Situazione Normative / Omologazioni dei veicoli ad Idrogeno

1. Seminario internazionale “Dalle stazioni di servizio tradizionali all’infrastruttura dell’idrogeno: confronto internazionale”, 16 Aprile 2004 dalle ore 14:00 alle 18:30 FAST, Milano SituazioneNormative/OmologazionideiveicoliadIdrogeno Ing. Aldo BASSI S.IN.TE.S.I. AB S.r.l.

2. Schema 1 Schema 2 FILLING CONNECTOR FILLING CONNECTOR FUEL FEEDING FUEL FEEDING LH2 MOT EL MOT EL INVERTER FC STACK INVERTER FC STACK CGH2 AUXILIARIES AUXILIARIES CRYOGENIC TANK LH2 HIGH PRESSURE CYLINDER CGH2 Schema 3 Schema 4 FUEL FEEDING FILLING CONNECTOR FILLING CONNECTOR FUEL FEEDING LH2 TRASM TRASM ICE ICE CGH2 CRYOGENIC TANK LH2 HIGH PRESSURE CYLINDER CGH2 1. Schemi dei veicoli ad idrogeno

3. 2. Dispositivi di sicurezza obbligatori previsti di un sistema idrogeno per autovettura (fonte D/C)

4. 3. Sistema di alimentazione di H2 liquido del motore BMW.

5. Air Supply Cooling System Venting System Wheels Power Train Fuel Cell Stack H2 Storage & Feeding System Filling Connector Exhaust System Electronic Control Unit Water Management 4. Schema di un sistema di trazione a fuel cell per autoveicolo

6. BATTERIA SERVIZI 42 V ALTERNATORE STARTER STOP - START F A TRASMISSIONE MECCANICA 10 RUOTE 11 MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA CONVENZIONALE 2 G B RICARICA ESTERNA SERBATOIO COMBUSTIBILE 1 INVERTER 8 GENERATORE ELETTRICO 5 BATTERIA DI TRAZIONE 7 MOTORE ELETTRICO 9 ALTRI MOTORI TERMICI 3 • Benzina – riformulata • Gasolio – riformulato • CNG • LPG • Metanolo • Etanolo • H2 • Biocombustibili (biodiesel, DME,.....) C CONFIGURAZIONI VEICOLARI AVeicolo 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 parallelo DVeicolo 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 REFORMER 4 D CELLA A COMBUSTIBILE 6 E 5. Schema del veicolo ibrido generalizzato – Analisi “TANK TO WHEELS”

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

8. EC European Commission ISO International Organization Standardization CEN Committee for European Normalisation MVEG Motor Vehicle Emissions Group TC197 Hydrogen technologies TC193 Natural Gas TC22 Road Vehicles TC58 Gas cylinders Inland Transport Committee ISO 11439 TC 286 LPG applications TC 326 Gas Supply for NGVs TC22/SC21 Electric road vehicles – fuel cells. WG11 LPG Road Vehicles Containers WP.29 GRPE ISO/CD 20826 TC22/SC25 Road vehicles using LPG, CNG, H2 Working Party on Pollution and Energy WG6 LPG Vehicles • R67.01 : LPG System & Components • R110 : Compressed Natural Gas System & Components • R279 : Retrofit applications • Rxx : Liquid H2 System & Components • Ryy : Compressed H2 System & Components WG1 Refuelling connector WG2 Design principles and installation of vehicle fuel system. WG3 Fuel system components. WG1 NGV Filling Stations WG2 NGV Fuel Systems WG3 Operational Conditions ISO/CD 14469 ISO/FDIS 15501 ISO 15500 Parts 1 to 20. UN / ECE United Nations Economic Commission for Europe 7. European and International Gaseous Fuel Vehicles Standards Development

9. ISO International Organization Standardization UN / ECE United Nations EconomicCommissionfor Europe TC197 Hydrogen technologies TC193 Natural Gas TC22 Road Vehicles TC58 Gas cylinders Inland Transport Committee ISO 11439 WP.29 TC22/SC21 Electric road vehicles – fuel cells. WG11 LPG Road Vehicles Containers GRPE ISO/CD 20826 Working Party on Pollution and Energy TC22/SC25 Road vehicles using LPG, CNG, H2 • Rxx : Liquid H2 System & Components • Ryy : Compressed H2 System & Components • Rzz: Fuel Cells WG1 Refuelling connector WG2 Design principles and installation of vehicle fuel system. WG3 Fuel system components. ISO/CD 14469 ISO/FDIS 15501 ISO 15500 Parts 1 to 20. WG2 Container multimodal WG4 Fuelling facilities WG7 Safety WG8 Electrolizer WG1 Criogenic vessels WG5 Gaseous connector WG6 Gaseous containers 8. European and International Gaseous Fuel Vehicles Standards Development

10. 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 compressed gaseous 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 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) 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.

11. 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)

12. 11. Orientamenti tecnologici per lo sviluppo di sistemi di accumulo di H2 compresso a bordo dei veicoli • 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.

13. 12. Specifiche principali di una bombola di H2 compresso • 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

14. 13. Dispositivi di sicurezza del sistema di accumulo di H2 compresso a bordo dei veicoli • 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.

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

16. 15. Prove previste per l’omologazione e il controllo di un veicolo alimentato 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)

17. 16. Problemi relativi all’autonomiatermica di un serbatoio criogenico per idrogeno liquido Boil Off System:Sistema che incondizioni 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.

18. 17. Prove di qualificazione del serbatoio criogenico per 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.

19. 18. Componenti di sicurezza del sistema criogenico per idrogeno liquido soggetti 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

20. 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.

21. 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, …)