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Un kit per trasformare le auto in veicoli ibridi-solari

HySolarKit è un kit per convertire un autoveicolo convenzionale in un veicolo ibrido-solare. Il sistema, a costi limitati e senza alterare performance e sicurezza, permette di ridurre consumi ed emissioni e può consentire l’accesso alle ZTL, con costi molto contenuti rispetto all’acquisto di un veicolo ibrido. Un veicolo così trasformato riesce a ridurre anche del 20% i consumi e le emissioni in un tipico utilizzo urbano, senza sacrificare le prestazioni, anzi migliorando le capacità di accelerazione e mantenendo l’autonomia del veicolo tradizionale. Questa idea è stata brevettata, sia in ambito italiano che europeo (PCT), dall’autore e da un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Salerno.

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La Termotecnica gennaio - febbraio 2016

Pubblicato
da Alessia De Giosa




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Estratto del testo
Tecnica Automotive LA TERMOTECNICA GENNAIO-FEBBRAIO 2016 49 INTRODUZIONE
Nell''ultimo decennio, i veicoli ibridi elettrici (HEV) si sono affermati
come una delle più efficaci e realistiche soluzioni alternative ai veicoli
convenzionali, al fine di ridurre consumi ed emissioni [1]. D''altra parte,
nonostante gli evidenti benefici in termini energetici ed ambientali,
veicoli ibridi ed elettrici hanno mostrato finora un tasso di penetrazione
commerciale nel mercato mondiale ancora insufficiente a produrre un
impatto significativo su consumi energetici e relativa produzione di CO 2 [2]. Emerge quindi l''opportunità di sviluppare soluzioni che consen-
tano di intervenire sui veicoli esistenti, elettrificandoli o convertendoli
in veicoli ibridi: l''adattamento dei veicoli esistenti è infatti considerato
come il Milestone 1 nelle strategie previste dalla European Roadmap
Electrification of Road Transport [3].
Inoltre, in parallelo con il recente sviluppo delle energie rinnovabili [4],
vi è una crescente attenzione attorno alla integrazione di componenti
fotovoltaici nei veicoli elettrici ed ibridi, favorita dalla tendenza verso
l''elettrificazione della flotta e, parallelamente, da miglioramenti tecno-
logici e riduzione di costi nel campo del fotovoltaico [5].
Da queste premesse deriva l''idea di sviluppare una soluzione, appli-
cabile anche in after-market, che consenta di convertire un autoveicolo
convenzionale in un veicolo ibrido-solare. Questo progetto è stato
portato avanti dall''autore e da un gruppo di ricercatori dell''Università di Salerno, e rappresenta il punto di arrivo di un''attività di ricerca
pluriennale nel settore dei motori automobilistici, della propulsione
ibrida e dei veicoli ibridi-solari, che aveva già condotto a studi sull''uso
di pannelli solari auto-orientabili per veicoli [8] ed alla realizzazione
di un prototipo di veicolo ibrido-solare nell''ambito di un progetto
europeo [6] [7] (fig.1). L''articolo presenta una sintesi del lavoro svolto,
con riferimento a numerosi lavori pubblicati dal team e presentati in
numerose sedi internazionali (fig.2) e delle prospettive di sviluppo del
progetto, anche nell''ambito del programma Horizon 2020 coordinato
da una società di spin-off nata attorno al progetto (www.eproinn.com). IL FOTOVOLTAICO SULLE AUTO
L''uso del fotovoltaico sull''auto ha caratteristiche radicalmente diverse
da tutti gli altri sistemi di alimentazione dell''energia: è l''unico caso in
cui l''energia primaria venga trasformata in energia utile direttamente
sull''auto, senza essere trasportata tramite un ''vettore energetico', co-
me invece accade per i combustibili fossili, i bio-combustibili, il gas, il
GPL, l''elettricità e l''idrogeno. Con l''utilizzo diretto sul veicolo, si evitano
i consumi e le dissipazioni di energia legati alla preparazione ed alla
distribuzione del ''vettore energetico', ed anche le relative emissioni di
CO 2 (salvo il caso in cui l''intero processo sia sostenuto da energia car- bon free). Sotto questo aspetto, l''integrazione diretta con il fotovoltaico
è quindi preferibile anche rispetto all''uso di energia elettrica o idrogeno
prodotti da fonte rinnovabile, perché consente di tagliare le spese
energetiche legate alla distribuzione ed alla produzione. L''utilizzo
diretto dell''energia solare sulle auto rappresenta inoltre una soluzione
realizzabile ben prima che l''idrogeno prodotto da fonti pulite possa
essere accessibile in quantità significative ed a costi contenuti, solo per
limitarsi al confronto con una delle proposte che ha monopolizzato
negli ultimi anni l''attenzione dei media, forse deviandola da soluzioni
più concrete [5].
L''integrazione con il fotovoltaico, che non rende l''auto del tutto au-
tonoma per limitazioni fisiche legate alla densità di energia solare
incidente sulla Terra, può andare in parallelo con l''utilizzo degli altri
vettori energetici: si può infatti adattare non solo ai veicoli elettrici ed
ibridi, ma anche ai veicoli convenzionali, tramite opportuni interventi di G.Rizzo Un kit per trasformare le auto in veicoli ibridi-solari Il lavoro presenta le ricerche legate allo sviluppo di un sistema prototipale per convertire le auto in veicoli ibridi-solari, brevettato dall''autore e da
un gruppo di ricercatori dell''Università di Salerno ed applicato su una FIAT Punto. Si discutono vantaggi, potenzialità e problematiche, illustrando i
risultati di ricerche numeriche e sperimentali svolte sul tema e lo stato delle attività tese alla industrializzazione del progetto. A KIT TO TRANSFORM CARS INTO SOLAR-HYBRID VEHICLES
The paper presents the research over a system to convert conventional cars into hybrid solar vehicles. The kit, conceived and patented at the University
of Salerno, has been applied on a FIAT Punto. Starting on numerical and experimental results, advantages, potentialities and limitations are discussed.
Finally, the status toward industrialization of the HySolarKit project is presented. Gianfranco Rizzo
Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Salerno FIGURA 1 - Il primo prototipo ibrido-solare
alla Targa Florio, nel 2007
Tecnica Automotive 50 LA TERMOTECNICA GENNAIO-FEBBRAIO 2016 di ibridizzazione o elettrificazione degli ausiliari.
Paradossalmente, però, il fatto di realizzare una ''filiera corta' che
elimini i processi di preparazione, distribuzione, vendita e tassazione
del vettore energetico ha probabilmente rappresentato un handicap
per questa soluzione, a causa degli interessi in gioco per i numerosi
attori coinvolti invece nella ''filiera lunga' che caratterizza tutte le altre
forme di alimentazione energetica.
L''uso diretto del fotovoltaico sulle auto è stato finora accompagnato
da un certo scetticismo, legato principalmente all''abitudine invalsa in
ambito automobilistico di valutare le prestazioni in termini di potenza
piuttosto che di energia. Da questo punto di vista, l''analisi del con-
tributo del fotovoltaico può risultare scoraggiante: la potenza di un
pannello solare di costo accettabile e di dimensioni compatibili con
un autoveicolo (attorno ai 300 W nel prototipo costruito all''Università
di Salerno) è di oltre due ordini di grandezza inferiore alla potenza
di una vettura media. Ma questa considerazione è tanto elementare
quanto fuorviante. Infatti, una vettura lavora in media ad una potenza
ben inferiore a quella massima.
Per esempio, per un''auto medio-piccola che si muova lungo la par-
te urbana del ciclo europeo ECE/EUDC, e considerando il parziale
recupero dell''energia in frenata, la richiesta di potenza media per la
trazione può essere valutata attorno agli 8 kW, di un ordine di grandez-
za inferiore rispetto alla potenza massima. Ipotizzando un utilizzo del
veicolo per un''ora al giorno, come fa buona parte degli automobilisti
secondo diverse statistiche, ne consegue un consumo di energia medio
giornaliero attorno agli 8 kWh. In tal contesto, i circa 1.5-2 kWh al
giorno che può raccogliere un pannello solare in una giornata di sole
rappresentano un''aliquota significativa dell''energia richiesta, fino al
25%, cui corrisponde, con buona approssimazione, una pari riduzione
di consumo di combustibile e di emissioni. IL PROGETTO HYSOLARKIT
HySolarKit è un kit per convertire un autoveicolo convenzionale in
un veicolo ibrido-solare. Il sistema, a costi limitati e senza alterare
performance e sicurezza, permette di ridurre consumi ed emissioni
e può consentire l''accesso alle ZTL, con costi molto contenuti rispetto
all''acquisto di un veicolo ibrido. Un veicolo così trasformato riesce
a ridurre anche del 20% i consumi e le emissioni in un tipico utilizzo
urbano, senza sacrificare le prestazioni, anzi migliorando le capacità
di accelerazione e mantenendo l''autonomia del veicolo tradizionale.
Questa idea è stata brevettata, sia in ambito italiano che europeo
(PCT) [9], dall''autore e da un gruppo di ricercatori del Dipartimento di
Ingegneria Industriale dell''Università di Salerno.
Il kit può essere applicato a tutte le vetture a due ruote motrici, alimentate
con qualunque tipo di combustibile. La massima convenienza si ha per
le auto usate in un ambito urbano per gli spostamenti casa/lavoro:
quasi la metà degli automobilisti, secondo molte statistiche. HySolarKit
può applicarsi tanto alle vetture esistenti, in after-market, quanto alla
ibridizzazione di vetture nuove, costituendo un''opzione appetibile per
i costruttori vincolati ai prossimi severi limiti sulle emissioni di CO 2. L''ibridizzazione è realizzata (fig.3) integrando o sostituendo le ruote
non motrici con ruote motorizzate (Wheel Motors), che includono un
motore elettrico che può operare sia da motore (nelle fasi di trazione)
che da generatore (in frenata e decelerazione). In tal modo, il veicolo
assume un funzionamento da ibrido parallelo TTR (Through The Road),
quando il motore termico muove le ruote anteriori ed i motori elettrici
operano in modalità di trazione o di ricarica. Opzionalmente, il veicolo
può operare anche in modalità elettrica, quando il motore termico è
spento o disconnesso dalle ruote motrici (in tal caso opera con una po-
tenza ridotta, e con qualche potenziale difficoltà per il funzionamento
del servofreno e del servosterzo). Una batteria ausiliaria alimenta i FIGURA 2 - Sedi di presentazione delle ricerche sui veicoli ibridi-solari Tecnica Automotive LA TERMOTECNICA GENNAIO-FEBBRAIO 2016 51 motori elettrici, e può essere ricaricata dalle ruote elettriche in moda-
lità generazione (frenata rigenerativa o modalità ibrida con coppia
resistente), dai pannelli solari flessibili montati sul veicolo (sul tetto o
anche sul cofano) ed opzionalmente dalla rete (modalità plug-in). Un
sistema di controllo, che può comunicare con il guidatore attraverso un
pannello posto sul cruscotto, riceve i dati dalla porta OBD del veicolo
e dalla batteria (per la stima dello stato di carica) e pilota le ruote
posteriori. Nella versione implementata presso l''Università di Salerno
su una FIAT Punto, il controllo avviene a partire dai soli dati di velocità
del veicolo, posizione del pedale dell''acceleratore e numero di giri del
motore termico, rilevati dalla porta OBD ed opportunamente processa-
ti. In tal modo è possibile minimizzare l''inserimento di ulteriori sensori
ed evitare interferenze con il sistema originale di controllo del motore,
cosa che potrebbe causare la perdita della garanzia. LE RICERCHE
Dopo alcuni anni di lavoro, e grazie ad un primo finanziamento del
MIUR ottenuto in collaborazione con l''Università del Sannio [10], è
stato sviluppato un prototipo di kit di ibridizzazione, montato su una
FIAT Punto con alimentazione Diesel (fig.4). L''integrazione con il foto-
voltaico avviene tramite pannelli flessibili a silicio monocristallino ad
alto rendimento, prodotti da ENECOM, che ricoprono cofano e tetto.
Le ruote motorizzate, di fabbricazione cinese, hanno una potenza di
7 kW (elettrici), mentre la batteria al litio ha una capacità di 4 kWh.
In un primo lavoro [11] è stato simulato il comportamento di un veicolo
ibridizzato su cicli di guida ECE/EUDC, analizzando tramite modello
di dinamica longitudinale in modalità backward [1] l''effetto della
potenza delle ruote motorizzate e dei pannelli fotovoltaici. I risultati
dei calcoli, effettuati ipotizzando strategie di controllo semplificate con
rapporto Power Split costante, hanno mostrato come i benefici delle
ruote motorizzate sul consumo tendano a raggiungere un massimo per
valori tra il 15% ed il 20% della potenza complessiva, e che l''adozione
dei pannelli solari riduca sensibilmente il consumo, fino a circa il 20%,
per tipiche modalità di utilizzo in contesto urbano.
In un lavoro successivo si analizzavano le configurazioni ottimali in
termini consumi di combustibili e di pay-back in funzione di potenza
delle ruote motorizzate, capacità della batteria e potenza dei pannelli
solari per diverse tipologie di utilizzo del veicolo, confermando i benefi-
ci del kit di ibridizzazione e della ricarica solare [12]. Sono state quindi determinate le strategie di controllo ottimali tramite tecniche di Dynamic
Programming, per diverse architetture di veicolo, per analizzare i
benefici rispetto ad un veicolo convenzionale ed i vantaggi in termini
di riduzioni del consumo connesse all''eventuale adozione di tecniche
Drive by Wire, in cui il pedale dell''acceleratore non sia direttamente
connesso alla centralina del veicolo originale [13]. Attenzione specifica
è stata dedicata alla possibilità di ricavare informazioni necessarie per
il controllo del veicolo a partire dai soli dati rilevati dalla porta OBD, al
fine di ridurre il ricorso a sensori addizionali e di protocolli proprietari
(CAN BUS). In particolare, è stata sviluppata una tecnica per il rilievo
real-time del rapporto al cambio e delle condizioni di folle, validandola
su vettura [14]. Gli aspetti legati all''interazione tra guidatore e veicolo
ibridizzato sono stati studiati in lavori successivi, dove si analizzava
la ''Driver Intention' con tecniche di Fuzzy Logic [15]. Una sintesi dei
risultati ottenuti è stata presentata anche in alcuni articoli presentati
nel 2013 [20][21].
Un modello longitudinale in modalità forward [1], con simulazione del
guidatore, è stato poi utilizzato per analizzare gli effetti sulla regolarità
di guida di ritardi di attuazione nel sistema di controllo e nelle ruote mo-
torizzate, nonché gli effetti dell''adozione di rapporti Power Split elevati
in veicoli non dotati di sistemi Drive by Wire [16]. Un lavoro più recente,
sottomesso al Symposium AAC16, studia infine le strategie di frenata ri-
generativa e le potenzialità reali di recupero energetico, tenendo conto
della ripartizione del carico dinamico tra assale anteriore e posteriore
e degli effetti del freno motore, ed ipotizzando l''adozione di strategie
di ripartizione della frenata alternative a quelle convenzionali [17].
Altri lavori hanno infine focalizzato gli aspetti legati alle attitudini dei
potenziali acquirenti verso l''acquisto del kit e l''integrazione con il foto-
voltaico, attraverso indagini campionarie effettuate su oltre un migliaio
di individui [18][19]. I risultati hanno attestato una buona attitudine
verso l''acquisto del kit, per prezzi di acquisto variabili dai 2000 ' ai
4000 ', mostrando inoltre come la presenza del fotovoltaico sull''auto
assuma per una parte significativa di utenti una valenza iconica ed
ideale, anche al di là della sua potenzialità di risparmio energetico
ed economico. VERSO L''INDUSTRIALIZZAZIONE
Nel 2014 è stata fondata una società di spin-off (www.eproinn.com),
che ha candidato con successo il progetto alla selettiva Fase 1 del
programma Horizon 2020 (SME Instrument). Il finanziamento ricevuto
ha permesso di produrre una proposta finalizzata allo sviluppo di pro-
totipi pronti per la successiva fase di industrializzazione (con obiettivo
TRL 9), che è stata candidata alla Fase 2 della misura SME Instrument
(Dicembre 2015). Attorno al progetto si è andato aggregando un
ampio partenariato composto, oltre che dal coordinatore eProInn, da
altri organismi di ricerca ed aziende, in qualità di partner, terze parti
o sub-contraenti, quali: -Università di Salerno;
-ACTUA (spin-off del Politecnico di Torino titolare di un innovativo brevetto per integrare il motore elettrico nel disco freno); -Landi Renzo (leader nella produzione di impianti a metano e GPL, che lavora al progetto di ibridazione HERS complementare con HySo-
larKit); -Solbian (leader nella produzione di pannelli fotovoltaici flessibili ad FIGURA 3 - Schema del kit di ibridizzazione solare Tecnica Automotive 52 LA TERMOTECNICA GENNAIO-FEBBRAIO 2016 alto rendimento); -Cecomp (azienda attiva nel settore dello stile e della prototipazione in ambito automotive); -Bitron (azienda multinazionale operante nel settore della meccatro- nica automotive). -CiaoTech (società di consulenza del gruppo PNO). Il progetto ha inoltre attratto l''interesse di investitori maltesi, interessati
alla riconversione della flotta di taxi dell''isola, e del Rong Tong Science
and Technology di Pechino.
Oltre alla pubblicazione dei risultati su riviste scientifiche e la presen-
tazione a congressi e seminari (Fig.2), lo svolgimento del progetto
HySolarKit è stato accompagnato da un''azione costante verso la dis-
seminazione e la pubblicizzazione dei risultati, svolta sia su web (www.
hysolarkit.com), tramite invio di Newsletter in italiano ed inglese ad una
platea di oltre 13.000 contatti, che attraverso i social, un blog, l''uso
di piattaforme di CrowdFunding e l''organizzazione di incontri e la
partecipazione a fiere di settore ed eventi, cui ha fatto finora riscontro
una notevole attenzione da parte dei media. BIBLIOGRAFIA
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