POLITECNICO DI TORINO Corso di Laurea in Ingegneria Civile

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1 POLITECNICO DI TORINO Corso di Laurea in Ingegneria Civile Analisi energetica ed economica di propulsioni alternative al motore a gasolio nel trasporto pubblico su strada Relatori: Prof. Ing. Bruno Dalla Chiara Prof. Ing. Francesco Deflorio Candidato: Francesco Maria Allora Marzo 2015

2 Obiettivi Confrontare le alternative al motore diesel nel trasporto pubblico su strada in termini di consumo, ambientali ed economici, in vista di un necessario ed auspicabile allontanamento dal petrolio. Analizzare, in funzione di possibili scenari futuri ipotizzati, per ognuno di essi quale alternativa risulterebbe più indicata. 2

3 Motivazioni della scelta Necessaria ed auspicabile migrazione dal petrolio - Eccessive emissioni di gas serra ed agenti inquinanti Trasporti: 17,2 % dei gas serra prodotti dall uomo 74 % di particolato - Rapido assottigliarsi dei giacimenti ma domanda crescente 3

4 Fasi del lavoro Assunzioni Raccolta dei dati ed analisi di consumi ed emissioni WTW di ogni alternativa considerata Confronto delle alternative in termini di TCO, ambientali ed economici sia nel presente che in funzione di possibili scenari futuri 4

5 Assunzioni Alternative analizzate - Trazione con motore a combustione interna - Trazione elettrica con batterie - Trazione ibrida motore termico/elettrico - Trazione tramite Fuel Cells ad idrogeno Diesel CNG Diesel/elettrica CNG/elettrica Analisi in termini di WTW 5

6 Analisi di consumi ed emissioni Esempio 1: Trazione ibrida diesel/elettrica parallela MJ/km Consumi WTW autobus ibrido dieselelettrico parallelo in funzione del tragitto 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 14,69 13,17 11,19 2,77 2,48 2,11 Ambiente urbano - centro Centro città - periferia Periferia - ambiente extraurbano TTW WTT 6

7 g CO2 eq/km Emissioni di GHGs WTW autobus ibrido diesel-elettrico parallelo 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0 1108,7 994,3 844,7 226,9 203,5 172,9 Ambiente urbano - centro Centro città - periferia Periferia - ambiente extraurbano TTW WTT Fattori di conversione utilizzati (Inter-governmental Panel for Climate Change): Greenhouse gas g CO 2eq /g CO 2 1 CH 4 25 N 2 O 298 g/km Emissioni inquinanti WTW autobus ibrido diesel-elettrico parallelo NOx PM CO SOx VOC Ambiente urbano - centro Centro città - periferia Periferia - ambiente extraurbano 7

8 Esempio 2: trazione elettrica con batterie 18 MJ/km Consumo TTW in relazione alla massa per trazione elettrica con batterie y = 4E-08x 2-0,0008x + 7, kg Consumo in relazione alla massa Trend MJ/km Consumi WTW autobus elettrico a batteria (ricarica conduttiva) 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 9,07 11,70 7,56 8,32 9,75 10,73 TTW WTT 0,00 Ambiente urbano - centro Centro città - periferia Periferia - ambiente extraurbano 8

9 g /km 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Emissioni inquinanti WTW BEV in relazione alla massa (ricarica conduttiva) kg NOx PM CO SOx VOC NOx PM CO SOx VOC g/km 1,40 1,20 Emissioni inquinanti WTW autobus elettrico a batteria (ricarica conduttiva) 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 NOx PM CO SOx VOC Ambiente urbano - centro Centro città - periferia Periferia - ambiente extraurbano 9

10 Confronto nel presente e nell ottica di possibili scenari futuri Variabili: - Consumi energetici - Emissioni (sia di gas serra che di inquinanti) - Costi di acquisto - Costi di gestione - Costi dell infrastruttura necessaria - Costi della manutenzione - Costi esterni 10

11 Confronto in termini di consumi WTW - attuale MJ/km Confronto consumi energetici WTW su percorso urbano - centro città TTW WTT Elevato beneficio (~ 5-10 MJ/km) dato dalle trazioni ibrida e puramente elettrica MJ/km Confronto consumi energetici WTW su percorso in periferia - extraurbano Beneficio dato dalle trazioni ibrida e puramente elettrica ridotto o addirittura annullato TTW WTT

12 Confronto in termini di emissioni WTW - attuale g CO 2 eq /km Confronto emissioni GHGs WTW su percorso urbano - centro città TTW WTT Discorso analogo riguardo le emissioni di GHGs, ma contributo del motore elettrico comunque positivo 0 E stessa situazione si presenta circa le emissioni di elementi inquinanti g CO 2 eq /km Confronto emissioni GHGs WTW su percorso in periferia - extraurbano TTW WTT

13 Confronto in termini di TCO (e costi esterni) - attuale /km 6,00 5,00 Confronto in termini di TCO (e costi esterni) attuale 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Costi esterni Sostituzione batterie Manutenzione Marcia veicolo Infrastuttura Acquisto veicolo Ipotesi assunte: - km annui: Diesel: 1,66 /L - Costo dei carburanti: CNG: 0,063 /kwh Elettricità: 0,168 /kwh - Vita utile bus: 12 anni H 2 : 0,91 /kwh - Assenza di sovvenzioni - Ricambio batterie Li-Ion: ogni 6,5 anni al costo di 1000 /kwh installato 13

14 Motivazioni Motivaz. Motivazioni Motivazioni Diesel EEV CNG EEV Elettrico a batt. Ibrido Dies/El Ibrido CNG/El FC ad idrogeno Azienda di trasporti Idonea? SÍ SÍ NO MEDIAMENTE MEDIAMENTE NO - Acquisto economico - Nessuna installaz. di nuovi impianti - TCO complessivo favorevole - Manutenzione e tecnol. propulsiva consolidate - Acquisto ~+20% - Costo CNG % compensa eventuale spesa per impianti - TCO complessivo favorevole: % - Manutenzione e tecnol. propulsiva consolidate - Acquisto ~+130% - Infrastr. di ricarica - Ricambio batterie - Carburante % e manut % - TCO complessivo sfavorevole~+30% - Sviluppo batterie - Acquisto ~+45% - Alti costi di sostit. Batterie e manut. - Nessuna installaz. di nuovi impianti - Consumi ridotti % - TCO complessivo mediocre +5 10% - Acquisto ~+65% - Alti costi di sostit. Batterie e manut. - Eventuale install. di nuovi impianti - Costo della marcia ridotto: % - TCO complessivo medio +0 5% - Acquisto ~+400% - Ricambio batterie - Eventuale install. di nuovi impianti - H 2 molto costoso: % - TCO complessivo molto alto: ~+325% - Tecnologia nuova Ambientale Idonea? NO MEDIAMENTE SÍ MEDIAMENTE MEDIAMENTE MEDIAMENTE - Elevate emissioni di inquin. e CO 2 TTW - Elevati costi esterni - Elevati consumi energetici WTW - Emiss. CO % e consumi energ. WTW ~+30% - Ma emissioni di inquinanti % - Emissioni TTW = 0 - Emissioni WTW= 0 se elettr. da rinnov. - Consumi energ. TTW % - Emissioni di CO % e inquin % - Consumi energ. WTW % - Emissioni di CO % e inquin % - Consumi energ. WTW simili - Emissioni TTW = 0 - Emissioni WTW= 0 se H 2 da rinnov. - Consumi energ. WTW ~+40% Migrazione dal petrolio Idonea? NO SÍ SÍ NO SÍ SÍ Del tutto dipendente dal petrolio Totalmente indipend. dal petrolio Elettricità può essere prodotta indipend. dal petrolio Del tutto dipend. dal petrolio Del tutto indipend. dal petrolio H 2 può essere prodotto indipend. dal petrolio Lungo termine Idonea? NO NO SÍ NO NO SÍ - Dipendente da combustibili fossili - Nuove norme della Commiss. Europea sulle emiss. di CO 2 al Dipendente da combustibili fossili - Nuove norme della Commiss. Europea sulle emiss. di CO 2 al Può essere indip. dai comb. fossili - η motore elettrico - Ok per norme della Commiss. Europea sulle emiss. di CO 2 - Dipendente da combustibili fossili - Norme della C. E. sulle emiss. di CO 2 rispettate solo per alti liv. di ibridaz. - Dipendente da combustibili fossili - Norme della C. E. sulle emiss. di CO 2 rispettate solo per alti liv. di ibridaz. - Può essere indip. dai comb. fossili - η fuel cell buono - Ok per norme della C. E. sulle emissioni di CO 2

15 Scenario 1: Elevato sviluppo e diffusione dei veicoli elettrici a batteria ed a fuel cell ad idrogeno al 2030 /km 3,00 Confronto in termini di TCO (e costi esterni) - Scenario 1 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Costi esterni totali Sostituzione batterie Manutenzione Marcia veicolo Infrastuttura Acquisto veicolo Ipotesi assunte: - km annui: Costo dei carburanti: - Vita utile bus: 12 anni Diesel: 2,83 /L CNG: 0,125 /kwh Elettricità: 0,112 /kwh H 2 : 0,46 /kwh - Ricambio batterie Li-Ion: ogni 10 anni al costo di 250 /kwh installato - Riduzione costi d acquisto (no sovvenzioni): 27% ibridi, 50% BEVs, 53% FCVs 15

16 Scenario 2: Ridotto sviluppo e diffusione dei veicoli elettrici a batteria ed a fuel cell ad idrogeno al 2030 /km 6,00 Confronto in termini di TCO (e costi esterni) - Scenario 2 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Costi esterni totali Sostituzione batterie Manutenzione Marcia veicolo Infrastuttura Acquisto veicolo Ipotesi assunte: - km annui: Costo dei carburanti: - Vita utile bus: 12 anni Diesel: 2,83 /L CNG: 0,125 /kwh Elettricità: 0,168 /kwh H 2 : 0,91 /kwh - Ricambio batterie Li-Ion: ogni 6,5 anni al costo di 1000 /kwh installato - Nessuna riduzione prevista per i costi d acquisto e nessuna sovvenzione 16

17 Scenario 3: Situazione attuale, effetto dell introduzione di una nuova tassazione sulle emissioni prodotte 6,00 /km 5,00 Confronto in termini di TCO (e costi esterni) - Scenario 3 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Tassazione Costi esterni Sostituzione batterie Manutenzione Marcia veicolo Infrastuttura Acquisto veicolo Ipotesi assunte: - km annui: Costo dei carburanti: - Vita utile bus: 12 anni Diesel: 1,66 /L CNG: 0,063 /kwh Elettricità: 0,168 /kwh H 2 : 0,91 /kwh - Ricambio batterie Li-Ion: ogni 6,5 anni al costo di 1000 /kwh installato - Aumento del 30% delle quantità in /g espresse nell Handbook on estimation of the external costs in the transport sector

18 Diagramma riassuntivo Cambiamenti PROGRESSO TECNOLOGICO E DIFFUSIONE FEVs AL 2030 Modalità cambiamenti ELEVATI RIDOTTI Alternative più appetibili 1) Elettrico a batteria 2) Ibrido CNG/elettrico 3) Ibrido Diesel/elettrico 1) Elettrico a batteria 2) Ibrido CNG/elettrico 3) CNG EEV SITUAZIONE ATTUALE NORMATIVE SU LIMITAZIONI EMISSIONI GHGs 1) CNG EEV (anche ibrido) 2) Tradizionale Diesel EEV 3) Ibrido Diesel/elettrico 1) Ibrido Diesel/elettrico 2) Ibrido CNG/elettrico 3) Elettrico a batteria INTRODUZIONE NUOVA TASSAZIONE SU EMISSIONI NEL BREVE TERMINE NEL LUNGO TERMINE (sviluppo elettr. medio) 1) CNG EEV (anche ibrido) 2) Ibrido Diesel/elettrico 3) Tradizionale Diesel EEV 1) Elettrico a batteria 2) Ibrido CNG/elettrico 3) Ibrido Diesel/elettrico 18

19 Grazie per l attenzione Francesco Maria Allora 19