Bilanci eneegetici «WTW» di veicoli elettrici e a fuel cell

Transcript

1 Bilanci eneegetici «WTW» di veicoli elettrici e a fuel cell Stefano Campanari Dipartimento di Energia Politecnico di Milano 12 Aprile

2 Overview della presentazione 2 1) Introduzione ai veicoli elettrici a fuel cell e all uso dell idrogeno come sono (sarebbero..) fatti e come vanno problematiche e possibili applicazioni 2) Simulazione dei bilanci dal pozzo alla ruota (Well-to-wheel, WTW) e confronto tra veicoli elettrici (Electric Vehicles, EV) a batteria e/o a fuel cells (BEV / FCEV) analisi del percorso energetico (energy pathway) per produzione elettrica e per produzione idrogeno (centralizzata, distribuita, onboard) simulazione del bilancio WTW ideale e su percorsi di guida reali per veicoli leggeri (automobili) simulazioni per veicoli pesanti Nota: riferimenti ed approfondimenti sul rapporto del Laboratorio Mobilità Sostenibile di Energy Lab

3 Schema di un veicolo elettrico a fuel cell (FCEV) 3 Generazione elettrica da H 2 utilizzo e.e. per trazione

4 La problematica di stoccaggio dell idrogeno 4 Le problematiche di immagazzinamento dell idrogeno derivano dalla bassa densità energetica rispetto al volume occupato che caratterizza questo combustibile Gli attuali veicoli dimostrativi a fuel cell utilizzano idrogeno per lo più immagazzinato in forma compressa ad alta pressione (da 350 bar a 700 bar) Combustibile (liquidi a pressione ambiente) Idrogeno gassoso (press. ambiente) Idrogeno gassoso (700 bar) Metano gassoso (press. ambiente) Metano gassoso Potere calorifico inferiore [MJ/kg] Densità [kg/m 3 ] Densità energetica [MJ/dm 3 ] / Confronto densità vs. benzina % C massa Emissioni CO 2 [kg/mj] / Confronto emissioni vs benzina 120, ,011 0, ,0 40 4,8 0, ,0 0,690 0,035 0,001 0,75 0,0550 0,77 50, ,3 0,252 0,75 0,0550 0,77 (220 bar) Idrogeno liquido 120, , Metano liquido 50, ,1 0,64 0,75 0,0550 0,77 Benzina 44, ,0 1,00 0,86 0, Gasolio 43, ,4 1,10 0,86 0,0728 1,02 GPL 46, ,8 0,75 0,82 0,0657 0,92

5 Esempi di veicoli elettrici a fuel cell 5 Costruttore Nome veicolo Accumulo H 2 Potenza FC (kw) Autonomia (km) Vel. max. (km/h) (*) Daimler Class A F-Cell bar bar 280 Daimler Class B F-Cell 4 bar Fiat Panda Hydrogen bar Alfa Romeo MiTo 4 bar Honda FCX Clarity 3.9 bar GM Chevrolet Equinox 4.2 bar Ford Edge Flexible 4.5 bar n.d Toyota FCHV-adv n.d.@700 bar Vedasi per es.: (*) electronic limit

6 Introduzione ai bilanci «WTW» 6 Lo scopo del bilancio well-to-wheel (WTW) è ricostruire la catena di trasformazione dell energia dalla sua origine primaria (pozzo, well) fino allo stoccaggio a bordo di un veicolo (serbatoio, tank) e poi fino alle ruote di un veicolo (wheel), per verificarne l efficienza e/o l associata produzione di inquinanti (es. emissioni di CO 2 ) Si considerano i bilanci energetici per diversi scenari di percorso energetico (energy pathways), rappresentativi di diverse modalità di produzionetrasporto-accumulo-utilizzo dell energia; in questo caso si considera un confronto tra le catene di percorso energetico che utilizzano l idrogeno oppure l energia elettrica come vettore energetico Si può suddividere il bilancio WTW separando il tratto pozzo-serbatoio (well-to-tank, WTT) dal successivo tratto serbatoio-ruote (tank-to-wheel, TTW)

7 Bilancio «WTW» per l idrogeno - I 7 Si può considerare il caso dell idrogeno, seguendone innanzitutto le fasi di produzione, trasporto e distribuzione: 1) IDROGENO (A) Percorso well-to-tank (WTT) Produzione Rinnovabili(1)+ trasporto e.e. + elettrolisi Nucleare(2)+ trasporto e.e. + elettrolisi Parco elettrico Italia+ trasporto e.e. + elettrolisi Nucleare HTGR+ prod. H 2 termochimica Gas naturale + Steam Reforming (SR) Carbone+Gassificazione Carbone+Gassificazione con cattura CO 2 (CCS) (1) escluse biomasse ; (2) inclusa la conversione da fonte primaria ad energia elettrica Trasporto e distribuzione Liquefazione e trasporto LH 2 (autobotti) distribuzione CGH 2 distribuzione LH 2 Trasporto e distribuzione CGH 2 con pipeline con carri bombolai Acronimi: CCS - Carbon Capture and Storage CGH2 - Idrogeno Compresso Gassoso GN - Gas Naturale HTGR - High temperature gas reactor LH2 - Idrogeno Liquido SR - Steam Reforming WTT - Well-to-tank (da pozzo a serbatoio)

8 Bilancio «WTW» per l idrogeno - II 8 e considerando poi le fasi di utilizzo a bordo del veicolo (es. fuel cell electric vehicle, FCEV): 1) IDROGENO (B) Percorso tank-to-wheel (TTW) Utilizzo H2 sul veicolo Veicolo a Fuel Cell (FCEV) Veicolo con motore a c.i. a H 2 Veicolo con motore a c.i. a H 2 + GN Nota: le fasi di produzione / trasporto / distribuzione H 2, comportano consumi elettrici ausliari che vengono riportati alle energie di partenza, ovvero a seconda dei casi: Rinnovabili GN a ciclo combinato Carbone con c.le USC Nucleare (PWR/EPR) Parco elettrico Italiano

9 Bilancio «WTW» per l energia elettrica 9 Si può poi considerare l analogo percorso produzione distribuzioneaccumulo utilizzo per il caso dell energia elettrica su un veicolo elettrico a batteria (Battery electric vehicle, BEV): 2) ENERGIA ELETTRICA Percorso well-to-tank (WTT) Percorso tank-to-wheel (TTW) Produzione Rinnovabili (1) GN a ciclo combinato Carbone con c.le USC Nucleare (PWR/EPR) Parco elettrico Italiano Trasporto e utilizzo Trasporto (fino a BT) Ricarica Veicolo elettrico a batteria (BEV) (1) escluse biomasse Acronimi: USC Ultra supercritical PWR/EPR Pressurized Water Reactor BT Bassa tensione

10 Elaborazione di un modello di calcolo WTW 10 Le varie fonti / percorsi sono state conteggiate nei vari casi tenendo conto di: Rendimento per estrazione / trasporto da pozzo / miniera alla centrale Rendimento elettrico per generazione e.el. centralizzata Rendimento di trasporto e trasformazione tensione energia elettrica Rendimento di produzione idrogeno Consumo in liquefazione (ipotesi grande taglia - lungo termine) Consumo per trasporto e distribuzione H 2 Rendimento per ricarica batterie conteggiando per tutte le fasi consumi / dissipazioni energetiche ed emissioni di CO 2 correlate ai vari processi,e sviluppando bilanci WTT, TTW, WTW Nota generale di metodo: Il conteggio in questa fase va interpretato come bilancio «ideale» : si prescinde dalle problematiche di diverse autonomie, prestazioni e carico utile dei veicoli considerati

11 Esempi di passaggi della «catena energetica» WTW 11 Battery Charger 90% Electricity transport to vehicle plug for battery charge 86% Electricity production 100% 52.5% 44.2% 42.66% Ren En. Ext./Tra. =100% NG Ext./Tra. =90% Coal Ext./Tra. =98% Mix Ext./Tra. =95% Hydrogen production Electrolysis 72% Reforming 80% Gasification 60% Liquid 65% Gaseous 100 % On Truck Pipeline On Truck Transport 98% 98% 88% Liquid Compressed Refilling station 100% 93% 65% 78% Vehicle tank feeding the fuel cell Fuel Cell 55%

12 Estratto di risultati (esempio percorso prod. H 2 e uso in FCEV) 12 H 2 e veicoli a Fuel Cell Rendimento complessivo WTW Carbone+Gassif+CCS Carbone+Gassif GN+SR Nucleare HTGR+ prod. H2 termochimica Parco elettrico Italia+ trasporto e.e. + elettrolisi Nucleare(4)+ trasporto e.e. + elettrolisi Rinnovabili(2)+ trasporto e.e. + elettrolisi Prod. LH2 e distrib. CGH2 0.0% 5.0% 10.0% 15.0% 20.0% 25.0% 30.0% 35.0% Emissioni CO2 WTW Prod. LH2 e distrib. CGH2 Carbone+Gassif+CCS Carbone+Gassif GN+SR Nucleare HTGR+ prod. H2 termochimica Parco elettrico Italia+ trasporto e.e. + elettrolisi Nucleare(4)+ trasporto e.e. + elettrolisi Rinnovabili(2)+ trasporto e.e. + elettrolisi WTW Well-to-wheel (da pozzo a ruote) CGH2 - Idrogeno Compresso Gassoso LH2 Idrogeno liquido

13 Estratto di risultati (esempio percorso prod. E.el. e uso in BEV) 13 Veicoli elettrici a batteria (Battery Electric Vehicle BEV) Rendimento complessivo WTW Parco elettrico Italia Nucleare Carbone a c.le USC GN a ciclo combinato Rinnovabili(2) Prod. e.e. per veicoli elettrici 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% Emissioni CO2 WTW Prod. e.e. per veicoli elettrici Parco elettrico Italia Nucleare Carbone a c.le USC GN a ciclo combinato Rinnovabili(2)

14 Confronti: analisi WTW in condizioni ideali 14 Confronto di bilanci WTW ideali: vantaggio per le soluzioni BEV che hanno un percorso energetico più breve, in particolare ad energia rinnovabile. Il rendimento WTW ideale per un BEV alimentato con elettricità da rinnovabili o da cicli combinati a gas naturale risulta tendenzialmente migliore in alcuni casi anche nettamente- del rendimento di un FCEV alimentato ad idrogeno proveniente dalle stesse fonti Gasoline Methanol Ethanol Natural Gas Coal Natural Gas Renew ables Coal Natural Gas Renew ables Coal Natural Gas Renew ables Coal Natural Gas Renew ables Italian Grid Pow er Mix Coal Natural Gas Renew ables WTW WTT TTW º FCEV Reformer based FCEV H 2 -direct CGH 2 truck transport CGH 2 distribution FCEV H 2 -direct CGH 2 pipeline transport CGH 2 distribution FCEV H 2 -direct LH 2 transport CGH 2 distribution FCEV H 2 -direct LH 2 transport LH2 distribution BEV 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

15 Bilanci WTW: caso «reale» con cicli guida assegnati 15 Piuttosto che fermarsi alla catena di trasformazione di energia di un bilancio WTW nominale o «ideale», è utile considerare il caso di un ciclo guida che simuli l applicazione reale Si considerare il caso di un veicolo che debba svolgere un percorso normalizzato (ciclo guida ECE-EUDC / NEDC), e che abbia prestazioni simili a quelle di una vettura a motore di fascia media odierna (rappresentabili sostenendo un ciclo tipo US06 usato per prove di funzionamento sotto carico). Velocity [km/h] ECE-EUDC ECE-EUDC US06 US Time [s]

16 Analisi WTW in condizioni reali 16 Tenendo conto della necessità di sostenere un percorso reale con una data autonomia, il peso del veicolo è influenzato dal peso delle batterie, che aumentano il consumo nei cicli guida al crescere dell autonomia richiesta La possibilità di recuperare energia in frenata viene sfruttata anche nel veicolo FCEV utilizzando un pacco battere di peso limitato. L FCEV è quindi un veicolo «ibrido». storage and conversion system weight 1 st guess W guess Total vehicle weight W total =W vehic + W guess simul at ion new W guess = W result Power densit y [W/ kg] EXIT If W guess = W result If W guess W result kwh to perform ECE+EUDC kwh to perform one kilometer [kwh/km] kw to perform the assigned v max or v slope5% vs. kw max. riquired during ECE-EUDC/ US06 cycles kwh to achieve the range required weight need from power W p [kg] weight need from energy W e [kg] Storage and Conversion system weight W result [kg] Ener gy Densit y [Wh/ kg]

17 Risultati: consumo di energia primaria (Wh/km) a seconda dell autonomia Vehicle WTW consumptions [Wh/km] Con le migliori batterie al Litio*, competizione fino a km, oltre FCEV progressivamente migliori BEV-Ren. BEV-NG BEV-Coal BEV-Mix FCEV-LH2-Ren. FCEV-LH2-NG FCEV-LH2-Coal FCEV-CGH2-Ren. FCEV-CGH2-NG FCEV-CGH2-Coal FCEV-Gasoline FCEV-Ethanol FCEV-Methanol FCEV-NG Range [km] *Li-ioni, energia specifica 130 Wh/kg, potenza specifica 400 W/kg

18 Risultati emissioni di CO 2 WTW (g/km) 18 I risultati mostrano come un BEV ha emissioni di CO 2 WTW più basse di un FCEV ad idrogeno solo per autonomie sotto ai 200 km. Eccezione del caso di energia elettrica o idrogeno da sole energie rinnovabili ( pure renewable energy pathway), che non emettono CO Hummer H2 BEV-NG BEV-Coal BEV-Mix Emissions [gco2/km] Ferrari F430 Audi Q7 3.0 TDI FCEV-LH2-NG FCEV-LH2-Coal FCEV-CGH2-NG FCEV-CGH2-Coal FCEV-Gasoline FCEV-Ethanol FCEV-Methanol FCEV-NG FCEV-LH2-CO2Cap. 200 Passat 2.0 TDI Honda Civic Hybrid Fiat MJT Toyota Yaris 1.4 D Range [km] Toyota Prius

19 Il settore del trasporto «pesante» 19 Il settore dei trasporti «pesanti» copre una frazione sempre maggiore dei consumi di energia primaria del settore trasporti, suddivisa tra autobus, trasporto commercialeindustriale leggero (2-6t), medio (6-15t) e pesante (>15t). Il numero di veicoli di questo tipo circolanti in un Paese come l Italia è circa 3.5 milioni ( > 6t). La potenza richiesta sui veicoli più pesanti arriva a kw, con carico utile fino a 30 t e autonomia di molte centinaia di km a pieno carico, insostenibile con BEV puri. Il settore impatta fortemente anche sulle emissioni classiche (NOx, polveri) oltre che di CO 2 (**) Eucar Well-to-wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context, Eucar Concawe Report, European Commission JRC, Ver. 2c, 2007 Andamento storico e previsione dei consumi di combustibili per trasporto su strada nelle nazioni dell EU-25 (**)

20 Esempio di risultato per veicolo da trasporto da 3,5 t (leggero) 20 Il confronto in termini di consumo (per km e per kg di carico utile) mostra come le soluzioni BEV risultino non applicabili per autonomie oltre km Veicolo 3500 kg ; ciclo guida Fige-ETC [Wh km -1 kg -1 ] Autonomia [km] BEV Rinnovabili BEV Gas Naturale BEV Carbone BEV Mix Parco FCEV con LH2 Rinnovabili FCEV con LH2 Gas Naturale FCEV con LH2 Carbone FCEV con CGH2 Rinnovabili FCEV con CGH2 Gas Naturale FCEV con CGH2 Carbone FCEV con Benzina 1.6 FCEV con 1.4Etanolo 1.2 FCEV con Metanolo FCEV con 0.2Gas Naturale 0 FCEV con LH carbon sequestration

21 Conclusioni: bilanci WTW, idrogeno e mobilità 21 L impiego di idrogeno nel settore mobilità appare una soluzione molto promettente nel medio-lungo termine per il conseguimento di una sostanziale riduzione di emissioni nel settore mobilità, soprattutto in combinazione con l uso di batterie (veicoli ibridi) (*): applicabile nel settore degli autoveicoli leggeri (automobili, in particolare se non limitate all uso urbano con ridotta autonomia), praticamente indispensabile per applicazioni di trasporto pesante (il cui peso energetico è atteso in crescita fino a coprire il 50% dei consumi di energia primaria del settore trasporti). Possibile ruolo ponte di sperimentazioni su miscele metano-idrogeno (es. progetto Mygas (**)) (*) McKinsey The role of Battery Electric Vehicles, Plugin Hybrids Fuel Cell Electric Vehicles, (**) progetto iniziato nel 2010, finanziato da Regione Lombardia, per la sperimentazione di flotte di veicoli a metano-idrogeno al 30% (tra i partner: Sapio,CRF, ENI)

22 22 Grazie per l attenzione