Workshop Trasporti urbani alimentati a batterie: … 2017-11_POLI...Tecnologie per veicoli elettrici...

Knorr-Bremse Group

1

Veicoli filoviari dotati di marcia autonoma a batterie

Maurizio Bottari

Amministratore Delegato – Kiepe Electric Italia

Workshop

Trasporti urbani alimentati a batterie:

modalità di ricarica ed aspetti energetici

24 novembre 2017

Knorr-Bremse Group

Knorr-Bremse è presente in 30 paesi in tutto il mondo con più

di 100 sedi di cui 80 comprendono stabilimenti di produzione

Group – Locations worldwide

• Austria

• Belgium

• Czech Republic

• Germany

• France

• Hungary

• Italy

• Macedonia

• Netherlands

• Australia

• China

• India

• Japan

• Kazakhstan

• South Korea

• Singapore

• Argentina

• Brazil

• Canada

• Mexico

• USA

• Poland

• Romania

• Russia

• Spain

• Sweden

• Switzerland

• Turkey

• United Kingdom

• South Africa

3

ASIA / PACIFIC EUROPE/AFRICA/MIDDLE EAST THE AMERICAS

Knorr-Bremse Group

Customer Orientation - Connected Systems to enhance the Value of Customers

│4

Windscreen Wiper and

Wash Systems

Entrance Systems

Internal Doors

Climate Management

Power Electrics

Brake Systems

Auxiliary Power Supply Modernization & Support Control and Management

Systems

Electrical Systems and

Integration

-Traction

-Auxiliary Converters

-HVAC/Cooling Systems

Connected Systems

Knorr-Bremse Group

Kiepe Electric GmbH - Il sito produttivo di Düsseldorf

Knorr-Bremse Group

I nostri prodotti

Equipaggiamenti di trazione (Inverter, Resistori di frenatura, Rivelatore di

dispersion, Motori di trazione) per veicoli da 12m, 18m e 24m

Sistemi di controllo (Modular Control Unit)

Caricabatterie, Alimentatori per i servizi ausiliari, HVAC…

Accumulo di energia (Super Cap, Batterie)

Sistemi per la gestione della energia:

Power generation (Fuel Cell, Unità Diesel-Generatore, Gruppi batterie)

Prese di corrente trolley, Pantografi, Trasferimento di energia a connettore o

induttivo

Software per la gestione dell’energia, Gestione dati veicolari, Diagnostica, …

Sistemi Elettrici per filobus e bus elettrici

Cassone apparecchiature sul tetto DGG

Gruppo prese di corrente OSA 500

6

Tecnologie per veicoli elettrici – Kiepe Electric

Unità modulare di controllo

Knorr-Bremse Group

Kiepe: 110 anni di storia e 66 anni di equipaggiamenti elettrici

Filobus dal 1950

San Francisco

USA 2016


7

Milano 2008 Parma 2012

Aachen Germany 1950

Knorr-Bremse Group


8

Moderni sistemi elettrici

Austria: Linz, Salzburg

Canada: Vancouver

Ecuador: Quito

France: Limoges, Lyon

Greece: Athens

Germany: Esslingen, Eberswalde, Solingen

Italy: Avellino, Bari, Bologna, Cagliari, Genova,

La Spezia, Lecce, Milano, Modena, Parma,

Rimini, Pescara, Verona

Latvia: Riga

Norway: Bergen

Saudi Arabia: Riyadh

Switzerland: Bern, Biel, Fribourg, Geneva, Lausanne,

Lucerne, Montreux, Neuchâtel,

Schaffhausen, St. Gallen, Winterthur, Zurich

Turkey: Malatya

USA: Dayton, Philadelphia, San Francisco, Seattle

Venezuela: Mérida

Referenze filobus (estratto)

Knorr-Bremse Group


9


Netherlands: Enschede, Groningen

Luxembourg: Luxembourg

Germany: Dortmund, Dresden, Düsseldorf,

Ennepetal, Hagen, Leipzig, Hagen,

Leipzig, Lübeck, Wuppertal, Hamburg

Poland: Co. Solaris

Referenze veicoli ibridi (estratto)

Knorr-Bremse Group


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Referenze veicoli Fuel-Cell e batterie

Netherlands: Amsterdam (Fuel Cell)

Austria: Klagenfurt (connector)

Polonia: Krakow, Co. Solaris (connector)

Germania: Berlin, Braunschweig (inductive)

Hamburg, Hürth/Cologne (Fuel Cell)

Düsseldorf (connector)

Frauenhofer IVI (pantograph)

Italia: Cagliari (batterie)

Knorr-Bremse Group

Germany Bielefeld, Bonn, Braunschweig, Bremen,

Chemnitz, Dortmund, Düsseldorf,

Halberstadt, Hannover, Jena, Karlsruhe,

Kassel, Cologne, Krefeld, Leipzig, Rostock,

Schwerin, Saarbrücken, Wuppertal

Great Britain Croydon, Edinburgh, Manchester

Austria Gmunden, Graz, Vienna

Poland Danzig, Krakow, Posen

Portugal Porto

Spain Leon, Mallorca, Valencia

Netherlands Province Gelderland

Serbia Belgrade

Sweden Gothenburg

USA Houston

Sistemi elettrici per veicoli su ferro

│11

Üstra Hannover VBK Karlsruhe

WSW Wuppertal VMS Chemnitz

Metro do Porto moBiel Bielefeld

Connexxion Protos Edingburgh Trams



Knorr-Bremse Group


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Il futuro delle batterie

Costi di produzione di un‘automobile elettrica

10%

4%

13%

14%

19 %

40% BATTERIE

Componentistica

Trasmissione

Carrozzeria

Telaio

Altro

Nei prossimi anni il mercato

delle batterie potrebbe

raggiungere i 120 miliardi di

dollari

Tasso di crescita annuo del

numero di veicoli elettrici:

94% dal 2005 al 2016

Knorr-Bremse Group


13


Lo sviluppo delle tecnologie dal 1990 a oggi

Batterie agli ioni di litio: 180 Wh/kg

Benzina: 13.000 Wh/kg

Batterie al piombo: 30 Wh/kg

Batterie al Nickel-Cadmio: 50 Wh/kg

Batterie agli Idruri metallici 75 Wh/kg

Batterie al Litio ferro Fosfato: 110 Wh/kg

Pb, 800 kg

NiCd, 480 kg

NiMh, 320 kg

LiFePO4, 220 kg

LPo, 130 kg

Obiettivo nei prossimi 5 anni: 500 Wh/kg 48 kg

Una batteria da 24 kWh pesa:

Knorr-Bremse Group


14


Lo sviluppo delle tecnologie nei prossimi anni

• Batterie al silicio

• Batterie al carburo di silicio

• Batterie con elettrolita solido al solfuro di litio e

anodo di grafite

• Batterie al litio-aria con anodo metallico

• Batterie con anodo di silicio

250 Wh/litro

400 Wh/litro

700 Wh/litro

800 Wh/litro

1100 Wh/litro

Densità volumetrica di energia TECNOLOGIA


15


Andamento dei prezzi delle batterie per kWh

1000

800

642 599

540

269 227

0

200

400

600

800

1000

1200

Do

llari

US

A

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Dollari per kWh

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Il trasferimento di energia elettrica sul veicolo

Tre parametri importanti

Energia elettrica trasferita = Corrente x Tensione x Tempo [I·V· t] [W·h]

1) Corrente [Ampere] limitata da

- Calore

- Superficie di contatto

2) Tensione [Volt] limitata da

- Livelli di isolamento nel veicolo

3) Tempo

Saldatrice ad arco:

60 - 160 Ampere

25 - 70 Volt

L’unico parametro su cui poter agire è il tempo (se ne abbiamo)

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Climatizzazione e riscaldamento

Profilo orografico della linea

Ausiliari ed altri dispositivi installati a bordo

Congestionamento del traffico

Stile di guida dell’autista

Tutto questo influisce fortemente sul fabbisogno

di energia rispetto alla sola energia di trazione

Di quanta energia abbiamo bisogno

Veicolo da 12 metri: 1,5 kWh/km

Veicolo da 18 metri: 2,2 kWh/km

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Il trasferimento di energia

dall‘infrastruttura al veicolo

Capacità di accumulo

Gasolio: 4.800 Wh/kg (12 kWh/kg x 40% eff.)

Batterie LTO: 90 Wh/kg (150 Wh/kg x 0,6 per raffreddamento)

Velocità di trasferimento

Gasolio: 31.000 kW (130 l/min x 60min x 10 kW/l x 40% eff.)

Batterie LTO: 300 kW

Confronto fra gasolio e batterie

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Come ricaricare l’energia consumata

Considerazioni sulla flotta di veicoli

Energy

18 hrs Tempo [h]

Potenza

[MW]

Consumo medio di energia in 18 ore

100 bus

articolati

Esempio per una percorrenza di 250 km/giorno

Consumo di energia:

250 km x 2,5 kWh/km = 625 kWh / bus

20

16

12

8

4

1h

3,5 MW

Per una flotta di 100 veicoli 62.500 kWh

62,5 MW

Knorr-Bremse Group


20


Ricarica notturna

3 hrs Tempo[h]

P

[MW]

4

12

20

16

Ricarica notturna in 3 ore

Energia

1h

100 bus

articolati

Per ricaricare la flotta servono:

62 500 kWh / 3h = 21 MW

8

21 MW

Caricare la flotta in 3 ore richiede un’altissima potenza!

Centrale

Berlino - Marzahn:

36 MW potenza

169 m

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21

Tempo [h]

P

[MW]

4

12

20

16

Energia

1h

8

14 MW

100 bus

articolati … e per una flotta di

300 bus articolati:

14 MW x 3 = 42 MW

Ricarica notturna ottimizzata

Ottimizzazione su 4,5h 14 MW

Per 100 bus articolati…


Ricarica notturna

Knorr-Bremse Group


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9 hrs Tempo [h]

P

[MW]

Energy

1h

4

8

12

16

20

La ricarica avviene durante l’utilizzo

dei veicoli per circa il 50% del tempo

62 500 kWh / 9h = 7 MW 100 bus

articolati

Ricarica alle fermate


Knorr-Bremse Group


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Il trasferimento di energia dall‘infrastruttura al veicolo.

Ricarica flash alle fermate

Tempo di fermata di 15 secondi

Energia trasferita durante la fermata: 400 kW x 15 sec. = 1,66 kWh

1,66 kWh di gasolio equivalgono a 0,3 litri

Con 1.66 kWh possiamo percorrere circa 750 m (2 kWh/km)

Esempio:

Linea: 15 km

Consumo di energia: 15 km x 2 kWh/km = 30 kWh

Tempo di ricarica (con 250 kW) = 7,2 minuti

Indisponibilità del veicolo sottocarica = 12%

Kölsch

0,16 l

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18 hrs Time [h]

P

[MW]

Tecnologia In Motion Charging (IMC®)

Energy

1h Esempio per un esercizio giornaliero:

250 km x 2,5 kWh/km = 625 kWh

625 kWh x 100 buses = 62 500 kWh

20

16

12

8

4

100 bus

articolati

62 500 kWh / 18h = 3,4 MW

Knorr-Bremse Group


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Confronto fra le modalità di ricarica

P

[MW]

20

16

12 8

4

14 MW

19% 7 MW

37%

3,4 MW

75%

Notturna

Condizione IMC

Knorr-Bremse Group

…dal Filobus alla tecnologia IMC®

Tecnologia IMC® In Motion Charging


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Vantaggi:

< 50% tratti con linea aerea

Costi infrastruttura più bassi

Minor impatto visivo

Tecnologia affidabile

con batterie ad alta

efficienza

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In Motion Charging (IMC®)

…dal filobus alla IMC…

2005 Vancouver (262)

2012 Zürich (35)

2013/2014 Geneva (33)

2014/2016 Seattle (141+24+9)

2014/2015 San Francisco (60)

2014 Lucerne (9) 2016 (4+17)

2015 Esslingen (4)

2015 Dayton (2)

2016 Cagliari (4)


27

Knorr-Bremse Group


28

…Sezioni di carica (c-roads) per IMC®

Criteri generali

Sezioni Wireless

• 30% a 60% della linea*

• 30% a 60% del tempo*

• ca 4km per sezione (max 15km)

Sezioni di carica

Ricarica nei:

Tratti lenti

Capilinea

Consumo di energia:

Salite, ausilliari

No infrastruttura:

Rettilinei

* Dipende da velocità, lunghezza veicolo etc.

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CTM Cagliari

Stazione da 60 kW e tegoli


Ricarica al capolinea (Cagliari Poetto)

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30


Ricarica alle fermate

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31


Ricarica induttiva alle fermate – Bombardier Primove

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Trasferimento di energia elettrica

Confronto ricarica statica vs. ricarica in movimento (IMC)

In Motion Charging (IMC)

- Durante 9h - 18h del tempo di esercizio

- Alimentatore raffreddato ad aria (a piena

potenza durante il movimento) *

- 50% dell’energia** (per 50% wireless)

Durante il normale esercizio passeggeri

Ricarica statica

- Durante un tempo limitato

- Con potenza limitata

- 100% dell’energia (trazione, ausiliari, clima…)

Nessun esercizio durante la carica

filo di contatto

carbone

* In Motion Charging possibile fino a 525 kW continui

** Il resto va direttamente al motore – bypassando le

batterie

Il trasferimento di energia dal filo di rame al veicolo,

attraverso il carbone di contatto, è utilizzato per tram,

locomotive e treni AV.

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Gruppi di autonomia per veicoli filoviari

La tecnologia IMC® In Motion Charging

Il veicolo dispone di un gruppo di autonomia a batterie

Le batterie vengono ricaricate durante il moto del veicolo

La corrente di carica viene gestita dal software

Viene massimizzata la porzione di linea senza rete aerea

Le prestazioni del veicolo rimangono inalterate

Il software può essere adattato per seguire gli sviluppi

della tecnologia delle batterie

Il tempo di attacco e stacco dalla linea di contatto è

mantenuto all’interno del normale tempo di fermata

La capacità di trasporto rimane inalterata

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Un esempio di Elettro-mobilità con IMC®

Trasformazione di una linea diesel in linea parzialmente IMC

Linea filoviaria con rete aerea

Diesel bus linea 3

Diesel bus linea 2

Linee parallele: viene sfruttata la linea aerea esistente

Oggi

Domani

Diesel bus linea 1

Tratto della linea IMC per la ricarica

Tratto IMC senza linea aerea

Tratto IMC senza linea aerea

Diesel bus linea 1

La linea aerea esistente viene utilizzata per caricare le batterie delle linee 2 e 3

Knorr-Bremse Group


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Ammodernamento con tecnologia IMC®

Sostituzione del generatore Diesel con batterie e caricabatterie

VBZ (Zurich)

Batterie

in consegna: Losanna Carica batterie

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Il filobus da 24 metri per la città di Linz

in tecnologia IMC® In Motion Charging

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Knorr-Bremse Group

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Maurizio Bottari

Amministratore Delegato – Kiepe Electric Italia

e-mail: [email protected]

Grazie per la cortese attenzione

Veicoli filoviari dotati di marcia autonoma a batterie

Disclaimer

The presentation contains forward-looking statements that are based on current estimates and

assumptions made by the management of Kiepe Electric to the best of its knowledge. Such

forward-looking statements are subject to risks and uncertainties, the non-occurrence or

occurrence of which could cause a material difference in future results including changes in

political, business, economic and competitive conditions, regulatory reforms, effects of future

judicial decisions, foreign exchange rate fluctuations and the availability of financing. Neither Kiepe

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otherwise arising in connection with this document. Kiepe Electric does not undertake any

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a call to purchase or otherwise trade stocks directly or indirectly.

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