Roma, 29 novembre 2011

Transcript

1 Gli l sviluppi l sostenibili bl d dell settore d dell trasporto auto

2 L Istituto Motori del CNR; Previsioni di scenario per motori e combustibili; Sistemi di trasporto a breve, a lungo, a medio termine; Conclusioni.

3 Attività di Ricerca in Istituto Motori Miglioramento di Efficienza Energetica ed Emissioni S.I. Engines C.I. Engines Hybrid Fuell Cells Comb.Fossili Bio-Fuels Liquid, gaseous Fuels Vehicles: Performance & Emissioni In uso reale I.C.E. - Fuel Cells - Turbines CNG, Biofuels Tecniche ottiche, Simulazione, Mecatronica, Affidabilità, Nanomateriali

4 Approccio Metodologico Istituto Motori Optycal Measurements On Transparent Engine SingleCylinder Engine COMBUSTION OPTIMIZATION NEW COMBUSTION SYSTEMS ENGINE DEVELOPMENT ENGINE CONTROL COMBUSTIBILI Combustion Multidimensional Modelling Real Engine

5 Previsioni di scenario per propulsori e propellenti Previsione europea (Eucar) Previsione worldwide (J.D.Power and Associates, World Energy Council ) Energy Demand (x10 18 J ) Heavy Oil Hydrogen Gas Electricity Synthetic Fuels And biofuels Diesel/Gasoline Gaseous Fuels 80 Millions of Units Diesel 40 Liquid Fuels Gasoline Port Fuel Injected 30 Natural Gas Fuel Cell Gasoline Direct Injection GDI Hydrogen Hybrids

6 Previsione di evoluzione delle tecnologie di trasporto DIVERSIFICAZIONE { Motori Combustibili Fonte: General Motors

7 Iniziative nel breve termine per motori e combustibili Riduzione delle perdite energetiche: miglioramento dell aereodinamica, riduzione di pesi ed attritri, Incremento dell efficienza della combustione. Combustibili: predominanza dei combustibili fossili Gas Naturale Derivati da combustibili gassosi (GTL), biocombustibili diffusione limitata dell idrogeno. Il Gas Naturale è il candidato più probabile per gestire la transizione verso le applicazioni dell idrogeno Gas Gas (CH4) Fuels Ex GN NaturalGas Fuels ex biomass CNG GTL EMHV Compressed Natural Gas Gas To Liquid Ester metilico Olio Vegetale LPG LiquifiePetroleumGas Propano LNG LiquifiedNaturalGas FT Synthesis GTL Hydrogen Fuel Cells Ammonia Ultra-Clean Diesel Green Fuels Jet Fuel H2 Lubricants Urea Alpha olefins Power Generation SYNGAS DME (CO + H2) Dimethylether CH3OCH3 Me MEOH MethylAlcohol Metanolo GTL Gas To Liquid DME LPG Substitute Diesel Fuel Acetic acid Formaldehyde EtOH MTBE AlcolEtilico Etanolo Fuels/ Methanol ETBE Additivesi Ethyl Tertiary Butyl Ether Fuel Cells Olefins BTL BiomassToLiquid Biogas Polyethylene Ethylene Glycol Alpha-olefins Polypropylene Acrylonitril e

8 Iniziative nel breve termine: il biometano Utilizzo di biogas per la propulsione: Biometano Vantaggi/Svantaggi rispetto a propulsione standard: COSTO PIU BASSO DEL COMBUSTIBILE; COSTO PIU ALTO DEL VEICOLO; Pressure Swing Adsorption Scrubber technologies Chemical absosbtion Membrane separation APPROVIGIONAMENTO E STOCCAGGIO DEL COMBUSTIBILE; PER QUALUNQUE TIPO DI MOTORIZZAZIONE; MOTORE DEDICATO MONO O BI-FUEL (SI); MOTORE DUAL FUEL (CI); A LIVELLO TECNICO COME CNG.

9 Iniziative nel breve termine: il biometano Confronto con benzina Riduce CO 90%-97% 97% Riduce CO2 25% Riduce Rd NOx 35%-60% Riduce non-methane HC 50%-75% Più basse emissioni tossiche cancerogene Poco o niente particolato Confronto con Diesel Effetto sulle emissioni Valori ridotti di particolato Riduce significativamente CO Riduce NOx Riduce CO2 25% Riduce significativamente emissioni tossiche cancerogene Più alti valori di emissioni di CH4

10 Iniziative nel breve termine: il biometano Emissioni: Biometano a confronto con Gasolio e Benzina

11 Iniziative nel breve termine: i motori Motori: Sistemi avanzati di iniezione, turbocompressori innovativi; Tecniche di downsizing con turbo charging and Variable Valve Actuation; Controllo del ciclo di pressione, tecniche di EGR; Sistemi di combustione in bassa temperatura. Homogenous Charge Compression Ignition Advanced d Diesel Combustion System Fonte Volkswagen Combustione in bassa temperatura, Conseguente riduzione degli NO x, Combustione completa del combustibile iniettato

12 Road Map dell evoluzione tecnologica dei motori diesel Technology Road Map Load Factor 25 Euro 4 ter (mg/km) Particulate Matt 5 SCR on High Load Factor Applications VVA for Extended Premixed Combustion on Medium Load Factor Applications MULTIAIR SR+LR EGR Closed Loop Premixed Combustion Injection Rate Shaping Improved CC DPF Adv. DOC Euro 6 Euro 5 CC DPF Lambda Sensor Improved SR EGR Reduced CR (16:1) NOx (mg/km) Fonte: Fiat Powertrain

13 Road Map dell evoluzione tecnologica dei motori benzina Fonte: Fiat Powertrain

14 Iniziative nel breve termine: Uso di Combustibili Alternativi Additivo ossigenato, ricavato dal bio-etanolo al 20% con combustibile diesel Motori Diesel Miscele di Benzina ed Etanolo al 10%, 20%

15 Nel breve termine: Uso di Combustibili Alternativi ar] In-cylinder pressure, [ba rpm Miscela ng/h2: rpm Nm Nm Anticiporitardato a compensazione della maggiore velocita di reazione di h THC 20 NG NG 15 NG/H2 20% -CO 15 NG/H2 20% ISA 10 (NG) ISA 10 (NG) SA (NG/H2 20%) - NOx più rapido processo di accensione SA (NG/H2 20%) Torque, [N Nm] Torque, [N Nm] Crank angle, [deg] implica più alti NOx a parità di SA ar] In-cylinder pressure, [b Crank angle, [deg] NOx, THC, CO, upstream upstream catalyst, catalyst, [g/kwh] [g/kwh] NOx, CO, THC, upstream upstream upstream catalyst, catalyst, catalyst, [g/kwh] [g/kwh] [g/kwh] CO, NOx, upstream catalyst, [g/kwh] THC, upstream catalyst, [g/kwh] Experimental points Experimental Experimental points points Natural Gas Natural Natural Gas Gas Speed, Speed, [rpm] [rpm] [g/kwh] [g/kwh] Torque, [N Nm] Torque, [N Nm] Experimental Experimental points points NG/H2 20% NG/H2 NG/H2 20% 20% Speed, Speed, [rpm] [rpm] [g/kwh] [g/kwh] [g/kwh] Torque, Torque, [N [N Nm] Nm] Torque, [Nm m] Experimental points Experimental Experimental points points Gasoline Gasoline Gasoline Speed, [rpm] NG NG/H2 20% Benzina [g/kwh] [g/kwh]

16 Nel breve termine: la tecnologia del motore Tecnologia EGR: effetto sul soot Combustione convenzionale (linee continue) EGR + injection timing combustione PCCI Nox con simili valori di soot RME/SME RME/SME

17 Previsione di lungo termine: Idrogeno L Idrogeno come combustibile del futuro. o L utilizzo dell idrogeno sarà propizio ai fini dell immissione di CO2 in atmosfera purchè prodotto da fonte rinnovabile. bl Il passaggio dai combustibili fossili all idrogeno : perchè? o La riduzione delle riserve di combustibili fossili, o L aumento dei costi dei prodotti petroliferi, o Considerazioni di difesa ambientale. Il passaggio dai combustibili fossili all idrogeno : perchè mai? o Non esiste rete di distribuzione, o Difficoltà di approvigionamento per l utente finale, o Ingenti investimenti, non motivati in fase iniziale da adeguata utenza. Necessità di strategie politiche e sociali che forzino a sostegno del necessario sviluppo tecnologico m

18 Previsione di lungo termine: Idrogeno Laboratorio DHARMA* Camera Came a ad alta pressione p essione per lo studio di H2 (puro o in miscele) in condizioni tipiche dei motori a c.i. Caratteristiche C tt i ti h di combustione b ti di H2 * Device for Hydrogen Hydrogen-Air Air Reaction Mode Analysis Sviluppo di propulsori dedicati Riduzione emissioni Rid i i i i Aumento efficienza Risultati illustrati P Propagazione i di fiamma fi di H2 Pressione 3 e 6 bar λ = 1 (motori con catalizzatore)

19 Previsione di lungo termine: Idrogeno Esempio #1 Condizioni di prova: P = 3 bar T = 298 K λ = 1.0 Ripresa: v = 7000 frame/s t exp = 10-6 s

20 Previsione di lungo termine: Idrogeno Esempio #2 Condizioni di prova: P = 6 bar T = 298 K λ = 1.0 Ripresa: v = 7000 frame/s t exp = 10-6 s

21 Previsione di medio termine: Ibrido Auto elettrica Il veicolo ibrido: o Ibrido termico, o Ibrido a fuel cell, o Range Extender.. Auto Elettrica Configurazioni diverse in funzione di: o Autonomia di percorrenza, o Localizzazione dell utilizzo, l o Tipologia d utenza. Il veicolo ibrido può gestire i tempi della transizionea tecnologie alternative di trasporto per raggiungere bassi valori di consumi e tipologie di veicolo EZEV (Equivalent Zero Emission Vehicle). Necessità di strategie politiche e sociali per sostenere il costo della transizione e per convogliare gli investimenti industriali finalizzati all "electrificazione del motore.

22 Previsione di medio termine: Ibrido Auto elettrica Configurazione in funzione della specifica applicazione: non esiste una scelta jolly (Source: Ricardo and Daimler)

23 Previsione di medio termine: Ibrido Auto elettrica Ibrido a Fuel Cell ad idrogeno (PEM) Alta Densità di Potenza - Alta efficienza Progetto e realizz. Di sistemi di fuel cells basati su stacks di fuel cell ad hidrogeno Attività ità sperimentale su fuel cell power trains per ottimizzare efficienza e prestazioni AIR H2 FUEL CELLS SYSTEM AUXILIARY MANAGEMENT OUTPUT H2O DC/DC Controlled INVERTER M Converter Battery Control Unit BATTERY PACK Electric Drive Brake Control Unit Test benches per sistemi a fuell cells ad H2 fino a 30kW e sist di propulsione fino a 120kW Optic Cable HIERARCHIZED CONTROL SYSTEM OF POWER TRAIN Realizzazione di prototipi p in cooperatione con produttori di veicoli elettrici, di fuel cells, di componenti elettronici e di hydrogen suppliers Minibus 30 kw H2 scooter 2 kw

24 Previsione di medio termine: Ibrido Auto elettrica Sistema Fuel Cell PEM Potenza Stack = 600 W Tensione = V DC Pressione Aria 0.5 bar (rel) Numero Celle = 22 Temp. di Lavoro = 0-63 C Raffreddamento ad aria forzata Compressore a canali laterali Caratteristiche della tensione e potenza di stack riferite alla corrente FUEL CELL SYSTEM DC/DC Propulsore a Fuel Cell con Batterie al Pb con Batterie al Li (236 kg) (208 kg) [km] [km] Confronto Autonomie Scooter a fuel cell con differenti batterie Pacco Batterie al Piombo Tensione = 4 x 12 V Tensione di Cella = V Capacità (C 10 ) = 20 Ah Energia Specifica = 25 Wh/kg Densità Energia = 67 Wh/l Temp. di lavoro = C Cicli di Vita= 500 cicli Peso= 38 kg Pacco Batterie Ioni di Litio Tensione = 46.8 V Tensione di Cella = 3.6 V Capacità (C 10 ) = 20 Ah Energia Specifica = 105 Wh/kg Densità Energia = 130Wh/l Temp. di Lavoro = C Cicli di Vita = 1500 Cicli Peso = 8.9kg acity Ah Discharged /Cap 1 0,75 0,5 0,25 0 Pb Battery Li Battery 10 A 20 A 40 A 60 A Discharging Current [A] Confronto delle Capacità reali delle batteria al Pb e Li in rapporto alla capacità nominale per diversi valori di corrente di scarica

25 Previsione di medio termine: Ibrido Auto elettrica 10 Kwe Ra-Ex (Range Extender) Applicazioni City car ibride serie e vetture Plug-in elettriche Risultati conseguibili Riduzione significativa delle dimensioni e dei relativi costi del pacco batterie Conferimento al veicolo di una autonomia dipendente solo dalla capacità del serbatoio (@ 90 km/h constant speed) Elevata efficienza complessiva (motore monocilidrico ottimizzato, con ηel > 25% netto disponibile per lo storage) Elevata compattezza e agevole inseribiltà all interno di un moderno veicolo Immediata fattibilità industriale e ridotti costi di produzione.

26 Conclusioni Il trasporto su strada è stato dominato dal motore a combustione interna. Tale tecnologia, pur matura, per qualche decennio rimarrà predominante utilizzando: Tecniche ottimizzate di combustione, Componentistica avanzata, Combustibili sia alternativi che convenzionali Sistemi di after-treatment Diversificazione delle soluzioni in termini di motore e di combustibile ed in funzione dell applicazione: o Auto per uso privato o Flotte di veicoli in ambito municipale, o Flotte di veicoli per car sharing, o Veicoli per accesso a città d arte. L attuale sistema di trasporto è il risultato... di un evoluzione spontanea sull arco di un secolo. L entità e la rapidità del cambiamento richiesto impone pianificazione e strategie politiche ad indirizzamento degli investimenti industriali. g p g Ricerca ---- Soggetti Politici ---- Industria Esperimenti su scala reale per Sviluppo di prototipi sperimentali per applicazioni di nicchia