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1 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 comunali 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. 6

2 ibrido per una sistematica adozione di veicoli elettrici sono di mercato. ficative possibilità a livello ancora molti e i ricercatori Sono già in vendita, o lo saranno a breve, nuovi tipi di sono al lavoro per trovare soluzioni in grado di superarli. alta temperatura, a nichel- batterie, come le batterie ad Prendiamo per esempio il metallo idruro, e al litio. problema dell immagazzinamento di energia. Tra le energia (70 Wh/kg per Per la loro alta densità di possibili soluzioni c è quella dello sviluppo di nuovi ti- esse sono più adatte delle NiMH e 125 Wh/kg per Li) pi di batterie oppure di metodi alternativi per il tra- Wh/kg per Pb e 60 per batterie tradizionali (40 sporto della riserva di NiCd ) per essere usate su energia necessaria al veicolo elettrico, come l uso di una autonomia fino a oltre mezzi mobili, permettendo idrogeno come vettore energeticoneato che più una batteria 250 chilometri. Va sottoli- Le batterie possono avere pesa, più parte dell energia un progresso tecnico ed immagazzinata in essa deve economico rilevante a breve essere usata per trasportare e medio termine, con signi- 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 do- 7

3 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. I propulsori ibridi sono in genere classificati come ibrido serie, ibrido parallelo e ibrido split (o combinato). 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) Serbatoio 2- Motore 3- Generatore 4- Batteria 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) 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

4 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 CO 2 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 (LH 2 ) 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

5 MOTORI Elettrico o ibrido 10 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 H 2 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 (NaBH 4 ) ha la capacità di immagazzinare il 10,3% in peso del materiale come idrogeno. La reazione base di produzione è la seguente: NaBH H 2 O NaBO H 2 La concentrazione iniziale di NaBH 4 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 H 2. 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). La generazione di energia 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). 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 ( 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.

6 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. Progetto HYSYRIDER. Assemblaggio e test di uno scooter (1kW) a celle a combustibile. In basso: vista della disposizione del propulsore a fuel cell del prototipo Natrium della Daimler- Chrysler. 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; H Sviluppo di iniziative dimostrative nella cornice dei Giochi Olimpici Invernali di Torino 2006; Hysyrider - primo scooter ibrido a idrogeno che vediamo qui a lato. La DaimlerChrysler ha sviluppato un prototipo, chiamato Natrium, in cui l idrogeno è prodotto da sodio boroidruro (NaBH 4 ). 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 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 11

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