Elettrificazione
Vediamo di capire cosa si intende con il termine ELETTRIFICAZIONE, sia essa riferita ai veicoli stradali che ai macchinari da costruzione. Oggi questo tema riveste un assoluto interesse nel panorama tecnico e tecnologico, poichè legato a doppio filo all’esigenza di ridurre le emissioni di carbonio legate ai trasporti e alla mobilità.
In termini generali, rientra nella definizione di ELETTRIFICAZIONE tutto il processo ed il progetto legato alla conversione di Powertrain realizzati con motori endotermici in favore di sistemi di propulsione elettrici azionati da batteria.
Questo processo, complesso ed arduo, generalmente viene affrontato in due step distinti: un primo step prevede la diretta sostituzione del motore endotermico con il motore elettrico, senza andare ad intervenire sulle utenze (che possono essere pompe idrauliche, compressori, differenziali e tramissioni tradizionali). Questo approccio consente la progettazione di un veicolo elettrico in modo snello e rapido, grazie al fatto che gran parte della componentistica rimane la medesima del motore endotermico.
Il secondo step, invece, notevolmente più complesso, consiste nell’intervenire sull’architettura completo del veicolo, progettando nuovi telai e pianali appositamente studiati per accogliere una architettura propulsiva full electric o hybrid.
I vantaggi di questo secondo step sono quelli di superare i limiti legati alla necessità di in qualche modo adattare quanto già realizzato e progettato per trasformarlo in elettrico.
MACCHINARI DA COSTRUZIONE
I macchinari da costruzione sono molto diffusi e operano, in condizioni diciamo così attuali standard, grazie alla potenza di alimentazione fornita da un motore endotermico. L’attuazione è spesso affidata a sistemi oleodinamici che offrono grande densità di potenza (quindi compattezza degli organi di trasmissione e degli attuatori) e grande robustezza.
Tuttavia, l’interesse verso sistemi che possano lavorare in spazi chiusi o confinati e la necessità di ridurre le emissioni, spingono i costruttori di macchinari a valutare soluzioni ibride o elettriche. Il punto di partenza tipico è valutare il fabbisogno energetico orario o chilometrico per il veicolo endotermico.
Lo chiariamo sin da subito: questo punto di partenza è SBAGLIATO!
Perchè? Per capirlo dobbiamo fare un passo indietro e cercare di vedere l’elettrificazione di un veicolo o di un macchinario più come una rivoluzione che come una evoluzione.
“If I had asked people what they wanted, they would have said faster horses”
Henry Ford
Il principale limite tecnologico con cui ci dobbiamo scontrare, infatti, è costituito dalla sorgente di energia.
SERBATORIO GASOLIO vs. ACCUMULATORE LITIO
Un serbatoio di gasolio con un volume di 60 litri consente di avere a disposizione una sorgente di energia con un contenuto energetico equivalente pari a 10 kWh/l ovvero 600 kWh (600 chilowattora)
Secondo le più recenti tecnologie di accumulatori al litio che raggiungono a livello di cella una densità di energia pari a 0,450 kWh/l, una batteria con un volume di 60 dm3 (ovvero 60 litri) non riesce a superare un contenuto energetico equivalente pari a 27 kWh.
Anche il confronto gravimetrico non aiuta: il serbatoio del gasolio avrà una massa complessiva da pieno intorno ai 52 Kg di carburante oltre ai circa 20 Kg di tara, quindi 72 Kg.
La batteria al litio, invece, peraltro dotata di massa costante sia da carica che da scarica, avrà una massa complessiva circa pari ai 180 – 200 Kg.
EFFICIENZA DI CONVERSIONE
Tuttavia, un aspetto importante che gioca a favore dell’elettrico è l’efficienza di conversione in energia meccanica: per il sistema endotermico può essere considerata pari al 30% mentre per il sistema elettrico puro può essere considerata pari al 75%, considerando il prodotto tra rendimento della batteria, dell’inverter e del motore elettrico.
Quindi nel caso dell’esempio sopra menzionato, otterremo circa 180 kWh netti di energia meccanica disponibile nel caso dell’endotermico contro i circa 18 kWh netti di energia meccanica disponibile nel caso del motore elettrico.
In sintesi, per ottenere una energia meccanica utile pari almeno al 50% del motore endotermico, occorre una batteria al litio da circa 120kWh dotata di un volume pari a circa 300 litri e una massa di circa 900-1000Kg!!!
TEMPI DI RIPRISTINO DELLA SORGENTE DI ENERGIA
Il pieno di gasolio richiede circa 5 minuti alla stazione di benzia, la ricarica di una batteria da 27 kWh in 30 minuti richiede una potenza di rete di circa 30 kW (la potenza elettrica di 10 appartamenti)
. La potenza di ricarica ovviamente diventa ancora più importante se ci riferiamo ad una batteria al litio da 120kWh, dove la ricarica in 30 minuti al 50% richiede una potenza di 250 kW (le stazioni di ricarica ultrafast, equivalenti alla potenza elettrica di 80 appartamenti)
Dalle due considerazioni precedenti si capisce come per completare il processo di elettrificazione occorre:
– lavorare sulla disposizione delle masse e dei volumi al fine di identificare zone sul macchinario per poter ricavare lo spazio necessario all’accumulatore, che per forza di cose sarà sensibilmente superiore all’ingombro del serbatoio di carburante
– ripensare al sistema di distribuzione dell’energia elettrica, rendendo disponibili grandi potenze di alimentazione in modo distribuito e capillare
– verificare le potenzialità di efficientamento di tutto il macchinario e di tutti i carichi
L’IMPORTANZA DEL DRIVETRAIN E DELL’EFFICIENTAMENTO DEI CARICHI
Il punto di partenza dovrebbe tenere in considerazione l’elemento chiave di un progetto di elettrificazione: il motore elettrico. Come noto, il motore elettrico, a differenza del motore endotermico, ha una caratteristica meravigliosa: la coppia di stallo o coppia a zero RPM, che generalmente è simile o pari alla coppia massima.
Un motore endotermico, per contro, non può essere mantenuto in condizione di IDLE a zero RPM.
Già questa caratteristica da sola sarebbe sufficiente per comprendere la portate che un sistema elettrico possiede, stravolgendo molte delle logiche tradizionali: si pensi ad esempio ad una gru, dove il motore endotermico viene mantenuto acceso in regime di minimo per poter essere pronto a rispondere erogando il massimo di coppia o il massimo di potenza laddove una pompa idraulica abbia necessità per essere azionata. il consumo al minimo del motore endotermico viene di fatto azzerato con il motore elettrico!
In seconda analisi occorre fare una considerazione di massima sul POWER BALANCE OF SYSTEM: se è pur vero che la densità energetica di un litro di carburante (benzina, gasolio, metano o similare) è estremamente più alta della densità energetica immagazzinata in un volume pari a un litro di batteria al litio, è anche vero che i rendimenti completi della catena distributiva sono sensibilmente superiori nel caso dell’elettrico
“If I have seen farther than others, it is because I was standing on the shoulders of giants”
Isaac Newton
Quindi, grazie al fatto che la tecnologia degli inverter e dei motori elettrici è già una tecnologia estremamente avanzata ed efficiente, grazie allo sviluppo portato avanti dall’industria manifatturiera negli anni e grazie alla spinta verso l’efficientamento energetico imposto dalle normative (IE2, IE3, IE4,…) oramai largamente diffuse, conviene fare una seria valutazione dell’intero sistema drivetrain e powertrain mentre si inizia ad affrontare un progetto di elettrificazione.
I risultati migliori, sulla base della nostra esperienza, si raggiungono laddove ad un corretto dimensionamento elettrico della batteria si individuano soluzioni efficienti per la parte di motori e inverters, conciliando una efficienza elevata con la chiara necessità di ridurre l’impatto del sistema sulla progettazione meccanica del veicolo e sull’interfaccia con organi già esistenti (flange SAE, pompe, attuatori, assali).
Per questi motivi il nostro primo approccio verso i nuovi progetti è sempre orientato ad un aspetto tecnico e tecnologico complessivo, anche relativo a componenti apparente di commercio e secondari quali appunto motori e inverters.
