Tecnologie – Trasporti
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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