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

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

Indice della presentazione

Per informazioni

mario.conte@enea.it

Fonte: GM)

Missioni e prestazioni stradali

Motori a combustione interna

Impatto ambientale

Autonomia

e velocità

Elettricità Idrogeno Idrocarburi

Veicoli elettrici con

batterie al litio

Veicoli elettrici con

batterie Na-NiCl

Veicoli elettrici con

batterie piombo-acido

Veicoli elettrici con

generatore di piccola

potenza (range extender)

Veicoli con FC a

idrogeno di

potenza piena,

ibridizzati e non

Ibridi “full

performance” e/o

“plug in”

Ibridi micro

e minimi

Impatto ambientale

Autonomia

e velocità

Elettricità Idrogeno Idrocarburi

Veicoli elettrici con

batterie al litio

Veicoli elettrici con

batterie Na-NiCl

Veicoli elettrici con

batterie piombo-acido

Veicoli elettrici con

generatore di piccola

potenza (range extender)

Veicoli con FC a

idrogeno di

potenza piena,

ibridizzati e non

Ibridi “full

performance” e/o

“plug in”

Ibridi micro

e minimi

Prestazioni stradali ed impatto ambientale (1)

Prestazioni stradali ed impatto ambientale (2)

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)

Macchina

elettrica Trasm. Accumulo

elettrico

15 Wh/km

AC

DC

221 Wh/km

94 % 85 % 92 % 87 %

141 Wh/km1

9 Wh/km

29 Wh/km 27 Wh/km

1 Impostato considerando 100 Wh/t km, M.Ceraolo, UNIPISA

Consumi TTW (tank-to-wheel)

Versione elettrica

Estrazione e trasporto NG: 95,4%

Generaz. E.E. 53,1 %

Trasporto/distrib.: 94%

Complessivo: 48%

Versione GPL

Estrazione e trasporto GPL: 94% (JRC/EUCAR/CONCAWE)

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!

Consumi WTT (well-to-tank)

Verona 18/05/14

Le emissioni di CO2 in Italia

Emissioni totali

Emissioni trasporto

PEV (pure electric vehicles) of italian production

Piaggio Porter Electric Power / IVECO Daily / Piaggio Liberty e-mail/IndustriaItalianaAutobus Zeus

Veicoli

elettrici

Veicoli

a fuel cell

Veicoli

Ibridi plug-in

Veicoli

Ibridi “full”

Veicoli

Ibridi

“minimi”

Veicoli

Ibridi serie

Veicoli

Ibridi

parallelo

Veicoli

Ibridi range

extender

Sistema di

accumulo

L’universo dei veicoli elettrico-ibridi

Funzioni dell’accumulo elettrico

Micro ibridi Full performance Mild hybrid E-Rev o Batt.Electric

Start & Stop

Frenatura a recupero Frenatura a recupero

Motor assist

Frenatura a recupero

Motor assist

Marcia in elettrico (ridotta)

Marcia in elettrico, di norma

Frenatura a recupero

Opel Ampera

Citroen C2

Toyota Prius

Honda Insight

Start & Stop Start & Stop Start & Stop

Sistema di accumulo Vantaggi Svantaggi

Batteria al Piombo Costo Limitate prestazioni

Batterie Ni – Idruri metallici

Prestazioni: 2 volte Pb in energia,anche meglio in potenza, sicurezza

Costo + elevato

Batteria ad alta temperatura Na NiCl

Prestazioni: 3 volte Pb Modularità ridotta

Batterie al Litio Prestazioni: 4-6 volte Pb Gestione accurata, anche per la sicurezza

Supercondensatori Alta potenza, vita elevata, modularità

Bassa energia

Accumulatori a fluido Alta potenza, vita elevata, modularità

Specifici per ibridi termo-idraulici

Volani Alta potenza, vita elevata Bassa modularità, effetto giroscopico, sicurezza

Sistemi di accumulo per veicoli a trazione elettrica: quadro d’assieme

Le batterie al litio: una tecnologia dalle molte facce

LCO LMO NMC NCA LFP

LiCoO2 LiMn2O4 Li(NiCoMn)O2 Li(NiCoAl)O2 LiFePO4

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) 3,7 3.7 3,3

N. cicli 500 1500 2000

Densità di energia (Wh/L) 350 300 200

Energia specifica (Wh/kg) 180 150 100

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”

Fast charge: veicoli studiati “ad hoc”

Shanghai Aowei Technology Development Company &

Sinautec

ZeroFilo Bus

Industria 2015

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

Il progetto PBI

Implementazione su minibus: sistema batterie multi stringa - multi modulo

Il re-powering del Tecnobus

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, 22-24 July 2015, Cambridge, UK

Report 2014 1) “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. 1-6. 4) Reactive power control for an energy storage system: A real implementation in a Micro-Grid - Journal of Network and Computer Applications- 2015 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 96–108 6) Elettrificazione del trasporto pubblico locale: valutazione e risultati per il caso dell’Aquila- Energia Ambiente e innovazione, Rivista bimestrale ENEA, n.3 2015 7) L’evoluzione normativa per l’efficienza energetica nel settore trasporti- Rapporto annuale Efficienza Energetica 2015, ENEA ­ ISBN 978 88 8286 317 3. 8) Il contributo Italiano alla ricerca internazionale in materia di usi finali dell’energia - Rapporto annuale Efficienza Energetica 2015, ENEA ­ ISBN 978 88 8286 317 3. 9) 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, 2015. 10) 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, 2015. 11) Multi-source power converter system for EV charging station with integrated ESS- 2015 IEEE 1st International Forum on Research and Technologies for Society and Industry Leveraging a better tomorrow (RTSI) Turin Sept. 16-18, 2015 12) On the energy efficiency of quick DC vehicle battery charging - EVS28 International Electric Vehicle Symposium Kyntex Goyang Korea, May 3-6, 2015 13) Life cycles test on a lithium battery system- IECON 2014, Dallas TX - USA, 29 Ottobre - 1 Novembre 2014 14) Implementation of the fast charging concept for electric local public transport: the case-study of a minibus INDIN 2015, 22-24 Luglio 2015, Cambridge, UK 15) Ultra-fast and contactless charging,a new frontier for the electric vehicle” World Magnetic Conference, Coiltech 2015, 24-25 settembre, Pordenone

R&D in ENEA

E per il trasporto individuale? O batterie piccole…

Giappone: kei jidosha , pesano per circa il 30% dell'intero mercato domestico

Europa: Classe Sub-A e microvetture

Vetturetta da città

D-costo [k€] 2

Abbattim. CO2 [t/10 anni] 3.06

Possibile incentivo [k€] 1,2

Incentivo / D-costo 60%

……oppure il car sharing

Problemi dell’elettrico

Autonomia ridotta

Costo batteria

Necessità di infrastrutture

Caratteristiche del Car sharing

Viaggi brevi

Utilizzo elevato

Parcheggi riservati = punti di ricarica ben sfruttati

…o la ricarica: dalla standard a quella ultrafast

0

Standard charge (AC) 1ph: beetween 4 an 8 hours

3ph: beetween 1 an 2 hours

Battery exchange in a few minutes !

Fast charge (AC or DC) 1 hour or less

Power

Fast charge

Single Ψ BE

Speed

IEC 62196-2

for vehicle inlet

HEMS: home energy management system

EDMS: regional energy data management systems

L’auto come elemento di un sistema

Hydrogen hybrid fuel cell bus

Private and Public Companies joined in a Consortium to design and to manufacture the First Italian Hydrogen Bus

1st Target : approval by National Safety and Transport Board to dispatch public transport service

2nd Target : decrease energy consumption and pollutants emissions

1stOK

Hydrogen for Public Transport Application: past and on-going activities

Consorzio tra RER, Università, Enti di ricerca, Camera di Commercio, Associazioni d’impresa per promuovere azioni per lo sviluppo del sistema produttivo regionale

Regione Emilia-Romagna - D.G. Reti infrastrutturali, logistica e sistemi di mobilità

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

MHYBUS - I partner del progetto

H2 CH4

Verona 18/05/14

Messaggi CAN bus

del motore

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

Verona 18/05/14

Prove in normale esercizio a Ravenna, da gennaio 2013 a dicembre 2013

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).

ENEA Research on Transport Systems

giovanni.pede@casaccia.enea.it

Centro Ricerche ENEA “Casaccia” Via Anguillarese km. 1.3 - 00060 Anguillara Sabazia -

Roma, Italy