MOTORI

MOTORI
Elettrico o
Disegno di
Francesco Tundo
di Claudio Minero
Targhe alterne, zone a traffico limitato, fasce orarie, restrizioni alla circolazione per veicoli inquinanti o che non rispondono ai nuovi criteri di emissione tipo euro 4: la nostra
vita in città è sempre più
condizionata dalle misure
antitraffico e antinquinamento. Ma nonostante i
provvedimenti restrittivi il
tasso di inquinamento resta
alto e la nostra salute è sempre più a rischio.
Mentre applicano queste misure, le amministrazioni co-
munali cercano di dare l’esempio e arricchiscono il loro parco auto e bus con veicoli non inquinanti, tra i
quali quelli elettrici o a
“propulsori ibridi”. Anche
molte aziende, sia pubbliche sia private, si stanno dotando di veicoli a energia
elettrica.
Il veicolo elettrico infatti sarebbe la soluzione ottimale
per la mobilità urbana, in
quanto è l’unico che non ha
emissioni. Esso inoltre ben
si adatta ad essere integrato
nei nuovi concetti di gestione del traffico, come i sistemi automatici per l’affitto
auto, o i bus a bassa emissione nei servizi pubblici.
Ma gli ostacoli da superare
purché ant
Mentre le amministrazioni comunali combattono contro l’inquinamento
del traffico, la ricerca fa la sua parte e sta perfezionando il veicolo ideale
Negli Usa i veicoli a doppio propulsore (un motore elettrico combinato con un altro tipo di propulsore) destano un crescente interesse delle case
automobilistiche. Qui vediamo alcuni prototipi presentati in un’apposita manifestazione, il “Test do Sol”.
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ibrido
per una sistematica adozione di veicoli elettrici sono
ancora molti e i ricercatori
sono al lavoro per trovare
soluzioni in grado di superarli.
Prendiamo per esempio il
problema dell’immagazzinamento di energia. Tra le
possibili soluzioni c’è quella dello sviluppo di nuovi tipi di batterie oppure di metodi alternativi per il trasporto della “riserva di
energia” necessaria al veicolo elettrico, come l’uso di
idrogeno come vettore energetico.
Le batterie possono avere
un progresso tecnico ed
economico rilevante a breve
e medio termine, con signi-
ficative possibilità a livello
di mercato.
Sono già in vendita, o lo saranno a breve, nuovi tipi di
batterie, come le batterie ad
alta temperatura, a nichelmetallo idruro, e al litio.
Per la loro alta densità di
energia (70 Wh/kg per
NiMH e 125 Wh/kg per Li)
esse sono più adatte delle
batterie tradizionali (40
Wh/kg per Pb e 60 per
NiCd ) per essere usate su
mezzi mobili, permettendo
una autonomia fino a oltre
250 chilometri. Va sottolineato che più una batteria
pesa, più parte dell’energia
immagazzinata in essa deve
essere usata per trasportare
la batteria stessa.
ismog
automobilistico con misure di limitazione
: quello a trazione elettrica
Il prototipo della “Natrium”, il veicolo ibrido messo a punto dalla Daimler-Chrysler
e presentato alla manifestazione “Test do Sol”.
Summary
Local authorities are introducing
electric or hybrid public vehicles to
contrast the increasing pollution caused
by means of transportation. Followed
by public and private firms. In principle
electric vehicles are the ideal solution
but there are still logistic problems to
be solved, such as battery life. In
practice, for the time being, hybrid
engines (combining an electric system
and a thermic engine) are more viable,
where fuel and emission savings can
reach 20-30%. In the long term electric
vehicles powered by fuel cells are the
most interesting technology. However
the problem posed by the hydrogen
storage must be efficiently solved first,
as in-situ H2 generation has not still
been developed for the automotive
industry. Energy production is then
provided by the Polymeric Exchange
Membrane, PEM fuel cell, considered
by many as the most suitable for mobile
applications. Within the
Environment Park in Turin, the
Pedemont Region and the EU are
financially supporting the Hydrogen
System Laboratory, a centre of
excellence for hydrogen-related
technologies. Amongs its project
Hysyrider- the first hybrid hydrogenfuelled scooter.
I propulsori
ibridi,
la via più breve
per “l’elettrico”
La via realizzabile a breve per l’utilizzo di motori elettrici è quella
di propulsori ibridi, che combinano
un motore elettrico con altri tipi di propulsori/generatori, come motori a combustione interna, turbine a gas, o celle a
combustibile. Il vantaggio principale di
tale combinazione è l’interazione permanente
tra un sistema elettrico, altamente efficiente, e
un motore termico (poco efficiente dal punto
di vista termodinamico) o una cella a combustibile (più efficiente e con possibili minori
emissioni). Ne deriva un’elevata autonomia,
riduzione di consumi e minore emissione. Le
batterie, ma anche i super condensatori, hanno
un ruolo importante come riserva di potenza.
Per la loro doppia anima, i veicoli ibridi possono funzionare solo ad elettricità quando richiesto, come è il caso di ambienti urbani do7
MOTORI
ve è richiesta emissività zero. Essi possono
usare combustibili convenzionali o rinnovabili. La tecnologia ibrida è facilmente adattabile
a veicoli per uso pesante, come i bus urbani,
permettendo una riduzione sia dei consumi
sia delle emissioni del 20-30%. Nuove applicazioni stanno ora emergendo sui veicoli leggeri usando fuel cells nella combinazione ibrida in serie.
1. Il sistema ibrido serie ha solo un
sistema di propulsione elettrico (convertitore elettronico di potenza, motore o
motori elettrici, differenziale, ruote) alimentato da uno o più sorgenti connesse
in parallelo (vedi schema a destra). Il sistema motore/generatore in questa configurazione può essere rimpiazzato da una cella a
combustibile: si ha quindi un propulsore ibrido a fuel cell (per le quali si veda oltre).
I propulsori ibridi sono
in genere classificati
come ibrido serie,
ibrido parallelo
e ibrido split (o combinato).
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1
2
3
1- Serbatoio
2- Motore
3- Generatore
4- Batteria
5
6
5- Carica batterie
6- Convertitore
7- Motore elettrico
2. Il sistema ibrido parallelo combina la trazione elettrica e la trazione con
un motore a combustione interna (vedi
schema a destra). I due sistemi di trazione sono accoppiati al livello della trasmissione per il movimento delle ruote.
La caratteristica principale di questo sistema è
il recupero di energia in frenata. Usando il motore elettrico (di trazione) in modo reversibile
come generatore, l’energia meccanica del motore o che deriva dalla decelerazione del veicolo può essere convertita e immagazzinata
come energia elettrica per un uso successivo.
La presenza di una batteria implica che ci debba essere a bordo o fuori bordo un sistema di
ricarica. Ci sono ovviamente molte possibilità
di combinazione costruttiva e operative, per
ottimizzare la coppia, i buchi di coppia, l’elasticità e la progressione del propulsore.
1- Serbatoio combustibile
2- Motore
3- Ruote
4- Batteria
5- Convertitore
6- Motore elettrico
7- Cambio riduttore
8- Differenziale
3. La combinazione della struttura ibrida serie con quella in parallelo porta al sistema combinato o
serie-parallelo, descritto qui a destra, dove un cambio planetario è connesso a un
generatore in configurazione ibrida parallela. Questo tipo di topologia è usato nella
ben nota Toyota Prius. Questo propulsore ha
una serie di possibilità per il controllo del flusso di potenza e il consumo energetico. Il cambio planetario (7) divide la forza propulsiva
del motore (2) in due: una parte muove le ruote (3), attraverso il divisore di coppia (7), e
l’altra aziona il generatore (9). L’energia elettrica prodotta dal generatore è riconvertita in
energia meccanica attraverso il motore elettrico (6) o immagazzinata nella batteria (4).
1- Serbatoio combustibile
2- Motore
3- Ruote
4- Batteria
5- Convertitore
6- Motore elettrico
7- Sistema di divisione
(split) della potenza
(cambio planetario)
8- Differenziale
9- Generatore
8
7
Elettrico o ibrido
purché antismog
I veicoli elettrici a
fuel cells:
come funzionano
Le celle a combustibile trasformano l’energia prodotta dalla
reazione di combustione in energia elettrica, piuttosto che in calore
come fanno i motori a combustione interna, con alta efficienza, nessun o moderato rumore, poche o nulle emissioni
nel caso il combustibile sia idrogeno o una miscela ricca di idrogeno prodotta da reforming.
Con idrogeno il gas di scarico è acqua. L’energia elettrica generata viene usata nei veicoli
per la propulsione (nello schema ibrido serie)
e per l’alimentazione degli accessori elettrici.
Tecnologie di hydrogen storage
La tecnica di immagazzinamento
di idrogeno è un punto critico per
lo sviluppo della tecnologia, quando
non sia possibile avere a bordo un sistema di generazione. Nelle applicazioni
automotive o per altri veicoli di piccola
dimensione il sistema di generazione a bordo
non è per ora possibile per problemi di spazio e peso. Ogni veicolo alimentato a idrogeno deve quindi avere a bordo un sistema di
immagazzinamento sicuro e capiente, per
permettere l’autonomia adesso raggiungibile
con i veicoli ad alimentazione tradizionale,
senza limitazioni eccessive di passeggeri, di
spazio di carico o di peso. Questo è un problema di difficile soluzione a causa della bassa densità di immagazzinamento dell’idrogeno. La sua soluzione è la chiave per lo sviluppo della produzione di massa dei veicoli a
fuel cells.
La soluzione più semplice per l’uso di fuel
cells è l’uso diretto di idrogeno, in quanto tale scelta evita la necessità di un reformer a
bordo, che a sua volta produce CO2 e altri
sottoprodotti che limitano in parte i vantaggi
che si potrebbero ottenere dalla tecnologia.
Tuttavia questo implica che si trovi un sistema di immagazzinamento ragionevolmente
piccolo e leggero, e che rilasci idrogeno rapidamente e alla velocità richiesta per il consumo. Sebbene l’idrogeno immagazzini
maggiore energia su base ponderale di ogni
altro combustibile (circa 3 volte di più della
benzina), è difficile immagazzinarlo in un
serbatoio, per la sua diffusività ed esplosività.
A) La soluzione più semplice è l’immagazzinamento in bombola come gas compresso.
Esso viene immagazzinato come il gas naturale, in bombole di acciaio, alluminio o leghe composite, e il “pieno” viene fatto come
per il metano e in tempi simili. Le bombole
sono cilindriche per avere una buona distribuzione della pressione lungo le pareti della
stessa. Per incrementare la quantità di idrogeno immagazzinato, e quindi l’autonomia,
si può: 1) aumentare la pressione (fino a 700
bar), ma questo richiede contenitori più costosi e pesanti, con costi maggiori di compressione ed eventuali problemi di sicurezza; 2) usare basse pressioni con contenitori
di maggior volume, che possono essere comunque pesanti e che occupano maggiore
spazio nel veicolo.
B) L’idrogeno liquido (LH2) è attualmente il
metodo più usato per l’immagazzinamento
fuori bordo per l’alta densità di energia dell’idrogeno liquido. Tuttavia il processo di liquefazione dell’idrogeno è molto costoso a
causa del punto di ebollizione molto basso.
9
MOTORI
Elettrico o ibrido
L’idrogeno liquido richiede inoltre contenitori con altissimo isolamento termico per
evitare la perdita per ebollizione. Le basse
temperature devono inoltre essere mantenute
durante il riempimento del serbatoio (che
può portare a perdite del 25% come gas) e
durante lo stoccaggio (almeno 1% perso al
giorno).
C) Sono ancora allo stato di ricerca di base
altre tecnologie per l’immagazzinamento,
come l’adsorbimento allo stato solido, i nanotubi di carbonio e gli idruri. Tutti questi
metodi hanno potenzialmente la possibilità
di alta densità di energia immagazzinata per
unità di volume e peso rispetto all’idrogeno
liquido e compresso. Gli idruri allo stato solido immagazzinano e rilasciano H2 per assorbimento/desorbimento. Tuttavia i metalli
che possono formare idruri sono normalmente pesanti, dando solo un 1-1,5% di idrogeno come frazione in peso, e sono costosi
(si veda Pd). I metalli più leggeri e meno costosi richiedono invece alte temperature operative per il desorbimento, non praticabili in
veicoli a fuel cells.
Le nanostrutture a base di carbonio, come fibre di grafite con configurazioni molto intricate e ad alta rea superficiale, possono assorbire idrogeno per più di 1/5 del loro peso.
Tuttavia questi risultati sono per ora limitati
ad esperimenti di laboratorio.
La tecnologia basata su idruri di boro, sodio
e calcio (si noti elementi leggeri) produce
idrogeno per reazione con acqua in un reattore catalitico opportuno e i prodotti di reazione possono essere riciclati per un riuso. Il
sodio boroidruro (NaBH4) ha la capacità di
immagazzinare il 10,3% in peso del materiale come idrogeno. La reazione base di produzione è la seguente:
NaBH4 + 2 H2O ➝ NaBO2 + 4 H2
La concentrazione iniziale di NaBH4 in acqua
stabilizzata con 1-3% di NaOH è solitamente
20-35%. La reazione con l’acqua è catalizzata
da catalizzatori brevettati che producono
istantaneamente H2. Il borace prodotto rimane solubile in acqua e può venir riciclato al
successivo “pieno” del serbatoio. La tecnologia ha molti vantaggi rispetto all’idrogeno
compresso: a) la soluzione non è infiammabile e con basso impatto ambientale quando accidentalmente dispersa nell’ambiente; b) il
borace può venir riciclato per la produzione di
nuovo idruro; c) il volume richiesto per il serbatoio non abbisogna di molto spazio (molto
minore di quello delle bombole, anche se
maggiore di un normale serbatoio a benzina,
per le usuali autonomie dei veicoli).
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La generazione di energia
Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (Polymeric exchange membrane, PEM fuel
cell) usano una membrana a elettrolita
solido che scambia protoni come illustrato in basso. Esse funzionano a temperatura relativamente bassa (80-120°C)
e sono ritenute da molti le più adatte per applicazioni mobili e automotive. Esse richiedono
una riserva di idrogeno on board, come gas
idrogeno, o gas ricchi di idrogeno generabili a
bordo da combustibili liquidi come metanolo,
idrocarburi convenzionali come benzina e diesel, o riserva di idrogeno in forma di composti
inorganici riusabili.
Sopra: cella
a combustibile di
tipo PEM.
A lato:
stack di celle a
combustibile da
20 celle con
potenza 500W,
tensione 20V,
I=500/20=25 A
(Concessione del
Environment
Park Torino).
purché antismog
Una singola cella, come quella nello schema
qui sopra, viene abbinata ad altre per fare
quello che si chiama uno stack. Esso riunisce
più celle con lo scopo di ottenere tensione più
elevate di una singola cella e ovviamente più
potenza. La fotografia della pagina accanto
mostra uno stack di bassa potenza per applicazioni mobili.
In basso:
vista della
disposizione
del propulsore
a fuel cell
del prototipo
Natrium della
DaimlerChrysler.
Il parco tecnologico Environment
Park a Torino, con il sostegno della
Regione Piemonte e della Città di Torino, e il co-finanziamento dell’Unione
Europea, ha avviato il progetto Hysy
Lab (Hydrogen System Laboratory)
(www.hysylab.com), centro di eccellenza sulle tecnologie dell’idrogeno.
Il progetto è stato concepito come centro di
aggregazione del Sistema Piemonte Idrogeno
e dei soggetti operanti nel settore, come laboratorio di supporto alle aziende di medie e
piccole dimensioni e come centro di formazione per futuri tecnici operanti nel settore
della ricerca applicata.
Tra progetti sviluppati da Envipark ci sono:
Micro CHP - Sviluppo dell’unità fuel cell micro-CHP; Celco Yacht - Sviluppo di un sistema a fuel cell per l’alimentazione di motori
ausiliari e la propulsione di imbarcazioni da
turismo; Microcell - Sviluppo di micro fuel
cell a metanolo ed etanolo per applicazioni
mobili; Hydrogen School - progettazione e
realizzazione di laboratori didattici sulla filiera dell’idrogeno; H2.006 - Sviluppo di iniziative dimostrative nella cornice dei Giochi
Olimpici Invernali di Torino 2006; Hysyrider
- primo scooter ibrido a idrogeno che vediamo qui a lato.
Progetto
HYSYRIDER.
Assemblaggio e
test di uno
scooter (1kW)
a celle a
combustibile.
La DaimlerChrysler ha sviluppato
un prototipo, chiamato “Natrium’’, in cui l’idrogeno è prodotto da
sodio boroidruro (NaBH4). Tutto il necessario può essere collocato nel pavimento veicolare (come mostra lo spaccato) ed evita l’ingombro in cabina del
serbatoio, permettendo allo stesso tempo una
autonomia competitiva.
Il propulsore della Natrium consiste di un sistema di trazione con 82 kW di potenza massima, una batteria di 40 kW a ione-Li, e un generatore a fuel cell di 54 kW. Con 166 L di
combustibile al 20% come concentrazione di
sodio boroidruro, la Natrium può viaggiare
500 km. La vettura ha anche prestazioni accettabili (accelerazione 0-100 kmh in 16 s) e
una velocità massima di 130 km/h.
Queste prime realizzazioni sono incoraggianti, ma sottolineano che i progressi da fare sono ancora molti prima di arrivare a un parco
veicolare a bassa emissione.
Claudio Minero
Dipartimento di Chimica analitica,
Università di Torino
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