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 Il docente inizia la lezione e descrive gli argomenti che tratterà. Le lezioni iniziano sempre con questa formula: “In questa lezione parleremo di: argomento 1 Argomento 2 Argomento n Ove opportuno, in questa come nelle altre slide, può essere utilizzato il seguente effetto di animazione: Entrata, Dissolvenza, Veloce, Al clic del mouse. Per inserire nuove diapositive, utilizzare sempre l’apposita funzione di PowerPoint: Menu Inserisci Nuova diapositiva. Scegliere, eventualmente, dal Riquadro attività, un layout diverso da quello proposto in automatico, ma SEMPRE tra quelli disponibili. Evitare il layout “Solo titolo”.

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 ricarica Comprendere che un cambio di mentalità potrebbe essere necessario Il docente descrive gli obiettivi della lezione. Anche in questo caso può utilizzare l’ effetto di animazione: Entrata, Dissolvenza, Veloce, Al clic del mouse.

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 CO2) 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 (kgm2); 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 (kgm2).

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 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 56 200 2000 buona Betterie Li-ion 160 1800 1200 Volano prototipo Supercapacitore 1 - 10 1000 – 10’000 108 Combustibile (benzina o diesel) + MCI 3800 Teoricamente infinita - massima

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

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

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 ricaricabili) o costituita da uno o più elementi secondari (ricaricabili)

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 che frenano la diffusione dei veicoli elettrici nelle flotte TPL (1/2) Un autobus su un percorso urbano ha: Potenza media necessaria 12-14 kW 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 che 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 ricaricare o cambiare batterie Il deposito deve essere vicino alla linea per evitare che il bus si scarichi nei trasferimenti