Tecnologie – Trasporti

Tecnologie – Trasporti
1.  Definizione del problema
2.  Sistemi per la mobilità
3.  Consumi
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
a)  Passeggeri
b)  Merci
XII - 0
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
0%
Fonte: Eurostat
TR
MK
HR
ME
CH
NO
IS
UK
SE
FI
SK
SI
RO
PT
PL
AT
NL
MT
HU
LU
LT
LV
CY
IT
FR
ES
EL
IE
EE
DE
DK
CZ
BG
BE
EU-27
Definizione del problema
Consumi finali: Trasporti/Totale
70%
60%
50%
40%
30%
1999
20%
2009
10%
TRASPORTI
82%
14%
XII - 1
Forza muscolare
Combustibile: glucosio, assimilato durante l’ingerimento di cibi, e acidi grassi
Comburente: ossigeno, assunto durante la fase inspiratoria della respirazione
Meccanismo di produzione di energia: trasformazione di ATP in ADP nei
mitocondri
Forza muscolare: 40 N/cm2 (0.3 μN/fibra)
Efficienza: 18÷25%
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
Sollevamento pesi, record del mondo di strappo = 213 kg
≃1.5 m
Energia: mgh=213×9.81×1.5=3134 J
Potenza (t=0.15 s): 3134/0.15=21 kW
piccola!
grande ma applicata
per un tempo molto piccolo
Camminata: consumo (kcal) = 0,6×peso corporeo (kg)×km percorsi
potenza (W) = 0,6×peso corporeo (kg)×velocità (km/h)/3.6
A 6 km/h (e 75 kg): potenza=75 W
XII - 2
Attrito
N
F
Fa
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
N
Fa
N = reazione vincolare = forza peso
μs = attrito statico
μs = attrito dinamico
Fa=μsN se F<Fa
il corpo non si muove
Fa=μdN se F>Fa
il corpo si muove
F
R = raggio ruota
τ = momento di forze
τa=RμsN se τ=RF<τa
τa=RμdN se τ=RF>τa
la ruota rotola
la ruota slitta
Il piano di rotolamento esercita sulla ruota una forza vincolare quasi-normale, rivolta verso l’alto e all’indietro
rispetto al moto, la cui linea di applicazione di norma non passa per l’asse della ruota, di modo che tale forza
produce sia una debole resistenza al moto traslatorio sia un debole momento torcente opposto al senso del
rotolamento in atto:
Fa=μvN
con: μv = attrito volvente ∝ 1/R
Dati sui coefficienti di attrito: http://www.roymech.co.uk/Useful_Tables/Tribology/co_of_frict.htm
XII - 3
Ruota
Principio:
l’attrito dinamico perno-sostegno (se il perno è solidale alla ruota)
o perno-ruota (se il perno è solidale al sostegno) è applicato per un
percorso molto minore del percorso fatto dal carico (rapporto dei
diametri).
perno
Inoltre, la ruota permette di superare asperità del terreno grandi
circa quanto il raggio della ruota stessa.
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
Esempio:
Se un oggetto pesante N=100 kgp=981 N è trascinato per l=10 m su una superficie e il coefficiente di attrito dinamico è
μd=0.42 (acciaio-acciaio), l’energia necessaria è E=Fal=μdNl=4905 J.
Se l’oggetto è posto su un carro con 4 ruote di diametro dr=1 m con un diametro del perno dp=5 cm, la distanza su cui viene
applicato l’attrito è 1/50 del percorso del carro (dp/dr) per ciascuna ruota: E=4Fal/50=4μdNl/50=392 J. Inoltre, il
superamento dell’attrito volvente (μv=0,0005/R) aggiunge un’energia Ev=4μvNl=9.81 J. In totale, l’energia richiesta per lo
spostamento su ruote è solo l’8% dell’energia richiesta per il trascinamento.
Se i perni sono lubrificati, l’attrito dinamico è μd=0.05 invece di 0.42, con un’ulteriore riduzione di un fattore 8 dell’energia
totale richiesta, che diventa solo l’1% dell’energia richiesta per il trascinamento.
Standard di Ur – 2500 a.C.
XII - 4
Bicicletta
Leva di seconda categoria poiché la resistenza (ruota dentata) si trova tra il fulcro (il
centro del movimento centrale) e la potenza (il punto dove insiste l’asse del pedale)
8 cm
C=11 cm
Dimensioni:
Pedivella: L=17 cm
Maglie catena di lunghezza standard (mezzo pollice = 1.27 cm)
Corona anteriore (corona): nc=53 o 39 denti (53 nell’esempio)
Corona posteriore (pignone): np=da 11 a 26 denti (20 nell’esempio)
Ruote da 28" (R=34 cm)
L=17 cm
Velocità:
vruota = Rωpignone
Potenza:
P = τ ωpedale = F Lωpedale
Potenza = 204 W Forza esercitata
da ciascuna
gamba
resistenza aerodinamica
rilevante
10
20
30
v (m/s)
40
50
60
FL
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
Velocità = 30 km/h curva di coppia
Bici da corsa
P (W)
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
ωcorona
npignone
Rapporto:
=
ωpignone
ncorona
ωcorona=90 giri/min
=9.4 rad/s
ωpignone=ωcorona×(53/20)
=25 rad/s
F=2×6.5 kgp=127 N
∼90 giri/min
ωcorona
XII - 5
Animali da tiro
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
L’unità di misura della Potenza venne chiamata horsepower (cavallo
vapore – CV) da Watt perchè, per vendere la sua macchina a vapore,
doveva determinare il numero di cavalli che la sua macchina poteva
sostituire. Una misura fu fatta usando cavalli per tirare una fune che,
attraverso una carrucola, era attaccata ad un peso posto in un pozzo
profondo.
Risultato: un cavallo può sollevare una massa di 45 kg muovendosi a 4
km/h, sviluppando una potenza P=Fpv=45×9.81×4000/3600=490 W.
Tenendo conto dell’attrito della puleggia il risultato è 1 CV=735 W.
In un’altra versione, la misura fu fatta girando una ruota di mulino,
con lo stesso risultato.
I cavalli tirano pesi dell’ordine del loro proprio peso. I buoi riescono a tirare fino a quattro-cinque volte il loro
peso anche se a velocità inferiore (quindi a parità di potenza).
La potenza di picco può arrivare fino a 10÷15 CV (alla partenza di un carro, ad esempio).
Efficienza: lavoro fatto rispetto all’energia metabolica spesa, calcolata dal consumo di ossigeno = 25% (ridotta
al 10% circa se si calcola l’efficienza rispetto al contenuto calorico del cibo).
Regola approssimativa: 1 CV equivale alla potenza richiesta per tirare 1 t di carico su ruote a 3.5 km/h.
Per approfondimenti:
R. D. Stevenson & Richard J. Wassersug, Horsepower from a horse , Nature 364, 195 (1993)
Michael R.Goe and Robert E. McDowell, ANIMAL TRACTION: GUIDELINES FOR UTILIZATION , Cornell University,
Ithaca, New York (1980)
XII - 6
Motore a combustione esterna
Motore Stirling (già trattato)
Motore a vapore
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
(ciclo Rankine)
Turbina a vapore
(ciclo Brayton)
http://www.animatedengines.com/
η =1−
�
P1
P2
�(γ−1)/γ
XII - 7
Motore a combustione interna
Ciclo Otto
OA
AB
BC/CD
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
η =1−
1
rγ−1
DA/AO
r=
VA
VB
Ciclo Diesel
OA
AB
η =1−
DA/AO
BC/CD
1
rγ−1
�
αγ − 1
γ(α − 1)
�
VC
VB
VA
r=
VB
α=
XII - 8
Motore a combustione interna
Turbina a gas/kerosene
(ciclo Brayton)
Jet
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
η =1−
�
P1
P2
�(γ−1)/γ
Turboprop
Turbofan
XII - 9
Sistemi ibridi
Toyota Prius®
motore termico: 99 CV
motore elettrico: 82 CV
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
partenza
marcia costante
massima accelerazione
frenata
Effetto maggiore: appiattimento dei consumi urbano/extraurbano
XII - 10
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
Motori - caratteristiche
Motore
Otto
Diesel
Motore a
vapore
Elettrico
Turbina
Rendimento (%)
20÷33
30÷40
10÷15
80÷90
40÷45
Rapporto peso/
potenza (kg/kW)
1.5÷2
3÷4
10÷20 (con
le batterie)
0.1 (Boeing
777 turbofan)
Autonomia
serbatoio
carburante
(∼ 1000
km)
serbatoio
carburante
(∼ 1000
km)
peso
batterie
(∼ 100 km)
Limite inferiore di
potenza
-
-
-
-
3÷4 MWt
Nota:
Un motore di automobile a benzina da 100 kW pesa un po’ meno di 200 kg. La benzina trasportata (a
serbatoio pieno) pesa circa 50 kg, cioè una frazione abbastanza piccola del peso del motore. Con i 50 chili
di carburante l’automobile può percorrere circa 900 km consumando circa 2.1 GJ di energia primaria al
28% di efficienza, cioè 0.6 GJ effettivi.
Le migliori batterie (NiMH) hanno una densità di energia di 90 Wh/kg. A parità di peso (250 kg), le
batterie garantiscono quindi 0.08 GJ, che vengono utilizzati all’85% di efficienza, cioè 0.068 GJ, dando
un’autonomia di 900×(0.068/0.6)=102 km.
XII - 11
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
Motore elettrico con energia esterna - ferrovia
Ferrovie elettriche, standard attuali
A corrente continua:
1.500 V soprattutto in Francia
3.000 V in Italia, Slovenia, Cecoslovacchia, Polonia, Spagna
A corrente alternata monofase:
15.000 V 16 2/3 Hz in Germania, Svizzera, Austria
25.000 V 50 Hz su tutte le nuove reti ad alta velocità europee e Portogallo.
Fonte: European Rail Research Advisory Council, Towards 2030 – Energy Roadmap for the European Railway sector
XII - 12
Alta velocità ferroviaria
Alta velocità – linee dedicate:
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
• Profilo di velocità più uniforme
• Distanze minori
• Profilo aerodinamico migliore
• Meno consumi per servizi (riscaldamento/raffreddamento)
• Massa minore per passeggero
• Tasso di occupazione maggiore (l’AV diventa vantaggiosa a un tasso di occupazione 4% più
alto della bassa velocità)
• Treni più grandi
• Sistema elettrico più efficiente (più tensione)
• Sostituisce un sistema molto più energivoro (aereo)
XII - 13
Trasporto passeggeri
Passeggeri
Mezzo di trasporto
consumo specifico
Automobile
44 gep/pkm
Treno
16 gep/pkm
Aereo
50 gep/pkm
pkm = passeggero chilometro
1 gep = 10000 cal = 41860 J
Fonte: Amici della Terra e Ferrovie dello Stato, I costi ambientli e sociali della mobilità in Italia, 5° rapporto (2005)
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
Transport mode
Rail (Intercity Amtrak)
Motorcycles
Rail (Transit Light & Heavy)
Rail (Commuter)
Air
Cars
Personal Trucks
Buses (Transit)
Average
passengers
20.9
1.16
24.5
32.7
99.3
1.55
1.84
9.2
Wh/pkm
gep/pkm
443
447
458
512
515
644
667
773
38
38
39
44
44
55
57
66
Transportation Energy Data Book: Edition 30. US Department of Energy. ORNL-6986 (Edition 30 of ORNL-5198) (2011)
XII - 14
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
Coppia (Nm)
benzina
giri/minuto x 1000
Coppia (Nm)
Potenza (kW)
turbodiesel
Potenza (kW)
Guida urbana e extraurbana
giri/minuto x 1000
XII - 15
Trasporto merci
camion
aereo
500 gCO2=1850 Wh=160 gep
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
15 gep=170 Wh
Treno da 1000 t, inclusi viaggi a vuoto
ferrovia elettrica
nave
20÷100 Wh/tkm (mare)
≃50÷200Wh/tkm (fiume) 35 Wh=3 gep
Fonte: IFEU Heidelberg, Ecological Transport Information Tool for Worldwide Transports (2011)
XII - 16
Motore elettrico con energia trasportata
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
Consumi WTW = Well To Wheel
Fonte: European Green Cars Initiative, Multi-annual roadmap and long-term strategy , 2011
XII - 17
Motore elettrico con energia trasportata
effetto della produzione sulle emissioni
Emissioni CO2
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
Italia
Fonte: European Green Cars Initiative, Multi-annual roadmap and long-term strategy , 2011
XII - 18
Sviluppi sul trasporto marino a vela
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
Turbosail
Flettner rotor
Vela a 300 m di altezza
Risparmio: 10÷15%
XII - 19
Sviluppi sul trasporto aerostatico
Hindemburg: 245 m di lunghezza e 46,8
m di diametro, 211.890 m³ di gas con una
spinta utile di 112 tonnellate; quattro
motori da 890 kW, velocità massima di
135 km/h.
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
SkyCat
185 m di lunghezza e 77
m di larghezza, 47 m di
altezza, spinta utile di
220 tonnellate; velocità
massima di 160 km/h.
XII - 20