MINOR IMPATTO AMBIENTALE

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1 SVILUPPI E RICERCHE PER UNA MOBILITÀ A MINOR IMPATTO AMBIENTALE VEICOLO RANGE EXTENDED CON MOTORE AD AMMONIACA-IDROGENO Stefano Frigo (Università di Pisa DESTEC)

2 IL PROGETTO SAVIA (Sistemi di Alimentazione di Veicoli ad Idrogeno ed Ammoniaca) ) Grazie ad un finanziamento della Regione Toscana, L Università di Pisa, assieme ad altre ditte private del territorio Toscano, ha sviluppato un veicolo ibrido del tipo Range-Extended, equipaggiato con un motore endotermico alimentato con ammoniaca ed idrogeno. Università di Pisa Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

3 PERCHÈ UN VEICOLO RANGE EXTENDED? I veicoli elettrici presentano dei vantaggi, per l abbattimento delle emissioni inquinanti, rispetto a quelli equipaggiati con motori a combustione interna (MCI), soprattutto in ambito urbano. I veicoli elettrici sono però caratterizzati da una limitata autonomia a causa della scarsa capacità di immagazzinare energia nelle batterie. Una possibile soluzione è rappresentata t dai veicoli RANGE EXTENDED, che adottato un sistema di ricarica delle batterie a bordo in modo da incrementarne considerevolmente l autonomia. A livello di sistema di ricarica, due sono le configurazioni adottate : - MCI - Fuel Cells (FC) Attualmente la soluzione più utilizzata è comunque quella dei MCI,, sia Diesel che benzina, dato che offrono, rispetto alle FC, costi minori e maggiore affidabilità. Rimane comunque il problema delle emissioni inquinanti Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

4 PERCHÈ UN MOTORE ALIMENTATO AD AMMONIACA? Una possibilità per abbattere le emissioni dei veicoli Range extended è quella di utilizzare MCI alimentati con idrogeno (H 2 ). Purtroppo, la possibilità di immagazzinare a bordo un accettabile quantità di idrogeno è ancora limitata. Un interessante soluzione a quest ultimo problema è quella di immagazzinare l idrogeno sottoforma di ammoniaca (NH 3 ), che è liquida, a temperatura ambiente, ad una pressione di 9 bar, permettendo quindi l utilizzo di serbatoi relativamente semplici e poco costosi. L idrogeno può essere ottenuto a bordo mediante un processo di reforming catalitico dell ammoniaca. LA SOLUZIONE MIGLIORE È PERÒ QUELLA DI UTILIZZARE DIRETTAMENTE L AMMONIACA COME COMBUSTIBILE NEI MCI L utilizzo dell ammoniaca tal quale è però ostacolato da alcune sue caratteristiche, come la bassa velocità di fiamma e l alta energia di innesco, che ne impongono l uso assieme ad altri combustibili che fungono da promotori della combustione. Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

5 Tra i vari promotori, l IDROGENO è sicuramente il migliore, dato che anch esso è carbon free e presenta caratteristiche di combustione complementari a quelle dell ammoniaca (alta velocità di fiamma e bassa energia di innesco). Una piccola quantità di idrogeno (circa l 8% in volume) aggiunta all ammoniaca è sufficiente a garantire una combustione della miscela adeguata. Proprientà Ammoniaca Idrogeno Benzina Potere Calorifico Inferiore [MJ/kg] Limiti di Infiammabilità (gas in aria) [vol. %] Velocità Laminare di Fiamma [m/s] Temperatura di Autoaccensione [ C] Energia di Autoaccensione [mj] Numero di Ottano [RON] >130 > Densità (1 bar) [g/l] Rapporto Stechiometrico (ari/comb.) [mass] ~ 14.5 Contenuto di Energia (miscela stechiometrica) [MJ/kg] Il motore alimentato con ammoniaca ed idrogeno emette allo scarico solo una modesta quantità di NOx, facilmente eliminabile con le tecnologie attualmente disponibili sul mercato. Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

6 L utilizzo dell ammoniaca come vettore di idrogeno presenta ulteriori vantaggi rispetto a quest ultimo. Essa, infatti, allo stato liquido, contiene più idrogeno dell idrogeno liquido stesso ( circa il 70 % in più). L ammoniaca risponde pienamente agli standard futuri richiesti dal Dipartimento dell Energia degli USA (DOE) per i vettori idrogeno. Attualmente circa l 80% dell ammoniaca è prodotta con il processo Haber-Bosch, partendo dal metano, che non è certo un processo carbon-free. Sono comunque disponibili le tecnologie per produrre l ammoniaca in modo pulito utilizzando le energie rinnovabili come l eolico o il fotovoltaico. Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

7 LE ORIGINI DEL MOTORE ALIMENTATO AD AMMONIACA ED IDROGENO L utilizzo di una miscela di ammoniaca ed idrogeno per alimentare i MCI non è una novità. L ammoniaca, assieme ad una piccola quantità di gas illuminate (ricco di idrogeno), è stata utilizzata in Belgio durante la II Guerra Mondiale per alimentare una piccola flotta di autobus urbani. Ma l idea lidea del motore alimentato ad ammoniaca ed idrogeno è Italiana. Si deve infatti alla società Ammonia Casale di Terni il primo brevetto (1938) di un motore alimentato ad ammoniaca ed idrogeno, quest ultimo ottenuto a bordo tramite un apposito reattore. Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

8 Un innovativo reattore catalitico per la conversione dell ammoniaca in idrogeno e azoto è stato progettato e realizzato espressamente all interno del progetto. IL REATTORE CATALITICO Il reattore utilizza l enegia termica contenuta nei gas di scarico motore per raggiungere la temperatura di esercizio. La sperimentazione al banco ha dimostrato una conversione completa dell ammoniaca a partire da 500 C, con una conversione del 90% già a partire da 450 C. Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

9 Uscita N 2 + H 2 outlet (x4) Alloggiamento termocoppia per la lettura della temperatura nel letto del catalizzatore (x4) Alloggiamento catalizzatore lungo un tubo coassiale a quello in cui è alloggiata la cartuccia riscaldante (x4) Ingresso NH 3 (x4) Alloggiamento cartuccia riscaldante (x4) Gas esausti provenienti dal motore Elementi volti ad aumentare la turbolenza ed il contatto dei gas esausti con le superfici di scambio termico del reattore (percorso tortuoso dei gas di scarico) 2012 Small Engine Technology Conference Madison (WI) Paper # Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

10 IL MOTORE SPERIMENTALE Il motore scelto per la sperimentazione è un biclindrico raffreddato a liquido prodotto dalla Lombardini (modello LGW-523 MPI). Rispetto all originale versione a benzina, le uniche modifiche hanno riguardato il collettore di aspirazione per l alloggiamento degli iniettori dell ammoniaca e dell idrogeno. L originale centralina elettronica di controllo motore è stata invece sostituita con una completamente programmabile. Model Lombardini LGW 523 MPI Displacement 505 cm 3 Stroke 62 mm Bore 72 mm Compression ratio 10.7:1 Cooling system water cooled Vl Valves 2 per cylinder Max power (gasoline) Max torque (gasoline) Engine velocity at idle Mass Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT) rpm rpm 1100 rpm 49 kg

11 LA SPERIMENTAZIONE AL BANCO PROVA Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

12 Poten nza (kw) Benzina Ammoniaca giri/min nco (%) Rendim mento al ba 30% Ammoniaca 28% Benzina 26% 24% 22% 20% giri/min Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

13 ASSEMBLAGGIO FINALE DEL VEICOLO Il veicolo scelto per l allestimento ibrido è un piccolo camion (capacità di 3,5 t) adibito alla raccolta della spazzatura nei centri urbani. Questo genere di veicoli è diffusamente utilizzato nei centri urbani, dove le problematiche connesse all inquinamento ed al rumore (soprattutto di notte) rimangono irrisolte. L originale motore diesel è stato rimosso e la zona sotto il cassone è stata completamente utilizzata per l alloggiamento della propulsione p ibrida. Un veicolo del genere, dotato di propulsione ibrida del tipo serie, può operare in elettrico all interno della città, per poi attivare il motore endotermico durante i trasferimenti per la ricarica delle batterie. Il veicolo è inoltre dotato di una presa elettrica per la ricarica delle batterie durante le soste. Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

14 Sono state installate 80 batterie al litio connesse in serie ottenemdo una tensione di 264 V. Le batterie hanno una capacità energetica di circa 24 kwh, in grado di erogare una potenza massima di 19 kw. Il pacco batterie alimenta il motore elettrico tramite inverter. Il generatore elettrico, connesso al MCI, è del tipo sincrono trifase. Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

15 L uso dell ammoniaca, data la sua tossica, comporta l adozione di alcune precauzioni legate alla sicurezza. Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

16 All interno del progetto è stato progettato e realizzato un apposito sistema di monitoraggio per rilevare eventuali perdite di NH 3, composto da una centralina elettronica e da tre sensori a soglia collocati in varie parti del veicolo: il primo, con una sensibilità di 20 ppm, è stato alloggiato all interno della cabina del conducente; il secondo, con una sensibilità di 100 ppm, è localizzatoli vicino i al serbatoio dell NH3; il terzo, sempre con sensibilità di 100 ppm, è localizzato vicino all uscita del condotto di scarico motore. Vicino allo scarico Nell abitacolo Vicino al serbatoio di NH 3 Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

17 CONCLUSIONI Con il supporto di un finanziamento della Regione Toscana, un consorzio composto dall Università di Pisa e ditte del territorio Toscano ha portato alla realizzazione di un prototipo di veicolo ibrido del tipo Range Extended a bassissimo impatto ambientale. Per tale veicolo ibrido è stato espressamente sviluppato un innovativo MCI alimentato con ammoniaca ed idrogeno, quest ultimo prodotto a bordo tramite un reattore catalitico, ideato e realizzato all interno del progetto, che sfrutta l energia termica dei gas di scarico motore per raggiungere la temperatura di esercizio. Le uniche emissioni inquinanti allo scarico riguardano una modesta quantità di ossidi di azoto (NOx). Tale emissione è comunque facilmente eliminabile con l ausilio di tecnologie disponibili sul mercato (sistemi SCR). Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

18 GRAZIE PER L ATTENZIONE s.frigo@ing.unipi.it it DESTEC - Università di Pisa Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)

19 SVILUPPI E RICERCHE PER UNA MOBILITÀ A MINOR IMPATTO AMBIENTALE RECUPERO DELL ENERGIA DEI GAS DI SCARICO NEI MOTORI AD ACCENSIONE COMANDATA Giovanni Lutzemberger - Gianluca Pasini (Università di Pisa DESTEC)

20 INTRODUZIONE Riduzione consumi ed emissioni dettata da richieste del mercato automotive e da nuovi standard sulle emissioni inquinanti (ad es. norme Euro-X). Il recupero di energia dai gas di scarico diventa quindi una possibile soluzione da studiare e valutare nel dettaglio. Le principali tecniche oggetto di studio sono: Organic Rankine Cycles, ORCs. Generatori Termoelettrici. i Electric Turbo Compound, ETC.

21 ELECTRIC TURBO COMPOUND La tecnica ETC prevede l adozione di una macchina elettrica montata direttamente sull asse di un gruppo turbo-compressore (T/C) di un qualunque motore sovralimentato. Grazie ad un apposito controllo può agire da generatore o motore elettrico. Quando il lavoro prodotto dai gas di scarico in turbina risulta maggiore di quello richiesto dal compressore, il generatore raccoglie questo surplus e lo rende disponibile sotto forma di energia elettrica. Non è più necessaria la valvola wastegate. Quando il bilancio risulta invertito il motore elettrico fornisce energia all albero del T/C. Vantaggi attesi Recupero di energia. Riduzione effetti turbo-lag. Estensione della sovralimentazione anche a bassi regimi. Criticità Aumento della contropressione allo scarico del motore. Costo e complessità del sistema.

22 ARCHITETTURA DEL POWERTRAIN (1/2) L architettura selezionata per il powertrain risulta invariata rispetto a quella di un veicolo convenzionale. L impianto elettrico a 12 V si mantiene quasi del tutto invariato: l alternatore è accoppiato all ICE e interfacciato alla rete DC mediante un convertitore bidirezionale.

23 ARCHITETTURA DEL POWERTRAIN (2/2) La macchina elettrica ETC viene accoppiata direttamente al gruppo turbocompressore T/C. L energia in eccesso dei gas di scarico fa funzionare la macchina elettrica come generatore. L energia elettrica generata viene convertita in meccanica, disponibile alla flangia dell ICE.

24 MODELLO DI SIMULAZIONE DELL ICE (1/3) Simulazione monodimensionale tramite codice AVL-BOOST di motore bicilindrico sovralimentato a benzina, 900cc di cilindrata. Mappe sperimentali di T-C da Università di Genova. Dati motore validati da AVL. Macchina elettrica ideale. Confronto tra motore originale con valvola waste-gate e motore equipaggiato con sistema ETC, simulazioni a differenti carichi e regimi.

25 MODELLO DI SIMULAZIONE DELL ICE (2/3) Potenza totale prodotta dal MCI (albero motore + ETC), confronto tra motore originale e motore equipaggiato con sistema ETC a differenti regimi e carichi.

26 MODELLO DI SIMULAZIONE DELL ICE (3/3) Variazioni % del consumo specifico globale, BSFC (Brake Specific Fuel Consumption), a differenti regimi e carichi. Apprezzabili benefici a carichi medio-elevati. Aumento dei consumi a bassi regimi e alto carico per raggiungere potenze maggiori rispetto al motore normale. Sostanziale ininfluenza a bassi carichi con farfalla parzializzata.

27 MODELLO DI SIMULAZIONE DEL POWERTRAIN (1/2) L obiettivo del modello è quello di effettuare delle analisi di consumo energetico. I risultati sono stati confrontati con la configurazione standard del veicolo di partenza. Sono stati modellati: Il motore a combustione interna e la trasmissione. L impianto elettrico standard con l aggiunta della macchina elettrica ETC asservita al gruppo di sovralimentazione T/C. La caratteristica meccanica del veicolo (azioni resistenti al moto). Un modello di pilota capace di seguire un profilo di velocità di riferimento.

28 MODELLO DI SIMULAZIONE DEL POWERTRAIN (2/2)

29 STRATEGIA DI GESTIONE ENERGETICA Il principale obiettivo è quello di consentire all alternatore di assorbire la potenza in eccesso quando la macchina elettrica ETC abbinata al gruppo turbo-compressore T/C eroga più di quanto assorbono i dispositivi di bordo. Lo stato di carica della batteria viene mantenuto leggermente al di sotto del valore massimo, per consentire una quota di recupero dell energia in frenatura.

30 MACCHINA ELETTRICA ETC Range di velocità: rpm. Massima potenza: 2.5 kw. Necessità di identificare soluzioni compatte e leggere: diverse tipologie sono state a questo proposito ipotizzate. Studi di layout per l integrazione i della ETC all interno del gruppo T/C sono necessari, al fine di evitare stress termici ad alcuni componenti (es. dei magneti nel caso di utilizzo di macchine a magneti permanenti).

31 RISULTATI - Profili di velocità Due profili di velocità di riferimento sono stati utilizzati. Parte urbana NEDC (New European Driving Cycle). Parte extra-urbana.

32 RISULTATI - Configurazioni di veicolo La presente soluzione è stata valutata per due tipologie di veicolo: Vettura di segmento medio-inferiore (es. VW Golf). Vettura di segmento medio-alto (es. Mercedes Classe C). Small medium Top medium Massa (kg) 1200 Sezione frontale (m 2 ) 1.8 Cx 0.31 Massa (kg) 1700 Sezione frontale (m 2 ) 2.0 Cx 0.28

33 RISULTATI - Consumi simulati La soluzione ETC, se applicata modificando in maniera minima il powertrain di partenza, non presenta vantaggi di consumo apprezzabili. I maggiori vantaggi sono ottenibili nel caso del veicolo più grande, impiegato nei tragitti extra-urbani (+1.6%). Small medium Top medium Soluzione standard Soluzione con ETC Soluzione standard d Soluzione con ETC NEDC NEDC Δ Δ urban extra-urban (%) (%) (km/l) (km/l)

34 Risultati Valutazione del Turbo-lag Il sistema ETC può essere utilizzato anche per ridurre il ritardo di risposta del turbo durante i transitori di accelerazione. In questo caso la macchina ETC funziona da motore, accelerando il gruppo T/C fino alla velocità desiderata. La soluzione con ETC consente significativi ifi i risparmi i di tempo rispetto al caso standard. ICE omega (rpm) T/C start (rpm) T/C end (rpm) Tempo (s) Soluzione standard Tempo (s) Soluzione con ETC Δ (s)

35 CONCLUSIONI E FUTURI SVILUPPI È stato creato un modello monodimensionale per la simulazione di un motore a combustione interna (ICE) ad accensione comandata con gruppo turbocompressore abbinato a una macchina elettrica (ETC). Il modello del turbocompressore utilizza mappe sperimentali per la sua taratura. In un motore sovralimentato, che opera su un ampio campo di regimi e carichi, l adozione di un sistema ETC dà origine a modeste riduzioni del consumo specifico (max 4%). L ETC offre comunque benefici in termini di estensione del campo di sovralimentazione i a più bassi regimi i e di riduzione i del turbo-lag. I risultati del modello dell ICE sono stati implementati su una piattaforma informatica che tiene conto di tutto il comportamento del veicolo a livello energetico. La simulazione ha dimostrato come l adozione del sistema ETC non dia sostanziali benefici dal punto di vista del rendimento energetico globale, ma comporti vantaggi a livello di riduzione dei ritardi di risposta nei transitori e di estensione del range di sovralimentazione dell ICE. È attualmente in atto una valutazione dei benefici ottenibili con l adozione di un ETC su un motore Diesel di media cilindrata.

36 GRAZIE PER L ATTENZIONE DESTEC - Università di Pisa Ecomobility 2014, Ottobre 2014, Montecatini Terme (PT)