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POLITesi - Archivio digitale delle tesi di laurea e di dottorato

Sustainable mobility is still a debated topic. There are discordant opinions about the real energy-environmental impact of electric vehicles. The question is: do electric vehicles represent in all their aspects a cleaner and more efficient technology compared to the conventional ones? The purpose of this thesis is to develop an analytical model that through the Well-to-Wheel analysis (WTW) allows to evaluate the energy-environmental impact of specific types of vehicles: battery electric vehicles (BEVs) and internal combustion engine vehicles (ICEVs), powered by gasoline and diesel fuels. The analysis is aimed at vehicles of the "Passenger car" and "Bus" categories, both widely involved in the development process electric mobility in Europe and all around the world. Italy is a special case. The energy impact is expressed in terms of WTW efficiency which corresponds to the useful work transmitted to the vehicle's wheels on primary energy consumption. The environmental impact is evaluated in terms of WTW emissions, which quantifies the total mass of GHGs released by the vehicle per km. The model considers the efficiency and the emission values related to each energy conversion step constituting the energy pathway of vehicles, divided into Well-to-Pump (WTP) and Pump-to-Wheel (PTW) phases. These identify respectively the phase related to the secondary fuel production/ electricity generation and that one associated with the vehicle use. The thesis is structured as follows: - Electric Vehicles and Battery Storage System: this chapter offers a general overview of EV technology and shows the State of the art of batteries and charging systems, paying attention to the critical aspects associated with the categories of vehicles "Passenger car" and "Bus "; - Electric Vehicles in Europe and energy strategies toward decarbonization: this chapter introduces the air pollution issue due to the transport sector. The development of EVs in Europe and the current energy strategies aimed at decarbonisation are described. Further, specific scenarios (ST and DG) of future energy mixes in the Italian context are defined; - Well-to-Wheel Analysis: in this chapter the Well-to-Weel analysis (WTW) is introduced, a methodology necessary to assess the energy consumption and the emission of vehicles and which allows to directly compare the energy-environmental impact of BEV and ICEVs. This section is diveded in WTP and PTW. - Model of Well-to-Wheel Analysis: in this chapter the model developed in this thesis is described in detail. The input variables the model processes to obtain the results of WTW efficiency that the WTW emission of the vehicles are defined. All the assumptions and simplifications that have been introduced for both Passenger car and Bus vehicles are described, focusing on that parameters which mainly affect the energy consumption and emission results. Attention is given to the vehicle's HVAC system which can significantly affect overall energy consumption, for both the vehicle categories. - Simulation and results: in this chapter the model is applied to the Italian transportation context to show it functioning and effectiveness. Here are shown the results achieved by different simulations of the model. Starting from the results obtained, the energy-environmental impact of the BEVs are compared by varying precise input parameters which constitute the energy pathway and the vehicle characteristics. The impact between the BEVs and ICEVs is compared, highlighting the main discrepancies. Finally, the model is applied to assess the WTW analysis referring to the ST and DG scenarios in the 2030s and 2040s.

La mobilità sostenibile è ancora un argomento dibattuto. Ci sono opinioni discordanti sul reale impatto energetico-ambientale dei veicoli elettrici. La domanda è: i veicoli elettrici rappresentano in tutti i loro aspetti una tecnologia più pulita ed efficiente rispetto a quelli convenzionali? L’obiettivo di questa tesi è quello di sviluppare un modello analitico che mediante l'analisi Well-to-Wheel (WTW) consenta di valutare l’impatto energetico-ambientale relativo a specifiche tipologie di veicoli: veicoli elettrici a batteria (BEVs) e veicoli a motore a combustione interna (ICEVs), alimentati a Gasoline e Diesel. L'analisi è rivolta ai veicoli di categoria "Passenger car" e "Bus", entrambi ampiamente coinvolti nel processo di sviluppo della mobilità elettrica internazionale e in particolare in Italia, paese su cui è focalizzato il presente elaborato. L'impatto energetico viene espresso in termini di efficienza WTW che corrisponde al lavoro utile trasmesso alle ruote del veicolo sul consumo di energia primaria. L'impatto ambientale viene calcolato in termini di emissioni WTW, che quantifica la massa totale di gas serra rilasciata dal veicolo per km. Il modello considera - ai fini della valutazione - il rendimento e l’emissione associate ai singoli stadi che costituiscono il pathway energetico, che si divide nelle fasi Well-to-Pump (WTP) and Pump-to-Wheel (PTW). Queste identificano rispettivamente la fase legata alla produzione del combustibile/energia elettrica e quella associato all’utilizzo diretto del veicolo. La tesi è strutturata come segue: - Electric Vehicles and Battery Storage System: questo capitolo offre una panoramica generale sulla tecnologia dei VE e mostra lo Stato dell’Arte delle batterie ed i sistemi di ricarica, con particolare attenzione alle criticità associate alle categorie di veicoli “Passenger car” e “Bus”; - Electric Vehicles in Europe and energy strategies toward decarbonization: questo capitolo introduce il problema dell’inquinamento atmosferico dovuto al settore dei trasporti. Descrive lo sviluppo dei VE in Europa e le attuali strategie energetiche volte alla decarbonizzazione, per poi introdurre specifici scenari di mix energetico futuri (ST e DG) riferiti al contesto Italiano; - Well-to-Wheel Analysis: in questo capitolo viene introdotta l’analisi Well-to-Weel (WTW), metodologia necessaria per valutare il consumo energetico e le emissioni associate a qualsiasi tipologia di veicolo e che consente direttamente di confrontare l’impatto energetico-ambientale dei VE e convenzionali. L’analisi si divide nelle fasi WTP e PTW. - Model of Well-to-Wheel Analysis: in questo capitolo viene descritto il Modello WTW, sviluppato ai fini della tesi. Vengono definite le variabili input che il modello elabora per ottenere i risultati che identificano l’efficienza WTW che l’emissione WTW dei veicoli. Vengono descritte tutte le ipotesi e le semplificazioni introdotte per i veicoli per autovetture e autobus, focalizzando l’attenzione sui parametri che influiscono principalmente sul consumo di energia e sui risultati delle emissioni (fonti energetiche di generazione elettrica, modalità di ricarica e segmento di veicolo). Particolare enfasi viene data al sistema HVAC del veicolo che può influire considerevolmente sul consumo energetico complessivo, sia nelle autovetture che specialmente negli autobus. - Simulation and results: in questo capitolo vengono rappresentati i risultati conseguiti da diverse simulazioni del Modello WTW. Partendo dai risultati ottenuti viene stimato l’impatto energetico-ambientale dei BEVs al variare di specifici parametri input che costituiscono il pathway energetico e le caratteristiche del veicolo. Viene quindi effettuato un confronto di tale impatto tra VE e ICEV convenzionali, per evidenziare i benefici e le criticità della mobilità elettrica. Infine, il modello viene applicato per compiere l'analisi WTW riferendosi agli scenari ST e DG negli anni 2030 e 2040.

Well-to-wheel analysis : a model to assess the enrgy and environmental impact in the rising development of sustainable mobility

SCURATI, DAVIDE
2017/2018

Abstract

Sustainable mobility is still a debated topic. There are discordant opinions about the real energy-environmental impact of electric vehicles. The question is: do electric vehicles represent in all their aspects a cleaner and more efficient technology compared to the conventional ones? The purpose of this thesis is to develop an analytical model that through the Well-to-Wheel analysis (WTW) allows to evaluate the energy-environmental impact of specific types of vehicles: battery electric vehicles (BEVs) and internal combustion engine vehicles (ICEVs), powered by gasoline and diesel fuels. The analysis is aimed at vehicles of the "Passenger car" and "Bus" categories, both widely involved in the development process electric mobility in Europe and all around the world. Italy is a special case. The energy impact is expressed in terms of WTW efficiency which corresponds to the useful work transmitted to the vehicle's wheels on primary energy consumption. The environmental impact is evaluated in terms of WTW emissions, which quantifies the total mass of GHGs released by the vehicle per km. The model considers the efficiency and the emission values related to each energy conversion step constituting the energy pathway of vehicles, divided into Well-to-Pump (WTP) and Pump-to-Wheel (PTW) phases. These identify respectively the phase related to the secondary fuel production/ electricity generation and that one associated with the vehicle use. The thesis is structured as follows: - Electric Vehicles and Battery Storage System: this chapter offers a general overview of EV technology and shows the State of the art of batteries and charging systems, paying attention to the critical aspects associated with the categories of vehicles "Passenger car" and "Bus "; - Electric Vehicles in Europe and energy strategies toward decarbonization: this chapter introduces the air pollution issue due to the transport sector. The development of EVs in Europe and the current energy strategies aimed at decarbonisation are described. Further, specific scenarios (ST and DG) of future energy mixes in the Italian context are defined; - Well-to-Wheel Analysis: in this chapter the Well-to-Weel analysis (WTW) is introduced, a methodology necessary to assess the energy consumption and the emission of vehicles and which allows to directly compare the energy-environmental impact of BEV and ICEVs. This section is diveded in WTP and PTW. - Model of Well-to-Wheel Analysis: in this chapter the model developed in this thesis is described in detail. The input variables the model processes to obtain the results of WTW efficiency that the WTW emission of the vehicles are defined. All the assumptions and simplifications that have been introduced for both Passenger car and Bus vehicles are described, focusing on that parameters which mainly affect the energy consumption and emission results. Attention is given to the vehicle's HVAC system which can significantly affect overall energy consumption, for both the vehicle categories. - Simulation and results: in this chapter the model is applied to the Italian transportation context to show it functioning and effectiveness. Here are shown the results achieved by different simulations of the model. Starting from the results obtained, the energy-environmental impact of the BEVs are compared by varying precise input parameters which constitute the energy pathway and the vehicle characteristics. The impact between the BEVs and ICEVs is compared, highlighting the main discrepancies. Finally, the model is applied to assess the WTW analysis referring to the ST and DG scenarios in the 2030s and 2040s.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
15-apr-2019
2017/2018
La mobilità sostenibile è ancora un argomento dibattuto. Ci sono opinioni discordanti sul reale impatto energetico-ambientale dei veicoli elettrici. La domanda è: i veicoli elettrici rappresentano in tutti i loro aspetti una tecnologia più pulita ed efficiente rispetto a quelli convenzionali? L’obiettivo di questa tesi è quello di sviluppare un modello analitico che mediante l'analisi Well-to-Wheel (WTW) consenta di valutare l’impatto energetico-ambientale relativo a specifiche tipologie di veicoli: veicoli elettrici a batteria (BEVs) e veicoli a motore a combustione interna (ICEVs), alimentati a Gasoline e Diesel. L'analisi è rivolta ai veicoli di categoria "Passenger car" e "Bus", entrambi ampiamente coinvolti nel processo di sviluppo della mobilità elettrica internazionale e in particolare in Italia, paese su cui è focalizzato il presente elaborato. L'impatto energetico viene espresso in termini di efficienza WTW che corrisponde al lavoro utile trasmesso alle ruote del veicolo sul consumo di energia primaria. L'impatto ambientale viene calcolato in termini di emissioni WTW, che quantifica la massa totale di gas serra rilasciata dal veicolo per km. Il modello considera - ai fini della valutazione - il rendimento e l’emissione associate ai singoli stadi che costituiscono il pathway energetico, che si divide nelle fasi Well-to-Pump (WTP) and Pump-to-Wheel (PTW). Queste identificano rispettivamente la fase legata alla produzione del combustibile/energia elettrica e quella associato all’utilizzo diretto del veicolo. La tesi è strutturata come segue: - Electric Vehicles and Battery Storage System: questo capitolo offre una panoramica generale sulla tecnologia dei VE e mostra lo Stato dell’Arte delle batterie ed i sistemi di ricarica, con particolare attenzione alle criticità associate alle categorie di veicoli “Passenger car” e “Bus”; - Electric Vehicles in Europe and energy strategies toward decarbonization: questo capitolo introduce il problema dell’inquinamento atmosferico dovuto al settore dei trasporti. Descrive lo sviluppo dei VE in Europa e le attuali strategie energetiche volte alla decarbonizzazione, per poi introdurre specifici scenari di mix energetico futuri (ST e DG) riferiti al contesto Italiano; - Well-to-Wheel Analysis: in questo capitolo viene introdotta l’analisi Well-to-Weel (WTW), metodologia necessaria per valutare il consumo energetico e le emissioni associate a qualsiasi tipologia di veicolo e che consente direttamente di confrontare l’impatto energetico-ambientale dei VE e convenzionali. L’analisi si divide nelle fasi WTP e PTW. - Model of Well-to-Wheel Analysis: in questo capitolo viene descritto il Modello WTW, sviluppato ai fini della tesi. Vengono definite le variabili input che il modello elabora per ottenere i risultati che identificano l’efficienza WTW che l’emissione WTW dei veicoli. Vengono descritte tutte le ipotesi e le semplificazioni introdotte per i veicoli per autovetture e autobus, focalizzando l’attenzione sui parametri che influiscono principalmente sul consumo di energia e sui risultati delle emissioni (fonti energetiche di generazione elettrica, modalità di ricarica e segmento di veicolo). Particolare enfasi viene data al sistema HVAC del veicolo che può influire considerevolmente sul consumo energetico complessivo, sia nelle autovetture che specialmente negli autobus. - Simulation and results: in questo capitolo vengono rappresentati i risultati conseguiti da diverse simulazioni del Modello WTW. Partendo dai risultati ottenuti viene stimato l’impatto energetico-ambientale dei BEVs al variare di specifici parametri input che costituiscono il pathway energetico e le caratteristiche del veicolo. Viene quindi effettuato un confronto di tale impatto tra VE e ICEV convenzionali, per evidenziare i benefici e le criticità della mobilità elettrica. Infine, il modello viene applicato per compiere l'analisi WTW riferendosi agli scenari ST e DG negli anni 2030 e 2040.
Tesi di laurea Magistrale
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/145601