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MOTORI

     

FELICE ESPOSITO CORCIONE
Direttore dell'Istituto Motori del CNR, Napoli 
  

   

 

LA SFIDA TECNOLOGICA

  NEL TRASPORTO
DEL TERZO MILLENNIO

E' nato il primo veicolo a zero emissioni che utilizza l'idrogeno per migliorare la compatibilità ambientale del settore trasporti

 

 

INTRODUZIONE

Nei prossimi 25 anni la ricerca auto-motoristica sarà protagonista della formidabile sfida tecnologica che coinvolgerà aziende e laboratori di ricerca per migliorare la compatibilità ambientale del settore trasporti.

fig. 1: evoluzione dei limiti europei delle emissioni gassose e di particolato dei veicoli leggeri equipaggiati con motori diesel

 

Nella sola Europa la totale domanda di mobilità crescerà del 2% all'anno per i passeggeri e del 3% all'anno per le merci. Il trasporto automobilistico (79% del totale), in passeggeri-chilometro, è circa 10 volte più elevato di quello effettuato con ciascun altro mezzo di locomozione (8% autobus, 7% aereo e 6% ferroviario). In termini ambientali, il contributo del traffico automobilistico all'inquinamento delle città è ancora abbastanza alto: circa il 26% di CO2 e il 63% di NOx. La sfida tecnologica riguarderà la domanda di ricerca e sviluppo per far fronte alle significative riduzioni delle emissioni previste dall'Unione Europea. Infatti, i limiti delle emissioni di ossido di carbonio (CO), di ossido di azoto (NOx), di idrocarburi (HC) e di particolato carbonioso, espresse in g/km, prevedono, per il 2005 (step Euro IV), una riduzione di circa il 50% sia per i veicoli con motori ad accensione comandata che per quelli con motori diesel e, per il 2010 (step Euro V), un'ulteriore diminuzione del 50% rispetto al 2005. La figura 1 riporta l'evoluzione di tali limiti per le vetture equipaggiate con motori diesel fino al 2010 (giallo).

I limiti 2010 sono, pertanto, un riferimento fondamentale per la sfida tecnologica in atto. L'Istituto Motori (IM) del CNR, che conduce a Napoli attività di ricerca fondamentale ed applicata nel campo dei motori a combustione interna e dei sistemi di propulsione avanzata, al fine di rendere più incisiva la sua azione, ha attivato una fitta rete di collaborazioni sia con le aziende private dei settori automotoristico (Gruppo Fiat, Iveco, VM Motori, Lombardini Motori), elettronico (Magneti Marelli, ST Microelectronis), petrolifero (Agip Petroli) per disporre dei sistemi tecnologici più avanzati, sia con gli enti pubblici di ricerca (Enea, Istituto per le Tecnologie Avanzate per l'Energia "Nicola Giordano" - CNR, Istituto sull'Inquinamento Atmosferico - CNR) e dipartimenti universitari italiani ed esteri per il confronto continuo sui risultati. Queste azioni, intraprese dall'IM, hanno consentito di raggiungere importanti obiettivi di ricerca sia nel settore motoristico, con la diagnostica e la simulazione multidimensionale dei processi termo-fluidodinamici e della combustione dei moderni motori diesel a controllo elettronico dell'alimentazione, che in quello della propulsione avanzata, con lo studio e la caratterizzazione dei sistemi di conversione di idrogeno in energia elettrica per mezzo delle pile a combustibile (fuel cell) per veicoli elettrici leggeri a zero emissioni.

fig. 2: fiat seicento elettra h2 fuel cell presentata al pubblico il 19 febbraio 2001

A conferma della validità strategica dei progetti che l'Istituto ha iniziato già da alcuni anni nel settore della propulsione a basso impatto ambientale, vi sono gli annunci di alcune aziende del settore automotoristico circa il loro impegno per lo sviluppo di sistemi a fuel cell per veicoli stradali. Infatti, Daimler-Chrysler, GM e Toyota hanno già da tempo presentato i primi prototipi e, recentemente, Ford Europa (Aachen) ha proposto la Ford Focus FCV (fuel cell vehicle) alimentata ad idrogeno con uno stack di 400 celle per una potenza di 80 kW e, infine, BMW e Delphi Automative Systems hanno annunciato che svilupperanno la tecnologia delle fuel cell a ossidi solidi (SOFC) per produrre energia elettrica per l'alimentazione dei servizi a bordo del veicolo. Il Dipartimento dell'Energia Americano (DOE) ha recentemente affermato che la sfida tecnologica per la diffusione dei veicoli a zero emissioni dovrà avere come obiettivo l'abbattimento dei seguenti costi e/o limitazioni: 300 $/kW degli attuali sistemi di propulsione a fuel cell contro i 50 $/kW degli attuali motori a combustione interna, 57 $/kW del platino per il ricoprimento dell'anodo delle fuel cell, l'affidabilità delle membrane protoniche (PEM) nel tempo (>5000 h), l'elevato tempo di messa in moto (>20 min) del sistema fuel cell ed infine l'assoluta mancanza delle infrastrutture per la distribuzione dell'idrogeno e del combustibile da cui ricavare l'idrogeno. Alla luce di quanto sopra, la sfida tecnologica e di ricerca dei prossimi 25 anni diventa sempre più entusiasmante.


IL VEICOLO A ZERO EMISSIONI

La Seicento Elettra H2 Fuel Cell, nata dalla collaborazione integrata del Centro Ricerche Fiat, dell'Istituto Motori, dell'Istituto per le Tecnologie Avanzate per l'Energia "Nicola Giordano" del CNR di Messina e dell'Enea, con il finanziamento del Ministero dell'Ambiente e di Fiat Auto, presentata ufficialmente il 19 febbraio scorso a Roma, è il primo veicolo a zero emissioni circolante in Italia che utilizza l'idrogeno, trasportato a bordo, per produrre l'energia elettrica per la trazione. La figura 2 mostra la collocazione dei componenti costituenti il sistema di conversione dell'energia.

fig. 3: principio di funzionamento della pila a combustione (fuel cell)

Il sistema comprende: sei bombole di idrogeno a 200 bar per complessivi 54 litri (0.8 kg) (6), lo stack di 81 fuel cell per convertire l'idrogeno in energia elettrica (1), il pacco batterie (7), l'azionamento elettrico con un motore asincrono di 25 kW (4) e l'insieme dei servizi per l'alimentazione dell'acqua e dell'aria allo stack.

L'elemento innovativo del sistema di conversione di energia a zero emissioni è la pila a combustibile (fuel cell). Il principio di funzionamento è illustrato nella figura 3. L'idrogeno, immagazzinato in bombole ad alta pressione in forma gassosa, viene inviato a pressione costante all'anodo della pila, ove in presenza di un catalizzatore al platino si ionizza positivamente (protone) rilasciando due elettroni; il protone passa, quindi, attraverso una membrana selettiva "protonica", chiamata Proton Exchange Membrane (PEM) per incontrare l'ossigeno inviato sul catodo per mezzo di un compressore a portata variabile.

La tabella 1 mostra il confronto delle prestazioni tra le Fiat Seicento, con motore termico ad accensione comandata, Seicento Elettra, puramente elettrica con batterie al piombo, e Seicento Elettra H2 Fuel Cell. Si nota che la Seicento Termica emette gli inquinamenti gassosi nei limiti EURO 3 e produce 150 g/km di CO2 contro i 100 g/km della Seicento Fuel Cell alimentata a idrogeno prodotto da metano. La Seicento Termica ha a suo vantaggio la maggiore autonomia.

Nel confronto tra la Seicento Elettra e quella Fuel Cell si nota l'aumento di autonomia e il tempo ridotto di rifornimento di quest'ultima.


IL CONTRIBUTO DELL'ISTITUTO MOTORI

L'Istituto Motori ha condotto l'attività di ricerca riguardante la caratterizzazione sperimentale al banco prova del sistema fuel cell e la gestione dei flussi energetici a partire dalla conversione di idrogeno in energia elettrica, al suo accumulo nel pacco batterie, fino all'utilizzo dell'energia meccanica prodotta all'asse del motore elettrico di trazione.

Disposizione dei componenti del sistema fuel celL (FOTO PUBBLICATA PER GENTILE CONCESSIONE DEL CENTRO RICERCHE FIAT)

 

La sperimentazione è stata condotta su un impianto comprendente uno stack di fuel cell da 7 kW e relativi componenti ausiliari, quali la linea di adduzione dell'idrogeno all'anodo, il compressore volumetrico rotativo per l'adduzione dell'aria al catodo, il sottosistema di gestione dell'acqua per l'umidificazione e il raffreddamento delle celle con elettropompa di ricircolo, il dispositivo di recupero dell'acqua con separatore aria-acqua, il condensatore e lo scambiatore di calore.

In breve, il funzionamento del sistema è il seguente: lo stack (1) alimenta il pacco di accumulatori per la trazione (2) attraverso un convertitore DC-DC (step-up) (3) che innalza la tensione di uscita al valore richiesto (230 V). Uno scaricatore elettronico di batterie, utilizzato come carico resistivo, è posto sia a valle dello stack che delle batterie di trazione. L'impianto include, inoltre, i seguenti componenti per il monitoraggio e la diagnostica dei principali processi: un misuratore di portata massica di idrogeno situato a monte dello stack per la verifica del consumo di idrogeno corrispondente alla corrente erogata dallo stack stesso, un misuratore di portata massica dell'aria fornita dal compressore, un circuito di raffreddamento ad acqua dello step up e un sistema di monitoraggio della tensione delle singole celle dello stack (Stelar Stack Guard) (4).

La sperimentazione di laboratorio ha consentito di valutare le prestazioni dei singoli sottosistemi di gestione dell'aria e dell'acqua, di valutare le prestazioni del sistema integrato di conversione, di individuare le condizioni operative ottimali dei singoli componenti, di valutare i rendimenti energetici dell'intero sistema e, infine, di sviluppare le strategie di controllo per la gestione automatica dei flussi energetici.

La caratterizzazione sperimentale dello stack è stata effettuata mediante la determinazione delle curve di polarizzazione in funzione delle diverse condizioni operative (temperatura dello stack, pressione aria, pressione idrogeno, rapporto stechiometrico). L'insieme dei dati sperimentali ha consentito di individuare la curva di polarizzazione ottimale.

Essa rappresenta la curva di massimo rendimento del sistema di conversione integrato, che tiene conto delle prestazioni dello stack e dei consumi energetici associati ai singoli sottosistemi. In particolare, il rapporto di alimentazione aria/idrogeno è stato ottimizzato per ogni punto della curva di polarizzazione mostrata in figura.

La modalità di funzionamento prevalente dello stack sulla Seicento Elettra H2 Fuel Cell corrisponde ad una erogazione di corrente pari a 77 A. In corrispondenza di tale punto di funzionamento l'efficienza dello stack è pari al 56%, mentre il consumo energetico del compressore d'aria è inferiore al 10% della potenza fornita dallo stack. Gli altri componenti del sistema di conversione implicano consumi energetici non significativi.

FIAT SEICENTO ELETTRA H2 FUEL CELL (FOTO PUBBLICATA PER GENTILE CONCESSIONE DEL CENTRO RICERCHE FIAT)


CONCLUSIONI

Lo studio dei sistemi di propulsione a basso impatto ambientale è il principale obiettivo dei ricercatori dell'Istituto Motori per i prossimi anni. Infatti, il piano triennale di ricerca, recentemente approvato dal Consiglio Scientifico, pone l'accento sui tre sistemi di propulsione che giocheranno un ruolo fondamentale per il futuro: il motore diesel a iniezione diretta a controllo elettronico di nuova generazione, il motore a gas naturale compresso (metano) a iniezione elettronica, il sistema ibrido elettrico-fuel cell.

In questa breve nota è stato mostrato che la cooperazione tra gli Istituti di Ricerca e le Aziende del settore può contribuire a raggiungere obiettivi di prestigio anche in tempi relativamente brevi.

 
Summary

One of the first technology challenges of the third millennium is the zero emissions vehicle powered by hydrogen fuel cell.
The partners of this challenge are the Research Institutions, the Industries as well as the Environmental Protection Agencies that are joining their efforts to reach the common goal about the sustainable mobility of passengers and goods.

February 19-2001, in Rome, Fiat presented the Seicento Elettra H2 Fuel Cell developed with the cooperation of Fiat Research Center, Istituto Motori-CNR, Itae-CNR and Enea. The Italian Environmental Ministry supported the project started in 1999. The project has demonstrated the potential of fuel cell propulsion system for vehicles to minimize the local pollution of our cities even if a lot of research activity must be still done.