Corso di Sistemi di Trazione Lezione 20 Sistemi

Corso di Sistemi di Trazione Lezione 20: Sistemi di trazione innovativi, veicoli elettrici A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA 2014 -2015

Argomenti • Il powertrain elettrico ed i suoi vantaggi • Il sistema di accumulo gioia e dolori dei veicoli elettrici – Consente il recupero di energia ed lo spostamento ZEV – È la tecnologia meno matura nel powertrain elettrico e quello che da problemi di: ingombro, peso, affidabilità, impatto ambientale nella costruzione e nello smaltimento. • Le applicazioni mature per veicoli elettrici • Le applicazioni dei veicoli elettrici ed iniziative per diffonderli • Le prospettive per i veicoli elettrici

Obiettivi • Familiarizzare con il powertrain del veicolo elettrico • Conoscere i diversi possibili sistemi di accumulo • Confrontare le densità energetiche dei diversi sistemi di accumulo con quelle del combustibile • Conoscere i principali vantaggi del veicolo elettrico: – Eliminare le emissioni locali – Ha potenzialità di ridurre i consumi • Conoscere i problemi principali del veicolo elettrico: – Autonomia – Tempi di rica • Comprendere che un cambio di mentalità potrebbe essere necessario

Schema di un Powertrain “Elettrico” Sistema di accumulo energetico Sistema di regolazione Motore elettrico Differenziale

I vantaggi del veicolo elettrico (1/2) • Funziona come ZEV (Zero Emission Vehicle) – Risolverebbe il problema dell'inquinamento nei centri urbani (inquinamento locale) – A livello “globale” la riduzione delle emissioni (in particolare di CO 2) dipende dalle modalità di produzione dell’energia elettrica • Avendo un sistema di trazione invertibile può recuperare l’energia di frenatura diminuendo i consumi

I vantaggi del veicolo elettrico (2/2) • Costruttivamente garantisce maggiore flessibilità al progettista – l’assenza di connessioni meccaniche tra batterie, sistema di regolazione e motore garantisce la possibilità di disporre ogni parte dove c’è posto – si può dividere la potenza su più motori dedicati ognuno ad una ruota eliminando gli ingombri della trasmissione e potendo quindi abbassare il pianale – si può arrivare ad integrare il motore nelle ruote che consente la sterzabilità totale di ogni ruota

Sistemi di accumulo di energia • Principio fisico dell’accumulo – – – Elettrochimici: accumulatori elettrici Elastici: molle, gas compressi, accumulatori idraulici Cinetici: volani Magnetodinamici Elettrostatici: supercondensatori • Due parametri per valutare tali sistemi: – Energia specifica (Wh/kg): capacità assoluta dell’unità di massa di accogliere o restituire energia – Potenza specifica (W/kg): capacità istantanea dell’unità di massa di accogliere o restituire energia

Gli accumulatori elettrochimici (1/4) Accumulatori al piombo: Maggiormente commercializzati – Energia specifica: 30 -35 Wh/kg – Potenza specifica: 70 -100 W/kg – Vita: 500 -1000 cicli

Gli accumulatori elettrochimici (2/4) Accumulatori al Ni-Cd, Ni-Zn, Ni-Fe, Zn-Pb: • Variamente testati in applicazioni pilota ma commercializzati in piccoli numeri – Energia specifica doppia rispetto agli accumulatori al piombo – Già in produzione – Costa 6 -10 volte più degli accumulatori al piombo

Gli accumulatori elettrochimici (3/4) Accumulatori al ferro-aria, sodio-zolfo, litio-solfuri metallici • Sono stati variamente testati senza arrivare in produzione – Energia specifica tripla rispetto agli accumulatori al piombo – Lavorano a 300º C – Richiedono contenitori termoisolanti e apparecchiature di preriscaldo

Gli accumulatori elettrochimici (4/4) Accumulatori al Litio: • Sono gli accumulatori emergenti per l’autotrazione – Energia specifica 5 volte più alta del piombo – Potenza specifica 20 volte più alta – Già in produzione per cellulari, laptop ed altre applicazioni

L’accumulo elastico • Accumulatore oleodinamico • Trasformazione di energia meccanica in energia di pressione mediante l’utilizzo di macchine idrauliche • Elevata potenza specifica (flessibilità nelle fasi di accumulo e restituzione) • Bassa energia specifica

L’accumulo inerziale/cinetico (1/2) Accumulo di energia cinetica con volani: In cui: v = velocità angolare del volano (rad/s); Iv = momento polare d’inerzia del volano (kgm 2); rc = rapporto al cambio (adim); Ts = momento delle forze resistenti ridotto al secondario del cambio (Nm); s = velocità angolare del secondario (rad/s); Is = inerzia del veicolo e delle parti rotanti ridotta al secondario (kgm 2).

L’accumulo inerziale/cinetico (2/2) • Energia specifica fino a 200 Wh/kg (fibre di carbonio, boro e kevlar) • Difficoltà: – Riduzione di peso e dimensioni tramite elevati regimi di rotazione (servono corazzature di sicurezza) – Perdite di attrito: il volano deve ruotare sotto vuoto e supportato da cuscinetti magnetici) – Perdite e pesi aggiuntivi: servono doppi volani controrotanti (evitano effetti giroscopici) e una frizione

Esempio di veicolo dotato di volani

L’accumulo magnetodinamico (1/2) • Volani con la parte rotante costituita da magneti annegati in fibre di carbonio • La cassa esterna è lo statore di un motore elettrico • Se lo statore fornisce potenza, il rotore accelera immagazzinando energia cinetica, se richiede potenza il rotore rallenta cedendo l’energia cinetica immagazzinata

L’accumulo magnetodinamico (2/2) • Non avendo connessioni meccaniche può essere sospeso in una struttura che gli consente di ruotare su due assi eliminando il momento giroscopico • Permangono difficoltà costruttive dei volani classici

I supercondensatori (1/2) • Funzionano secondo il principio dei condensatori elettrici: immagazzinano energia elettrica rimuovendo cariche elettriche, tipicamente elettroni, da una superficie metallica e depositandoli su un’altra affacciata. L’isolante fra le due superfici impedisce che le cariche tornino a posto e mantiene una differenza di potenziale tra i due elettrodi che può essere sfruttato da un carico elettrico esterno.

I supercondensatori (2/2)

Confronto tra sistemi di accumulo Sistemi di accumulo Densità energetica [Wh/kg] Densità di Potenza [W/kg] Cicli di vita 75% scarica Disponibilità commerciale Accumulatore idraulico 0. 8 104 107 discreta Batterie al piombo 35 95 500 ottima Batterie al Ni-Cd 56 2000 buona Betterie Li-ion 160 1800 1200 buona Volano 200 104 107 prototipo Supercapacitore 1 - 10 1000 – 10’ 000 108 buona Combustibile (benzina o diesel) + MCI 3800 Teoricamente infinita - massima

La problematica ambientale del ciclo di vita delle batterie (1/2) Produzione Riciclaggio Utilizzo Raccolta

La problematica ambientale del ciclo di vita delle batterie (2/2) Produzione – Uso di sostanze chimiche – Esposizione occupazionale – Prevenzione dei rischi di infortuni – Salvaguardia ambientale – Norme tecniche di prodotto Utilizzo – Immissione sul mercato – Comunicazione al cliente finale dell’obbligo di raccolta differenziata – Progettazione delle apparecchiature che permetta un facile accesso alle batterie – Indicazione della presenza di cadmio, mercurio e piombo oltre i limiti previsti Raccolta e riciclaggio – Organizzazione, gestione e finanziamento della raccolta separata, il trattamento e il riciclaggio dei rifiuti di pile e accumulatori industriali, per veicoli e portatili

Decreto legislativo 20 novembre 2008, n. 188 • Scopo – Disciplinare l’immissione sul mercato delle pile e degli accumulatori – Raccogliere, trattare, riciclare e smaltire i rifiuti di pile e accumulatori • Campo di applicazione – alle pile e agli accumulatori indipendentemente dalla forma, dal peso, dal volume, dalla composizione materiale o dall'uso cui sono destinati – ai relativi rifiuti • Definizioni – Pila o accumulatore: una fonte di energia elettrica ottenuta mediante trasformazione diretta di energia chimica, costituita da uno o più elementi primari (non ricabili) o costituita da uno o più elementi secondari (ricabili)

Obblighi dei produttori di pile ed accumulatori industriali e per veicoli previste dal DL 188 (1/2) • Immettere sul mercato solo pile e accumulatori conformi • Organizzare, gestire e finanziare la raccolta separata il trattamento e il riciclaggio dei rifiuti di accumulatori • Iscriversi al Registro nazionale dei soggetti tenuti al finanziamento dei sistemi di gestione dei rifiuti di pile e accumulatori

Obblighi dei produttori di pile ed accumulatori industriali e per veicoli previste dal DL 188 (2/2) • Comunicazione dei dati relativi alle pile ed agli accumulatori immessi sul mercato nazionale nell’anno precedente • Etichettatura delle pile e degli accumulatori • Obbligo di partecipare al centro di coordinamento

Applicazioni mature per veicoli elettrici • Minibus per i centri cittadini – Percorrendo distanze ridotte – Necessitano di depositi vicini per cambiare batterie a metà giornata – Hanno costi di esercizio per passeggero trasportato tripli dei bus 12 m diesel convenzionali • Muletti per la movimentazione delle merci nei magazzini o a corto raggio – Soprattutto per ambienti chiusi in cui i funi non sono tollerati o per contenere il rumore

Considerazioni energetico-economiche frenano la diffusione dei veicoli elettrici nelle flotte TPL (1/2) • Un autobus su un percorso urbano ha: – Potenza media necessaria 12 -14 k. W netti alle ruote – Massimo il 20% di energia recuperabile (diminuzione di consumo di carburante) • Il miglioramento del servizio comporta l’aumento velocità medie e quindi la diminuzione dell’energia recuperabile

Considerazioni energetico-economiche frenano la diffusione dei veicoli elettrici nelle flotte TPL (2/2) • Anche recuperando il massimo dell’energia il risparmio sul costo del servizio sarebbe inferiore al 5% del costo globale del servizio a fronte di un considerevole aumento dei costi di gestione: – Ogni bus può essere in servizio mezza giornata prima di tornare in deposito a ricare o cambiare batterie – Il deposito deve essere vicino alla linea per evitare che il bus si scarichi nei trasferimenti