soluzioni e tecnologie per una mobilità sostenibile · soluzioni e tecnologie per una mobilità...

ISTITUTO MOTORI

Istituto MotoriIstituto MotoriDipartimento Energia e Trasporti

EnergyMed, Napoli, 22 Marzo 2012

Soluzioni e Tecnologie per una Mobilità SostenibileIng. Paola Belardini

Direttore Istituto Motori

ISTITUTO MOTORI


Risparmio Energetico

e Inquinamento Globale:Inquinamento Globale:COCO22, CH, CH44, N, N22O.....O.....

QualitQualitàà aria urbanaaria urbanaInquinamento localeInquinamento locale

NOx, PM, HC, CO,...NOx, PM, HC, CO,...

Motori innovativiMotori innovativi• LTC: HCCI, CAI• Ibridi• Elettrochimica :

H2 Fuel cell,Batterie,

• MCI H2

Motori ConvenzionaliMotori Convenzionali

Acc. Comandata

PFI, SIDI

Diesel CIDI

CombustibiliCombustibiliConvenzionaliConvenzionali

da fonti fossili

Combustibili AlternativiCombustibili Alternativi• Gas : CNG, LPG• Fuels Ex GN : GTL,

DME, MeOH, H2

• Fuels ex biomass• Biofuels• Biogas

Quali necessitQuali necessitàà ????????

ISTITUTO MOTORI

Gasoline Port Fuel Injected

HybridsHydrogen

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

2005 2010 2015 2020 2025

Diesel

Natural Gas

Fuel Cell

Gasoline Direct Injection GDI

Mill

ion

so

fU

nits

Gasoline Port Fuel Injected

HybridsHybridsHydrogen

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

2005 2010 2015 2020 2025

Diesel

Natural Gas

Fuel CellFuel Cell

Gasoline Direct Injection GDI

Mill

ion

so

fU

nits

Previsioneeuropea (Eucar) Previsione

worldwide(J.D.Power and

Associates, WorldEnergy Council )

GaseousFuels

0

50

100

150

200

250

300

2000 2020 2040 2060 2080 2100

Heavy OilDiesel/Gasoline

Electricity

GasHydrogen

Synthetic FuelsSynthetic FuelsAndAnd biofuels

LiquidFuels

Energy Demand (x1018 J )

GaseousFuels

0

50

100

150

200

250

300

2000 2020 2040 2060 2080 2100

Heavy OilDiesel/Gasoline

Electricity

GasHydrogen

Synthetic FuelsSynthetic FuelsAndAnd biofuels

LiquidFuels

Energy Demand (x1018 J )

Previsioni di scenario per propulsori e propellentiPrevisioni di scenario per propulsori e propellenti


ISTITUTO MOTORI

Fonte: General Motors

Previsione di evoluzione delle tecnologie di trasportoPrevisione di evoluzione delle tecnologie di trasporto

DIVERSIFICAZIONEDIVERSIFICAZIONEMotoriMotoriCombustibiliCombustibili


ISTITUTO MOTORI

Standard USA 1988->2010Standard europei 2000->2014


0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

NOx [g/Km]

Pa

rtic

ola

to[g

/Km

]

Euro3 - 2000

Euro4 - 2005

Euro5-2009Euro62014

0 2 4 6 8 100.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

PM

[g/b

hp-h

r]

NOx [g/bhp-hr]

1988

1991

2004

20072010

Evoluzione tecnologica dei motoriEvoluzione tecnologica dei motori

DieselDiesel BenzinaBenzina

Evoluzione dei limiti di emissione del Soot/Nox trade offEvoluzione dei limiti di emissione del Soot/Nox trade off

Fonte: Fiat Powertrain

ISTITUTO MOTORI

Combustione in bassa temperatura,Conseguente riduzione degli NOx,

Combustione completa del combustibile iniettato

Nel breve termine: tecnologia dei motoriNel breve termine: tecnologia dei motori

Sistemi avanzati di iniezione, turbocompressori innovativi;Sistemi avanzati di iniezione, turbocompressori innovativi; Tecniche di downsizing con turbo charging andTecniche di downsizing con turbo charging and

Variable Valve Actuation;Variable Valve Actuation; Controllo del ciclo di pressione, tecniche di EGR;Controllo del ciclo di pressione, tecniche di EGR; Sistemi di combustione in bassa temperaturaSistemi di combustione in bassa temperatura..

Fonte VolkswagenEnergyMed, Napoli, 22 Marzo 2012

Homogenous ChargeCompression Ignition

Riduzione delle perdite energetiche:

Advanced DieselCombustion System

miglioramento dell’aereodinamica,riduzione di pesi ed attritri

Incremento dell’efficienza della combustione:

ISTITUTO MOTORI


Confronto di consumi di combustibili (%)caratteristici di differenti tipi di processi di combustione

Fonte: IFP

Nuovi tipi di combustione: effetto sui consumiNuovi tipi di combustione: effetto sui consumi

ISTITUTO MOTORI

Tecnologia EGR:effetto sul soot

Combustione convenzionale (linee continue)EGR + injection timing combustione PCCI↓Nox con simili valori di soot

Effetto sul soot del

controllo a ciclo

chiuso dell’anticipo

RME/SME RME/SME


Nel breve termine: tecnologia dei motoriNel breve termine: tecnologia dei motori

• Reference Diesel Fuel:Reference Diesel Fuel:•• FT fuel (2FT fuel (2ndnd gen.): GTL;gen.): GTL;•• 11stst gen.Biofuel RME (RapeSeed Methyl Ester);gen.Biofuel RME (RapeSeed Methyl Ester);•• 11stst gene.Biofuel SME (Soybean Methyl Ester);gene.Biofuel SME (Soybean Methyl Ester);

ISTITUTO MOTORI


Confronto di emissioni di particolato (%)caratteristiche di differenti tipi di processi di combustione

Fonte: IFPFonte: IFP

Nuovi tipi di combustione: effetto sul particolatoNuovi tipi di combustione: effetto sul particolato

ISTITUTO MOTORI


Confronto di emissioni di NOx (%)caratteristiche di differenti tipi di processi di combustione

Fonte: IFPFonte: IFP

Nuovi tipi di combustione: effetto su NOxNuovi tipi di combustione: effetto su NOx

ISTITUTO MOTORI

Nel breve termine: i combustibiliNel breve termine: i combustibili

Combustibili:

Ultra-Clean Diesel

Jet Fuel

Lubricants

Alpha olefins

SYNGAS(CO + H2)

Gas(CH4)

Acetic acid

MTBE

Urea

Fuel Cells

Green Fuels

Methanol

Ammonia

Formaldehyde

Fuels/

Additives

Olefins

PolyethyleneEthylene

GlycolAlpha-olefins

PolypropyleneAcrylonitrile

Fuel CellsDME

Power

Generation

Diesel

FuelLPG

Substitute

FT Synthesis

GTLHydrogen

Gas Fuels Ex GN NaturalGas Fuels ex biomass

CNGCompressed Natural Gas

GTLGas To Liquid

EMHVEster metilico Olio Vegetale

LPGLiquifiePetroleumGas Propano

DMEDimethylether CH3OCH3

EtOHAlcolEtilico Etanolo

LNG LiquifiedNaturalGas Me MEOHMethylAlcohol Metanolo

ETBEEthyl Tertiary Butyl Ether

GTL Gas To Liquid BTL BiomassToLiquid

H2 Biogas

Il Gas NaturaleIl Gas Naturale èè il candidato piil candidato piùù probabile per gestire laprobabile per gestire latransizione versotransizione verso le applicazioni dellle applicazioni dell’’idrogenoidrogeno

predominanza dei combustibili fossili

Gas Naturale

Derivati da combustibili gassosi (GTL), biocombustibili

diffusione limitata dell’idrogeno.


ISTITUTO MOTORI

PTPT 0.020.02

NOxNOx 2.02.0

NMHCNMHC 0.400.40

COCO 3.03.0

-- 50%50%

-- 80%80%

-- 95%95%

-- 80%80%

0.010.01

0.400.40

0.020.02

0.600.60

200 kW200 kW@2000rpm@2000rpmTWCTWCPFIPFI

-2000

200400600800

10001200140016001800200022002400

0 300 600 900 1200 1500 1800Tempo, [s]

Tor

que

,[N

m]

-200

0200

400600

800

10001200

14001600

1800

2000

Spe

ed,[

rpm

]

Actual TorqueDemanded T orque

Actual SpeedDemanded Speed

EEV limits [g/kWh]EEV limits [g/kWh] Obtained valuesObtained values

Motori SI Heavy-Duty ad alta efficienzaalimentati a gas metano


Nel breve termine: il metanoNel breve termine: il metano

ISTITUTO MOTORI

Utilizzo di biogas per la propulsione:Utilizzo di biogas per la propulsione:

VantaggiVantaggi/Svantaggi/Svantaggi rispetto a propulsione standard:rispetto a propulsione standard:

A LIVELLO TECNICO COME CNGA LIVELLO TECNICO COME CNG COSTO PIUCOSTO PIU’’ BASSO DEL COMBUSTIBILE;BASSO DEL COMBUSTIBILE; PER QUALUNQUE TIPO DI MOTORIZZAZIONE;PER QUALUNQUE TIPO DI MOTORIZZAZIONE; MOTORE DEDICATO MONO O BIMOTORE DEDICATO MONO O BI--FUEL (SI);FUEL (SI); MOTORE DUAL FUEL (CI);MOTORE DUAL FUEL (CI);

COSTO PIUCOSTO PIU’’ ALTO DEL VEICOLO;ALTO DEL VEICOLO; APPROVIGIONAMENTO E STOCCAGGIO DEL COMBUSTIBILE;APPROVIGIONAMENTO E STOCCAGGIO DEL COMBUSTIBILE;

..

•Pressure Swing Adsorption•Scrubber technologies•Chemical absosbtion•Membrane separation

Nel breve termine: il biometanoNel breve termine: il biometano

BiometanoBiometano


ISTITUTO MOTORI

Confronto con benzinaConfronto con benzina••Riduce CO 90%Riduce CO 90%--97%97%••Riduce CO2 25%Riduce CO2 25%••Riduce NOx 35%Riduce NOx 35%--60%60%••Riduce nonRiduce non--methane HC 50%methane HC 50%--75%75%••PiPiùù basse emissioni tossiche cancerogenebasse emissioni tossiche cancerogene••Poco o niente particolatoPoco o niente particolato

Confronto con DieselConfronto con Diesel••Valori ridotti di particolatoValori ridotti di particolato

••Riduce significativamente CORiduce significativamente CO••Riduce NOxRiduce NOx

••Riduce CO2 25%Riduce CO2 25%••Riduce significativamenteRiduce significativamente emissioni tossicheemissioni tossiche

cancerogenecancerogene••PiPiùù alti valori di emissioni di CH4alti valori di emissioni di CH4

Effetto sulle emissioni



ISTITUTO MOTORI

Emissioni di CNG/Biometano a confronto con Gasolio/BenzinaEmissioni di CNG/Biometano a confronto con Gasolio/Benzina



ISTITUTO MOTORI

Motori DieselMotori Diesel

Mot

ori B

enzi

na

Mot

ori B

enzi

na

Additivo ossigenato,Additivo ossigenato,

ricavato dal bioricavato dal bio--etanoloetanolo

al 20% con combustibile dieselal 20% con combustibile diesel

Miscele di BenzinaMiscele di Benzina

ed Etanolo al 10%, 20%ed Etanolo al 10%, 20%

Motore lightMotore light--Duty alimentatoDuty alimentatocon miscele na/Etanolocon miscele na/Etanolo


Nel breve termine: i bioNel breve termine: i bio--combustibilicombustibili

ISTITUTO MOTORI

Motore SI LightMotore SI Light--Duty con EGR alimentatoDuty con EGR alimentatocon miscele Metano/Idrogenocon miscele Metano/Idrogeno

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-20 -10 0 10 20 30 40

Crank angle, [deg]

In-c

ylin

der

pres

sure

,[ba

r]

NGNG/H2 20%SA (NG)SA (NG/H2 20%)

1750 rpm80 Nm

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-20 -10 0 10 20 30 40

Crank angle, [deg]

In-c

ylin

der

pres

sure

,[ba

r]

NGNG/H2 20%SA (NG)SA (NG/H2 20%)

1750 rpm80 Nm

1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 320010

20

30

40

50

60

70

80

90

THC, upstream catalyst, [g/kWh]

Speed, [rpm]

Tor

que,

[Nm

]

1.0

2.3

3.6

4.9

6.2

7.5

8.8

10.1

11.4

12.7

14.0

[g/kWh]

Natural Gas

Experimental points

1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 320010

20

30

40

50

60

70

80

90


Speed, [rpm]

Torq

ue,[

Nm

]

1.0

2.3

3.6

4.9

6.2

7.5

8.8

10.1

11.4

12.7

14.0

[g/kWh]

NG/H2 20%

Experimental points

1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 320010

20

30

40

50

60

70

80

90


Speed, [rpm]

Torq

ue,[

Nm

]

1.0

2.3

3.6

4.9

6.2

7.5

8.8

10.1

11.4

12.7

14.0

[g/kWh]

Gasoline

Experimental points

1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 320010

20

30

40

50

60

70

80

90

CO, upstream catalyst, [g/kWh]

Speed, [rpm]

Tor

que,

[Nm

]

20

26

32

38

44

50

56

62

68

74

80

[g/kWh]

Natural Gas

Experimental points

1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 320010

20

30

40

50

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Speed, [rpm]

Tor

que,

[Nm

]

20

26

32

38

44

50

56

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74

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[g/kWh]

NG/H2 20%

Experimental points

1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 320010

20

30

40

50

60

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Speed, [rpm]

Tor

que,

[Nm

]

20

26

32

38

44

50

56

62

68

74

80

[g/kWh]

Gasoline

Experimental points

1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 320010

20

30

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NOx, upstream catalyst, [g/kWh]

Speed, [rpm]

Tor

que,

[Nm

]

10.0

12.2

14.4

16.6

18.8

21.0

23.2

25.4

27.6

29.8

32.0

[g/kWh]

Natural Gas

Experimental points

1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 320010

20

30

40

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90


Speed, [rpm]

Tor

que,

[Nm

]

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27.6

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[g/kWh]

NG/H2 20%

Experimental points

1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 320010

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Speed, [rpm]

Tor

que,

[Nm

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12.2

14.4

16.6

18.8

21.0

23.2

25.4

27.6

29.8

32.0

[g/kWh]

Gasoline

Experimental points

Miscela ng/h2:Miscela ng/h2:Anticipo ritardato a compensazioneAnticipo ritardato a compensazionedella maggiore velocitadella maggiore velocita’’ di reazionedi reazionedi h2di h2


-THC ↓↓- CO ↓- NOx ↑più rapido processo diaccensione implica più altiNOx a parità di SA

Nel breve termine: miscele metano/bioNel breve termine: miscele metano/bio--combustibilicombustibili

Metano Metano/IdrogeMetano Metano/Idrogeno 20% Benzinano 20% Benzina

ISTITUTO MOTORI

L’Idrogeno come combustibile del futuro.oL’utilizzo dell’idrogeno sarà propizio ai fini dell’immissione di CO2 in

atmosfera purchè prodotto da fonte rinnovabile.

Nel lungo termine: IdrogenoNel lungo termine: Idrogeno

Necessità di strategie politiche esociali di indirizzamento, a

sostegno del necessario sviluppotecnologico

Il passaggio dai combustibili fossili all’idrogeno : perchè?oLa riduzione delle riserve di combustibili fossili,oL’aumento dei costi dei prodotti petroliferi,oConsiderazioni di difesa ambientale.

Il passaggio dai combustibili fossili all’idrogeno : perchè mai?oNon esiste rete di distribuzione,oDifficoltà di approvigionamento per l’utente finale,oIngenti investimenti, non motivati in fase iniziale da adeguata utenza.


ISTITUTO MOTORI

Laboratorio DHARMA*

Camera ad alta pressioneper lo studio di H2 (puro o in miscele)in condizioni tipiche dei motori a c.i.

Caratteristiche di combustione diH2

Propagazione di fiamma di H2•Pressione 3 e 6 bar•= 1 (motori con catalizzatore)

Propagazione di fiamma di H2•Pressione 3 e 6 bar•= 1 (motori con catalizzatore)

Sviluppo di propulsori dedicati

Riduzione emissioni

Aumento efficienza

* Device for Hydrogen-Air Reaction Mode Analysis

Nel lungo termine: IdrogenoNel lungo termine: Idrogeno


ISTITUTO MOTORI

Vari tipi di veicolo ibrido:oIbrido termico,oIbrido a fuel cell,oRange Extender ……….. Auto Elettrica

Nel medio termine: IbridoNel medio termine: Ibrido Auto elettricaAuto elettrica

Configurazioni diverse in funzione di:oAutonomia di percorrenza,oLocalizzazione dell’utilizzo,oTipologia d’utenza.

Il veicolo ibrido può gestire i tempi della transizione a tecnologiealternative di trasporto per raggiungere bassi valori di consumi e

tipologie di veicolo EZEV (Equivalent Zero Emission Vehicle).

Necessità di strategie politiche e sociali per sostenere il costodella transizione e per convogliare gli investimenti industriali

finalizzati all’ "electrificazione del motore”.


ISTITUTO MOTORI

(Source: Ricardo and Daimler)

Configurazione in funzione della specifica applicazione:Configurazione in funzione della specifica applicazione:non esiste una scelta jolly !!!non esiste una scelta jolly !!!!!!!



ISTITUTO MOTORI

Ibrido a FIbrido a Fueluel CCell ad idrogeno (PEM)ell ad idrogeno (PEM)Alta DensitAlta Densitàà di Potenzadi Potenza -- Alta efficienzaAlta efficienza

DC/DCControlledConverter

MINVERTER

BATTERYPACK

H2 Battery Control Unit

AUXILIARY MANAGEMENT Electric Drive

AIR FUEL CELLSSYSTEM

OUTPUTH2O

HIERARCHIZED CONTROL SYSTEM OF POWER TRAINOptic Cable

Bra

ke

Co

ntro

lUn

it

Minibus 30 kW

Attività sperimentalesu fuel cell powertrains per ottimizzareefficienza e prestazioni

Realizzazione di prototipi incooperatione con produttori diveicoli elettrici, di fuel cells,di componenti elettronici edi hydrogen suppliers H2 scooter 2 kW

Test benches persistemi a fuell cellsad H2 fino a 30kWe sist di propulsionefino a 120kW



ISTITUTO MOTORI

Sistemi innovativi di automotive powertrainSistemi innovativi di automotive powertrain10 Kwe Ra-Ex (Range Extender)

ApplicazioniCity car ibride serie e

vetture Plug-in elettricheRisultati conseguibili•Riduzione significativa delle dimensioni edei relativi costi del pacco batterie•Conferimento al veicolo di una autonomiadipendente solo dalla capacità delserbatoio (@ 90 km/h constant speed)•Elevata efficienza complessiva (motoremonocilidrico ottimizzato•Elevata compattezza e agevole inseribiltàall’interno di un moderno veicolo•Immediata fattibilità industriale e ridotticosti di produzione.



ISTITUTO MOTORI

ConclusioniConclusioni

Diversificazione di motore /combustibile in funzione dell’applicazione:oAuto per uso privatooFlotte di veicoli in ambito municipale,oFlotte di veicoli per car sharing,oVeicoli per accesso a città d’arte. L’attuale sistema di trasporto è il risultato di un’evoluzione

spontanea compiutasi nell’arco di un secolo. L’entità e la rapidità del cambiamento impone pianificazione e

strategie politiche ad indirizzamento degli investimenti industriali.

Ricerca ---- Soggetti Politici ---- IndustriaEsperimenti su scala reale per

Sviluppo di prototipi sperimentali per applicazioni di nicchia

Il trasporto su strada motore a combustione interna.Tecnologia dominante per i prossimi decenni

Tecniche ottimizzate di combustione,Combustibili sia alternativi che convenzionali

Componentistica avanzata,Sistemi di after-treatment


ISTITUTO MOTORI

Grazie

Istituto Motori -CNR


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