Tecnologia creativa per realizzare la filosofia ambientale Nissan: simbiosi di persone, veicoli e natura. Le tecnologie alla base del FCV Nissan

Transcript

1

2 X-TRAIL FCV Per promuovere un ambiente più pulito, Nissan ha montato sul suo modello FCV del futuro il primo pacco di celle a combustibile di propria concezione. Il Nissan X-TRAIL FCV alimentato a idrogeno ad alta pressione sprigiona livelli straordinari di energia pulita, senza emissioni nocive. In seguito all approvazione del ministero giapponese per territorio, infrastrutture e trasporti nel novembre 2002, Nissan ha apportato ulteriori miglioramenti al prototipo e ha prodotto il modello 2003, presentato nel dicembre dello stesso anno. Cosmo Oil Co. Ltd ha noleggiato il primo esemplare nel marzo 2004, seguita a un mese di distanza dalla prefettura di Kanagawa e dalla città di Yokohama. La versione X-TRAIL FCV successiva, che monta il pacco di celle a combustibile firmato Nissan, è stata introdotta nel dicembre Si tratta di uno sviluppo in linea con il Nissan Green program, un piano di azione ambientale incentrato su sviluppo tecnologico, strategia di riciclaggio e molte altre iniziative. Tecnologia creativa per realizzare la filosofia ambientale Nissan: simbiosi di persone, veicoli e natura. Le tecnologie alla base del FCV Nissan Il veicolo di celle a combustibile (FCV) Nissan adotta elementi di svariate tecnologie, come le tecnologie EV (Electric Vehicle), HEV (Hybrid Electric Vehicle) e CNGV (Compressed Natural Gas Vehicle. Hypermini Batteria agli ioni di litio ad alta tensione X-TRAIL FCV ultimo modello TINO Ibrida AD VAN CNGV Tecnologia di controllo Serbatoio carburante gassoso

3 Caratteristiche principali del Nissan X-TRAIL FCV Adozione del pacco di celle a combustibile di produzione Nissan Con un rapporto volume/potenza e peso/potenza di circa il doppio rispetto alla versione del 2003, il pacco di celle a combustibile firmato Nissan sviluppa 90 kw, potenza sufficiente per una velocità massima di 150 km/h. Serbatoio a cilindro ad alta pressione da 70 MPa Raddoppiando la pressione di stivaggio dell idrogeno (dai 35 MPa del modello 2003), l autonomia di X-TRAIL FCV è stata aumentata di circa 1,4 volte e portata a 500 km. Batteria agli ioni di litio compatta Al posto di una cella cilindrica convenzionale, è stata adottata una batteria agli ioni di litio sottile di tipo laminato, altamente efficiente e ultracompatta, che ha permesso di migliorare significativamente lo sfruttamento degli spazi interni. Prestazioni ottimizzate Le prestazioni e la praticità del Nissan FCV sono state migliorate: la velocità massima è passata da 145 km/h a 150 km/h, l autonomia è salita da 350 km a 370 km (versione da 35 MPa) e lo spazio bagagli ha guadagnato 400 mm in più rispetto a prima. Panoramica del modello X-TRAIL FCV (1) Configurazione Inverter Pacco di celle a combustibile Batteria agli ioni di litio compatta Motore elettrico (2) Dati tecnici Veicolo Motore elettrico Pacco celle combustibile Batteria Sistema di alimentazione Serbatoio idrogeno Ultimo modello Lunghezza/larghezza/altezza Peso veicolo [mm] [kg] 4485/1770/ (1860) Posti Velocità max [km/h] Autonomia [km] Oltre 370 (oltre 500) Tipo Potenza max Coppia max [kw] [N m] Coassiale integrato con riduttore Cella combustibile Potenza max [kw] Elettrolita polimerico 90 Fornitore Tipo Tipo combustibile Pressione max [MPa] Sviluppato da Nissan Batteria agli ioni di litio compatta (di tipo laminato) Gas idrogeno compresso 35 (70) I dati tra parentesi si riferiscono al modello FCV dotato di serbatoio di idrogeno ad alta pressione da 70 MPa. NISSAN Motor Co.,Ltd. 17-1, Ginza 6-chome, Chuo-ku, Tokyo Japan

4 Veicoli puliti con tecnologie fuel cell avanzate. Evoluzione della tecnologia FCV di Nissan 1996 Inizio dello sviluppo della tecnologia FCV 1999 Maggio Primo collaudo Nissan dà inizio al programma di collaudo del modello R NESSA FCV, il suo primo FCV dotato di un riformatore di metanolo per l estrazione dell idrogeno da metanolo liquido Marzo Adesione alla CaFCP R'NESSA FCV (riformatore di metanolo) Nissan entra a far parte della California Fuel Cell Partnership (CaFCP), iniziativa di collaborazione tra case automobilistiche, fornitori energetici, enti governativi e società di sviluppo di tecnologie fuel cell, allo scopo di promuovere la commercializzazione dei veicoli FCV Aprile Primo collaudo su strada pubblica in California Nel 2001, Nissan stringe con Renault un alleanza quinquennale da 85 miliardi di yen per lo sviluppo di tecnologie fuel cell. Nel mese di aprile, Nissan dà inizio ai test su strada del modello XTERRA FCV a Sacramento, in California. L XTERRA FCV è il primo veicolo FCV di Nissan alimentato a gas idrogeno compresso. XTERRA FCV (idrogeno diretto) 2002 Luglio Adesione al progetto JHFC Nissan entra a far parte del progetto dimostrativo JHFC (Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project), sotto la guida del ministero giapponese per l economia, il commercio e l industria. Dicembre Primo collaudo su strada pubblica in Giappone Il modello Nissan X-TRAIL FCV del 2002 ottiene dal ministero giapponese per territorio, infrastrutture e trasporti l autorizzazione a condurre il programma di collaudo sulle strade pubbliche del Giappone. X-TRAIL FCV modello 2002 (idrogeno diretto) 2004 Marzo Noleggio del modello X-TRAIL 2003 in Giappone 2005 Dicembre Nissan noleggia l X-TRAIL FCV a Cosmo Oil Co., Ltd. Ad aprile, Nissan noleggia altri esemplari alla prefettura di Kanagawa e alla città di Yokohama per la raccolta di dati giornaliera in normali condizioni di esercizio. Annuncio del noleggio di X-TRAIL FCV X-TRAIL FCV modello 2003 (idrogeno diretto) Il nuovo X-TRAIL è alimentato da un pacco di celle a combustibile sviluppato da Nissan, caratterizzato da dimensioni ridotte, maggiore efficienza e più potenza rispetto alla versione precedente. Nell aprile 2006, la prefettura di Kanagawa e la città di Yokohama prendono a noleggio il nuovo modello Aprile Introduzione del programma di guida reale FCV X-TRAIL FCV ultimo modello (idrogeno diretto) Nissan avvia il programma di guida reale FCV presso la propria sede di Ginza, Tokyo, per raccogliere ulteriori dati e riscontri basati sull esperienza di guida reale degli automobilisti Febbraio Avvio del primo servizio al mondo di noleggio auto a celle di combustibile La società Kanagawa Toshi Kotsu Ltd. prende in consegna il nuovo X-TRAIL FCV per avviare il primissimo servizio al mondo di noleggio auto FCV con conducente. Nissan e Kanagawa Toshi Kotsu Ltd. lavoreranno insieme per dimostrare le prestazioni e i vantaggi della tecnologia pulita FCV nell impiego commerciale. Collaudo su strada in USA e Giappone USA Giappone California Fuel Cell Partnership Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project Alla luce degli straordinari risultati in termini di efficienza ed emissioni zero ottenuti nell ambito dei progetti CaFCP e JHFC, la tecnologia di celle a combustibile è considerata una promettente fonte di alimentazione per i veicoli del futuro. Per promuoverne la diffusione occorre risolvere alcuni problemi che richiederanno tempo, come la riduzione dei costi e la creazione delle necessarie infrastrutture di rifornimento. Nissan sta conducendo un programma di collaudo su strade pubbliche negli Stati Uniti e in Giappone proprio per trovare risposta a queste sfide in previsione della diffusione di massa dei veicoli FCV in futuro.

5 NUOVO X-TRAIL FCV Con l ultimo X-TRAIL FCV (fuel cell vehicle), Nissan ha sviluppato un veicolo di celle a combustibile che offre la stessa autonomia e accelerazione di un normale veicolo a benzina. Nonostante le difficili sfide tecnologiche poste dall uso dell idrogeno, Nissan continua a migliorare la praticità dei veicoli FCV. Principali caratteristiche del modello X-TRAIL FCV Maggiore autonomia La capacità del serbatoio di idrogeno dell ultimo FCV è stata aumentata del 30% rispetto al modello 2003 grazie all installazione di una bombola da 70 MPa. Complici anche i miglioramenti apportati al sistema di propulsione, il nuovo FCV vanta un autonomia di oltre 500 km, superiore di 1,4 volte rispetto al modello precedente. Migliore accelerazione Il nuovo modello monta un pacco di celle a combustibile di concezione Nissan più efficiente della versione precedente. La potenza massima è di 90 kw rispetto ai 63 kw del modello Più spazio di carico Il vano di carico è stato allungato di oltre 400 mm grazie alle dimensioni ridotte del serbatoio di idrogeno e del pacco di celle a combustibile e alla nuova collocazione della batteria agli ioni di litio compatta. Autonomia (km) X-TRAIL FCV modello 2003 Veicoli a benzina X-TRAIL FCV modello attuale (70 MPa) Panoramica del sistema 200 Accelerazione 2 Inverter 5 Batteria agli ioni di litio Batteria utilizzata come alimentazione compatta ausiliaria in accelerazione Dati tecnici Modello attuale Modello 2003 Veicolo Lunghezza/larghezza/altezza (mm) 4485/1770/ /1770/1800 Peso veicolo (kg) 1790(1860) Posti 5 5 Velocità max (km/h) Autonomia (km) Oltre 350 km (oltre 500 km) Oltre 350 km 1 Motore elettrico Configurazione 3 Pacco celle combustibile sviluppato da Nissan Serbatoio idrogeno ad alta pressione da 70 MPa 4 Energia generata in fase di decelerazione e immagazzinata nella batteria Motore elettrico Batteria Pacco celle combustibile Sistema di alimentazione Tipo Coassiale integrato con riduttore Coassiale integrato con riduttore Potenza max (kw) Coppia max (N m) Celle combustibile Potenza max Fornitore Tipo Tipo combustibile Pressione max Elettrolita polimerico Elettrolita polimerico (kw) Sviluppata da Nissan UTC Fuel Cells (USA) Batteria agli ioni di litio compatta Batteria agli ioni di litio compatta Gas idrogeno compresso Gas idrogeno compresso (MPa) 35(70) 35 I dati tra parentesi si riferiscono al modello FCV dotato di serbatoio di idrogeno ad alta pressione da 70 MPa.

6 BATTERIA AGLI IONI DI LITIO LAMINATA Nissan ha sviluppato una nuova batteria agli ioni di litio di tipo laminato destinata ai veicoli elettrici (EV). Grande come una batteria di tipo tradizionale, offre il doppio della capacità (140 Wh/kg) e una potenza superiore di 1,5 volte, anche dopo km percorsi in cinque anni. Il risultato? Percorrenza raddoppiata senza alcun incremento di peso e ingombro della batteria. Percorrenza EV Batteria tradizionale Accelerazione HEV Batteria tradizionale Collocazione batteria nei veicoli HEV plug-in Batteria tradizionale Batteria a elevate prestazioni Batteria a elevate prestazioni Batteria a elevate prestazioni Distanza percorsa dopo ricarica Accelerazione da 0 a 100 km/h Caratteristiche I livelli superiori di potenza e capacità sono frutto del nuovo materiale utilizzato per l elettrodo negativo. La densità energetica aumenta e la resistenza dell elettrodo diminuisce grazie alla struttura nanometrica. Batteria tradizionale Batteria di nuova concezione L elettrodo negativo realizzato in grafite anziché carbonio migliora la densità energetica e l equilibrio tra potenza e capacità. Tre esclusive tecnologie offrono l elevata affidabilità che si richiede a un veicolo. 1. Adozione della struttura laminata Grazie alle migliori capacità di raffreddamento della struttura laminata, l aumento della temperatura è limitato anche a fronte di una densità energetica doppia. La nuova struttura impedisce inoltre il verificarsi di scariche elettriche anomale causate dalla generazione di calore Batteria di tipo laminato Batteria di tipo cilindrico 2. Elettrodo positivo in manganato L uso del manganato per l elettrodo positivo stabilizza la struttura dei cristalli e limita la decomposizione, controllando così l erogazione di energia e la generazione di calore. 3. Gestione celle La stabilità è assicurata grazie alla gestione individuale delle condizioni di carica di ciascuna cella del pacco. Inoltre, la possibilità di scollegare singolarmente i circuiti in caso di guasto garantisce sicurezza.

7 PACCO DI CELLE A COMBUSTIBILE FIRMATO NISSAN Con l obiettivo di migliorare la praticità dei pacchi di celle a combustibile destinati all impiego automobilistico, Nissan ha sviluppato internamente una propria versione, adottata sul modello X-TRAIL FCV. Caratteristiche del pacco di celle a combustibile Nissan Design compatto ed elevata erogazione di potenza. Il pacco di celle a combustibile sviluppato da Nissan presenta un separatore sottile di nuova concezione* 1, un pitch celle* 2 ridotto del 40% rispetto a prima, parti integrate nei sistemi di aspirazione e scarico aria e un circuito di monitoraggio tensione celle incorporato, tutti elementi che contribuiscono alla compattezza delle dimensioni. Grazie a questi e altri miglioramenti, il pacco offre un erogazione di potenza straordinariamente elevata per il proprio volume e peso. Lunga durata I miglioramenti apportati ai materiali degli elettrodi hanno permesso di allungare di oltre il doppio la durata di vita rispetto al pacco celle precedentemente utilizzato da Nissan. Migliore guidabilità La membrana in elettrolita polimerico* 3 e lo strato di diffusione gas* 4 sono stati migliorati per offrire maggiore rapidità di avviamento e spegnimento, pur mantenendo le caratteristiche di potenza necessarie per l utilizzo del veicolo. 1,7 volte Doppio Specifica attuale (nuova concezione) Specifica 2003 (precedente pacco Nissan) Rapporto volume/potenza (= potenza/volume) Specifica attuale (nuova concezione) Specifica 2003 (precedente pacco Nissan) Rapporto peso/potenza (= potenza/peso) Configurazione dell unità celle di combustibile Distanza celle ridotta (adozione di un separatore sottile) Circuito di monitoraggio tensione celle incorporato Parti integrate nei sistemi di aspirazione e scarico Dati tecnici Tipo Membrana in elettrolita polimerico (PEM) Potenza 90 kw Altre caratteristiche A tenuta d acqua e polvere * 1 Componente che separa l idrogeno e l ossigeno erogati alle singole celle e trasferisce l elettricità prodotta alla cella successiva. * 2 Il termine pitch indica la distanza tra celle adiacenti collegate in serie. Un pacco celle per veicoli è solitamente costituito da diverse centinaia di celle collegate in serie per ottenere la tensione elettrica necessaria. * 3 Membrana a scambio di ioni realizzata in materiale polimerico che permette il passaggio degli ioni di idrogeno (protoni) prodotti nelle celle. * 4 Materiale poroso che diffonde l idrogeno e l aria e li distribuisce uniformemente allo strato di elettrodi.

8 SERBATOIO DI IDROGENO AD ALTA PRESSIONE DA 70 MPA Nissan ha sviluppato un sistema di immagazzinamento dell idrogeno ad alta pressione da 70 MPa per aumentare l autonomia dei veicoli a celle a combustibile. Di recente concezione, il sistema ha ricevuto dall High Pressure Gas Safety Institute of Japan (KHK) la certificazione di serbatoio di idrogeno ad alta pressione da 70 MPa. Caratteristiche del sistema Il precedente serbatoio di idrogeno ad alta pressione comprimeva e immagazzinava l idrogeno a una pressione di 35 MPa. Comprimendo l idrogeno al doppio della pressione, ossia 70 MPa, si riesce a racchiudere in un serbatoio di pari dimensioni il 30% di idrogeno in più. Capacità di immagazzinamento idrogeno Incremento di circa il 30% Sistema da 70 MPa Sistema da 35 MPa Struttura del sistema e spiegazione tecnica Il serbatoio di idrogeno ad alta pressione da 70MPa presenta un rivestimento interno in alluminio e uno strato esterno in C-FRP (plastica rinforzata con fibra di carbonio). Lo strato di C-FRP si basa su una fibra di carbonio a elevata resistenza ed elasticità caratterizzata da uno schema di avvolgimento ottimale. In questo modo si ottiene sufficiente robustezza per resistere alla pressione di 70 MPa. Rivestimento in alluminio C-FRP

9 L APPROCCIO DI NISSAN ALL AMBIENTE L ideale ambientale di Nissan è una società fondata sul motto simbiosi di persone, veicoli e natura. Nel perseguire questo scopo, Nissan ha fissato target specifici nell ambito del proprio piano di azione ambientale, il Nissan Green Program Per contribuire a una società mobile sostenibile, Nissan sta adottando un approccio proattivo alla ricerca di soluzioni per le sfide ambientali, come la riduzione delle emissioni di CO2 per contenere il riscaldamento globale. Cos è il Il Nissan Green Program è un piano di azione ambientale a medio termine che prevede attività e obiettivi mirati, incentrati su tre principali aree di intervento: Riduzione delle emissioni di anidride carbonica (CO2): Riduzione al minimo delle emissioni per preservare l atmosfera, le acque e il suolo Riciclaggio delle risorse (campagna delle 3R: ridurre/riutilizzare/riciclare) Gli obiettivi del piano di azione precedente, il Nissan Green Program 2005, sono stati tutti raggiunti. Il Nissan Green Program 2010 fissa nuovi obiettivi e programmi da conseguire entro la fine del decennio: Il nostro traguardo è ridurre le emissioni di CO2 in tutti gli ambiti delle attività aziendali di Nissan. Il fine ultimo è quello di limitare l impatto ambientale causato dalla produzione e dall utilizzo dei veicoli Nissan, assicurandone la compatibilità con la naturale capacità di assorbimento della Terra.

10 L APPROCCIO DI NISSAN ALL AMBIENTE Approccio a tre livelli Per ridurre in misura significativa le emissioni di CO2, occorrono iniziative concrete che riguardino non soltanto i veicoli ma anche il comportamento degli automobilisti e la gestione del traffico. Oltre all impegno per migliorare l efficienza dei motori e delle trasmissioni di tipo convenzionale e per sviluppare veicoli elettrici a emissioni zero, Nissan ha infatti intrapreso una serie di altre iniziative. Tra queste, l installazione sui veicoli di econometri in grado di visualizzare il consumo di carburante in tempo reale e di fornire informazioni precise sul traffico per promuovere abitudini di guida ecologica, e lo sviluppo di sistemi di trasporto intelligenti (ITS) volti a migliorare il traffico, ad esempio riducendo gli ingorghi stradali. Obiettivo a lungo termine per la riduzione di CO2 Secondo le proiezioni, per fermare il riscaldamento globale sarà necessario stabilizzare i livelli atmosferici di CO2 al di sotto di 550 ppm entro il In quest ottica, Nissan si è prefissata di ridurre entro il 2050 le emissioni di CO2 dei nuovi veicoli del 70% rispetto ai livelli del Per conseguire questo obiettivo a medio termine, Nissan si sta muovendo su più fronti. Riduzione percentuale delle emissioni di CO2 dei veicoli nuovi Ciclo carburante Well to Wheel (dalla sorgente alle ruote) (%) Riduzione del 70%

11 PROPULSIONE ELETTRICA Tecnologie e veicoli Giunta a una fase di sviluppo accelerato, Nissan si prepara a lanciare, entro due anni, diversi veicoli ad alimentazione elettrica per ridurre ulteriormente le emissioni di CO2. Veicoli elettrici ibridi HEV Nissan sta sviluppando un proprio sistema ibrido da introdurre sui mercati di America e Giappone nel Sviluppo di veicoli ibridi di tipo plug-in Analogamente a un veicolo elettrico, un veicolo ibrido plug-in utilizza energia elettrica di rete per ricaricare le batterie, funzionando così con il solo motore elettrico. Il sistema azzera le emissioni di CO2. Elettricità Benzina Sviluppo di veicoli ibridi plug-in Motore Motore elettrico Batteria Sistema di ricarica Serbatoio benzina Veicoli a celle di combustibile FCV Un veicolo FCV (fuel cell vehicle) è alimentato dall energia elettrica generata dalla reazione chimica di idrogeno e ossigeno, funzionando quindi in modo ecologico senza alcuna emissione di CO2 o di altre sostanze di scarico inquinanti. Nel 2003, Nissan ha introdotto il proprio FCV sul mercato giapponese nell ambito di un ristretto programma di noleggio. Grazie agli ulteriori miglioramenti apportati al pacco celle di combustibile di propria concezione, Nissan prevede di lanciare il proprio veicolo FCV di ultima generazione in Nord America e Giappone nei primi anni X-Trail FCV (ultimo modello) Veicoli elettrici FCV Nissan sta perfezionando le proprie batterie e altre tecnologie di alimentazione elettrica per aumentare l autonomia dei veicoli elettrici e promuoverne la diffusione. Al tempo stesso, Nissan è impegnata a sostenere la creazione di stazioni di ricarica e altre infrastrutture con l intento di commercializzare veicoli elettrici già agli inizi degli anni 2010, in seguito a collaudi su strada. Pivo2 (modello concept) Progressi nell ambito delle principali tecnologie destinate ai veicoli elettrici Nissan sta perfezionando le proprie batterie e altre tecnologie di alimentazione elettrica per aumentare l autonomia dei veicoli elettrici e promuoverne la diffusione. Al tempo stesso, Nissan è impegnata a sostenere la creazione di stazioni di ricarica e altre infrastrutture con l intento di commercializzare veicoli elettrici già agli inizi degli anni 2010, in seguito a collaudi su strada. Batteria agli ioni di litio compatta di Nissan

12 STORIA DEI VEICOLI EQUIPAGGIATI CON BATTERIE AGLI IONI DI LITIO Nissan ha iniziato a sviluppare batterie agli ioni di litio nel 1992 e da allora ha adottato questa tecnologia su numerosi veicoli elettrici (EV), veicoli elettrici ibridi (HEV) e veicoli a celle di combustibile (FCV). L impegno dell azienda è ora rivolto al miglioramento delle prestazioni e all incremento dell autonomia con l obiettivo di procedere alla produzione in serie nel Anno Veicolo elettrico Anno Veicolo elettrico ibrido Veicolo a celle di combustibile Densità energia Batteria Densità potenza *Inizio attività di ricerca sulle batterie agli ioni di litio 0,5 kw/kg Elettrodo sottile 1,0 kw/kg 2,0 kw/kg Laminato Batteria agli ioni di litio (tipo a cilindro) Nanostruttura X-Trail FCV Ultimo modello 2,5 kw/kg Batteria agli ioni di litio (tipo laminato) *Costituzione della Automotive Energy Supply Corp. (2007), joint venture tra Nissan e NEC per la produzione di massa di batterie agli ioni di litio.