DIITET & H2020 nel settore dei veicoli a basso impatto ambientale Consiglio Nazionale delle Ricerche Carlo Beatrice (c.beatrice@im.cnr.it) DIITET & H2020 nel settore dei veicoli a basso impatto ambientale 26 e 27 Maggio, 2014 Convegno del Dipartimento di Ingegneria, ICT e Tecnologie per l’Energia e i Trasporti Conferenza del Dipartimento DIITET 26 e 27 maggio 2014

a b c d 4 Obiettivi H2020 in 3 Calls Excellente science HORIZON 2020 WP 2014 – 2015 Smart, green and integrated transport Resource efficient transport that respects the environment Better mobility, less congestion, more safety and security Global leadership for the European transport industry Socio-economic and behavioural research and forward looking activities for policy making a b c d 1) Mobility for Growth; 2) Green Vehicles; 3) Small Business and Fast Track Innovation for Transport; Smart, Green and Integrated Transport Leadership in Enabling and Industrial Technologies Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

H2020 Transport vs Istituti del DIITET TOPICS H2020 IM ITAE IMAMOTER ISTI ISSIA INSEAN IMEM ICAR MG/RAIL MG/ROAD MG/WATERBORNE MG/URBAN MOBILITY MG/LOGISTIC MG/INTELL. TRANSP. SYSTEMS MG/INFRASTRUCTURE MG/POLICY MAKING GREEN VEHICLES SMALL BUS. & FAST INNOVATION Personale coinvolto Ricercatori Tecnici T.D. 39115 20 12 16 17 4 8 2 3 18 La scheda mostra le tematiche di interesse e di intervento degli Istituti, evidenziandone le possibili collaborazioni, anche per accrescere la massa critica ed il livello di competenza/know-how da proporre in ambito H2020. Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

ICT/ITS Infrastructures, Smart Grids, ….., Powertrain Technologies Smart & Environmental friendly vehicles in H2020 Infrastructures, Smart Grids, ….., ICT/ITS Powertrain Technologies (sensors, control, devices, etc.) Alternative fuels Vehicle & Environment (incl. LCA) Thermo-fluidynamic & vibroacoustic I campi di interesse/intervento degli Istituti operanti nel settore dei veicoli a basso impatto ambientale spaziano dallo sviluppo di sistemi di propulsori innovativi, sia termici che ibrido/elettrico, all’interazione veicolo-ambiente, alla sua sicurezza ed affidabilità; anche con riferimento ai sistemi di trasporto integrati ed interconnessi per l’ottimizzazione della gestione dell’energia e la riduzione dell’impatto ambientale. La slide riporta anche le principali collaborazioni già esistenti tra gli Istituti del DIITET. Batteries Materials Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

Hybrid/Elect. Powertrain FP7 projects: In-Gas - Integrated GAS powertrain – Low emissions, CO2 optimised and efficient CNG engines for PC and LDV; COMETNANO -Technologies for Synthesis, Recycling and Combustion of Metallic Nanoclusters as Future Transportation Fuels; Cleaner-D (Clean European Rail-Diesel). Istituto Motori Calls H2020 2014-15 MG-2.3-2014 MG-3.1-2014 MG-3.2-2014 MG-3.4-2014 MG-3.6-2015 GV-3-2014 GV-4-2014 GV-6-2015 GV-7-2014 Hybrid/Elect. Powertrain Vehicle & Environment Alternative fuels MG-4.1-2014 MG-4.2-2014 MG-4.4-2014 Thermal Powertrain Technologies Thermo-fluidynamic & vibroacoustic Relativamente alle tematiche di intervento dell’IM, tutte trovano ampio riscontro nelle calls specifiche lanciate nel 2014-2015. Da parte IM 2 proposte sono state sottomesse ed una in fase di preparazione. MG-5.1-2014 In H20220 2 Proposal submitted, 1 under preparation Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

Electric recharge stations New concept of powertrain for: Smart, green and integrated transport @ ITAE The technologies – ITAE System Approach Hydrogen Battery Supercap Fuel Cell Technologies Systems Integration Vehicles Infrastructures City Urban System ICT & ITS Logistic Platforms Smart Grid Ports Rail Calls H2020 2014-15 MG-3.2-2014 GV-2-2014 GV-4-2014 GV-8-2015 ACTIVITIES Electric recharge stations H2 Refill stations Info Mobility Smart Mobility Logistic Transport Fuel Cell System Battery Hybrid New concept of powertrain for: Bus Minibus Delivery Van Bicycle Tractor Airplane Ship Smart Cities Fuel Cell Battery Supercap I campi di interesse/intervento dell’ITAE nel campo dei veicoli a basso impatto ambientale spaziano dallo sviluppo di sistemi di propulsori innovativi, sia a fuel cell che ibrido/elettrico fuel cell/batterie innovative , fino alle nuove infrastrutture necessarie per una smart mobility come stazioni di rifornimento idrogeno elettriche sfruttanti FER per un bilancio energetico nullo spaziando fino ad arrivare al concetto di smart cities. Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

Smart, green and integrated transport @ ITAE Sustainable Mobility ITAE Projects Demonstration projects concern the development of fuel cell electric vehicles (FCEVs) fuel cell hybrid electric vehicles (FCHEVs) and electric vehicles (EVs) for public and private transport. Urban mobility PUBLIC TRANSPORT PRIVATE TRANSPORT MINIBUS BICYCLE TRACTOR AIRPLANE SHIP DELIVERY-VAN BUS HyTractor CAR Tutte le macro-tematiche citate trovano ampio riscontro nelle calls specifiche lanciate nel 2014-2015 con i progetti riportati in corso di esecuzione. Da parte ITAE 1 proposta è attualmente in fase di preparazione TESEO SEAPORT In H20220 1 under preparation Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

Smart, green and integrated transport @ IMAMOTER Smart energy supply Functional safety LCA assessment Augmented reality Autonomous/cooperative vehicles Smart and new materials Smart farm/construction site integration Efficient Powertrain and hydraulics Data communication La realizzazione di veicoli a basso impatto ambientale non riguarda solo i veicoli stradali, ma anche i mezzi d’opera e le macchine agricole. In questo ambito le pressioni legislative sono state e saranno sempre più pressanti, ma ancora più rilevanti sono le implicazioni a livello delle possibili interazioni con altre attività progettuali, quali la sostenibilità edilizia, la sostenibilità in agricoltura e la robotica. La fondamentale diversità in questi casi rispetto ai mezzi di trasporto più tradizionali è la diversità è l’estrema variabilità del profilo di missione. L’Istituto del DIITET operante in questo settore è IMAMOTER, ma sono importanti le relazioni anche con altre realtà CNR, in ciascuno dei temi seguenti sono attivi progetti o proposte progettuali. L’obiettivo di un mezzo a basso impatto ambientale è perseguibile solo con un approccio olistico, in cui diverse tecnologie di base (richiamabili alle KET di H2020) perseguono diversi obiettivi specifici di carattere industriale (LEIT), integrandosi in modo da ottenere, globalmente, risultati che singolarmente non sarebbero possibili. Possibili esempi partono dalle motorizzazioni ibride e policombustibile applicate a mezzi movimento terra, ma anche con profili di missione più specializzati, come mezzi battipista, nei quali la trasmissione di potenza dal motore primo è per lo più per via fluida, consentendo ottimizzazioni specifiche di rendimento non solo nella generazione, ma anche nella trasmissione della potenza. Attualmente solo il 18% circa dell’energia resa disponibile dal combustibile primario viene efficacemente utilizzata per il ciclo di lavoro. Quindi l’aggressione al problema può partire dalle fonti di energia per le macchine, in cui sistemi elettrici, endotermici, a turbina possono integrarsi trasformando anche la macchina da puro utilizzatore energetico anche a fornitore se pensiamo per esempio ad una macchina ibrida alimentabile a biogas che possa funzionare anche da generatore integrandosi in una micro-grid locale. La chiave di successo nella gestione di sistemi ad elevata complessità è, anche a bordo macchina, la disponibilità di enormi volumi di dati dai i sensori e l’abilità di comunicare in modo rapido, sicuro, deterministico e isocrono. Il miglioramento di caratteristiche energetiche, ergonomiche e di riciclabilità è ottenibile anche con materiali intelligenti ed avanzati, sono attivi progetti in diversi settori, dall’uso dei tecnopolimeri a fini strutturali in strutture di protezione e componenti oleodinamici alla funzionalizzazione di superfici tramite rivestimenti nanostrutturati, a titolo di esempio in un Progetto Bandiera di Fabbrica del Futuro si sono ottenute riduzioni del coefficiente di attrito fra parti in moto in lubrificazione idrodinamica, tipiche dell’oleodinamica, fra il 40 ed il 50%. Ma parlare di tecnologie “smart” è anche sicurezza, oltre che efficienza. I sistemi di realtà aumentata, indossabili, possono modificare integralmente il concetto di manutenzione e montaggio, oltre che fornire strumenti innovativi per la gestione dell’interfaccia fra uomo e macchina, pensionando definitivamente il concetto attuale di manuale di istruzioni e di formazione. Gli approcci metodologici alla sicurezza funzionale mutano il paradigma progettuale, e definiscono nuovi vincoli al progetto delle macchine, condizionando gli sviluppi ad uno scenario molto più razionale che in passato, senza dimenticare che ogni considerazione dovrà essere riferita a tutto l’intero ciclo di vita della macchina, dalla sua prima concezione allo smaltimento del suo ultimo componente a fine vita. LA valutazione LCA non può non far parte di un approccio “smart”, ma la base dati su cui sviluppare la metodologia complessiva è ancora largamente incompleta e da costruire. Le macchine poi non potranno più essere considerate delle entità singole, guidate o meno dall’uomo, ma dovranno condividere i profili di missione ed interagire alla ricerca dell’ottimizzazione globale del ciclo. Sia nel settore agricolo che nei mezzi d’opera, ogni macchina svolge una fase di un complesso ciclo, e solo la completa ed ottimale interazione garantisce l’ottimizzazione globale. Veicoli autonomi e cooperativi possono essere la chiave verso questo obiettivo. Tutto lo scenario descritto finora poi può inserirsi in una visione che è meno utopistica di quello che può sembrare, uno “Smart Construction site” o una “Total Smart Farm”, in cui macchine energeticamente integrate nel sistema, ciascuna dotata delle caratteristiche descritte, operano nel contesto energetico di un cantiere o di una azienda agricola, traendo energia da fonti rinnovabili o dagli scarti di lavorazione (nelle isole agricole) o integrandosi nelle smart-grid urbane (per la cantieristica), creando vere e proprie “isole energetiche” in cui le macchine diventano parte di un sistema energetico globale, e non puzzolenti e rumorosi attrezzi di lavoro. In H2020 4 Proposal submitted, 3 under preparation Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

Smart, green and integrated transport @ ISSIA Cleaner Transport EMI Electric drives Advanced Storage EMI compliance in automotive by active and passive filtering Le attività sono funzionali alla call “Green vehicles” e agli obiettivi “Resource efficient transport that respects the environments” e” Better mobility, less congestions, more safety and security” In particolare, il contenimento delle EMI (electromagnetic interferences) emesse degli azionamenti elettrici e dai convertitori di potenza (presenti in numero via via crescente nei veicoli e necessari per la gestione ottima delle sorgenti e carichi) consente la convivenza affidabile e sicura (anche detta compatibilità elettromagnetica) con i dispositivi di segnale quali ad esempio quelli per la comunicazione fra host e veicolo, di diagnostica e controllo. Le tecniche di modulazione per gli azionamenti elettrici (in particolare quello di trazione) minimizzano le perdite sia in fase di marcia sia in frenata (recupero di energia). Queste possono essere finalizzate anche al contenimento delle vibrazioni a vantaggio del comfort I dispositivi di storage quali i supercondensatori intervengono quando sono necessari picchi di energia (frenata e accelerazione) sono caratterizzati da basse perdite. L’identificazione dei modelli circuitali consente la gestione ottimale (previsione dello stato di carica) e la diagnostica ai fini dell’affidabilità. Nota finale: La parte delle EMI spesso è sottovalutata nei progetti provvedendo "a posteriori" quando ci sono problemi di interferenze. L'approccio più appropriato è quello di considerarle direttamente in fase di progetto, questo è ancor più vero nei veicoli dove circuiti di potenza e segnale "convivono" in spazi ristretti Power converters for Efficiency optimization and Vibrations lessening Supercapacitor modeling and management by power converters Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

Smart, green and integrated transport @ ISTI Calls H2020 2014-15 Formal Development Methods Agile Methodologies MG-5.5b-2015 Demonstrating and testing innovative solutions for cleaner and better urban transport and mobility MG-6.3-2015 Common communication and navigation platforms for pan-European logistics applications Requirements Engineering Business Process Models Shift2Rail Nell'ambito dei trasporti, l'ISTI si occupa prevalentemente di metodologie di sviluppo software applicate ai sistemi safety critical. Ha esperienza di metodi formali di modellazione e sviluppo (raccomandati dagli standard ferroviari), e metodi agili di sviluppo. Inoltre, ha esperienza nell'ingegneria dei requisiti, sempre per lo sviluppo strutturato di sistemi e nella modellazione di processi di business, utile per il monitoraggio di processi che coinvolgono la logistica. Tramite approcci avanzati di requirements engineering, metodi formali e metodi agili, abbiamo definito una piattaforma di Communications-based Train Control Systems (CBTC) -per il segnalamento ferroviario metropolitano - e un prototipo della piattaforma, con la collaborazione dell'azienda ECM di Pistoia. Tramite l'utilizzo di modellazione dei business process, sono stati analizzati i log legati ai processi logistici del Porto di Livorno per verificare punti critici del processo logistico. Tramite l'utilizzo di metodi formali, sono stati modellati processi di bike sharing per PisaMO, la società che gestisce il bike sharing a Pisa. Queste competenze pregresse possono essere usate nelle call MG-5.5b-2015 (per quel che riguarda l'esperienza con CBTC e Bike Sharing) e MG-6.3-2015 (per quel che riguarda l'esperienza con analisi di processi logistici). Inoltre, le esperienze nel campo ferroviario possono essere impiegate per le call relative al programma europeo Shift2Rail. Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

Hydroacoustics (Researchers involved: 9) Maritime transport is fundamental to sustain world trade and economic growth, thereby fulfilling a critical social as well as economic function. In this context, the study of the underwater noise and its abatement represents a fundamental research theme. It concerns: the sea acoustic pollution and the strict certification rules imposed by international organizations on noise emission; the negative effects on marine wildlife; the safety of crews, the comfort of passengers on board, the disturbances in harbour areas, ship detectability, etc. At CNR-INSEAN the expertise on hydroacoustics is demonstrated by the participation to the most important European research projects (FP7: SILENV, SONIC, STREAMLINE – EDA (European Defence Agency): DALIDA, MAPNOP proposal) and is twofold: Experimental techniques aimed at characterizing the hydrodynamic and acoustic fields underwater (LDV, PIV, stereo-PIV, tomography); Computational models - based on the Acoustic Analogy - to evaluate the main generating and propagating noise mechanisms taking place in the flow and the many complex problems related to it (identification of the main sources, fluid-structure interactions, scattering phenomena, cavitation noise, etc.). Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

EDA proposal: Dressy-Innova Super-hydrophobic coatings: Antifouling, drag and emission reduction Researcher involved:3 + CNR-ISTEC Far field waves induced by high speed ships (ferries, …) in confined (shallow) waters: Safety: people on the shoreline, other vessels underway or moored, structures Environment: beach morphology, erosion, sediment mobilization, biological impact (species removal) Researchers involved:4 Autore dell’ intervento Model scale experimental test: Velocity field (LDV,PIV), Force Design vessels with reduced far field wave pattern to avoid or diminish the wave wash effect in confined water by numerical optimization of the hull and sea trial of models EDA proposal: Dressy-Innova original design optimized design Plasmochemical surface treatments: Antifouling , drag and emission reduction Researcher involved:2 + CNR-IMIP Test on specimens for the evaluation of the antifouling properties and on propeller models for the evaluation of effects on efficiency Il campo ondoso generato da imbarcazioni veloci, che si propaga in presenza di fondali bassi ed in acque confinate, può creare problemi per la sicurezza di piccole imbarcazioni, di persone, costruzioni ed infrastrutture che si trovano in prossimità delle coste e per l’ambiente (cambiamento della morfologia delle coste, erosione ecc.). Questo fenomeno, noto come ‘wave wash’, può essere ridotto tramite l’ottimizzazione della forma di carena come ad esempio effettuato nel caso del catamarano in figura in servizio tra Brementon (Canada) e Seattle (USA). Il video è diponibile su: http://vimeo.com/69497407. Prove su modelli in mare o nei laghi (ad esempio la stazione sperimentale dell’Insean sul lago di Nemi) servono a creare un database di dati sperimentali sia per lo studio della propagazione e del decadimento del campo ondoso generato che per la validazione di codici numerici. Rivestimenti nanostrutturati con caratteristiche di super-idrofobicità, essendo intrinsecamente puliti, svolgono un’azione antifouling permettendo di mantenere inalterata l’efficienza dell’imbarcazione. Inoltre, modificando la condizione all’interfaccia fluido-scafo dovrebbero diminuire la resistenza di attrito e quindi ridurre i consumi. Per valutare le modifiche apportate allo strato limite in prossimità della parete e la riduzione di resistenza di diversi rivestimenti si effettuano misure del campo di velocità con tecniche PIV o LDV e misure dinamometriche su provini e su modelli o porzioni di carena negli impianti sperimentali dell’INSEAN. I trattamenti plasmochimici possono svolgere un’ intensa azione antifouling permettendo di mantenere inalterata l’efficienza dell’imbarcazione. Questo tipo di trattamenti sono molto utili sia per lo scafo sia per braccetti, appendici e timoni. E’ anche interessante lo studio del loro effetto sulle prestazioni di propulsori cavitanti che viene effettuato attraverso prove su modelli negli impianti sperimentali dell’INSEAN Industrial partner: Pacific International Eng http://vimeo.com/69497407 26 e 27 Maggio, 2014 Convegno del Dipartimento di Ingegneria, ICT e Tecnologie per l’Energia e i Traporti Conferenza del Dipartimento DIITET 26 e 27 maggio 2014

Silicon-integrated magnetic sensors for electrical vehicles Smart, green and integrated transport @ IMEM Highly efficient magnets with low strategic and economical impact for motors, sensors and devices L’attività nell’IMEM si focalizza nello sviluppo di nuove materiali magnetici con alte prestazioni che permettano risparmi in termini energetici nei veicoli. In particolare si sviluppano nuovi materiali per aumentare l’efficienza dei motore, favorire la miniaturizzazione di dispositivi meccanici o elettroni e il controllo della gestione energetica. Queste attività trovano riscontro nel programma H2020. Per ora sono stati presentati due progetti relativi allo sviluppo di sensori di campo magnetico e di corrente per veicoli elettrici ad alta efficienza energetica. Silicon-integrated magnetic sensors for electrical vehicles 2 H2020 proposals submitted Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

Tavolo di lavoro AP Veicoli a basso impatto ambientale: Carlo Beatrice IM Michele Gambino IM Giorgio Dispensa ITAE Elena Ciappi INSEAN Sandro Ianniello INSEAN Alessio Ferrari ISTI Gianpaolo Vitale ISSIA Roberto Paoluzzi IMAMOTER Pietro Marani IMAMOTER Pasqua d’Ambra ICAR César de Julián Fernández IMEM Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014

GRAZIE PER L’ATTENZIONE CONCLUSIONI Nel settore dei veicoli a basso impatto ambientale (WP TRANSPORT) di H2020, gli Istituti del DIITET costituiscono una massa critica composta in totale da 154 Ricercatori, di cui 45 T.D., e 29 Tecnici, con una forte interconnessione tra essi, sia in termini di competenze ed aree di intervento che di collaborazioni consolidate su progetti nazionali ed internazionali. In H2020 2014, sono state presentate 10 proposte e 5 sono in preparazione. In H2020 TRANSPORT, in particolare per le «innovation actions», è richiesta la dimostrazione di applicazione di nuova tecnologia  La partecipazione del CNR nelle calls è fortemente legata al rapporto tra gli Istituti e le Aziende.. Rafforzamento della collaborazione CNR-Aziende in vista delle calls 2015 e 2016-2017. La trasversalità delle tematiche H2020 rispetto alle aree di interesse degli Istituti dovrebbe essere sfruttata per aggregare competenze e risorse umane da proporre nelle opportunità di partecipazione in H2020. GRAZIE PER L’ATTENZIONE Conferenza del Dipartimento Roma, 26 e 27 maggio 2014