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
FUEL FEEDING
MOT
EL
INVERTER
FILLING
CONNECTOR
FC
STACK
FUEL FEEDING
MOT
EL
INVERTER
FILLING
CONNECTOR
FC
STACK
LH2
CGH2
AUXILIARIES
AUXILIARIES
CRYOGENIC TANK LH2
HIGH PRESSURE CYLINDER CGH2
Schema 3
FUEL FEEDING
TRASM
Schema 4
FILLING
CONNECTOR
ICE
FUEL FEEDING
TRASM
FILLING
CONNECTOR
ICE
LH2
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.
Air
Supply
Wheels
Power
Train
Cooling
System
Venting
System
Fuel Cell
Stack
H2 Storage
& Feeding
System
Exhaust
System
Electronic
Control
Unit
Water
Management
4. Schema di un sistema di trazione a fuel cell per autoveicolo
Filling
Connector
BATTERIA
SERVIZI
42 V
ALTERNATOR
E STARTER
STOP - START
F
A
MOTORE A
COMBUSTIONE
INTERNA
CONVENZIONALE
SERBATOIO
COMBUSTIBILE
10
G
B
RUOTE
11
RICARICA ESTERNA
2
BATTERIA
DI TRAZIONE
GENERATORE
ELETTRICO
5
1
Benzina – riformulata
Gasolio – riformulato
CNG
LPG
Metanolo
Etanolo
H2
Biocombustibili
(biodiesel, DME,.....)
TRASMISSIONE
MECCANICA
ALTRI
MOTORI
TERMICI
3
7
MOTORE
ELETTRICO
8
9
C
D
REFORMER
INVERTER
CELLA
A
COMBUSTIBILE
4
6
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
E
5. Schema del veicolo ibrido generalizzato – Analisi “TANK TO WHEELS”
GASOLINE
LPG
(propane-butane)
METHANE
HYDROGEN
44,4
46  45,4
50
120
90  98
100
120
130
0,54
0,38  0,4
0,25
0
3,65
3,48
3,18
2,97
23  27
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.
Potere calorifico inferiore [MJ/Kg]
Numero di Ottano RON
Rapporto C/H
[MJ/m3]
Tonalità termica
Velocità di combustione
[cm/sec]
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
0,25  0,45 bar (abs)
10,0  2,5 bar (abs)
Propano - Butano
-
-
Tensione di vapore REID (100 °F)
6. Characteristics of the fuels: gasoline, L.P.G., methane and hydrogen
EC
ISO
European Commission
International Organization
Standardization
UN / ECE
United Nations
Economic Commission for Europe
CEN
MVEG
Committee for
European
Normalisation
Motor Vehicle
Emissions Group
TC197
TC193
TC22
TC58
Hydrogen
technologies
Natural Gas
Road
Vehicles
Gas cylinders
Inland
Transport
Committee
ISO 11439
TC 286
TC 326
LPG applications
Gas Supply for NGVs
TC22/SC21
WG11
Electric road vehicles
– fuel cells.
LPG Road Vehicles
Containers
WP.29
GRPE
ISO/CD 20826
TC22/SC25
Working Party
on Pollution
and Energy
Road vehicles using
LPG, CNG, H2
WG6
LPG Vehicles
WG1
WG2
WG3
NGV Filling
Stations
NGV Fuel
Systems
Operational
Conditions
WG1
WG2
WG3
Refuelling
connector
Design
principles and
installation of
vehicle fuel
system.
Fuel system
components.
ISO/CD 14469 ISO/FDIS
15501
ISO 15500
Parts 1 to 20.
o R67.01 : LPG System
& Components
o R110 : Compressed
Natural Gas System
& Components
o R279 : Retrofit
applications
o Rxx : Liquid H2
System & Components
o Ryy : Compressed H2
System & Components
7. European and International Gaseous Fuel Vehicles Standards Development
ISO
UN / ECE
International Organization
Standardization
United Nations Economic
Commission for Europe
TC197
TC193
TC22
TC58
Hydrogen
technologies
Natural Gas
Road
Vehicles
Gas
cylinders
Inland
Transport
Committee
ISO 11439
WP.29
TC22/SC21
WG11
Electric road vehicles –
fuel cells.
LPG Road Vehicles
Containers
GRPE
ISO/CD 20826
Working Party
on Pollution and
Energy
TC22/SC25
Road vehicles using
LPG, CNG, H2
WG1
WG2
WG3
Refuelling
connector
Design
principles and
installation of
vehicle fuel
system.
Fuel system
components.
ISO/CD 14469
ISO/FDIS 15501
o Rxx : Liquid H2 System
& Components
o Ryy : Compressed H2
System & Components
o Rzz: Fuel Cells
ISO 15500
Parts 1 to 20.
WG1
WG2
WG4
WG5
WG6
WG7
WG8
Criogenic
vessels
Container
multimodal
Fuelling
facilities
Gaseous
connector
Gaseous
containers
Safety
Electrolizer
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)
Specific components for motor vehicles using compressed
gaseous hydrogen.
Vehicles with regard to the installation of specific component
Proposal:
ECE-ONU R zzz
(Draft regulation)
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
measurements & certification tests)
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)
Nota:
Specific components of fuel cell for vehicles propulsion system
Vehicles with regard to the installation of fuel cell …
Approval of battery electric vehicles with regard to specific
requirements for construction and functional safety
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
Safety specification – Vehicle functional safety
(TC 22)
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
Safety specification – Electrical hazards
(TC 22)
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
•
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.
dopo lo scambiatore di calore
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, …)