NOVEL ELECTRIC PROPULSION SYSTEMS

art12Uno spin-off accademico dell’Università degli Studi di Cagliari si occupa di sviluppo, progettazione e realizzazione di componenti e sistemi innovativi per la conversione dell’energia.
Di Alessandro Serpi, Mario Porru e Giuseppe Fois - NEPSY srl

I sistemi di propulsione elettrica rappresentano una soluzione ben consolidata in diversi ambiti di applicazione (ascensori, sistemi di sollevamento e movimentazione, etc.).

Con riferimento agli ascensori, questi rappresentano una quota importante dei consumi in ambito urbano e domestico e per i quali si registra una domanda crescente di sistemi compatti ed efficienti, richiedendo la transizione dai tradizionali sistemi idraulici a quelli elettrici.

Si stima che il valore del mercato degli ascensori passi da 9,54 miliardi di dollari del 2015 a circa 26,69 miliardi di dollari nel 2022, con un tasso di crescita annuo del 15,6%.

Tuttavia, i mercati più promettenti sono relativi al settore trasporti: questo settore è attualmente uno dei più ricchi al mondo (640 G€ per l'UE-27), rappresentando circa il 22% della produzione mondiale complessiva, e costituisce il più grande consumatore mondiale di petrolio (58%), essendo quasi interamente dipendente dai combustibili fossili (97%). Pertanto, le crescenti preoccupazioni legate al riscaldamento globale e all’approvvigionamento di combustibili fossili hanno determinato un forte incremento della domanda per sistemi di trasporto alternativi, più efficienti e più sostenibili.

L’elettrificazione del settore trasporti rappresenta una soluzione molto promettente e adeguata a risolvere le criticità sopracitate. In particolare, i veicoli elettrici possono essere alimentati direttamente dalla rete elettrica e, quindi, per mezzo di un mix di fonti energetiche che può ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, specialmente nei paesi con una forte produzione di energia da fonti rinnovabili. Le categorie di veicoli più interessanti in termini di elettrificazione sono rappresentate da bus, automobili e veicoli per la logistica. Con riferimento al solo ambito urbano, il mercato di bus, automobili, scooter e biciclette elettriche ha generato ricavi per un totale di 25,6 miliardi di dollari nel solo 2015 e si stima che la stessa cifra possa arrivare a 62,2 miliardi di dollari nel 2025. Ad esempio, da circa 19 mila bus elettrici venduti nel 2015, si passerà a oltre 100 mila in soli 10 anni, mentre il mercato dei veicoli elettrici leggeri aumenterà dai 2,6 milioni nel 2015 ai 6 milioni di unità vendute nel 2024, con tassi di crescita annui stimati intorno al 60%.

art12_aConsiderando il settore marino, l’impiego di sistemi di propulsione elettrica a bordo delle imbarcazioni non rappresenta, di per sé stesso, un concetto nuovo, in quanto sperimentato già alla fine del 1800.

Le prime imbarcazioni equipaggiate con sistemi di propulsione elettrica puri, alimentati da batterie elettrochimiche, erano caratterizzate da una scarsa autonomia e, quindi, dalla necessità di infrastrutture di ricarica distribuite lungo la costa.

Per questo motivo, l’avvento e il grande successo riscontrato dai motori a combustione interna nel secolo successivo ne ha determinato la rapida obsolescenza, soprattutto a causa della scarsa maturità tecnologica delle batterie utilizzate a quel tempo.

Negli ultimi 50 anni si è tuttavia registrato un crescente interesse verso i sistemi di propulsione elettrica puri e ibridi plugin; ciò è dovuto a molteplici fattori di carattere tecno-socio-economico, fra i quali la crisi energetica degli anni ’70, i miglioramenti tecnologici e la riduzione dei costi dei sistemi di accumulo, così come la necessità di ridurre i consumi energetici e le emissioni di gas inquinanti.

In questo contesto, l’Organizzazione Marittima Internazionale (IMO) ha evidenziato la necessità di ridurre le emissioni di gas inquinanti (CO2, NOx, SOx, etc.) derivanti dal settore marittimo, nonostante queste rappresentino una parte relativamente bassa, ma crescente, di quelle globali (2.2% stimate nel 2012).

Pertanto, l’IMO ha stabilito che, entro il 2025, tutte le imbarcazioni dovranno essere almeno il 30% più efficienti rispetto a quelle prodotte nel 2014. Tale obiettivo può essere conseguito attraverso una maggiore elettrificazione del settore dei trasporti marittimi, la quale preveda una maggiore diffusione dei sistemi di propulsione elettrica puri o ibridi, unitamente all’impiego di sistemi di accumulo dell’energia volti ad ottimizzarne il funzionamento. Ciò sta determinando una rapida crescita del relativo mercato, che si stima possa passare da un valore di 2,7 miliardi nel 2014 a 7,3 miliardi di dollari nel 2024. Ad esempio, si stima che la domanda di motori elettrici fuori bordo passerà dalle 60 mila unità del 2014 alle 150 mila nel 2023, con un progressivo spostamento verso propulsori più potenti. In particolare, grandissime potenzialità sono rappresentate dal mercato on-water, che passerà dal 45% del mercato complessivo nel 2011 a circa il 65% nel 2021. In questo contesto nasce NEPSY, uno spin-off accademico dell’Università degli Studi di Cagliari, fondato nell’agosto del 2017, che si occupa di sviluppo, progettazione e realizzazione di componenti e sistemi innovativi per la conversione dell’energia, tra cui sistemi di propulsione elettrica altamente integrati e ad alta efficienza per diverse applicazioni (veicoli su strada/rotaia, imbarcazioni, ascensori, etc.).

In particolare, i diversi componenti dei sistemi di propulsione (sistema di accumulo, convertitore elettronico di potenza, macchina elettrica, etc.) sono integrati fra loro sia a livello hardware (configurazioni topologiche innovative) sia a livello software (sistemi di gestione e controllo avanzati); ciò consente di ottimizzarne le prestazioni tenendo conto dei requisiti richiesti dalla specifica applicazione e, al tempo stesso, limitare costi, pesi ed ingombri rispetto alle configurazioni attualmente in commercio. In questo contesto, le competenze maturate dai soci in ambito accademico rappresentano un elemento chiave che consente lo sviluppo di prodotti altamente innovativi rispetto alle soluzioni proposte da aziende operanti nel solo ambito industriale.

Dall’analisi eseguita sui possibili concorrenti nell’ambito dello sviluppo e della commercializzazione dei sistemi di propulsione elettrica, è emerso che la quasi totalità delle aziende, siano esse startup innovative o meno, si focalizza su un prodotto specifico sviluppato per una particolare applicazione, come, ad esempio, appositi kit di conversione per biciclette o autoveicoli. NEPSY si contraddistingue in virtù di una maggiore flessibilità e versatilità; in particolare, i sistemi di propulsione elettrica integrati saranno sviluppati in modo da poter essere impiegati in una vasta gamma di applicazioni, dalla propulsione elettrica su strada (motocicli, veicoli leggeri, etc.) a quella marina (piccole e medie imbarcazioni, specialmente a vela), così come per ascensori, sistemi di sollevamento e movimentazione. L’attività di NEPSY è attualmente focalizzata sullo sviluppo di un sistema di propulsione elettrica innovativo altamente integrato (Fig. 1), costituito da un motore elettrico di propulsione di tipo sincrono a magneti permanenti ad alta velocità, il quale dovrebbe integrare un sistema di trasmissione magnetico e il sistema di ricarica di bordo. Il motore elettrico è alimentato da un sistema di accumulo ibrido (batterie e supercapacitori) attraverso un convertitore elettronico di potenza multilivello, il quale consente di interfacciare le due unità di accumulo in modo ottimale senza richiedere l’impiego di componenti aggiuntivi per la gestione dei loro flussi di energia.

In particolare, si propone l’impiego di un motore ad alta velocità (decine di migliaia di giri al minuto) per ridurre significativamente la coppia richiesta, che renderebbe a sua volta possibile utilizzare un minor volume di magneti permanenti rispetto alle soluzioni attualmente in commercio o, in alternativa, magneti permanenti a bassa densità di energia, determinando, in entrambi i casi, una riduzione dei costi. Inoltre, date le dimensioni ridotte del motore elettrico rispetto alle soluzioni a bassa velocità, sarà possibile integrarvi un sistema di trasmissione magnetico ad alta efficienza per adattarne i valori di coppia e velocità con quelli richiesti dall’elemento propulsivo vero e proprio (ad esempio, ruote o eliche). Inoltre, l’integrazione dell’interfaccia di ricarica con il motore elettrico consentirà di sfruttare il convertitore elettronico di potenza di trazione per la ricarica del sistema di accumulo di bordo, consentendone un’elevata flessibilità in termini di livello di potenza (ricarica lenta, rapida o ultrarapida).

Per quanto riguarda il sistema di accumulo ibrido proposto, questo consiste in una nuova topologia che consente la gestione ottimale dei flussi di energia delle singole unità di accumulo senza la necessità di convertitori elettronici di potenza aggiuntivi, con una conseguente riduzione di volume, peso, e costi rispetto alle soluzioni commerciali, così come una maggiore efficienza. In particolare, durante le fasi di accelerazione del veicolo, i supercapacitori forniscono la maggior parte dell’energia richiesta, essendo inoltre in grado di immagazzinare la maggior parte dell’energia recuperabile durante la frenatura rigenerativa. Di conseguenza, le batterie forniscono energia gradualmente e principalmente durante le fasi di crociera, preservando così le loro prestazioni nominali e vita utile. Il sistema di propulsione elettrica così ottenuto, che potrà essere personalizzato in base a specifiche abitudini ed esigenze di mobilità dei veicoli, sarà gestito e controllato in modo ottimale mediante l’impiego di strategie e tecniche di controllo avanzate per ottenere migliori prestazioni in fase di propulsione (accelerazione, frenatura rigenerativa ad alta efficienza, etc.), ma anche in fase di ricarica mediante la fornitura di servizi alla rete elettrica secondo logiche vehicle-to-grid (regolazione di frequenza, peak shaving, etc.). Questo ultimo aspetto è di particolare rilevanza in quanto conferisce al sistema di propulsione elettrica integrato ottime potenzialità non solo nel breve periodo, ma anche nel medio-lungo termine, ossia quando l’interazione fra veicoli elettrici e rete elettrica sarà ampiamente diffusa.

In conclusione, NEPSY è una dei tre soggetti partecipanti al progetto POSEIDON, un progetto di ricerca e sviluppo finanziato da Sardegna Ricerche nell’ambito del programma POR FESR Sardegna 2014-2020 (area di specializzazione “Reti intelligenti per la gestione efficiente dell’energia”). POSEIDON è finalizzato allo sviluppo di microreti intelligenti in aree portuali, ossia alla gestione efficiente dell’energia mediante l’integrazione di fonti rinnovabili e mobilità elettrica sostenibile. Nell’ambito di questo progetto, avviato nell’Ottobre 2018 e di durata pari a 24 mesi, NEPSY svilupperà un prototipo di sistema di accumulo ibrido integrato per imbarcazioni, il quale rappresenta uno dei componenti del sistema di propulsione integrato citato in precedenza e che sarà predisposto per offrire servizi di energia e/o potenza alla microrete portuale.


Riferimenti bibliografici:
• Smart Elevator Market, Markets & Markets, 2016
• Strategic Research Agenda, European Technology
Platform on Smart Systems Integration, 2013
• Electric Vehicle Forecasts, IDTechEX, 2016
• Electric Mobility in Smart Cities, Navigant Research, 2016
• Global Electric Bus Market Size, Share, Development, Growth and Demand Forecast to 2025, P&S Marker Research, 2016
• Global Battery Electric Vehicles Market 2015- 2019, Infiniti Research Limited, 2015
• Electric Vehicle Market Forecast, Navigant Research, 2015
• Molinas M., Monti A., “The Marine Electrical Revolution: Battery Power at Sea ", in IEEE Electrification Magazine, vol. 5, no. 3, Sept. 2017
• In Focus - The Future is Hybrid, DNV GL, 2015
• Electric Boats, Small Submarines and Autonomous Underwater Vehicles (AUV) 2014-2024, IDTechEX, 2016
• https://www.nepsy.it/projects/poseidon/



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