04/06/2013. Energia e trasporti. Piercarlo ROMAGNONI Dipartimento IUAV della Ricerca Dorsoduro, Venezia

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1 Energia e trasporti Piercarlo ROMAGNONI Dipartimento IUAV della Ricerca Dorsoduro, Venezia 1

2 Uso dell energia nei trasporti Trend nella movimentazione di persone e cose Uso dell energia nei diversi modi Ruolo della forma urbana e delle infrastrutture Scelta del veicolo Opzioni per la riduzione dell energia - autoveicoli e veicoli per trasporto leggero; - treni Inter-city e bus - aerei passeggeri - trasporto merci 2

3 Alcune questioni sui veicoli con fuel cells Costi e prestazioni Obblighi nelle forniture di catalizzatori metallici Difficoltà nel processare idrocarburi on-board Difficoltà nell immagazzinare on-board idrogeno e nello sviluppo di infrastrutture per H 2 3

4 Proporzioni di diversi tipi di comustibili per trasporto Heavy fuel oil 7% Other 6% Jet fuel 10% Gasoline 44% Diesel 33% Source: Gilbert and Pearl (2007, Transport Revolutions: Moving People and Freight Without Oil, Earthscan, London) 4

5 dettaglio dei trasporti nei paesi OECD nel 2005 People 38.8 EJ 72% 2- & 3- wheelers 0.9% Buses 3.3% Rail 0.4% Air 13.9% Medium Trucks 5.5% Heavy Trucks 15.1% Ships 5.7% Freight 14.8 EJ 28% Rail 1.3% Cars & Light Trucks 54.1% OECD, Total = 53.5 EJ 5

6 Dettaglio dell uso di energia nei trasporti nei paesi non OECD nel 2005 Air 10.4% Rail 1.7% Medium Trucks 14.6% 2- & 3- wheelers 3.8% People 15.2 EJ Heavy Buses 54% Trucks 11.0% 18.7% Freight 12.7 EJ 46% Cars & Light Trucks 27.5% Ships 8.3% Rail 3.9% non-oecd, Total = 27.9 EJ 6

7 Variazioni del rapporto passeggero-km nel mondo 30 Trillion person-km/year Road Air Rail Total movement up 2.50%/yr, Year Source: Gilbert and Pearl (2007, Transport Revolutions: Moving People and Freight Without Oil, Earthscan, London) 7

8 Variazione merci trasportate nel mondo in t - km Trillion tonne-km/year Water Road Rail Total movement up 3.67%/yr, Year Source: Gilbert and Pearl (2007, Transport Revolutions: Moving People and Freight Without Oil, Earthscan, London) 8

9 Variazioni del trasporto aereo nel mondo passeggero-km Projected, Trillion person-km/year Actual, Estimate, if no low-cost carriers Average Growth: 4.44%/yr, Year Source: Gilbert and Pearl (2007, Transport Revolutions: Moving People and Freight Without Oil, Earthscan, London) 9

10 Crescita del numero di passeggeri e di veicoli commerciali 800 Millions of Vehicles Passenger Vehicles 3.0%/yr growth, Commercial Vehicles 3.1%/yr growth, Year 10

11 800 Variazione del numero di veicoli auto ogni 1000 persone 700 Cars per 1000 People 600 USA W Europe E Europe 100 China Year Source: Gilbert and Pearl (2007, Transport Revolutions: Moving People and Freight Without Oil, Earthscan, London) 11

12 Viaggi negli USA Other long distance 18% To/from work 19% Tourism 10% Work related 3% Education 3% Shopping 11% Leisure 18% Personal business 18% Source: Gilbert and Pearl (2007, Transport Revolutions: Moving People and Freight Without Oil, Earthscan, London) 12

13 Intensità energetiche dei diversi modi di viaggiare nelle città (percorso urbano) Auto a benzina (20 litri/100 km), 1 persona: 6.5 MJ/person-km (7.8 MJ/p-km energia primaria) Auto energeticamente efficiente (8 litri/100 km), 4 persone: 0.65 MJ/person-km (0.78 MJ/p-km energia primaria) Diesel bus, per un carico tipico in USA: 1-2 MJ/person-km Treno leggero: 0.8 MJ/person-km di elettricità, 2 MJ/person-km energia primaria Treno : 0.4 MJ/person-km elettricità, 1.0 MJ/person-km energia primaria Camminare: 0.13 MJ/person-km energia da cibo Bicicletta: 0.1 MJ/person-km energia da cibo 13

14 Intensità di energia primaria per diverse modalità di viaggio tra città e città Auto a benzina (12 litri/100 km, 4 persone) 1.16 MJ/persona-km Auto efficiente (6 litri/100 km, 4 persone) 0.58 MJ/persone-km Intercity bus: 0.28 MJ/persone-km Treno Diesel : MJ/persone-km Treno ad elevata velocità: MJ/persona-km Aereo: MJ/persona-km 14

15 Uno sguardo più completo Uso on-site di elettricità e carburante Uso di energia a monte per la produzione e la fornitura di combustibile e elettricità Energia usata per costruire il veicolo (embodied energy), mediato sulla distanza globale percorsa durante la vita utile del veicolo stesso Energia usata per le infrastrutture (strade, linee ferroviarie, aeroporti), mediata sulla totale distanza percorsa durante la vita utile del veicolo 15

16 Comparazione viaggio Metro leggera urbano dell uso di energia in diversi modi di Combustibile Energia [MJ/(km passeggero)] Embodied energy diretto upstream veicolo infrastruttura 0,17 1,0 0,60 0,06 Bus urbano 1,7 0,42 0,51 0,19 Ferry 3,5 0,81 1,2 0,00 bicicletta 0,076 0,22 0,42 0,12 Treno urbano 0,6 1,3 0,5 0,44 Auto a benzina 2,4 0,57 0,81 0,6 Auto diesel 2,7 0,65 0,81 0,6 Bus interurbano 0,86 0,18 0,23 0,09 Treno interurbano 0,94 0,29 0,45 0,33 Volo interno 2,5 0,59 2,6 0,01 16

17 Alcuni dati L embodied energy di veicoli+infrastrutture per strade ferrate urbane leggere e pesanti, veicoli per trasporto interurbano e per strade ferrate interurbane è circa ½ dell energia diretta più quella upstream L embodied energy per viaggi aerei brevi (viaggi di 390 km) supera l energia di funzionamento Per viaggi aerei internazionali (distanza media di 7500 km), l embodied energy del veicolo aereo è importante (circa il 40% dell energia di funzionamento) 17

18 Relatione tra energia usata pro capite per trasporto privato e densità urbana Portland Sacramento Houston San Diego Phoenix San Francisco Denver Los Angeles Detroit Boston Washington Chicago New York 2 R = rgy Use per Capita (MJ/yr) Private Transport Energ Canberra Calgary Perth Melbourne Adelaide Winnipeg Brisbane Edmonton Toronto Vancouver Sydney Montreal Ottawa Frankfurt Hamburg Brussels Zurich Stockholm Munich Paris Vienna London Kuala Lumpur Amsterdam Tokyo Singapore Bangkok Jakarta Surabaya Manila Seoul Hong Kong Urban Density (person/ha) Source: Newman and Kenworthy (1999, Sustainability and Cities: Overcoming Automobile Dependence, Island Press, Washington) 18

19 Forme urbane compatte con diversi usi del territorio (residenziale, vendite al minuto, uffici, scuole e centri medici) riducono le richieste dii energia perchè: riducono le distanze per cui è necessario viaggiare; rendono più pratico ed economico servire la ridotta domanda di viaggio con un alta qualità di trasporto pubblico (ad es., su rotaia); aumentano la viabilità per pedoni e biciclette. 19

20 Bicycling+walking share (in termini di viaggi fatti) in alcune città nel 2001: Amsterdam, 52% Copenhagen, 39% Hong Kong, 38% (altro 46% con trasporto pubblico) Sao Paulo, 37% Berlin, 36% New York, 9% Atlanta, 0% 20

21 Importanza della scelta auto/ camion (uso combustibile per guida in città) Pickup truck, 16 a 26 litri/100 km SUV, 8 a 26 litri/100 km Minivan, 11 a 21 litri/100 km Large car, 11 a 26 litri/ 100 km Mid-size car, 9 a 24 litri/100 km Subcompact car, 8 a 21 litri/100 km Subcompact hybrid, 6 litri/100 km 2-seater, 7 a 29 litri/100 km 21

22 Mix dei veicoli acquistati in USA nel 1975 Pickup 13% Van 4% SUV 2% Large Car 17% Small Car 45% Midsize Car 19% Source: Friedman et al (2001, Drilling in Detroit: Tapping Automaker Ingenuity to Build Safe and Efficient Automobile, Union of Concerned Scientists) 22

23 Mix dei veicoli acquistati negli USA nel 2000 SUV 20% Small Car 25% Van 9% Pickup 17% Large Car 10% Midsize Car 19% Source: Friedman et al (2001, Drilling in Detroit: Tapping Automaker Ingenuity to Build Safe and Efficient Automobile, Union of Concerned Scientists) 23

24 Rischi di morte posti da diversi autoveicoli negli USA (morti per anno per milione di autoveicoli) Minivans Pickup Trucks SUVs Subcompact Cars Compact Cars Midsize Cars Large Cars Dodge Ram Ford F-Series GMC C/K Chevy C/K ers of Other Vehicles Risk to Driver Caravan, Voyager & Windstar Chevy Suburban Astrovan Tahoe Jetta Bonneville Accord Camry Maxima Blazer Risk to Drivers Ranger Saturn & Stratus Intrepid & Mazda 626 Chevy S-10 Cherokees Lumina Explorer 4Runner Neons Altima Taurus/Sable Grand Am Cavalier/Sunfire Marquis LeSabre Contour/Mystique Escort/Tracer Sentra Chevy Prizm Civic Corolla Avalon Source: Ross and Wenzel (2002, An Analysis of Traffic Deaths by Vehicle Type and Model, ACEEE) 24

25 Tipi di autoveicolo Spark ignition (SI) funziona a benzina, si regola la potenza erogata con il flusso di combustibile e con il flusso di aria provocando una perdita di efficienza ai carichi parziali (tipica nelle condizioni di guida) Compression ignition (CI) combustibile diesel che si innesca per compressione senza scintilla. Più efficiente del motore SI per l assenza di valvola a farfalla, l elevato rapporto di compressione e miscela di combustibile magra (elevato rapporto aria:combustibile) Internal combustion engine (ICE) si riferisce a motori in cui la combustione avviene in cilindri. Sia SI che CI sono tipi di ICE 25

26 Controllo delle emissioni Il motore SI usa un convertitore catalitico a 3 vie per ossidare il CO e gli idrocarburi nello scarico e riduce (rimuovere ossigeno) NO x Ciò richiede una combustione stechiometrica Fino a pochi anni or sono, i convertitori catalici a 3 vie non riducevano NO x negli scarichi dei diesel a causa dell eccesso di ossigeno; Il problema è stato risolto con l uso di ammoniaca Ci si aspettano ulteriori sviluppi nel controllo delle emissioni sia di motori diesel che a benzina. 26

27 Tuttavia... Un maggiore controllo delle emissioni comporta una concentrazione di S nel combustibile estremamente ridotta (~ 10 ppm, contro i di oggi nelle benzine e ppm di oggi nel diesel) Ciò comporta un aumento dell energia usata nelle operazioni di raffineria di circa il 1.5% oltre ad un maggiore controllo delle emissioni dei motori per camion che dovrebbe comportare un incremento dei consumi di circa 4-10% 27

28 Economia del combustibile 30 Fuel Economy (mpg) Cars Light trucks Composite Year Source: Zachariadis, T. (2006, Energy Policy 34, , 28

29 Auto/ veicoli leggeri da trasporto Trend dell economia del combustibile Fuel Consumption (litres/100 km) US composite EU composite Japanese average Year Source: Zachariadis, T. (2006, Energy Policy 34, , 29

30 Trend della massa dell autoveicolo Vehicle Mass (kg) US EU Japan Year Source: Zachariadis, T. (2006, Energy Policy 34, , 30

31 Trend dell accelerazione e delle velocità di punta degli autoveicoli 1 mile = 1,609 km mph Acceleration time (seconds) US Acceleration Time 60 US Top Speed Year Top Speed (mph) Source: Zachariadis, T. (2006, Energy Policy 34, , 31

32 Trend delle potenze dei motori e del rapporto potenza/cilindrata Engine Power (kw) US Engine Power EU Engine Power US Power/Displacement Engine Power/Displacement (kw/litre) Year Source: Zachariadis, T. (2006, Energy Policy 34, , 32

33 potenza vs. velocità Required Engine Power (kw) Velocity (miles/hour) Climbing a 6% grade Aerodynamic resistance Rolling resistance Velocity (km/hour) 33

34 Energia del Combustibile vs velocità Fuel Energy Use (MJ/km) Total Engine friction Tires and accessories Air drag Speed (kph) 34

35 Flussi energetici di un automobile classica (8.9 litri/100 km, 26.4 mpg) (sinistra) e di un veicolo ad alte prestazioni (4.0 litri/100 km, 58.4 mpg) (destra) 35

36 I flussi di energia aumentano dal 14.8% al 22.7% della richiesta di combustibile Quindi, per lo stesso flusso di energia, è necessario solamente 14.8/22.7 = di combustibile (con un risparmio del 34.8%) I carichi sulle ruote (con le diminuite resistenze allo rotolamento e aerodinamica e per il ridotto peso del veicolo) scendono da kj/km a kj/km, così la richiesta di carburante solo per tale motivo dovrebbe essere ridotta di 298.0/429.9 = (con un risparmio pari a 30.7%) La richiesta complessiva di carburante è pari a x = (complessivamente pari a un risparmio 54.8%, inferiore però a ) Un controllo incorciato: il rapporto tra le due rispettive richieste di carburante è pari a 1302/2882 =

37 Possibilità per accrescere l economicità dei trasporti con auto e veicoli leggeri Aumentare l efficienza termica dei motori (frazione di energia del combustibile fornita ai pistoni attraverso la combustione) Aumentare l efficienza meccanica (frazione dell energia dei pistoni trasferita all albero motore) Aumentare l efficienza della trasmissione (frazione di energia trasferita dall albero motore alle ruote) 37

38 Efficienza termica Rendere più magro il rapporto combustibile/aria (ma peggiorano le emissioni di NO x ) Variare il rapporto di compressione (oggi fisso) comporta risparmi del 10-15% se combinato con motori di dimensioni ridotte Iniezione diretta della benzina risparmi del 4-6% Variare i tempi (funzionamento a 2 tempi durante la fase di accelerazione e a 4 tempi alle alte velocità) risparmi del 25% Il risultato finale è 0.85 x 0.95 x 0.75 = 0.60, ovvero un risparmio del 40% (caso migliore) 38

39 Efficienza meccanica Gestione della trasmissione aggressiva marciando a rapporti di trasmissione ottimali si consente al motore di operare a rapporti momento - giri che massimizzano l efficienza per diverse condizioni. Motori meno potenti (la maggior parte del tempo il motore opera ad una frazione della sua potenza di picco). Una diminuzione del 10% può salvare il 6.6% di combustibile perchè il motore può operare in media in modo più efficiente Controllo della valvola variabile invece della valvola a farfalla nei motori a benzina risparmio di oltre il 10% Riduzione degli attriti attraverso l uso di migliore lubrificazione risparmi per circa 1-5% Stop automatico risparmio di 1-2% 39

40 Aumentare l efficienza di trasmissione La trasmissione stessa è una fonte di perdita energetica che può essere ridotta Tipiche efficienze di trasmissione oggi: - automatica, 70-80% - manuale, 94% Future automatiche: 88% con trasmissione variabile continua Uso dell energia se ci si sposta dal 70% all 88% comporta una variazione di 70/88 = 0.795, con un risparmio di circa il 20% 40

41 Effetti combinati: Certamente i diversi effetti non si sommano poichè il risparmio di ciascuna misura si applica all energia rimanente e non a quella iniziale Invece, applicare più misure consente una riduzione del consumo in ogni step Quindi, se si incrementano le efficienze termica e meccanica del motore e quella di trasmissione si può ottenere un risparmio pari al 40%, 10% e al 20%, rispettivamente, e pertanto moltiplicando per 0.6 x 0.9 x 0.8 si ottiene la richiesta di carburante complessiva Quindi il totale comporta un risparmio pari a 56.8% Il fattore dovrebbe essere moltiplicato per un ulteriore fattore che rappresenta l effetto dei carichi ridotti e che fornisce un ulteriore potenziale risparmio 41

42 Opzioni per incrementare nel futuro l uso di auto e veicoli leggeri Riduzione della resistenza dei pneumatici aumentando la pressione di gonfiaggio Riduzione della resistenza aerodinamica (forma del veicolo) Riduzione del peso del veicolo (è importante per l energia richiesta in accelerazione e durante la marcia in salita) Riduzione del carico accessorio del veicolo 42

43 alternative Veicoli ibridi: Hybrid gasoline-electric (benzina.elettrico) o diesel-electric vehicles (HEVs) Plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) Tutto elettrico o a batteria (BEVs) Veicoli a Fuel cell (FCVs) 43

44 44

45 Veicoli ibridi elettrici Utilizzo il motore per fornire la potenza media richiesta e per ricarica della batteria; la batteria elettrica è usata per i picchi di richiesta (accelerazioni, salite); Ciò permette di sottodimensionare il motore e quindi di ridurre le perdite di attrito E permette inoltre al motore di operare a valori più vicini a quelli ottimali per il rapporto momento - n di giri con più alte efficienze meccaniche 45

46 Ulteriore risparmio di energia nei veicoli HEV avviene attraverso: Freni rigenerativi uso l energia cinetica del veicolo per ricaricare la batteria Eliminazione del minimo nelle soste Potenza variabile nello sterzo e altri accessori per rendere più efficienti elettricamente tali operazioni La Toyota Prius non è però molto più efficiente che un Honda Civic del 1993 questo perchè la tecnologia è largamente andata verso le prestazioni in accelerazione piuttosto che il risparmio del combustibile 46

47 Veicolo ibrido benzina - batteria 92-95% Motor 94% Inverter 90-95% Battery Regenerative braking through motor wired as generator 60-85% 93% Gear 95-98% Motor wired as generator Engine Launch device: Starting clutch 5-speed automatic transmissio n 88% 20% 17% 47

48 PHEV L idea è di ricaricare la batteria tramite la rete AC (ad esempio, connettere l auto quando è parcheggiata) e usare la batteria fino all esaurimento, quindi commutare l uso dell auto al motore a benzina (o a diesel) Ciò richiede un elevata capacità di stoccaggio delle batterie per un autonomia di km Poichè molti viaggi sono più corti di questa distanza, una larga parte del consumo avverrebbe per via elettrica 48

49 PHEVs La questione chiave è il costo della batteria, la massa della stessa (auto con batterie più pesanti necessitano di più energia per l accelerazione e le salite), l ammontare dell energia immagazzinata (solitamente in Wh), che determina l autonomia di guida, e la potenza di picco della batteria (W), che determina quanto veloce il veicolo può accelerare Parametri chiave per le prestazioni della batteria sono quindi: energia specifica, Wh/ kg, e potenza specifica, W/kg 49

50 Potenza specifica e energia specifica di diverse batterie Specific Power (W/kg) Nickel metal hydride Lithium ion Lead acid Specific Energy (Wh/kg) 50

51 Costo batterie vs rapporto potenza:energia Battery Cost ($/kwh) BEV-60 PHEV- Optimistic Future Costs Current Costs 60 HEV PHEV Battery Power/Energy (kw/kwh) 51

52 Risparmio di benzina con sistemi PHEV in funzione dell autonomia elettrica di guida (USA) 80 Gasoline Savings (%) All-electric within range 50% electric over 2 X range Electric-Only Range (km) 52

53 Contributo alle richieste di condizionamento dell aria HEV NA-SI Highway Extra Fuel Engine Braking Improved Efficiency HEV Urban NA-SI Energy to Run Air Conditioner (MJ/km) Source: Kromer and Heywood (2007, Electric Powertrains: Opportunities and Challenges in the U.S. Light-Duty Vehicle Fleet, Laboratory for Energy and the Environment, MIT) 53

54 Uso energetico AC e non-ac (con uso energetico AC fornito come percentuale dell energia usata) 2.0 Driving 1.5 Air conditioner Energy Use (MJ/km) % NA-SI HEV NA-SI HEV Urban 57% 12% 15% Highway Source: Kromer and Heywood (2007, Electric Powertrains: Opportunities and Challenges in the U.S. Light-Duty Vehicle Fleet, Laboratory for Energy and the Environment, MIT) 54

55 Rapporto dell uso di energia di veicoli ibridi e convenzionali con e senza AC HEV/NA-SI Energy Use Urban no AC Urban with AC Hwy no AC Hwy with AC 55

56 Veicoli a Fuel Cell Una fuel cell è un dispositivo elettrochimico che produce elettricità, acqua e calore; Per funzionare è richiesto idrogeno Molti sono stati gli sforzi per sviluppare sistemi che convertano benzina in idrogeno ma questi sforzi sono stati abbandonati 56

57 Un veicolo elettrico a cella combustibile (fuel cell) è, di fatto, un veicolo elettrico, in cui il pacco batterie è sostituito, in tutto o in parte, con un generatore di corrente elettrica. Infatti il sistema propulsivo è costituito da uno o più motori elettrici; di conseguenza dal punto di vista della trazione il veicolo presenta tutti i vantaggi propri di un veicolo elettrico, quali la silenziosità, l assenza di vibrazioni e caratteristiche ottimali in termini di coppia/velocità Fiat Panda motorizzata con un sistema a celle a combustibile di produzione Nuvera, che garantiscono un autonomia di oltre 200 kmnelciclourbano,consoli5minutiperlaricarica. Il sistema e alimentato con idrogeno stoccato ad una pressione di circa 350 bar in un serbatoio alloggiato sotto il pianale. La velocità massima è superiore a 130 km/h, con un accelerazione da0a50km/hraggiuntain5s 57

58 Cella combustibile PEM Ballard Mark 1030, potenza 1320 W DC, 430mm x 171mm x 231mm. Peso a secco: 20,5 kg. 58

59 Veicoli ibridi Componenti 1) il motore endotermico (ICE, internal combustion engine) presenta un rendimento energetico globalmente basso e, per giunta, un forte legame tra regime di rotazione e funzionamento ottimale, in termini di rendimento, consumi e prestazioni; 2) il motore elettrico 59

60 La scelta del tipo di motore elettrico da adottare per la trazione ibrida è molto importante e richiede una speciale attenzione, i fattori che la influenzano sono le prestazioni desiderate, i vincoli dettati dal tipo di veicolo e il pacco di batterie installate. I parametri da valutare sono l efficienza, l affidabilità e il costo. Il sistema di propulsione elettrico di un veicolo ibrido deve poter fornire: -una elevata potenza, e soprattutto una elevata densità di potenza; - un ampio campo di velocità, comprendente la zona a coppia costante e a potenza costante; - la possibilità di sovraccaricare il motore per intervalli di tempo ragionevolmente lunghi; - una elevata efficienza, al variare del carico e della velocità ed in funzionamento da generatore (frenata con recupero dell energia); - una grande robustezza ed affidabilità. 60

61 a) Motore a corrente continua; presenta una curva coppia-velocità che si presta bene all impiego nella propulsione dei veicoli ibridi e un pilotaggio relativamente semplice, ma per contro ha bassi rendimenti, scarsa affidabilità e necessita di frequente manutenzione per la presenta delle spazzole. b) Motori a induzione; assicurano affidabilità, robustezza, bassa manutenzione e costi ridotti, oltre alla possibilità di lavorare in ambienti ostili c) Motore sincrono a magneti permanenti; elevata efficienza ed elevata densità di potenza in rapporto sia al peso, sia al volume, buone capacità di smaltimento del calore e quindi possibilità di sopportare elevati valori di sovraccarico. d) Motori a riluttanza variabile; la costruzione è semplice e robusta, e la caratteristica coppia-velocità è ottima. Il campo di velocità operative è ampio, grazie alla possibilità di realizzare un efficace deflussaggio. I principali svantaggi sono la rumorosità, il ripple di coppia relativamente elevato e la necessità di particolari inverter per il pilotaggio. 61

62 Il sistema di accumulo di energia Batteria di supercondensatori per trazione. Capacità 94F, tensione di lavoro 75V, peso 24kg. 62

63 Combustibile a idrogeno puro deve essere stoccato nel veicolo Alcune questioni: - Come stoccare l idrogeno - Come costruire le strutture per la distribuzione e la produzione dell idrogeno - Quale fonte per produrre idrogeno - Costi 63

64 Attrattività dei veicoli FCV Emissioni quasi zero Bassa rumorosità L idrogeno potrebbe essere prodotto per elettrolisi dell acqua utilizzando elettricità prodotta da fonti rinnovabili Quindi, completa sostenibilità della fornitura energetica 64

65 Opzioni per lo stoccaggio a bordo di H 2 Come gas compresso a 700 atm oltre 3 il volume e 1,4 volte il peso del serbatoio + combustibile che un veicolo a benzina della stessa taglia; - energia spesa per la compressione pari a circa il 10% dell energia dell idrogeno stoccato Come liquido, a 20 K (= -253ºC) solo circa 2 volte il volume ma metà del peso del gruppo serbatoio+ combustibile; - energia spesa per la liquefazione è circa 1/3 di quella dell idrogeno immagazzinato (è possibile una riduzione del 20% nel futuro) Come metallo idrato quasi 4 volte il peso ma solo l 80% del volume del sistema serbatoio+combustibile 65

66 Massa e volume per stoccare 3,9 kg di idrogeno o benzina equvalente, sufficienti per 610 km 66

67 Ballard 85-kW fuel cell per applicazioni automobilistiche Source: Little (2000, Cost Analysis of Fuel Cell System for Transportation, Baseline System Cost Estimate, Task 1 and 2 Final Report to Department of Energy, Cambridge) 67

68 Ballard 85-kW fuel cell Source: 68

69 Veicolo ibrido Fuel cell-battery Ancillary Devices 90-95% 60-85% Battery Regenerative braking through motor wired as generator H 2 Fuel Cell DC/DC Inverter Motor G e a r 94% 92-95% 92-98% 51% 41% 69

70 Efficienza della fuel cell vs % potenza netta Stack efficiency Efficiency (%) System efficiency Auxiliary power draw as a fraction of gross power output % of Peak Net Power Source: Kromer and Heywood (2007, Electric Powertrains: Opportunities and Challenges in the U.S. Light-Duty Vehicle Fleet, Laboratory for Energy and the Environment, MIT) 70

71 Quindi Un veicolo FCV dovrebbe operare con efficienza tipica del ~ 60%, circa 3 volte quella di un motore a combustione interna Ciò riduce l ammontare di energia (come H 2 ) che è necessario immagazzinare nel veicolo per un determinato range di autonomia di un fattore pari a 3 Ma ciò risulta anche critico perchè un qualsiasi sistema di stoccaggio dell idrogeno in auto è pesante e voluminoso in relazione all ammontare dell energia da immagazzinare 71

72 Problemi Le Fuel cells idonee per l uso nelle auto dovrebbero operare a bassa temperatura (120ºC) Tali celle richiedono come catalizzatori metalli preziosi quali platino e rutenio; Le forniture di Pt sono abbastanza limitate e potrebbero costituire un grosso limite nello sviluppo futuro di tali sistemi L idrogeno potrebbe invece essere usato nei motori a combustione interna (con minore inquinamento), ma con efficienza ridotta 72

73 Distribuzione delle risorse di Pt sfruttabili Finland 5% Russia 5% USA 3% Canada 1% Other 1% Zimbabwe 9% South Africa 76% 73

74 4 modi per utilizzare l energia solare nelle autovetture Usare la fonte solare per caricare le batterie Usare la fonte solare per produrre H 2 da utilizzare nelle fuel cell Usare la fonte solare per accrescere le biomasse e per trasformarla in metanolo da usare nelle fuel cells Usare la fonte solare per accrescere la biomassa da convertire in etanolo da usare nei motori a combustione interna 74

75 Energia solare per le batterie PV moduli, efficienza 15% Conversione da DC a AC, efficienza 85% Trasmissione, 96% (circa) Efficienza di carica, 95% Guida 87% Efficienza globale della trasformazione sole - ruote: 10.1% 75

76 Energia solare per ottenere H 2 Fuel cells per le PV moduli, efficienza 15% Accoppiamento dei moduli PV con gli elettroliti, 85% Produzione dell idrogeno e compressione a 30 atm, 80% Trasporto (circa 1000 km) alla pressione di 30 atm, 98% Compressione da 30 a 700 atm, 90% Fuel cell, 50% Guida, 87% Efficienza finale: 3.9% 76

77 Trasformazione dell energia solare in metanolo per le fuel cells Fotosintesi, efficienza 1% Trasformazione biomassa in metanolo, 67% Trasporto, 98% Fuel cell, 45% (minore rispetto a H 2 ) Guida, 87% Efficienza globale: 0.26% 77

78 Trasformazione dell energia solare in etanolo Fotosintesi, efficienza 1% Trasformazione biomassa in etanolo, 67% Trasporto, 98% ICE, 20% Guida, 87% Efficienza globale: 0.11% 78

79 Conclusioni: L uso diretto di elettricità da energia rinnovabile è consigliabile per la carica delle batterie La superficie richiesta per convertire la luce solare direttamente in H 2 e consentire la guida per una data distanza è ~ 20 volte minore di quella che consente l aumento di biomassa per ottenere metanolo da usare in una fuel cell, oppure ~ 40 volte minore nel caso della trasformazione in etanolo Questo grazie al fatto che l efficienza dei moduli PV (~15 %) è molto maggiore di quella della fotosintesi (~ 1%) 79

80 La migliore scommessa sembra essere quella dei veicoli ibridi con alimentazione esterna (plug-in hybrid vehicles) che sono ricaricabili con energia prodotta da sistemi solari o eolici completati da sistemi a idrogeno (per escludere completamente i combustibii fossili) I biocarburanti liquidi potrebbero essere una seconda scommessa, ma necessita risolver il problema idrogeno Lo scambio della batteria con una fresca di carica ogni 100 km può essere un altra soluzione In ogni caso, il veicolo dovrebbe essere tanto efficiente quanto è possibile minimizzare le richieste di elettricità, e/o idrogeno e/o biocombustibile 80

81 Auto efficienti Energy Use (MJ/km) Embodied energy Upstream fuel energy On board fuel energy 81

82 Componenti il costo della guida (NPV= net present value) Energy use Maintenance Lightweight body Drivetrain Vehicle except drivetrain NPV of Lifecycle Cost ($) NA-SI HEV PHEV BEV FCV 82

83 Costi per veicoli alternativi nel cilco di vita Gasoline at $2/litre Gasoline at $1.5/litre Gasoline at $1/litre Net Savings ($) HEV PHEV $20/GJ $40/GJ $20/GJ $40/GJ $50/kW $100/kW $50/kW $100/kW FCV

84 Trasporti con ferrovia Inter-City French TGV (Train à grand vitesse) German ICE (Inter-city express) Japanese Shinkansen 84

85 nota L uso energetico per muovere una persona con auto è ~ 2.5 MJ/person km con 1 persona per auto e si prevede possa essere ~ 1 MJ/person- km con veicoli futuri (~ 0.25 MJ/person-km se I viaggiatori sono 4 all interno dell auto) Nei treni di oggi l energia richiesta è pari a ~ MJ/person-km 85