www.h2training.eu Capitolo: 2Concetto di veicolo alternativo

Quadro generale sui principi di lavoro, motori alternativi e nuovi modelli di auto, in particolare i veicoli a celle

a combustibile.

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Contenuti

1. Introduzione: leggi europee e statunitensi sulle emissioni.

2. Motori a combustione interna (ICE). Motori diesel e a benzina.

Motore a rotazione (motore Wankel).

3. Motori ibridi. Semi-ibridi.

Completamente ibridi.

Ibridi con Plug-In.

4. Motori elettrici. Batterie.

Celle a combustibile.

5. Veicoli a celle a combustibile. Tipi e concetti di auto.

Componenti.

Efficienza.

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Norme europee sulle emissioni

Motore a benzina Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6

Implementazione Giu 1992 Gen 1996 Gen 2000 Gen 2005 Set 2009 Set 2014

CO [mg/km] 3160 2200 2300 1000 1000 1000

HC [mg/km] X X 200 100 100 100

HC + NOx [mg/km] 1130 500 X X X X

NOx [mg/km] X X 150 80 60 60

NMHC* [mg/km] X X X X 68 68 X: nessun valore critico, *NMHC: non-Methane-Hydrocarbons

Benzina (emissioni in mg/km)

Diesel (emissioni in mg/km)

Fonte: Aigle/Krien/Marz 2007, 19

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Motore diesel Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6

Implementazione Giu 1992 Gen 1996 Gen 2000 Gen 2005 Set 2009 Set 2014

CO [mg/km] 2720 100 640 500 500 500

HC + Nox [mg/km] X 700/ 900* 560 300 230 170

NOx [mg/km] X X 500 250 180 80

PM [mg/km] 140 80/ 100* 50 25 5 5 X: nessun valore critico, *valori maggiori per l’introduzione sul mercato di motori ad iniezione diretta

Fonte: Aigle/Krien/Marz 2007, 19

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Norme europee sulle emissioni: ossido di azoto e particelle

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500

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Euro 31.1.2000

Euro 4 1.1.2005

Euro 51.9.2009

Euro 61.9.2014

NO

x [

mg

/km

]

Diesel Benzin

50

25

5 5

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0

20

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60

80

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120

140

160

180

200

Euro 11.6.92

Euro 21.1.96

Euro 31.1.00

Euro 4 1.1.05

Euro 51.9.09

Euro 61.9.14

Per

ikel

PM

[m

g/k

m]

Diesel

Ossido di azoto

Particolato

Fonte:Aigle/Krien/Marz 2007,72

Fonte:Aigle/Krien/Marz 2007,77

L’ossido di azoto e le particelle sono pericolosi per la salute.

In particolare, le nano-particelle (PM) sono pericolose.

I motori diesel emettono molto più NOx e PM dei motori a benzina.

I filtri anti particolato e i abbattitori di NOx post combustione sono necessari per un diesel pulito.

Restrizioni per vecchie macchine diesel nelle aree urbane (direttiva europea)

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Norme sulle emissioni della California

In California la legge più severa sulle emissioni.

La California detiene il 4% sul mercato di veicoli a zero emissioni (ZEV).

Automobili ibride e a gas naturale possono essere accreditate.

ZEV sono solo auto a celle a combustibile e a batteria.

Nota 1: non ci sono limiti per CO2.

Nota 2: la produzione di un carburante produce emissioni!

LEV - Low E. V. (Emission Vehicle)ULEV - Ultra Low E. V.SULEV - Super Ultra Low E. V.EZEV - Equivalent Zero E. V.PZEV1 - Partial Zero E. V.ZEV - Zero E. V.

Data: Aigle/Krien/Marz 2007, 24own Illustration

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LEV ULEV SULEV EZEV PZEV1 ZEV

Em

isio

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/km

]

NOx NMOG

HCHO PMPart 1Part 1

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Quadro generale dei carburanti

I carburanti sulla sinistra sono usati con motori diesel (diesel-ICE).

I carburanti sulla destra sono compatibili con motori a benzina (Otto-ICE).

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Fonte:Aigle/Krien/Marz 2007, 43

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Motori a combustione interna (ICE)Principio Invenzione nel 1876:

Primo motore a 4 tempi sviluppato da Nikolaus

August Otto.

Prima automobile nel 1886:

Sviluppata da Gottfried Daimler e Carl Benz.

Principio dei 4 tempi:

Immissione.

Compressione.

Accensione.

Scappamento.

Tipi di motore:

Motore Diesel (auto accensione).

Motore Otto. Nikolaus Otto Rudolph Diesel

Fonte: Wikipedia 2007

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Fonte: WBZU 2007

gas di scarico

valvola di scarico

pistone

Cilindro

biella

Manovella

direzione di rotazione

valvola di immissione

candela di accensione

miscela aria-benzina

fascia elastica

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Un esempio: DaimlerChrysler BlueTec.Il diesel più pulito?

Motore Diesel V6.

Cilindrata: 2987 cmc.

Rendimento massimo: 154 kW.

Coppia: 526 Nm.

Consumo di carburante: 7,0 Litri/km.

Autonomia: 1200 km.

Velocità massima: 250 km/h.

Prestazioni: 0-100 km/h: 6.6 sec.

Trattamento emissioni NOx (DeNOx).

Costo: 39.780 EUR.

Mercedes E320 BluetecIntroduzione sul mercato US nel 2007,(Permesso in 45 Stati)

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Discussione: Futuro dei motori Diesel?Tecnologia convenzionale contro motori alternativi

B

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L’idrogeno ICE –Un motore convenzionale con un carburante nuovo

Il progetto di un motore H2 è simile a quello di un motore a gas.

Le differenze provengono da specifiche dell’idrogeno, e misure costruttive sono necessarie ad evitare ritorni di fiamma.

Auto con un H2-ICE in California sono classificate come PZEV.

Le emissioni di NOx si verificano perché l’azoto è contenuto nella combustione del gas.

H2-ICE è meno efficiente delle celle a combustibile.

BMW testerà 100 auto con un H2-ICE nel 2008 (Hybrogen7).

Hydrogen7 from BMWFonte: BMW 2006

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Discussione: la mggior parte di costruttori di auto considera lidrogeno in combinazione con le celle a combustibile come il concetto del futuro.Perché la BMW si focalizza sul H2-ICE ?

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Motore a rotazione: Principio

Primo modello nel 1954:

Felix Wankel.

Prima applicazione

Audi Ro80 (fino al 1977).

Principio a 4 cilindri

But: E’ utilizzato un pistone rotante al posto di un pistone in linea.

Principale vantaggio:

progetto compatto.

Felix Wankel

Fonte: HyCar 2006

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Ingresso aria

Gas esausti

Albero eccentrico

Iniettore di idrogeno collegato elettricamente

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Un esempio: Mazda´s RX-8 a idrogenoL’ultimo “segno di vita” del motore di Wankel?

Due motori rotativi. Bivalente: Benzina e Idrogeno (CGH2). Cilindrata: 2x654 cmc (1.308 cmc). Erogazione massima del motore:

Max potenza benzina: 154 kW. Max potenza idrogeno: 80 kW.

Coppia: benzina: 222 Nm. Idrogeno: 140 Nm.

Serbatoio: Idrogeno: 110 litri (@350 bar). Serbatoio benzina 61 litri.

Autonomia: Idrogeno. 100 km. Benzina: 549 km.

Velocità massima 170 km/h (modalità H2). Peso a vuoto: 1460 kg. Prezzo: concept car.

Mazda-RX8Fonte: Mazda 2006

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Autoveicoli ibridiInvenzione nel1902

Ferdinand Porsche.Primo veicolo per produzione di

massa nel 1997

Toyota Prius.

Oggi:

Toyota ha venduto diverse centinaia di migliaia di auto “Prius II” in tutto il mondo. In particolare negli Stati Uniti e in Giappone (vedi grafico).

Molti produttori di auto sviluppano veicoli ibrdi oggi.

Idea di base:

Integrazione al motore a combustione con un motore elettrico.

Accumulo di energia elettrica in batterie, es. energia di frenata.

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Source: Manager-Magazin 2005

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Auto ibride: Principi e concezione

Modelli differenti di auto ibride Micro ibrido: start-stop elettrico

automatico.

Semi ibrido: recupero dell’energia di frenata.

Completamente ibrido: può funzionare in modalità elettrica.

Differenti conformazioni di propulsione

Ibrido in parallelo.

Ibrido in serie.

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Fonte: Aigle/Marz 2007, 65

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Ibrido in serie e in parallelo In un sistema in parallelo il motore

endotermico e il motore elettrico possono trasmettere la potenza alla trasmissione. Vantaggio principale: entrambi i motori

possono essere usati contemporaneamente.

In un sistema in serie il motore endotermico funziona come generatore per produrre energia elettrica. Solo il motre elettrico è connesso alla trasmissione. Vantaggio principale: il motore

endotermico può funzionare sempre con una efficienza elevata.

In un sistema misto, detto serie-parallelo, possono essere combinati entrambi i vantaggi.

Fonte: Bady 2000

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Un esempio: Toyota PriusUna storia di successo made in Japan Motore a combustione: ciclo Otto, 4-

cilindri: Cilindrata:1497 cmc. Potenza nominale: 57 kW. Coppia nominale: 115 Nm (@ 4000

g/min). Motore elettrico: sincrono AC:

Potenza nominale: 50 kW. Coppia nominale: 400 Nm (@ 1200

g/min). Batteria: Ni-MH. Consumo combustibile: 4,3 litri. Autonomia: 1050 km. Serbatoio: 45 Liter. Velocità massima: 170 km/h. Prestazioni 0-100km/h: 10,9 sec. Peso a vuoto: 1400 kg. Emissioni CO2: 104 g/km. Prezzo: 24.070€.

Source: Toyota 2006

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Toyota Prius

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Veicoli elettrici

Veicolo elettrico di von TrouveFonte: Elektroauto-Tipp 2006

Prima macchina elettrica nel 1881: Gustav Trouve.

Un veicolo elettrico fu il primo a a raggiungere la velocità massima di 100 km/h nel1889.

Tipologia di batterie: Batterie al piombo e acido.

Batterie di nuova generazione.

Tipi di motori elettrici: Corrente continua (dc).

Corrente alternata (ac).

I motori elettrici hanno efficienza elevata e una buona coppia a bassi regimi.

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Generalità sulle batterie per trazione Batterie al piombo e acido.

Tencologia comune, ma la densità di energia è troppo bassa.

Autonomia limitata, le batterie sono troppo pesanti.

Le auto giocano un ruolo solo in alcune nicchie (es. uso urbano).

Batterie di nuova tecnologia.

Nickel-cadmio, Nickel-idruri metallici, Ioni di Litio.

Solo la densità di energia delle batterie a ioni di litio è sufficiente per ottenere autonomie adeguate. Le auto elettriche escono dalla nicchia.

Problemi: Cosi, sicurezza e durata.

Fonte: Aigle/Marz 2006, 77

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Un esempio: Mitshubishi Lancer Evolution:batterie a ioni di litio e motori alle ruote

Quattro motori alle ruote sincronizzati. Max. Potenza : 50 kW. Max. Coppia: 518 Nm. Batterie: Ioni di litio:

Capacità 95 AH. Tensione circuito aperto: 336V. Energia nominale: 32 kWh.

Autonomia: 250 km. Velocità massima: 180 km/h. Peso a vuoto:1590 kg. Emissioni CO2: 0 (localmente). Prezzo: Prototipo. Produzione di serie pianificata per il

2010.

Mitsubishi Lancer Evolution

Fonte: Mitsubishi 2005

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Il Roadster Tesla

6831 batterie ricaricabili a ioni di litio sono utilizzate nel modello Tesla.

Tempo necessario per ricaricare le batterie: 3,5 ore.

La durata delle batterie è sufficiente per 100.000 miglia.

New Performance with Li-Ionen batteries!

Fonte: Umweltbrief 2007

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Auto a celle a combustibile

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Storia dei veicoli a idrogeno

1807: Primo motore a idrogeno di Francois Isaac de Rivaz. 1839: Scoperta del principio di funzionamento della cella a

combustibile da parte di Sir William Grove. 1860: Motore a gas a 1 cilindro di Jean Joseph Etienne

Lenoir. Produzione di H2 da elettrolisi a bordo veicolo. 1875 - 1890: Sviluppo del motore a 4 tempi per combustibili

liquidi a cura di Otto, Benz e Daimler. 1933: Combustione di idrogeno con reforming di ammonia

a bordo da parte di Nosk Hybdro. 1967: Prima auto alimentata a fuel celle di General Motors. 1970: Primo veicolo ibrido fuel cell – batteria (Austin A40)

con una concessione per l’uso stradale. Karl Kordesch. 1970-1990: Continuazione dello sviluppo del motore a

combsutione di idrogeno. Specialmente in Giappone da Musashi.

Dal1990: Sviluppo sistematico di motori a fuel cell da parte di Mercedes-Benz, Toyota, Opel, Audi, Honda e Ford.

1994: Veicolo a fuel cell Necar1 di DaimlerChrysler. Dal 2000: Prove sul campo con veicoli a fuel cell. 2003: Prove su strada con 60 “Classe A” a fuel cell a cura

di DaimlerChrysler (in tutto il mondo). 2006: Il Governo tedesco investe 500 Milioni di Euro per 10

anni per inserire i veicoli a fuel cell nel mercato.

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Introduzione: Veicoli a celle a combustibileTipologie di celle

Fonte: Jörissen/Garche 200,17. Own additions

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Introduzione: Caratteristiche delle tipologie di fuel cell

AFCPEFC / DMFC

PAFC MCFC SOFC

Temperatura bassa alta

Catalizzatore puro Meno puro

Caratteristiche del gas

pulito Meno pulito

Efficienza della cella

bassa elevata

Complessità di sistema

elevata minima

Tempo di accensione

Immediato elevato

Dinamica alta bassa

<100°C Fino a1000°C

Platino metallo

4-5.0 H2CnHm

40-50% 50-60%

Sistema di reforming Reforming interno

Secondi Ore

Fonte: own illustration

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Quale tipologie per quale applicazione?

Carichi continui

Unità cogenerative per uso industriale

Impianti per carichi di base

Regola d‘oro:

Carichi dinamici

Veicoli con celle a combustibile

Unità di microcogenerazione per uso domestico

Applicazioni portatili

Appiattimento dei picchi, UPS

PEFC

(DMFC)

PAFC

MCFC

SOFC

Ma: non c’è regola senza eccezione!

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Concetto del veicolo con fuel cell

DaimlerChrysler ha sviluppato un prototipo (Necar5) con un reformer di metanolo a bordo.

Daimler ha fermato la sua attività per seguire il concetto dell’idrogeno.

Molte case costruttrici puntano all’accumulo diretto di idrogeno.

Molti vecioli utilizzanp idrogeno in gas compresso. Può essere compresso fino a 350 bar. In un futuro vicino saranno disponibili serbatoi a 700 bar.

L’idrogeno liquido è contenuto in serbatoi criogenici. L’idrogeno liquefa a - 253°C.

Fonte: Aigle/Marz 2006, 85

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Principali componenti di un veicolo a fuel cell

1: Motore elettrico.2: Sistema di celle a combustibile.3: Serbatoio alta pressione.4: Batteria ad alta tensione.

“Classe A” con celle a combustibile (DaimlerChryler) Fonte: Stauch 2005

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Flusso energetico in un veicolo a fuel cell

In un’auto a fuel cell l’energia chimica dell’idrogeno è convertita in energia elettrica.

Un motore endotermico converte l’energia termica del combustibile in energia meccanica (ciclo di Carnot).

Confrontato col ciclo di Carnot la conversione elettrochimica è più efficiente.

Fonte: Los Alamos 1999, 5

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Veicoli con fuel cella a metanolo (NECAR V) Specifiche del sistema di processamento del

combustibile:

Combustibile: Metanolo (CH3OH). Portata idrogeno: 60 Nm³/h. Efficienza 86%. Tempo accensione: 1 minuto. Possibile accensione al di sotto di 0°C. Rapporto di compressione: 1:40. Dinamica 1.5 secondi (da fermo al 90% del carico). Costo stimato $1,750 @ 100,000 unità/a. per unità: $3,550 @ 10,000 unita/a. Dimensioni 800x260x320 mm. Volume / peso: 65 lt/ 95 kg.

Specifiche celle a combustibile: Potenza della cella a combustibile: 75 kW el,lordo /

60 kW el,netto. Emissioni <SULEV. Volume / peso332 lt/ 385 kg . Efficienza netta del sistema > 40 %.

Fonte: Tillmetz/Benz 2006

Fonte: Tillmetz/Benz 2006

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Digramma di flusso di un veicolo a celle a combustibile a metanolo

Fonte: Los Alamos 1999, 16

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Lo stack di celle a combustibile (Ballard)

Risultati tecnici impressionanti negli ultimi annil

Ballard è il costruttore di stack per automotive più conosciuto nel mondo.

Gli ostacoli sono i costi, la durata e l’accensione da freddo. Ma solo una piccola differenza rispetto alla prestazione dei motori endotermici di oggi.

Ballard MK902 Light Duty (LD)

Ballard MK902 Heavy Duty (HD)

Dati: Budd 2006, 14-17, own illustration

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Sistema Fuel Cell XcellsisTMHY-80

Elettronica di potenza

Pompa di raffreddamento

Modulo del sistema

Cella a combustibile (80 kW)

Elettronica di controllo

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Fonte: Tillmetz/Benz 2006

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Serbatoio per idrogeno gas compresso (CHG)

CGH2: Idrogeno compresso gassoso.

Pressione 35–70 MPa e temperatura ambiente.

Solitamente 2 o 3 bombole possono essere installate su un veicolo. Negli autobus possono essere installati fino a 8 serbatoi.

L’autonomia varia da 200km (350 bar) fino a 500 km (700 bar).

Fonte: Helmolt/Eberle 2007, 837

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Sistema serbatoio per idrogeno liquido (LH2)

Temperatura operativa tra i 20 e i 30 K e pressione da 0.5 fino a un massimo di 1 MPa. Problema: Inevitabile dispersione attraverso:

Conduzione termica. Convezione. Radiazione termica.

E’ necessaria un’intercapedine multistrato col vuoto ad alto livello isolante (approssimativamente 40 strati di lamina metallica).

Perdite per evaporazione dopo alcuni giorni. L’energia per liquefare l’idrogeno rappresenta il 30% dell’energia chimica contenuta nel

serbatoio.

Fonte: Helmolt/Eberle 2007, 838

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Un esempio: DaimlerChrysler “F-Cell”

Motore asincrono trifase: Potenza nominale: 65 kW.

Coppia nominale: 210 Nm.

Sistema a celle a combustibile: Stack PEFC Ballard Mark 902.

Potenza nominale: 85 kW.

Batterie: NiMh da 20kW.

Serbatoio: CGH2@350bar: 1,8 kg.

Consumo: 4,2 l equivalenti di gasolio.

Autonomia: 160 km.

Velocità massima: 145 km/h.

Prestazioni: 16 sec.

Costi: Prototipo. Test su strada di 60 auto dal 2002.

F-cell DaimlerChrysler

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Solo acqua! B

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GM´s Chevrolet Equinox Fuel Cell

Trazione elettrica: Motore trifase asincrono da 73 kW (massimo 94

kW), Coppia nominale: 320 Nm,

Sistema di celle a combustibile: Stack: 440 celle, 93 kW. Batteria NiMH 35 kW. Durata: 2.5 anni, 80.000km. Temperatura operativa: -25 to +45°C.

Accumulo combustibile: 3 serbatoi idrogeno compresso. 70 MPa. 4.2. kg idrogeno.

Prestazioni: Accelerazione: 0-100 km/h in 12s. Velocità massima160 km/h. Autonomia: 320 km.

Peso a vuoto: 2010 kg.

Fonte: Helmolt/Eberle 2007, 842

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Confronto di efficienza ed emissioni di CO2

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[ E

ffic

ienc

y (%

) ]

Hydrogen-driven FC Zafira (HydroGen3) Diesel Zafira (X20DTL Engine)

1. Gear2. Gear

3. Gear

4. Gear

5. Gear

Efficienza media (Ciclo di guida europeo): Efficienze: 36 % / 22 %Emissioni CO2 (dirette): 0 g/km / 177 g/km

[ Km/h ]

Fonte: Hermann/Winter 2003

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Efficienza complessiva veicolo FC (esempio DC)

100 % l H2

37,7 % efficienza complessiva dal serbatoio alle ruote

62,2 % in uscita dalla FC 37,8 % Calore

45,8 % in uscita dal convertitore 16,4 % ausiliari

37,7 % alle ruote8,1 % converter,motor, gear,differential

Dati: Lamm 2002

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Autobus a fuel cell Autobus “Citaro” di

DaimlerChryslers funzionante con tecnologia a celle a combustibile.

27 autobus Citaro sono stati testati dal 2003 al 2005 in 9 città europee.

Tecnologia dello stack di Ballard: Due moduli “MK902 Heavy Duty“

con 300 kW.

Sistema del serbatoio. 9 serbatoi per H2 compresso a

350 bar possono contenere 1845 litri.

Autonomia. Da 200 a250 km.

Velocità massima. Circa 80 km/h.

Fonte: Fuel Cell Bus Club 2004

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Fuel Cell Bus „Citaro“

B

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Stazioni di rifornimento di idrogeno nel mondo

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299 stazioni di rifornimento in tutto il mondo!Fonte: H2stations.org by LBST (LBST 2007) B

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Stazioni di rifornimento di idrogeno – Europa

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Fonte: H2stations.org by LBST (LBST 2007) B

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