TURBO ENGINE HYBRID ELECTRIC POWER SYSTEM FOR AUTOMOTIVE APPLICATION Angelo Leto. Italian Aerospace Research Centre (CIRA)

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1 TURBO ENGINE HYBRID ELECTRIC POWER SYSTEM FOR AUTOMOTIVE APPLICATION Angelo Leto Italian Aerospace Research Centre (CIRA)

2 SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DI UN SISTEMA TURBOGAS PER GENERAZIONE DI POTENZA Il fluido di lavoro è l aria, che è aspirata dal compressore alla pressione e alla temperatura ambiente. L aria compressa verrà immessa in una camera di combustione. La combustione aria Metano CH 4 produrrà gas caldi i quali subiranno un espansione attraverso la turbina. L efficienza complessiva ( tot ) dipende dall efficienza del compressore ( C ), dall efficienza di combustore ( B ) e dall efficienza della turbina ( T ) e, infine dall efficienza dell alternatore ( A ): tot = C * B * T * A C = compressor B = burner T = turbine A = alternator Quindi il confronto dei rendimenti è: ( tot ) Turbogas = 95 98% ( tot ) MA = 20 25%

3 VANTAGGI DEL METANO COME COMBUSTIBILE Tra i combustibili non derivati dal petrolio attualmente disponibili, il metano è quello che presenta le migliori caratteristiche per poter divenire un alternativa concreta alla benzina e al gasolio. I vantaggi sono: - Il gas naturale è abbondante in natura e i paesi produttori sono numerosi - Le emissioni inquinanti vengono drasticamente ridotte con la combustione del metano. Un veicolo a metano consente di ridurre le emissioni di anidride carbonica fino al 20-25%; di portare quasi a zero le emissioni di particolato, anche sottile; di ridurre fino all 89% le emissioni di NOx, grazie alla più bassa temperatura di fiamma del metano - Infine è ecologico, poiché non necessita del trasporto con autocisterne, ma avviene mediante metanodotti. - La tecnologia utilizzata è già matura. Il gas naturale può essere utilizzato sia nei motori ad accensione comandata senza alcuna modifica nel motore (veicoli bi-fuel), sia nei motori ad accensione spontanea, previo innesco del combustibile

4 BATTERIA LITIO-IONI Le batterie al litio ricaricabili operative a temperatura ambiente rappresentano la tecnologia di accumulo elettrochimica sulla quale si stanno concentrando i maggiori investimenti. La loro attrattività per applicazioni portatili, automotive e aerospaziali risiede nella notevole densità di energia e potenza.

5 SUPERCONDENSATORI I supercondensatori sono così denominati in quanto, a differenza dei condensatori tradizionali, sono caratterizzati da densità di energia nettamente superiori. L energia accumulata in un condensatore è data dalla seguente relazione: A = 1 2 CV2 dove W è l energia accumulata espressa in [J], C la capacità nominale del dispositivo espressa in [F] e V la tensione ai capi del condensatore espressa in [V]. I supercondensatori sono caratterizzati da densità di energia elevata in quanto la capacità C è dell ordine delle migliaia di Farad, pertanto tale dispositivo può essere utilizzato come accumulatore nelle applicazioni di potenza. Comparati alle tradizionali batterie al piombo, i supercondensatori presentano valori di densità di energia minori (3,5-4,5 Wh/kg), ma densità di potenza nettamente superiori ( W/kg) e sopportano un numero di cicli di carica e scarica nettamente superiori.

6 COSTO CAPITALE PER UNITÀ DI ENERGIA E COSTO CAPITALE PER UNITÀ DI POTENZA L abilità di accumulare e fornire elevati livelli di potenza è essenziale per il corretto funzionamento di un sistema di propulsione ibrido. Il veicolo ibrido deve, infatti, le proprie funzionalità operative al suo sistema di accumulo. Il costo capitale per unità di energia indicato è riferito all energia erogabile dal dispositivo in esame, quindi calcolato come rapporto tra il costo capitale per unità di energia immagazzinata e l efficienza del dispositivo stesso. E interessante notare come le caratteristiche dei dispositivi viste in precedenza e il loro ambito di utilizzo, influiscano sui costi stessi del dispositivo.

7 EFFICIENZA E NUMERO DI CICLI DI CARICA/SCARICA DEI DIVERSI ACCUMULATORI Le più alte efficienze si raggiungono nei sistemi di accumulano litio-ioni e nei supercondensatori. L efficienza indicata in figura è intesa come rapporto tra energia accumulata ed energia liberata in fase di scarica.

8 Conclusioni INNOVATIVE TURBOELECTRIC ENGINE L idea di motore innovativo per autotrazione automobilistica si basa sull accoppiamento tra un sistema sorgente (generatore termico) e due sistemi di accumulo di energia elettrica, in particolare batterie e supercondensatori, prendendo il meglio dei tre mondi, l elevata potenza della sorgente termica, l elevata energia specifica delle batterie e l elevata potenza specifica dei supercondensatori. Nel campo dell autotrazione l uso della batteria a litio-ioni, del supercondensatore e del generatore termico potrebbe essere una applicazione vincente al fine di realizzare un sistema di trazione ibrida, dove la sorgente di energia primaria (generatore termico) è accoppiata all accumulatore ad alta dinamica (supercondensatori) al fine di sopperire alla richiesta di potenza "peak-shaving«, mentre l utilizzo della batteria a litio-ioni è limitata ai percorsi urbani.

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