Situazione Normative/Omologazioni dei veicoli ad Idrogeno Seminario internazionale “Dalle stazioni di servizio tradizionali all’infrastruttura dell’idrogeno: confronto internazionale”, 16 Aprile 2004 dalle ore 14:00 alle 18:30 FAST, Milano Situazione Normative/Omologazioni dei veicoli ad Idrogeno Ing. Aldo BASSI S.IN.TE.S.I. AB S.r.l.

Schema 1 Schema 2 Schema 3 Schema 4 1. Schemi dei veicoli ad idrogeno FILLING CONNECTOR FILLING CONNECTOR FUEL FEEDING FUEL FEEDING MOT EL MOT EL LH2 INVERTER FC STACK INVERTER FC STACK CGH2 AUXILIARIES AUXILIARIES CRYOGENIC TANK LH2 HIGH PRESSURE CYLINDER CGH2 Schema 3 Schema 4 FUEL FEEDING FILLING CONNECTOR FUEL FEEDING FILLING CONNECTOR TRASM TRASM LH2 ICE ICE CGH2 CRYOGENIC TANK LH2 HIGH PRESSURE CYLINDER CGH2 1. Schemi dei veicoli ad idrogeno

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 Fuel Cell Stack Power Train H2 Storage & Feeding Filling Connector Exhaust Water Management Wheels Electronic Control Unit 4. Schema di un sistema di trazione a fuel cell per autoveicolo

TRASMISSIONE MECCANICA CONFIGURAZIONI VEICOLARI ALTRI MOTORI TERMICI 3 REFORMER 4 CELLA A COMBUSTIBILE 6 GENERATORE ELETTRICO 5 BATTERIA DI TRAZIONE 7 INVERTER 8 MOTORE ELETTRICO 9 TRASMISSIONE MECCANICA 10 RUOTE 11 MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA CONVENZIONALE 2 B F C D E CONFIGURAZIONI VEICOLARI AVeicolo 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 parallelo DVeicolo 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 – riformulata Gasolio – riformulato CNG LPG Metanolo Etanolo H2 Biocombustibili (biodiesel, DME,.....) SERBATOIO 1 RICARICA ESTERNA G 5. Schema del veicolo ibrido generalizzato – Analisi “TANK TO WHEELS”

GASOLINE LPG (propane-butane) METHANE HYDROGEN Potere calorifico inferiore [MJ/Kg] 44,4 46  45,4 50 120 Numero di Ottano RON 90  98 100 130 Rapporto C/H 0,54 0,38  0,4 0,25 Tonalità termica [MJ/m3] 3,65 3,48 3,18 2,97 Velocità di combustione [cm/sec] 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

Inland Transport Committee Working Party on Pollution and Energy EC European Commission CEN Committee for European Normalisation MVEG Motor Vehicle Emissions Group TC 286 LPG applications TC 326 Gas Supply for NGVs WG6 LPG Vehicles WG1 NGV Filling Stations WG2 NGV Fuel Systems WG3 Operational Conditions ISO International Organization Standardization TC197 Hydrogen technologies TC193 Natural Gas TC22 Road Vehicles TC58 Gas cylinders WP.29 Inland Transport Committee GRPE Working Party on Pollution and Energy R67.01 : LPG System & Components R110 : Compressed Natural Gas System & Components R279 : Retrofit applications Rxx : Liquid H2 System & Components Ryy : Compressed H2 ISO 11439 TC22/SC25 Road vehicles using LPG, CNG, H2 TC22/SC21 Electric road vehicles – fuel cells. Refuelling connector Design principles and installation of vehicle fuel system. Fuel system components. WG11 LPG Road Vehicles Containers ISO 15500 Parts 1 to 20. ISO/CD 20826 ISO/FDIS 15501 ISO/CD 14469 UN / ECE United Nations Economic Commission for Europe 7. European and International Gaseous Fuel Vehicles Standards Development

Working Party on Pollution and Energy ISO International Organization Standardization TC193 Natural Gas TC58 Gas cylinders UN / ECE United Nations Economic Commission for Europe WP.29 Inland Transport Committee GRPE Working Party on Pollution and Energy Rxx : Liquid H2 System & Components Ryy : Compressed H2 System & Components Rzz: Fuel Cells ISO 11439 WG1 Criogenic vessels WG2 Container multimodal WG8 Electrolizer TC197 Hydrogen technologies WG4 Fuelling facilities WG5 Gaseous connector WG6 Gaseous containers WG7 Safety TC22 Road Vehicles TC22/SC25 Road vehicles using LPG, CNG, H2 TC22/SC21 Electric road vehicles – fuel cells. Refuelling connector Design principles and installation of vehicle fuel system. WG3 Fuel system components. WG11 LPG Road Vehicles Containers ISO 15500 Parts 1 to 20. ISO/CD 20826 ISO/FDIS 15501 ISO/CD 14469 8. European and International Gaseous Fuel Vehicles Standards Development

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 compressed gaseous hydrogen. 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 output ECE-ONU R 101 (draft amendment) Proposal: for introducing H2 as propulsion fuel (fuel consumption and 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)

11. Orientamenti tecnologici per lo sviluppo di sistemi di accumulo di H2 compresso a bordo dei veicoli 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.

12. Specifiche principali di una bombola di H2 compresso 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

13. Dispositivi di sicurezza del sistema di accumulo di H2 compresso a bordo dei veicoli 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.

14. Prove previste per l’omologazione di una bombola di H2 compresso 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

15. Prove previste per l’omologazione e il controllo di un veicolo alimentato 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 criogenico per 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 criogenico per 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.

soggetti ad omologazione e a controllo periodico 18. Componenti di sicurezza del sistema criogenico per idrogeno liquido soggetti 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, …)