SituazioneSituazione NormativeNormative//OmologazioniOmologazionideidei veicoliveicoli adad IdrogenoIdrogeno

Ing. Aldo BASSIIng. Aldo BASSI

S.IN.TE.S.I. AB S.r.l.S.IN.TE.S.I. AB S.r.l.

Seminario internazionaleSeminario internazionale““Dalle stazioni di servizio tradizionali all’infrastruttura dell’idrogeno: confronto Dalle stazioni di servizio tradizionali all’infrastruttura dell’idrogeno: confronto

internazionale”, 16 Aprile 2004 dalle ore 14:00 alle 18:30 FAST, Milanointernazionale”, 16 Aprile 2004 dalle ore 14:00 alle 18:30 FAST, Milano

1. Schemi dei veicoli ad idrogeno

Schema 1 Schema 2

Schema 4Schema 3

MOTEL

INVERTER

AUXILIARIES

CGH 2

FCSTACK

HIGH PRESSURE CYLINDER CGH2

MOTEL

INVERTER

LH 2

FCSTACK

CRYOGENIC TANK LH2

TRASM

CGH 2

ICE TRASM

FILLINGCONNECTOR

ICE

FUEL FEEDING

FUEL FEEDING

HIGH PRESSURE CYLINDER CGH2

LH 2

CRYOGENIC TANK LH2

FUEL FEEDING

FUEL FEEDINGFILLINGCONNECTOR

FILLINGCONNECTOR

FILLINGCONNECTOR

AUXILIARIES

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.

4. Schema di un sistema di trazione a fuel cell per autoveicolo

Air Supply

Cooling System

Venting System

Fuel Cell Stack

PowerTrain

H2 Storage & Feeding

System

Filling Connector

Exhaust System

WaterManagement

Wheels

ElectronicControl

Unit

5. Schema del veicolo ibrido generalizzato – Analisi “TANK TO WHEELS”

ALTRI MOTORI TERMICI

3

REFORMER

4 CELLAA

COMBUSTIBILE6

GENERATORE ELETTRICO

5

BATTERIADI TRAZIONE

7

INVERTER

8

MOTORE ELETTRICO

9

TRASMISSIONE MECCANICA

10

RUOTE

11MOTORE A

COMBUSTIONE INTERNA

CONVENZIONALE2

A

B

F

C

D

E

CONFIGURAZIONI VEICOLARIAVeicolo 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 paralleloDVeicolo 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

ALTERNATORE STARTER

STOP - START

BATTERIA SERVIZI

42 V

Benzina – riformulataGasolio – riformulatoCNGLPGMetanoloEtanoloH2

Biocombustibili (biodiesel, DME,.....)

SERBATOIOCOMBUSTIBILE

1

RICARICA ESTERNAG

GASOLINELPG

(propane-butane)METHANE HYDROGEN

Potere calorifico inferiore [MJ/Kg] 44,4 46 45,4 50 120

Numero di Ottano RON 90 98 100 120 130

Rapporto C/H 0,54 0,38 0,4 0,25 0

Tonalità termica [MJ/m3] 3,65 3,48 3,18 2,97

Velocità di combustione [cm/sec] 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.

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

Tensione di vapore REID (100 °F) 0,25 0,45 bar (abs)10,0 2,5 bar (abs)

Propano - Butano- -

6. Characteristics of the fuels: gasoline, L.P.G., methane and hydrogen

UN / ECEUnited Nations

Economic Commission for Europe

ECEuropean Commission

CENCommittee for

European Normalisation

MVEGMotor Vehicle

Emissions Group

TC 286LPG applications

TC 326Gas Supply for NGVs

WG6LPG Vehicles

WG1NGV Filling

Stations

WG2NGV Fuel Systems

WG3Operational Conditions

ISOInternational Organization

Standardization

TC197Hydrogen

technologies

TC193Natural Gas

TC22Road

Vehicles

TC58Gas cylinders

WP.29

Inland Transport Committee

GRPE

Working Party on Pollution and Energy

o R67.01 : LPG System & Componentso R110 : Compressed Natural Gas System & Componentso R279 : Retrofit applicationso Rxx : Liquid H2

System & Componentso Ryy : Compressed H2 System & Components

ISO 11439

TC22/SC25Road vehicles using

LPG, CNG, H2

TC22/SC21Electric road vehicles

– fuel cells.

WG1Refuelling connector

WG2Design

principles and installation of vehicle fuel

system.

WG3Fuel system components.

WG11LPG Road Vehicles

Containers

ISO 15500Parts 1 to 20.

ISO/CD 20826

ISO/FDIS 15501

ISO/CD 14469

7. European and International Gaseous Fuel Vehicles Standards Development

8. European and International Gaseous Fuel Vehicles Standards Development

ISOInternational Organization

Standardization

TC193Natural Gas

TC58Gas

cylinders

UN / ECEUnited Nations Economic Commission for Europe

WP.29

Inland Transport Committee

GRPE

Working Party on Pollution and

Energy

o Rxx : Liquid H2 System

& Componentso Ryy : Compressed H2 System & Componentso Rzz: Fuel Cells

ISO 11439

WG1Criogenic

vessels

WG2Container

multimodal

WG8Electrolizer

TC197Hydrogen

technologies

WG4Fuelling facilities

WG5Gaseous

connector

WG6Gaseous

containers

WG7Safety

TC22Road

Vehicles

TC22/SC25Road vehicles using

LPG, CNG, H2

TC22/SC21Electric road vehicles –

fuel cells.

WG1Refuelling connector

WG2Design

principles and installation of vehicle fuel

system.

WG3Fuel system components.

WG11LPG Road Vehicles

Containers

ISO 15500Parts 1 to 20.

ISO/CD 20826

ISO/FDIS 15501ISO/CD 14469

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) Proposal: Specific components for motor vehicles using compressedgaseous hydrogen. Vehicles with regard to the installation of specific component

ECE-ONU R zzz (Draft regulation) Specific components of fuel cell for vehicles propulsion system Vehicles with regard to the installation of fuel cell …

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 outputmeasurements & certification tests)

ECE-ONU R 101 (draft amendment) Proposal: for introducing H2 as propulsion fuel (fuel consumptionand CO2 emission measurements & certification tests)

ECE-ONU R 100 (approved 12/02/97) Approval of battery electric vehicles with regard to specific requirements for construction and functional safety

Nota: 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 (TC 22)Safety specification – Vehicle functional safety

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 (TC 22)Safety specification – Electrical hazards

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)

• 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.

11. Orientamenti tecnologici per lo sviluppo di sistemi di accumulo di H2 compressoa bordo dei veicoli

• 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

12. Specifiche principali di una bombola di H2 compresso

• 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.

13. Dispositivi di sicurezza del sistema di accumulo di H2 compressoa bordo dei veicoli

• 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

14. Prove previste per l’omologazione di una bombola di H2 compresso

15. Prove previste per l’omologazione e il controllo di un veicoloalimentato 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 criogenicoper 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 criogenicoper 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 dopo lo scambiatore di calore

• 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.

18. Componenti di sicurezza del sistema criogenico per idrogeno liquidosoggetti 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, …)