Inquinamento atmosferico e trasporti: dall auto elettrica ai bus all idrogeno

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1 Inquinamento atmosferico e trasporti: dall auto elettrica ai bus all idrogeno Ing. Giovanni Pede - Responsabile Laboratorio Sistemi e Tecnologie per la Mobilità e l Accumulo Giornata di formazione continua in collaborazione con l Ordine dei giornalisti del Lazio ROMA 10 marzo 2016

2 Indice della presentazione Missioni e tecnologie: un problema di adattamento Le ragioni dell elettrico Analisi dal pozzo alla ruota e catena dei rendimenti I sistemi di accumulo per veicoli elettrici Prestazioni richieste per le varie tipologie di veicoli Soluzioni per il trasporto pubblico locale Soluzioni per il trasporto individuale L idrogeno nei trasporti: una soluzione sostenibile nell immediato

3 Missioni e prestazioni stradali Motori a combustione interna Per informazioni mario.conte@enea.it Fonte: GM)

4 Prestazioni stradali ed impatto ambientale (1) Autonomia e velocità Veicoli elettrici con generatore di piccola potenza (range extender) Ibridi full performance e/o plug in Ibridi micro e minimi Veicoli elettrici con batterie al litio Veicoli con FC a idrogeno di potenza piena, ibridizzati e non Veicoli elettrici con batterie Na-NiCl Veicoli elettrici con batterie piombo-acido Elettricità Idrogeno Idrocarburi Impatto ambientale

5 Prestazioni stradali ed impatto ambientale (2)

6 Consumi TTW (tank-to-wheel) 141 Wh/km 1 9 Wh/km 27 Wh/km 15 Wh/km 29 Wh/km 221 Wh/km Trasm. Macchina elettrica AC DC Accumulo elettrico 94 % 85 % 92 % 87 % Per questo veicolo, nella versione elettrica, il rendimento di conversione in energia meccanica alle ruote risulta intorno al 62 %. Nella versione termica (GPL) è invece del 16-17% (cicli urbani con prevalenza di transitori) 1 Impostato considerando 100 Wh/t km, M.Ceraolo, UNIPISA

7 Consumi WTT (well-to-tank) Versione GPL Estrazione e trasporto GPL: 94% (JRC/EUCAR/CONCAWE) Versione elettrica Estrazione e trasporto NG: 95,4% Generaz. E.E. 53,1 % Trasporto/distrib.: 94% Complessivo: 48% Rendimento della catena elettrico : 0,62 x 0,48 = 30% Rendimento della catena GPL: 0,16 x 0,94 = 15% Nel settore del trasporto, il peso degli idrocarburi potrebbe dimezzarsi!

8 Le emissioni di CO2 in Italia Emissioni totali Emissioni trasporto Verona 18/05/14

9 PEV (pure electric vehicles) of italian production Piaggio Porter Electric Power / IVECO Daily / Piaggio Liberty /industriaitalianaautobus Zeus

10 L universo dei veicoli elettrico-ibridi Veicoli elettrici Veicoli Ibridi minimi Veicoli Ibridi range extender Veicoli Ibridi plug-in Sistema di accumulo Veicoli a fuel cell Veicoli Ibridi parallelo Veicoli Ibridi serie Veicoli Ibridi full

11 Funzioni dell accumulo elettrico Toyota Prius Honda Insight Opel Ampera Citroen C2 Marcia in elettrico (ridotta) Marcia in elettrico, di norma Motor assist Motor assist Frenatura a recupero Frenatura a recupero Frenatura a recupero Start & Stop Start & Stop Start & Stop Start & Stop Frenatura a recupero Micro ibridi Mild hybrid Full performance E-Rev o Batt.Electric

12 Sistemi di accumulo per veicoli a trazione elettrica: quadro d assieme Sistema di accumulo Vantaggi Svantaggi Batteria al Piombo Costo Limitate prestazioni Batterie Ni Idruri metallici Batteria ad alta temperatura Na NiCl Batterie al Litio Supercondensatori Accumulatori a fluido Volani Prestazioni: 2 volte Pb in energia,anche meglio in potenza, sicurezza Prestazioni: 3 volte Pb Prestazioni: 4-6 volte Pb Alta potenza, vita elevata, modularità Alta potenza, vita elevata, modularità Alta potenza, vita elevata Costo + elevato Modularità ridotta Gestione accurata, anche per la sicurezza Bassa energia Specifici per ibridi termoidraulici Bassa modularità, effetto giroscopico, sicurezza

13 Le batterie al litio: una tecnologia dalle molte facce LCO LMO NMC NCA LFP LiCoO 2 LiMn 2 O 4 Li(NiCoMn)O 2 Li(NiCoAl)O 2 LiFePO 4 Litio 7,1% 3,9% 7,3% 7,3% 4,4% Cobalto 60,2% 9,8% 9,3% Nickel 25,8% 48,7% Alluminio 1,6% Manganese 60,8% 24,0% Ferro 35,4% Fosforo 19,6% LCO NMC LFP Tensione (V) 3, ,3 N. cicli Densità di energia (Wh/L) Energia specifica (Wh/kg)

14 Ridurre il costo della batteria a parità di prezzo unitario (per unità di energia accumulabile) Per ridurre i costi riducendo il peso della batteria di trazione, le strade sono tre 1. Ridurre l energia necessaria alla missione: ridurre le dimensioni e/o il peso veicolo e/o 1. Ricaricare continuativamente, ibridizzando il veicolo: mettere a bordo una seconda sorgente di energia (R-EV) 2. Ricaricare durante il giorno, riducendo il tempo per la ricarica : aumentare le potenze di ricarica, fast charge

15 Fast charge: veicoli studiati ad hoc Shanghai Aowei Technology Development Company & Sinautec ZeroFilo Bus Industria 2015

16 Il progetto PBI G & A Engineering s.r.l. Ferrari BSN s.r.l. T. Huria, G. Lutzemberger, G. Pede, G. Sanna: Systematic development of series-hybrid bus through modelling. IEEE VPPC 2010, Vehicle Power and Propulsion Conference, Lille, 1-3/9/2010

17 Il re-powering del Tecnobus Implementazione su minibus: sistema batterie multi stringa - multi modulo F. Baronti, R. Di Rienzo, R. Moras, R. Roncella, R. Saletti, G. Pede, F. Vellucci "Implementation of the fast charging concept for electric local public transport:the case-study of a minibus, INDIN 2015 IEEE International Conference on Industrial Informatics, July 2015, Cambridge, UK

18 R&D in ENEA Report ) Design and Experimentation of Two-coil Coupling for Electric City-Car WPT Charging, Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Taylor & Francis, 2) Design and Experimentation of WPT Charger for Electric City-Car, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 3) Series-series resonant IPT system analysis under frequency mismatch, Accepted in Proceedings of IEEE Industrial Electronics International Conference (IECON), 2015 Yokohama, pp ) Reactive power control for an energy storage system: A real implementation in a Micro-Grid - Journal of Network and Computer Applications Experimental Test Campaign on a Battery Electric Vehicle: On-Road Test Results (Part 1) (Part 2) - SAE Int. J. Alt. Power. 4(2):2015, 5) EV fast charging stations and energy storage technologies: a real implementation into the smart grid paradigm Electric Power System Research Journal Volume 120, March 2015, Pages ) Elettrificazione del trasporto pubblico locale: valutazione e risultati per il caso dell Aquila- Energia Ambiente e innovazione, Rivista bimestrale ENEA, n ) L evoluzione normativa per l efficienza energetica nel settore trasporti- Rapporto annuale Efficienza Energetica 2015, ENEA ISBN ) Il contributo Italiano alla ricerca internazionale in materia di usi finali dell energia - Rapporto annuale Efficienza Energetica 2015, ENEA ISBN ) Exposure Assessment of Stray Electromagnetic Fields Generated by a Wireless Power Transfer System - Proceedings of the 9th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP2015), Lisbon, Portugal, April 12-17, ) Experimental assessment of stray electromagnetic fields exposure from a wireless power transfer system prototype - Abstract Collection of the Annual Meeting of the Bioelectromagnetics Society (BioEM 2015), Asilomar, USA, June 14-19, ) Multi-source power converter system for EV charging station with integrated ESS IEEE 1st International Forum on Research and Technologies for Society and Industry Leveraging a better tomorrow (RTSI) Turin Sept , ) On the energy efficiency of quick DC vehicle battery charging - EVS28 International Electric Vehicle Symposium Kyntex Goyang Korea, May 3-6, ) Life cycles test on a lithium battery system- IECON 2014, Dallas TX - USA, 29 Ottobre - 1 Novembre ) Implementation of the fast charging concept for electric local public transport: the case-study of a minibus INDIN 2015, Luglio 2015, Cambridge, UK 15) Ultra-fast and contactless charging,a new frontier for the electric vehicle World Magnetic Conference, Coiltech 2015, settembre, Pordenone

19 E per il trasporto individuale? O batterie piccole Europa: Classe Sub-A e microvetture Giappone: kei jidosha, pesano per circa il 30% dell'intero mercato domestico Vetturetta da città D-costo [k ] 2 Abbattim. CO2 [t/10 anni] 3.06 Possibile incentivo [k ] 1,2 Incentivo / D-costo 60%

20 oppure il car sharing Problemi dell elettrico Autonomia ridotta Caratteristiche del Car sharing Viaggi brevi Costo batteria Utilizzo elevato Necessità di infrastrutture Parcheggi riservati = punti di ricarica ben sfruttati

21 0 o la ricarica: dalla standard a quella ultrafast Power Fast charge IEC for vehicle inlet Single Ψ Speed BE Standard charge (AC) 1ph: beetween 4 an 8 hours 3ph: beetween 1 an 2 hours Fast charge (AC or DC) 1 hour or less Battery exchange in a few minutes!

22 L auto come elemento di un sistema HEMS: home energy management system EDMS: regional energy data management systems

23 Hydrogen for Public Transport Application: past and on-going activities Hydrogen hybrid fuel cell bus Private and Public Companies joined in a Consortium to design and to manufacture the First Italian Hydrogen Bus 1 st Target : approval by National Safety and Transport Board to dispatch public transport service 1 st O K 2 nd Target : decrease energy consumption and pollutants emissions

24 CH 4 H 2 MHYBUS - I partner del progetto Regione Emilia-Romagna - D.G. Reti infrastrutturali, logistica e sistemi di mobilità Consorzio tra RER, Università, Enti di ricerca, Camera di Commercio, Associazioni d impresa per promuovere azioni per lo sviluppo del sistema produttivo regionale Ente per le nuove Tecnologie, l Energia e l Ambiente - Centro Ricerche Casaccia (Roma) Società di trasporto pubblico dell area romagnola nei territori di Cesena, Forli, Rimini e Ravenna Società di produzione, ricerca applicata e commercializzazione di gas tecnici - industriali, puri e medicinali Verona 18/05/14

25 Messaggi CAN bus del motore Verona 18/05/14 Modifica e messa a punto del motore al banco, (ENEA, CRE Casaccia, Roma)

26 Prove in normale esercizio a Ravenna, da gennaio 2013 a dicembre 2013 Verona 18/05/14 La sperimentazione svolta ci dice le emissioni dal pozzo alla ruota di CO2 si riducono del 7,9% La riduzione delle emissioni di CO2 è quindi del 50% maggiore rispetto a quanto ci si sarebbe aspettato per effetto della sostituzione H2 CH4 (effetto leva = 1.5).

27 ENEA Research on Transport Systems

28 Centro Ricerche ENEA Casaccia Via Anguillarese km Anguillara Sabazia - Roma, Italy