L’idrogeno e le celle a combustibile
Esperienze e programmi in Italia
Fiera di Milano, Polo di Rho
30 marzo 2005
Normative, Standard e Regolamenti per
l’omologazione dei veicoli stradali ad idrogeno
Dr. Ing. Aldo Bassi
SINTESI AB S.r.l. Milano
2
Sommario
1. Tipologie dei veicoli stradali ad idrogeno
2. Impianti idrogeno di bordo e problemi di
sicurezza
3. Principi per la stesura degli Standards e dei
Regolamenti
4. Organismi internazionali e nazionali per la
stesura di “Technical Standard” e dei
Regolamenti
3
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
Schemi dei veicoli stradali alimentati ad idrogeno
4
Low
pressure
Internal
Combustion
Engine
High
pressure
Intermediate
pressure
Pressure
reducing valve
Pressure
relief valve
Pressure
reducing valve
Container
check valve
Gas filling port
(with a built-in gas
filling valve that
prevents spills)
Excessive-flow
prevention
valve
Fuel Cell
Pressure
residual fuel
meter (at the
driver’s seat)
P
Container
safety valve
Main stop
valve
VENTING SYSTEM & H2
SENSORS
Sistema idrogeno di bordo veicoli stradali – CGH2 Idrogeno Compresso
5
[Fonte:NTSEL-Japan]
CONCETTI GENERALI PER LA SICUREZZA DEI
VEICOLI AD IDROGENO
Sicurezza dell’impianto idrogeno:
1.
•
•
•
•
Sicurezza all’urto frontale, posteriore e laterale:
2.
•
•
•
6
Misura delle perdite di gas e azioni di intercettazione
Prevenzione degli accumuli di gas a bordo
Controllo dei rilasci e spurghi del gas
Comportamento al fuoco - valvole di sicurezza
Prevenzione delle perdite di gas in seguito a rotture
Contenimento del gas nelle bombole (valvole cut-off)
Adeguati dispositivi di fissaggio delle bombole e dei
componenti
CONCETTI GENERALI PER LA SICUREZZA DEI
VEICOLI AD IDROGENO (cont’)
1.
Sicurezza dispositivi elettrici (celle a combustible):
•
•
•
Protezione dell’ambiente:
2.
•
•
•
7
Isolamento impianto elettrico batterie e celle a combustibile
Prevenzione di scintille e di dispersioni di corrente
Compatibilità elettromagnetica
Verifica delle emissioni
Misura del consumo energetico
Operatibilità in tutte le condizioni ambientali
SPECIFICHE PRINCIPALI DI UNA BOMBOLA DI
IDROGENO COMPRESSO
8
•
Combustibile
H2 (> 99,8 % per la FC)(miscele CNG per ICE)
•
Pressione di lavoro
350 bar a 15 °C (in prospettiva 700 bar)
•
Massima pres. 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6 minuti per 24 Kg di H2
•
Perdita massima ammissibile
< 1 Ncm3/l/h
FABER Cylinders for Compressed Hydrogen
TYPE 3 700 bar Working Pressure
steel liner manufactured from plate/coil
fully wrapped with carbon fibre
700 bar Working Pressure
4 kg Hydrogen
100 l water capacity
85 kg weight
according to GRPE-Draft ECE
Steel H2 compatibility according to ISO 11114-4
for
DISPOSITIVI DI SICUREZZA DEL SISTEMA DI
ACCUMULO DI IDROGENO COMPRESSO
A BORDO DEI VEICOLI
10
•
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 (camera stagna)
•
Sistemi elettronici di protezione ai guasti (fail safe)
PROVE PREVISTE PER L’OMOLOGAZIONE E IL
COLLAUDO DI UN VEICOLO ALIMENTATO AD
IDROGENO COMPRESSO
11
•
Rilevamento perdite di idrogeno in alcune zone del veicolo
•
Bonfire sull'intero veicolo o sul contenitore delle bombole (cylinder assembly)
•
Prova dei sistemi di evacuazione dell'H2 dalla bombola e dai componenti
dell’impianto
•
Misure delle temperature e delle pressioni lungo il sistema di alimentazione
dell'idrogeno
•
Prova di crash (frontale, posteriore, laterale) con verifica del funzionamento
delle elettrovalvole di stop e dell’integrità dei componenti
•
Misura delle resistenza elettrica dei pneumatici per evitare cariche statiche e
scintille
•
Misura e controllo delle operazioni di riempimento (connettore/distributore)
ESEMPI DI INSTALLAZIONE DI SISTEMI IDROGENO – CELLE A
COMBUSTIBILE NEL VEICOLO (SENSORI DI FUGHE IDROGENO)
Motor compartment
I. Single Compartment Type
Vehicle compartment
(Passenger compartment + luggage
compartment)
Compartment for the hydrogen system
components
(Example I-1) The hydrogen system components are installed in a
compartment that is located under the vehicle compartment and
separated from the motor compartment.
Sensor detecting hydrogen leakage
Hydrogen piping, etc.
PCU
Drive
motor
FC
Tank Tank
(Example I-2) The hydrogen system components are installed in a
compartment under the vehicle compartment (with two detectors).
PCU
Drive
motor
FC
Tank Tank
(Example I-3) The hydrogen system components are installed on the roof.
Tank Tank Tank
12
II. Double Compartment Type
(Example II-1) The hydrogen system components are installed
partly in the motor compartment and partly in a compartment under
the vehicle compartment.
PCU FC
Drive
motor
Tank Tank
(Example II-2) The hydrogen system components are installed
partly on the roof and partly in a compartment under the vehicle
compartment.
Tank Tank Tank Tank Tank
FC
PCU
PCU
Drive
motor
Drive
motor
FC
[Fonte:NTSEL-Japan]
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
Ad Hoc Group
H2 and Fuel
Cell GRPE
o ECE-Rxx : Liquid H2
System & Components
o ECE-Ryy : Compressed H2
System & Components
o ECE-Rzz: Fuel Cells
Global Technical
Regulations (GTR)
TC22/SC25
Road vehicles using
LPG, CNG, H2
13
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.
WG1
WG2
WG4
WG5
WG6
WG7
WG8
Criogenic
vessels
Container
multimodal
Fuelling
facilities
Gaseous
connector
Gaseous
containers
Safety
Electrolizer
European and International Gaseous Fuel Vehicles Standard Development
ORGANISMI INTERNAZIONALI PER LA DEFINIZIONE DEI
REGOLAMENTI DI OMOLOGAZIONE VEICOLI IDROGENO
Global Cooperation Group for H2 & FC Vehicles
Target date for a Regulation > 2010
UN – GTR
(Global technical Regulation)
Target date for a Regulation 2006
UN – ECE WP.29
GRPE
CGH2 and LH2
Draft ECE Regulation
CGH2 and LH2
GTR
GRPE Informal Group “Hydrogen/Fuel Cell Vehicles
H2 Industry mobile voice and stationary
EIHP2 Partnership
EIHP is a partnership between the European
Hydrogen Industry and the European
Commission. This consortium was created to
provide inputs for regulatory activities on a
European and global level to facilitate
harmonized Procedures for the approval of
hydrogen fuelled road vehicles
14
ISO H2 Voice
ISO TC197
Hydrogen Technologies
Decision for cooperation
between TC197 and TC22 was
already taken on 19.02.02
ISO TC22 SC21
ISO TC22 SC25
Electric, Hybrid, FC Vehicles
LPG, CNG, H2 Road Vehicles
[Fonte:L-B-Systemtechnic]
PERCORSI DI APPROVAZIONE DEI REGOLAMENTI
VEICOLI IDROGENO IN EUROPA
UN - ECE
15
EC
REGULATIONS
DIRECTIVES
Secretary General of the UN
EU Council and EU Parliament
Economic Commission for Europe
Inland Transport Committee ITC
European Commission
Working Party 29 (WP.29) New
Vehicles Construction
Motor Vehicle Working Group
GRPE
Group de Rapporteurs de Pollution et
des Energie
MVEG
Motor Vehicle Emission Group
[Fonte:L-B-Systemtechnic]
ATTIVITA’ DI NORMAZIONE E
STANDARDIZZAZIONE IN ITALIA SUI VEICOLI AD
IDROGENO
• Mirror Committee H2 Italia:
• CTI – Comitato Termotecnico Italiano
• CUNA – Commissione Tecnica di unificazione dell’Autoveicolo
• CEI – Comitato Elettrotecnico Italiano
Attività di confronto nazionale delle attività di normazione
internazionali (ISO, CEN, GRPE, PLATFORM H2...)
16
ATTIVITA’ DI NORMAZIONE E
STANDARDIZZAZIONE IN ITALIA SUI VEICOLI AD
IDROGENO cont’
• Comitato centrale tecnico scientifico interministeriale
GRUPPO DI LAVORO IDROGENO:
•
•
•
•
•
•
Ministero Interno
Ministero Infrastrutture e Trasporti
Ministero ambiente
Industria
Rappresentanti sindacali
Università / Enti di ricerca
Stesura di un Regolamento per l’omologazione di specifici componenti e di
autoveicoli alimentati ad idrogeno gassoso – Circolare Ministeriale
17
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:
18
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.
STANDARD ISO CONCERNING HYDROGEN
VEHICLES
19
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/DIS 17268
Filling connectors (250, 350, 500, 700 bar)
(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)