Home Mobilità & Trasporti Tecnologie Strategie e p...

Strategie e progetti del CNR ITAE

di Laura Andaloro, Giorgio Dispenza, Vincenzo Antonucci, Gaetano Cacciola • Nell’ambito dell’impegno a favore della sostenibilità del settore trasporti l’Istituto di Tecnologie Avanzate per l’Energia è impegnato nel ruolo di coordinatore e partner di progetti per la realizzazione di veicoli a propulsione elettrica, e non solo



Il mercato automotive, sempre più esigente sia dal punto di vista del confort che delle prestazioni, si sta orientando, anche a causa di una continua richiesta di riduzione delle emissioni inquinanti, verso concetti nuovi di mobilità sostenibile (intensificazione del trasporto pubblico, servizi di car sharing e car pooling, piani di mobilità) e di funzionalità (sicurezza, assistenza remota, ecc.). Per tale ragione l’impiego di tecnologie avanzate apre nuove prospettive a mercati di nicchia, capaci di introdurre l’utilizzo di veicoli ibridi convenzionali (MCI e motore elettrico) ed elettrici (motore elettrico, batterie, celle a combustibile) in particolar modo nell’ambito urbano, dove, a causa della bassa efficienza dei trasporti, si registra un forte incremento locale delle emissioni di CO2 e dell’inquinamento acustico. La reale diffusione di veicoli ibridi elettrici necessita, tuttavia, della contemporaneità di svariati fattori quali il decentramento del mercato, la realizzazione di infrastrutture adeguate alle tecnologie impiegate, una piattaforma comune per consentire l’incremento di produzione ed infine ampia visibilità e processi di standardizzazione in grado di facilitare l’omologazione dei veicoli e l’integrazione tra tecnologie diverse.

Tale scenario coinvolge il CNR ITAE, sia come coordinatore che come partner, in numerosi progetti riguardanti la realizzazione di veicoli a propulsione elettrica in cui la driving force è affidata ad un motore elettrico, che sia in grado di funzionare anche come generatore per recupero dell’energia cinetica che altrimenti andrebbe dissipata (regenerative braking). Tali progetti sono rivolti a diversi tipi di mercati; innanzitutto sono trattati i cosiddetti primi mercati (early market), che puntano ad una commercializzazione imminente del prodotto e che, per tale motivo, i componenti innovativi, come le fuel cell, sono integrati con altre tecnologie già mature. In particolare si tratta di powertrain elettrici ibridi la cui configurazione, «range extender » (figura 1), è caratterizzata dalla presenza contemporanea di batterie, supercapacitori e celle a combustibile (FC-Fuel Cell) che in tal caso svolgono il ruolo di caricabatterie a bordo consentendo di incrementare l’autonomia del veicolo. Questo tipo di configurazione permette l’inserimento veloce sul mercato grazie alla taglia ridotta della fuel cell che si traduce in costi e quantità di idrogeno contenuti. L’altra tipologia di progetto è quella che punta, invece, ad un mercato futuro, in cui la configurazione impiegata per il powertrain è quella total fuel cell. Si tratta di una configurazione in cui la fuel cell ha una taglia vicina a quella del motore elettrico ed il veicolo è concepito come un prodotto high-tech provvisto di sistemi radio in grado di comunicare con altri veicoli simili (ITS – Information Technology System), con connessione internet, hardware e chassis concepiti con materiali leggeri e con struttura a pianale intercambiabile. Questa configurazione volge lo sguardo a mercati dell’automobile futuri e pertanto i progetti inerenti si prefiggono la realizzazione di prototipi dimostrativi finalizzati alla dimostrazione su campo delle tecnologie coinvolte.

Progetti dimostrativi

Attualmente i progetti attivi riguardano lo sviluppo di veicoli elettrici ibridi a celle a combustibile (Fuel Cell Hybrid Electric Vehicles – FCHEVs) ed in particolare si concentrano sulla realizzazione ed ottimizzazione di powertrain dei seguenti veicoli: un minibus, una city-car, Strategie e progetti del CNR ITAE Nell’ambito dell’impegno a favore della sostenibilità del settore trasporti l’Istituto di Tecnologie Avanzate per l’Energia è impegnato nel ruolo di coordinatore e partner di progetti per la realizzazione di veicoli a propulsione elettrica, e non solo Laura Andaloro, Giorgio Dispenza, Vincenzo Antonucci, Gaetano Cacciola Bici a pedalata assistita a idrogeno una bicicletta a pedalata assistita, un trattore ed un aereo. I suddetti mezzi di trasporto trovano impiego in diversi ambiti, infatti il minibus, la city-car e la bicicletta nascono come veicoli per il trasporto urbano (pubblico e privato), in cui la cella a combustibile rappresenta il principale elemento. Il progetto relativo allo sviluppo di un aereo focalizza l’attenzione sulla produzione di idrogeno a bordo del velivolo e le celle a combustibile trovano applicazione come sistema ausiliario. Infine, attraverso il progetto che riguarda lo sviluppo di un trattore a celle a combustibile si intende dimostrare che tale tecnologia può trovare applicazione anche in contesti agricoli in cui l’idrogeno può essere prodotto in loco usando metodi quali la biomassa, l’energia eolica e fotovoltaica, evitando così le difficoltà legate alla distribuzione dell’idrogeno che ad oggi rappresenta una delle maggiori barriere per l’avvento delle celle a combustibile.

Progetto «H-BUS»

Obiettivo principale del progetto è lo sviluppo ed il confronto di due diverse configurazioni di powertrain in termini di efficienza, autonomia, consumo di idrogeno ed aspetti di tipo economico. In entrambe le configurazioni sono sviluppati sistemi di stoccaggio e rifornimento dell’idrogeno e sistemi elettronici per il management delle apparecchiature e dei dispositivi installati, oltre che per definire la logica di gestione dei flussi energetici. Le due configurazioni di powertrain sono entrambe costituite da celle a combustibile e batterie ma con diversi livelli di ibridizzazione:

1) nel primo caso il sistema celle a combustibile ha una taglia vicina a quella del motore elettrico (25-30 kW) e quindi costituisce la principale fonte di potenza;

2) nel secondo approccio, invece, è studiata la configurazione range extender in cui il sistema celle a combustibile ha una potenza compresa tra 5 e 10 kW e viene impiegato come caricabatterie a bordo del veicolo con lo scopo di aumentarne l’autonomia fornita dalle sole batterie. Un progetto parallelo focalizza l’attenzione sull’alimentazione di una piccola flotta di minibus, costituita da 3 veicoli, in cui ciascuno di essi è alimentato da un combustibile diverso: metano, idrogeno ed hythane. Quest’ultimo è una miscela di idrogeno e metano, con concentrazione variabile, che nasce con lo scopo di ridurre, nel processo di combustione, la formazione di CO e CO2 nei gas combusti. Lo scopo del progetto è lo studio dell’impatto ambientale dei tre diversi combustibili e dei tre minibus (due con MCI per metano e hythane ed uno a FC per l’idrogeno) in termini di Life Cycle Assessment (LCA). Attraverso l’utilizzo di un software dedicato sono stati analizzati diversi combustibili: gas naturale, biogas, miscela composta al 20% da idrogeno e all’80% da metano (in tal caso si sono valutate sia fonti fossili che rinnovabili per la produzione di idrogeno e metano), ed idrogeno (da energia eolica). I risultati ottenuti dallo studio di LCA (Eco- indicator 99) mostrano che le alternative con un più basso impatto ambientale sono quelle che impiegano energie alternative, invece quelle basate su combustibili fossili presentano un maggiore impatto ambientale.

Progetto «Meccano»

Il progetto nazionale «Meccano» ha lo scopo di sviluppare un concetto innovativo di miniveicolo da città in grado di offrire vantaggi competitivi in termini ergonomici, di costi, di elevati livelli di sicurezza, di modularità e ridotto impatto ambientale. Questo nuovo prodotto si prefigge di incontrare le esigenze della società per ridurre la congestione del traffico e migliorare l’intermodalità con i sistemi pubblici di trasporto. Per il sistema di propulsione saranno sviluppate configurazioni ad alta efficienza: fuel cell full power, a batteria «plug-in», a batteria con motogeneratore termico ausiliario («ibrido serie»), ibrido parallelo con motore termico ad alimentazione CNG. La city-car con dimensioni compatte (circa 3 m) avrà sistemi di comunicazione uomomacchina evoluti. Tale veicolo aspira a diventare un mezzo di trasporto efficiente non solo per uso individuale ma anche per le aziende municipalizzate che possono impiegarlo nell’ambito di flotte per servizi di car sharing (uso condiviso). Questa dualità introduce un nuovo concetto di progettazione che prevede da un lato lo sviluppo di una piattaforma comune (pianale) altamente flessibile per l’alloggiamento dei diversi sistemi di propulsione e dall’altro la realizzazione di due scocche differenti caratterizzate da confort interno e tecnologie appropriate in funzione dell’uso finale (privato/individuale o condiviso).

Nell’ambito di questo progetto, coordinato dal Centro Ricerche Fiat, intervengono, oltre alle Università ed agli Enti di ricerca, diverse aziende operanti nel settore automotive (Michelin, Magneti Marelli, Marangoni, ecc.).

Progetto «BHYKE»

Lo studio e la realizzazione di una bicicletta a pedalata assistita alimentata ad idrogeno rappresentano l’obiettivo fondamentale del progetto «BHYKE» sviluppato in joint venture con la Tozzi Renewable Energy. Sulla bici sono state allestite una cella combustibile da 250W ed una bombola di idrogeno ad idruri metallici ([email protected]). I target prefissati per il progetto sono: range di autonomia di 130-150 km, velocità massima di 25 km/h ed un peso totale di 25 kg. Lo scopo del progetto è realizzare, attraverso l’introduzione di un nuovo servizio di bike sharing, un esempio rappresentativo di stazione di rifornimento ad idrogeno integrata con impianti di generazione di energia da fonti rinnovabili (solare fotovoltaico ed eolico).

Progetto «Hy-Tractor»

Il progetto «Hy-Tractor» (figura 2) intende mostrare come le celle a combustibile si prestano anche all’utilizzo in un contesto agricolo attraverso lo sviluppo di un trattore a propulsione elettrica a fuel cell alimentate ad idrogeno. Quest’ultimo, infatti, può essere prodotto direttamente all’interno dell’area agricola utilizzando le biomasse, quasi sempre disponibili in simili contesti, oppure tramite elettrolizzatore alimentato da energia elettrica generata da fonti rinnovabili disponibili (come l’eolico o il fotovoltaico). Sarà sviluppato un sistema di produzione e stoccaggio di idrogeno basato su: elettrolizzatore e fotovoltaico, biomassa, termolisi a bassa temperatura, pirolisi diretta ad alta temperatura. Il trattore sarà dotato di un powertrain a celle a combustibile, di un sistema di stoccaggio idrogeno ad alta pressione e di diversi sistemi di energy saving per l’incremento dell’efficienza energetica (tettuccio fotovoltaico, sistema di condizionamento e luci esterne ad alta efficienza, sistemi idraulici ad azionamento elettrico). Il trattore sarà poi testato in fase operativa sia in condizioni esterne che al chiuso (serra, stalla).

Progetto «GreenAir»

L’applicazione delle celle a combustibile per la generazione di potenza a bordo degli aeromobili costituisce un grande potenziale in termini di contributo al contenimento delle emissioni inquinanti. Tuttavia esistono rilevanti problemi legati alla generazione di idrogeno a bordo dell’aeromobile. Con riferimento a tale problematica il progetto europeo «GreenAir» (figura 3) si concentra sulla generazione di idrogeno da kerosene, che ancora per decenni è destinato a rappresentare il combustibile più diffuso per il settore aeronautico. In particolare il progetto si propone di studiare due metodologie non convenzionali per la produzione di idrogeno dal kerosene:

1) il reforming assistito da plasma a microonde (PAF – Microwave plasma assisted reforming);

2) la parziale deidrogenazione del combustile (PDh – Partial Dehydrogenation fuel processing). Per entrambi i metodi le attività del progetto prevedono la realizzazione di piattaforme in scala di laboratorio per i sistemi di fuel processor e test di laboratorio in condizioni standard e di simulazione di volo.

Conclusioni

I progetti presentati mostrano le direzioni verso le quali si muove la politica europea e le modalità adottate dal CNR ITAE in relazione all’impiego delle celle a combustibile nel settore dei trasporti. Tutti i tipi di trasporto sono coinvolti all’interno dei progetti, sottolineando la precisa volontà di studiare il reale uso di tecnologie innovative, come le celle a combustibile, per ridurre la produzione di gas ad effetto serra.

Le migliori soluzioni, in termini di infrastrutture e di cambiamenti concettuali da apportare all’intero sistema energetico, saranno valutate grazie allo studio delle differenti configurazioni di powertrain analizzate: fuel cell full power ed ibrido. Sulla base dei risultati che saranno ottenuti sarà possibile determinare il ruolo ottimale delle celle a combustibile anche in relazione alle condizioni infrastrutturali al contorno.

Laura Andaloro

Ricercatore, Capo Modulo Trasporti CNR ITAE

Giorgio Dispenza

Ricercatore, Responsabile di progetto CNR ITAE

Vincenzo Antonucci,

Dirigente di ricerca del CNR ITAE – Capo Progetto Dipartimento Energia e Trasporti CNR (Roma)

Gaetano Cacciola

Direttore CNR ITAE (Messina)