruro di Nichel Le prove sono state

14 Caratteristiche delle batterie provate Produttore FZ SONIK ZEBRA Thundersky GAIA Kokam Modello Z5-278-ML3C-64 Z5-557-ML3C-32 TS-LFP90AHA HP SLPB NCA Tipologia Alta temperatura Alta temperatura Litio-ioni Litio-ioni Litio-ionipolimeri Anodo Sodio Sodio Grafite (C6) Grafite (C6) n.d. Catodo Cloruro di nichel Cloruro di nichel LiYFePO 4 NCA n.d. Elettrolita NaAlCl 4 e - allumina NaAlCl 4 e - allumina LiPF 6 elettrolita organico LiPF 6 elettrolita organico n.d. Capacità nominale [Ah] Tensione nominale [V] Energia nominale [kwh] ,2 1,7 3,9 Massima corrente 450 (limitato a di scarica [A] 150 dal BMS) 500 Vita attesa [cicli] DOD 80% >2000 > Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri

d. Capacità nominale [Ah] 64 32 90 45 100 Tensione nominale [V] 278 557 36 36 37 Energia nominale [kwh] 18 18 3,2 1,7 3,9 Massima corrente 450 (limitato a 234 117 270 di scarica [A] 150 dal BMS) 500

15 Conclusioni 1 Le batterie al litio presentano un rendimento energetico generalmente superiore al 90% Le batterie al litio risentono della temperatura ambiente e le prestazioni sono ridotte a bassa temperatura La batteria ZEBRA presenta un rendimento compreso tra il 70 e il 90% La batteria ZEBRA risente dei regimi di scarica più elevati L elevata resistenza interna della batteria ZEBRA determina limiti sulla massima potenza erogabile Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri

e il 90% La batteria ZEBRA risente dei regimi di scarica più elevati L elevata resistenza interna della batteria ZEBRA determina limiti

16 Conclusioni 2 Tra le batterie in prova Kokam e GAIA sono le più prossime agli obiettivi forniti dall USABC per il picco di potenza in scarica La batteria litio-ioni-polimeri Kokam ha densità di energia prossima agli obiettivi forniti dall USABC La batteria ZEBRA potrebbe acquisire nuovo interesse sia mediante il miglioramento della tecnologia che attraverso lo sviluppo di sistemi ibridi con supercondensatori Sono in corso prove per verificare gli effetti dell invecchiamento Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri

interesse sia mediante il miglioramento della tecnologia che attraverso lo sviluppo di sistemi ibridi con supercondensatori Sono in corso prove per

17 Questo lavoro è stato finanziato da: Ricerca di Sistema per il Settore Elettrico Research Fund for Italian Electric System Questo lavoro è stato finanziato dal Fondo di Ricerca per il Sistema Elettrico nell ambitodell Accordo di Programma tra ERSE ed il Ministero dello Sviluppo Economico - D.G.E.N.R.E. stipulato in data 29 luglio 2009 in ottemperanza del DM 19 marzo Grazie per la vostra attenzione! giuseppe.mauri@rse-web.it Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere, Bari 26/07/2011 Giuseppe Mauri

Economico - D.G.E.N.R.E. stipulato in data 29 luglio 2009 in ottemperanza del DM 19 marzo 2009. Grazie per la vostra attenzione! giuseppe.

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