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SituazioneSituazione NormativeNormative//OmologazioniOmologazionideidei veicoliveicoli adad IdrogenoIdrogeno
Ing. Aldo BASSIIng. Aldo BASSI
S.IN.TE.S.I. AB S.r.l.S.IN.TE.S.I. AB S.r.l.
Seminario internazionaleSeminario internazionale““Dalle stazioni di servizio tradizionali all’infrastruttura dell’idrogeno: confronto Dalle stazioni di servizio tradizionali all’infrastruttura dell’idrogeno: confronto
internazionale”, 16 Aprile 2004 dalle ore 14:00 alle 18:30 FAST, Milanointernazionale”, 16 Aprile 2004 dalle ore 14:00 alle 18:30 FAST, Milano
1. Schemi dei veicoli ad idrogeno
Schema 1 Schema 2
Schema 4Schema 3
MOTEL
INVERTER
AUXILIARIES
CGH 2
FCSTACK
HIGH PRESSURE CYLINDER CGH2
MOTEL
INVERTER
LH 2
FCSTACK
CRYOGENIC TANK LH2
TRASM
CGH 2
ICE TRASM
FILLINGCONNECTOR
ICE
FUEL FEEDING
FUEL FEEDING
HIGH PRESSURE CYLINDER CGH2
LH 2
CRYOGENIC TANK LH2
FUEL FEEDING
FUEL FEEDINGFILLINGCONNECTOR
FILLINGCONNECTOR
FILLINGCONNECTOR
AUXILIARIES
2. Dispositivi di sicurezza obbligatori previsti di un sistema idrogeno per autovettura (fonte D/C)
3. Sistema di alimentazione di H2 liquido del motore BMW.
4. Schema di un sistema di trazione a fuel cell per autoveicolo
Air Supply
Cooling System
Venting System
Fuel Cell Stack
PowerTrain
H2 Storage & Feeding
System
Filling Connector
Exhaust System
WaterManagement
Wheels
ElectronicControl
Unit
5. Schema del veicolo ibrido generalizzato – Analisi “TANK TO WHEELS”
ALTRI MOTORI TERMICI
3
REFORMER
4 CELLAA
COMBUSTIBILE6
GENERATORE ELETTRICO
5
BATTERIADI TRAZIONE
7
INVERTER
8
MOTORE ELETTRICO
9
TRASMISSIONE MECCANICA
10
RUOTE
11MOTORE A
COMBUSTIONE INTERNA
CONVENZIONALE2
A
B
F
C
D
E
CONFIGURAZIONI VEICOLARIAVeicolo convenzionale ICE (BZ, DS, CNG, LPG, H2,...)BVeicolo ibrido serie (BZ, DS, CNG, LPG, H2, ....)A + BVeicolo ibrido parallelo (BZ, DS, CNG, LPG, H2,...)A + CVeicolo ibrido paralleloDVeicolo cella comb. indiretta (BZ, CNG LPG, METANOLO, ...)EVeicolo cella comb. diretta (H2, METANOLO, PROPANO,...)FVeicolo “Mild hybrid” (ICE – STOP/START - freno rigenerativo – starter/alternatore integrato – impianto elettrico a 42 Volt)GVeicolo elettrico
ALTERNATORE STARTER
STOP - START
BATTERIA SERVIZI
42 V
Benzina – riformulataGasolio – riformulatoCNGLPGMetanoloEtanoloH2
Biocombustibili (biodiesel, DME,.....)
SERBATOIOCOMBUSTIBILE
1
RICARICA ESTERNAG
GASOLINELPG
(propane-butane)METHANE HYDROGEN
Potere calorifico inferiore [MJ/Kg] 44,4 46 45,4 50 120
Numero di Ottano RON 90 98 100 120 130
Rapporto C/H 0,54 0,38 0,4 0,25 0
Tonalità termica [MJ/m3] 3,65 3,48 3,18 2,97
Velocità di combustione [cm/sec] 23 27 23 27 30 35 200 400
Limite inferiore infiammabile a pressione ambiente
1,0 % vol. 2,1 1,5 % vol. 5,0 % vol. 4,1 % vol.
Limite superiore infiammabile a pressione ambiente
7,6 % vol. 9,5 8,5 % vol. 15 % vol. 72,5 % vol.
Densità d vapore a 1 bar [Kg/m3] 4,75 1,83 2,42 0,67 0,08989
Densità vapore/aria [Kg/m3] 3,9 1,5 2,0 0,56 0,070
Densità liquido (15 °C) [Kg/m3] 740 Kg/m3 585 573 Kg/m3
423 Kg/m3
(-161°C)
70 Kg/m3
(-252°C)
Temperatura auto accensione 320 °C 465 °C 540 °C 560 °C
Punto di ebollizione (°C) 1 bar 125 °C - 42 °C ; - 1 °C - 161 °C - 252 °C
Tensione di vapore REID (100 °F) 0,25 0,45 bar (abs)10,0 2,5 bar (abs)
Propano - Butano- -
6. Characteristics of the fuels: gasoline, L.P.G., methane and hydrogen
UN / ECEUnited Nations
Economic Commission for Europe
ECEuropean Commission
CENCommittee for
European Normalisation
MVEGMotor Vehicle
Emissions Group
TC 286LPG applications
TC 326Gas Supply for NGVs
WG6LPG Vehicles
WG1NGV Filling
Stations
WG2NGV Fuel Systems
WG3Operational Conditions
ISOInternational Organization
Standardization
TC197Hydrogen
technologies
TC193Natural Gas
TC22Road
Vehicles
TC58Gas cylinders
WP.29
Inland Transport Committee
GRPE
Working Party on Pollution and Energy
o R67.01 : LPG System & Componentso R110 : Compressed Natural Gas System & Componentso R279 : Retrofit applicationso Rxx : Liquid H2
System & Componentso Ryy : Compressed H2 System & Components
ISO 11439
TC22/SC25Road vehicles using
LPG, CNG, H2
TC22/SC21Electric road vehicles
– fuel cells.
WG1Refuelling connector
WG2Design
principles and installation of vehicle fuel
system.
WG3Fuel system components.
WG11LPG Road Vehicles
Containers
ISO 15500Parts 1 to 20.
ISO/CD 20826
ISO/FDIS 15501
ISO/CD 14469
7. European and International Gaseous Fuel Vehicles Standards Development
8. European and International Gaseous Fuel Vehicles Standards Development
ISOInternational Organization
Standardization
TC193Natural Gas
TC58Gas
cylinders
UN / ECEUnited Nations Economic Commission for Europe
WP.29
Inland Transport Committee
GRPE
Working Party on Pollution and
Energy
o Rxx : Liquid H2 System
& Componentso Ryy : Compressed H2 System & Componentso Rzz: Fuel Cells
ISO 11439
WG1Criogenic
vessels
WG2Container
multimodal
WG8Electrolizer
TC197Hydrogen
technologies
WG4Fuelling facilities
WG5Gaseous
connector
WG6Gaseous
containers
WG7Safety
TC22Road
Vehicles
TC22/SC25Road vehicles using
LPG, CNG, H2
TC22/SC21Electric road vehicles –
fuel cells.
WG1Refuelling connector
WG2Design
principles and installation of vehicle fuel
system.
WG3Fuel system components.
WG11LPG Road Vehicles
Containers
ISO 15500Parts 1 to 20.
ISO/CD 20826
ISO/FDIS 15501ISO/CD 14469
9. Specific Regulations for hydrogen propelled vehicles type approved
ECE-ONU R xxx (GRPE/2003/14-7/03/03) Proposal: Specific components for motor vehicles using liquid hydrogen. Vehicles with regard to the installation of specific component
ECE-ONU R yyy (GRPE/Informal doc) Proposal: Specific components for motor vehicles using compressedgaseous hydrogen. Vehicles with regard to the installation of specific component
ECE-ONU R zzz (Draft regulation) Specific components of fuel cell for vehicles propulsion system Vehicles with regard to the installation of fuel cell …
ECE-ONU R 83 (draft amendment) Proposal: for introducing H2 as propulsion fuel (exhaust emission measurements & certification tests)
ECE-ONU R 85 (draft amendment) Proposal: for introducing H2 as propulsion fuel (power outputmeasurements & certification tests)
ECE-ONU R 101 (draft amendment) Proposal: for introducing H2 as propulsion fuel (fuel consumptionand CO2 emission measurements & certification tests)
ECE-ONU R 100 (approved 12/02/97) Approval of battery electric vehicles with regard to specific requirements for construction and functional safety
Nota: In the Regulation R 83, R 85, R 101 specific amendments are also proposed for introducing hybrid propulsion system certification test.
10. Standard ISO concerning vehicles propelled by hydrogen
ISO/TR 15916 Basic considerations for the safety of hydrogen systems (TC 197)
ISO/DIS 13985.3 Liquid hydrogen land vehicle fuel tanks (TC 197)
ISO/PWD xxxx.1 Fuel Cell powered road vehicles (TC 22)Safety specification – Vehicle functional safety
ISO/PWD xxxx.2 Fuel Cell system integration (TC 22)
ISO/PWD xxxx.3 Protection against H2 hazards (TC 22)
ISO/PWD xxxx.4 Fuel Cell powered road vehicle (TC 22)Safety specification – Electrical hazards
ISO/PWD 17268 Filling connector (TC 197)
ISO/DIS 13984 : 1999 Liquid H2 Land vehicle fuelling system interface (TC197)
ISO/CD 15869 Gaseous H2 e H2 blends land vehicle fuel tank (TC 58)
• Tecnologia per incrementare la pressione di esercizio fino a 350/700 bar per maggiore autonomia;
• Progettazione affidabilistica dei sistemi e dei componenti con particolare attenzione all'analisi dei rischi in esercizio;
• Prove di durata e di omologazione adeguate alle modalità di esercizio e nell’ottica del “FIT FOR PURPOSE”;
• Implementazione di sistemi di autodiagnosi e rilevazione guasti a bordo (OBD - On Board Diagnostic) (fault recovery, fail safe,.........);
• Procedure specifiche di revisione, collaudo e ricertificazione dei sistemi e dei veicoli in esercizio.
11. Orientamenti tecnologici per lo sviluppo di sistemi di accumulo di H2 compressoa bordo dei veicoli
• Combustibile H2 (> 99,8 % per la FC)
• Pressione di lavoro 350 bar a 15 °C
• Massima pressione di riempimento 438 bar a 85 °C
• Pressione di scoppio 823 bar (coeff. 2,35)
• Temperature - 40 °C + 85 °C
• Vita utile > 15 anni a 15000 cicli
• Tempo di riempimento < 3 minuti per 5 Kg di H2
• Perdita massima ammissibile < 1 Ncm3/l/h
12. Specifiche principali di una bombola di H2 compresso
• Elettrovalvola di stop (normalmente chiusa) posta all'uscita della bombola, che ha lo scopo di impedire l'uscita del gas in caso di urto, di rottura della
tubazione, di utenza, (motore o fuel cell) guasta, o spenta, ecc…
• Valvola fusibile tarata a 110 120 °C che ha lo scopo di evacuare il gas in caso di incendio per evitare lo scoppio della bombola;
• Diaframma tarato ad una pressione di sicurezza in caso di sovrappressione anomala;
• Sensori di pressione e di temperatura per il controllo dei parametri di funzionamento in esercizio.
• Sensori di H2 per il controllo delle fughe
• Sistemi elettronici di protezione ai guasti.
13. Dispositivi di sicurezza del sistema di accumulo di H2 compressoa bordo dei veicoli
• Cicli di pressione (Leak Before Break) (la bombola deve perdere prima di rompersi)
• Prova di scoppio idrostatica a freddo
• Bonfire test su braciere per verificare il funzionamento delle valvole di protezione
• Prova all'impatto di un proiettile (la bombola può perdere ma non scoppiare)
• Prova di tolleranza ai tagli (solo per bombole in composito)
• Prove ambientali (corrosione, compatibilità ai diversi fluidi, …)
• Prove di vibrazioni
• Prove di caduta
• Cicli di temperatura estreme
• Prova di tenuta
• Prova di riempimento
14. Prove previste per l’omologazione di una bombola di H2 compresso
15. Prove previste per l’omologazione e il controllo di un veicoloalimentato ad idrogeno compresso
• Rilevamento perdite di idrogeno in alcune zone del veicolo
• Bonfire sull'intero veicolo
• Prova dei sistemi di evacuazione dell'H2 dalla bombola e dei
componenti installati
• Misure delle temperature e delle pressioni lungo il sistema di alimentazione dell'idrogeno
• Prova di crash con verifica del funzionamento delle elettrovalvole di stop
• Misura delle resistenza elettrica dei pneumatici per evitare cariche statiche e scintille
• Misura e controllo delle operazioni di riempimento (connettore)
16. Problemi relativi all’autonomia termica di un serbatoio criogenicoper idrogeno liquido
Boil Off System: Sistema che in condizioni di funzionamento normale apre una valvola che poi si richiude per mantenere a – 253 °C il restante idrogeno, prima che entri in funzione la PRV Pressure Relief Device, ovvero la valvola di sicurezza tarata ad una specifica sovrappressione ammissibile.
Boil Off Management System: Sistema che rende possibile il Boil-Off in normali condizioni di esercizio senza provocare danni o guasti al sistema.
17. Prove di qualificazione del serbatoio criogenicoper idrogeno liquido
• Prova alla pressione del serbatoio interno: 1,3 (MAWP + 0,1)
• Compatibilità chimica all'H2
• Prove di corrosione di tutti gli elementi del serbatoio
• Resistenza all'invecchiamento all'ozono
• Prova allo scoppio: 3,25 (MAWP + 0,1) con aumento di volume minimo• del 8% alla rottura
• Prove di perdite esterne per tutti i componenti
• Prove di perdite interne per tutti i componenti
• Prove di temperature per i PRD "Pressure Relief Device":
• - 253 °C + 85 °C prima dello scambiatore di calore
• - 40 °C + 85 °C dopo lo scambiatore di calore
• Prova di autonomia termica al fuoco: deve resistere a 590 °C per almeno 5 minuti poi deve scattare il PRD e il serbatoio non deve scoppiare.
18. Componenti di sicurezza del sistema criogenico per idrogeno liquidosoggetti ad omologazione e a controllo periodico
• PRD Pressure Relief Device
• SRD Safety Relief Device
• Automatic valve or Shut off valve (elettrovalvola di stop) all'uscita del serbatoio
• Connettore di rifornimento
• Valvole di non ritorno
• Regolatore di pressione
• Tubi flessibili
• Scambiatore di calore
• Sensori di temperatura, pressione e flusso per il montaggio in continua
19. Procedura provvisoria di certificazione (ITALIA) per un veicolo alimentato ad idrogeno
- Analisi della documentazione tecnica: - Sistema di alimentazione H2 (connettore, bombole ecc).
- Sistema elettrico di sicurezza
- Sistema di controllo elettronico
- Analisi di rischio (FTA , Hazard ,...)
- Ispezione visuale del veicolo
- Prove funzionali sui componenti critici (valvole di sicurezza ecc…)
- Prove di tenuta dell’impianto H2
- Stesura del Report finale
- Emissione di un certificato nulla-osta alla circolazione su strada del veicolo.
20. GRPE Informal Group on H2/FC Vehicles – Situazione Lavori
Maggio 2003: - Presentazione al GRPE di Ginevra dei due Regolamenti ECE-ONU: - Rxxx Componenti ed impianti di bordo per H2 liquido - Ryyy Componenti ed impianti di bordo per H2 gassoso
compresso
Giugno 2004: - Analisi al GRPE di Ginevra delle possibili opzioni:
1° - Approvazione come transitori dei due Regolamenti ECE-ONU per il 2005 e successiva stesura dei corrispondenti Regolamenti
GTR (accordo 1998) con emissione prevista per il 2008
2° - Sospensione dei i due Regolamenti ECE-ONU (accordo 1958) ed iniziare da subito la stesura dei corrispondenti Regolamenti GTR
con emissione prevista per il 2007.
- Analisi degli emendamenti ai Regolamenti R 83, R 85, R 101 per l’inserimento di dispositivi per sistemi H2
Attività successive: Stesura del Regolamento R zzz (Specific components of fuel cell for vehicles propulsion system and Vehicles with regard to the
installation of fuel cell …)
Stesura emendamenti ai Regolamenti R 94 e R 95 relativi alla sicurezza passiva ( crash test, …)
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