Transcript Sistemi di accumulo per i veicoli elettrici — Ordine degli Ingegneri

“Sistemi di accumulo per
i veicoli elettrici”
Ing. Giovanni Pede - Responsabile Laboratorio
Sistemi e Tecnologie
per la Mobilità e l’Accumulo
Seminario “PROFESSIONI EMERGENTI E NUOVE
OPPORTUNITA’ PER GIOVANI INGEGNERI”
Ordine degli Ingegneri - Milano 23 febbraio 2016
Indice della presentazione
 Le ragioni dell’elettrico
• Analisi “dal pozzo alla ruota” e catena dei rendimenti
 Missioni e tecnologie: un problema di adattamento
 I sistemi di accumulo per veicoli elettrici
• Panoramica delle prestazioni richieste per le varie tipologie di veicoli
• I sistemi di accumulo
• Vantaggi e svantaggi delle diverse tecnologie
• La ricerca e sviluppo attuale
Premessa: quale impatto ambientale per i
combustibili di origine fossile?
– Consumo delle risorse
• Consumo delle materie prime
• Consumo di energia
– Danneggiamento della qualità dell’eco‐sistema
• Emissione di gas serra
• Emissione di sostanze responsabili delle piogge acide
– Danneggiamento della salute umana
• Emissione di gas inquinanti
Un confronto specifico, Piaggio Porter Elettrico:
diagramma di Sankey TTW (tank-to-wheel)
9 Wh/km
27 Wh/km
15 Wh/km
29 Wh/km
221 Wh/km
141 Wh/km1
AC
Trasm.
94 %
Macchina
elettrica
85 %
DC
92 %
Accumulo
elettrico
87 %
Per questo veicolo, nella versione elettrica, il rendimento di conversione in energia meccanica alle ruote risulta intorno al 62 %.
1
Nella versione termica (GPL) è invece del 16‐17% (cicli urbani con prevalenza di transitori)
Impostato considerando 100 Wh/t km, M.Ceraolo, UNIPISA
Consumi WTT (well-to-tank)
Rendimenti dalla produzione (pozzo) al punto di rifornimento (distributore o presa in BT)
Versione GPL
Versione elettrica
Estrazione e trasporto GPL: 94% Estrazione e trasporto NG: 95,4%
(JRC/EUCAR/CONCAWE)
Generaz. E.E. 53,1 %
Trasporto/distrib.: 94%
In totale: 47,6%
Consumi di energia primaria WTW (well-to-wheel)
Considerando anche questi rendimenti, i consumi aumentano come segue :
versione a GPL (5.25kg/100km) versione elettrica
710 Wh/km 755 Wh/km
221 Wh/km 464 Wh/km
1 kg GPL = 49 MJ = 13 kWh) (‐ 38 %)
Missioni e prestazioni stradali
Motori a combustione interna
Per informazioni
[email protected]
Fonte: GM)
Prestazioni stradali
ed impatto ambientale (1)
Autonomia
e velocità
Ibridi “full
performance” e/o
“plug in”
Ibridi micro
e minimi
Veicoli elettrici con
generatore di piccola
potenza (range extender)
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
Prestazioni stradali
ed impatto ambientale (2)
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 “full”
Veicoli
Ibridi serie
Funzioni dell’accumulo elettrico
Toyota Prius
Opel Ampera
Honda Insight
Marcia in elettrico
(ridotta)
Citroen C2
Motor assist
Motor assist
Frenatura a recupero
Frenatura a recupero
Frenatura a recupero
Start & Stop
Start & Stop
Start & Stop
Start & Stop
Micro ibridi
Mild hybrid
Marcia in elettrico, di norma
Frenatura a recupero
Full performance E‐Rev o Batt.Electric
Le prestazioni richieste ad un accumulo
Deve pesare poco, quindi elevata energia e potenza specifiche (per unità di peso)
Deve occupare poco spazio, quindi elevata densità d’energia e di potenza Deve esser sicura e lavorare a lungo: robustezza e durata
Deve avere un buon rapporto costo/prestazioni, a fine vita del mezzo (LCA)
Peso ed ingombro: dipende dalla
potenza ed energia specifica
*
* Il valore indicato è un valore equivalente, che tiene conto del rapporto tra i rendimenti medi delle motorizzazioni elettriche, 80%, e di quelle termiche, 20%, per un corretto confronto sul diagramma
Durata :
dipende dal dimensionamento e dalla gestione
Durata delle batterie in funzione della temperatura
12
10
Anni
8
Durata delle batterie in funzione
del livello di potenza richiesto
4
2
1150
1100
0
30
1050
Ore
6
35
40
45
Temperatura d'esercizio (°C)
1000
950
Fonte: Magna Steyr
900
850
800
0
50
100
150
Potenza specifica in W/kg
Fonte: ENEA
Fonte: ENEA
200
250
50
55
Sicurezza d’uso:
dipende dal progetto del sistema e dalla gestione
Costo a fine vita: costo del sistema x n.sostituzioni
Ridurre il costo a parità di prezzo unitario
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 durante il giorno, riducendo il tempo per la ricarica : aumentare le potenze di ricarica, “fast charge” o sostituire la batteria
2. Ricaricare continuativamente, ibridizzando il veicolo: mettere a bordo una seconda sorgente di energia Fast charge: veicoli studiati “ad hoc”
ZeroFilo Bus
Industria 2015 Shanghai Aowei Technology Development Company & Sinautec 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
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
Accumulatori a fluido
Alta potenza, vita elevata, modularità
Volani
Alta potenza, vita elevata
Bassa energia
Specifici per ibridi termo‐
idraulici
Bassa modularità, effetto giroscopico, sicurezza
Le batterie al litio:
una tecnologia dalle molte facce
Litio
Cobalto
LCO
LMO
NMC
NCA
LFP
LiCoO2
LiMn2O4
Li(NiCoMn)O2
Li(NiCoAl)O2
LiFePO4
7,1%
3,9%
60,2%
Nickel
7,3%
7,3%
9,8%
9,3%
25,8%
48,7%
1,6%
Alluminio
Manganese
4,4%
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
Il mercato: dalla singola cella alla batteria
Dalla cella alla batteria al sistema
Fonte: Mercedes
Il ruolo dell’elettrificazione
Grazie dell’attenzione!
[email protected]
Centro Ricerche ENEA
“Casaccia”
Via Anguillarese km. 1.3 00060 Anguillara Sabazia Roma, Italy