Auto Elettriche ed ad Idrogeno con zero emissioni: Una Colossale Bugia | Ingegneri.info

Auto Elettriche ed ad Idrogeno con zero emissioni: Una Colossale Bugia

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Una certa stampa che si definisce “tecnica” pubblicizza le future auto elettriche ed ad idrogeno come ad emissioni inquinanti zero.
Rispetto all’uso automobilistico ciò è certamente vero solo a patto di non considerare l’inquinamento elettromagnetico, peccato però che l’energia non si crea magicamente ma sia la produzione di quella elettrica che dell’idrogeno necessitino di un considerevole consumo di altra energia e la realtà in Italia ad esempio è che oltre il 60-70% dell’energia elettrica è fornita da centrali termiche che cioè producono CO2 ed altri inquinanti ne più ne meno che nel caso di motori termici per uso automobilistico.

Senza poter sognare di avere da subito energia elettrica solo da fonti rigenerabili ed alternative (verdi), in quanto quella nucleare con produzione di scorie radioattive pongono problemi di inquinamento per i secoli futuri, occorre comprendere che ancora per lungo tempo il tutto è come se solo si concentrasse lo stesso inquinamento vicino alle centrali di produzione di elettricità invece che disperderla per le strade.

Questo sembrerebbe una possibile soluzione per i nostri inquinati centri cittadini (ad esempio nelle megalopoli Cinesi tutti i motoveicoli sono elettrici) ma disgraziatamente siamo tutti nella stessa ed unica barca (la terra) per cui se l’inquinamento totale non è sopportabile dal nostro globo, poco importa se in California si adottano regole durissime contro l’inquinamento, gli effetti disastrosi del riscaldamento globale arriveranno fin là.

Ulteriore aspetto da non dimenticare è la difficoltà di accumulare questi tipi di energia rispetto al contenere in un serbatoio combustibili liquidi come per la benzina ed il gasolio: per quella elettrica tramite batterie di accumulatori e per l’idrogeno serbatoi corazzati ad alta pressione, ricordandoci che la scomparsa dei dirigibili fra le due guerre mondiali è stata causata dagli incendi dell’idrogeno contenuto nei palloni di sostentamento.

Gli accumulatori elettrici sono in rapida evoluzione, spinta dal nuovo interesse economico, ma per arrivare ad una capacità che permetta una autonomia di 80 o 160 km per una autovettura media con pesi ed ingombri ragionevoli occorreranno ancora parecchi anni per la costruzione di una rete di possibile ricarica urbana e la soluzione di aggiungere a bordo un motore termico collegato ad un generatore per la ricarica durante l’uso e quindi con relativo inquinamento (schema della vettura GM Volt) aumenta considerevolmente costi e pesi.

Per l’idrogeno basta ricordarsi delle dimensioni del serbatoio corazzato per pochi chilometri di autonomia delle sole vetture fino ad ora in produzione per comprendere che non sarà certo una soluzione per utilitarie a basso costo e le cellule a combustibile che sono in grado di produrre corrente direttamente da carburante sono una tecnologia spaziale con costi non facilmente industrializzabili in tempi brevi.

Occorre quindi solo aspettare per anni questi nuovi sviluppi? Non è vero, esistono oggi in produzione o sono producibili attuali possibili soluzioni tecniche per Autovetture meno inquinanti:

A) Uso di GAS (Metano e GPL) in alternativa sui motori a benzina.

Il GPL, miscela di gas di petrolio (principalmente Butano e Propano) liquefatti a bassa pressione, risulta abbastanza diffuso come distribuzione, sono più facili le modifiche per l’installazione su vettura (minor costo, peso ed ingombro) e consente un’autonomia media di oltre 400 Km contro i circa 250 Km del Metano, come consumi costa circa il 10-15% in più del Metano ed solo il 60-65% della benzina considerando che il GPL ha un potere calorifero al litro di circa il 25% in meno rispetto alla benzina: è competitivo come spesa di carburante ai turbo diesel più economi.

Per pesi ed ingombri maggiori delle bombole ad alta pressione e minori prestazioni, l’uso del Metano è possibile solo con auto medio-grandi appositamente studiate a grande autonomia (OPEL Zafira, VW Passat e Touran e solo parzialmente Fiat Multipla e CITROEN C4 Picasso) o cittadine che comunque non consumino molto semplicemente a benzina (CITROEN C3, FIAT Panda).
Per l’uso del GAS occorre però controllare che le valvole siano del tipo rinforzato e che possibilmente abbiano le punterie idrauliche (di serie su tutti i modelli a GAS solo per quelle dei Gruppi Opel, VW e Chevrolet) e che almeno con l’uso del Metano il motore base sia turbo (confronto con la soluzione tipo C) per non perdere eccessiva potenza.

B) Uso di motori termici ed elettrici in combinazione (autovetture a trazione ibrida).

Soluzione intermedia (tipo HONDA Insight): vi è aggiunto un piccolo motore elettrico (circa 10-20 kW) posto fra motore e cambio automatico più un potente generatore e pacchi di batterie di accumulatori: consuma come una versione turbo diesel (vantaggioso soprattutto in città) perché quello elettrico aiuta il motore termico ai regimi intermedi e si recupera energia in frenata; non si può però muoversi solo elettricamente.
Il costo è relativamente contenuto (+15%) con poche modifiche rispetto allo schema tradizionale ed in futuro potrebbe essere facilmente e convenientemente accoppiato anche ad un motore a ciclo diesel (in autostrada ad esempio si consuma come un normale benzina perché il motore elettrico non interviene).

Soluzione definitiva con motore termico ed elettrico in parallelo (tipo TOYOTA Prius): il motore elettrico può funzionare anche indipendentemente da quello termico. E’ una soluzione decisamente più costosa ed avanzata (componenti elettriche fino a 3 volte più grandi e diversa trasmissione per consentire l’uso anche alternativo in parallelo dei due motori), si può utilizzare anche solo in propulsione elettrica (con emissioni cosiddette a zero).
Il limite è però nelle batterie che attualmente possono solo durare per pochi chilometri al massimo di autonomia con il solo motore elettrico in funzione ed a bassa velocità. Come consumi può ottenere fino ad un 25% in meno della soluzione precedente (ma soprattutto in città) ed al momento non può essere utilizzata con ricarica dalla presa di corrente (plug-in) perché occorrerebbe un autonomia maggiore (ai Saloni è stata però già presentata una Prius Plug-In). Si prevede che occorrano almeno un paio d’anni per lo sviluppo e la messa in serie di batterie di accumulatori più capaci e leggeri.

Soluzione avanzata Ibrida 4×4 (futura PEUGEOT 3008 ibrida 4×4): utilizza un motore a ciclo diesel per ridurre i consumi quando l’elettrico non può intervenire e, come già fatto con la LEXUS Rx 400h, la trazione posteriore è fatta solo dai motori elettrici (si risparmiano in questo modo i pesi, i costi e gli ingombri della trasformazione in 4×4 e di quella della trasmissione in parallelo). Resterà però una soluzione comunque piuttosto costosa.

Alternativa interessante attuabile da subito: si trasforma il motore di una soluzione intermedia tipo HONDA Insight da solo a benzina ad anche a GPL (vedi ad esempio trasformazioni ASSAUTO) in totale costerà meno di una tipo TOYOTA Prius ed in più per il carburante si spende quasi la metà e si inquina molto di meno senza particolari limiti sull’autonomia. Vedi anche future vetture Hyundai e KIA LPI Hybrid Electric Vehicle.

Possibile evoluzione ibrida in parallelo con l’utilizzo del cambio a doppie frizioni in ingresso (Dual o Twin Clutch già in uso per i cambi tipo VW DSG a 6-7 Velocità), una frizione può essere usata per poter scollegare il motore termico ed una per automatizzare il cambio con innesti elettro-idraulici (tipo Fiat DFN o Selectronic), posizionando il motore elettrico fra le frizioni ed il cambio in modo da ottenere una soluzione tipo Toyota parallel full Hybrid ma molto più economica (adatta anche per vetture tipo FIAT 500 America).

C) Uso di GAS (Metano e GPL) in alternativa al gasolio sui motori a ciclo Diesel.

E’ in uso dagli inizi degli anni ’70 su autobus (ed anche su autocarri) con normali motori diesel: aggiunge un carburatore aria/gas con valvola a farfalla in aspirazione (o di un sistema ad iniezione indiretta sequenziale di gas sempre con valvola a farfalla a monte) e mantiene l’iniezione di gasolio al minimo (10% circa) per l’accensione della miscela.
In Italia non sembra essere ammessa dalla vigente legislazione su automobili anche se aumenta le prestazioni in termini di potenza e di rendimento perché le caratteristiche chimiche dei GAS non possono essere ben sfruttate nei motori a benzina ma lo sono invece in quelli a ciclo diesel (a causa di un più elevato rapporto di compressione) e ne diminuisce fortemente l’inquinamento (rumore fino a 3 Decibel ed quasi nulle emissione di particolato Pm 5 e Pm 10).
Quest’ultimo sviluppo (“C”) è sempre stato bloccato nelle grandi case automobilistiche dalla non grande convenienza economica (il sistema risulta alquanto più costoso delle tradizionali trasformazioni a GAS di motori a benzina) a svilupparlo per motori diesel veloci common-rail con turbo compressione dell’aria in ingresso che hanno spopolato recentemente sulle autovetture.
Potrebbe ora essere riproposto sia dai ridotti costi dei GAS rispetto al gasolio che per il problema della necessaria riduzione delle emissioni che diverrà più drastica con l’introduzione dei futuri livelli di legge EURO 5 ed EURO 6 soprattutto per motori a ciclo diesel.
Con la definitiva messa in serie dei sistemi tipo FIAT Multi Air (punterie idrauliche per il comando valvole con perdita di olio controllata da elettronica) per le valvole di ammissione o sistemi analoghi, si potrà controllare la quantità di miscela in ingresso al motore probabilmente eliminando la farfalla (con le relative perdite di carico sui motori a benzina) e dunque probabilmente anche sui futuri motori turbo a ciclo diesel common rail alimentati a GAS (Soluzione “C”).

Per maggior chiarezza si delinea una proposta per una Power-Line ibrida Diesel-GPL (o benzina turbo – GPL) con motore elettrico per automobili meno inquinanti tenendo presente che già oggi il gruppo VW ha un motore diesel a tre cilindri da 1,4 litri di cilindrata e che sia il gruppo BMW che quello Mercedes stanno puntando per il futuro su motori analoghi ed il gruppo FIAT potrebbe facilmente inserirlo fra il nuovo 2 cilindri da 0,9 litri ed il 4 cilindrida 1,8 litri utilizzando la stessa componentistica.

Motore termico trasversale derivato dal Motore a 4 cilindri in linea Diesel 2,0 litri con controllo valvole tipo Multi Air ma ridotto a 3 cilindri (1,4 litri) per contenere la larghezza totale con il cambio (potenza normale di 60-95 kW, con biturbo fino a 110-120 kW) trasformato per l’uso di miscela di Gasolio-GPL per ridurre inquinamento (acustico -3 dB(A) / CO2 -30% / NOx -15% / Fumosità -70%) usando almeno il 66% di GPL ed aumentando così l’autonomia a GPL del 50% (autonomia da 600 km circa). Se non fosse possibile quanto sopra (Soluzione C) si potrebbe almeno usare un tre cilindri benzina turbo della stessa cilindrata derivato da un motore benzina da 2 litri trasformato per l’uso GPL, innalzando il rapporto di compressione sotto controllo elettronico tramite la regolazione del turbo compressore quando si usa il GPL e non la benzina per ottenere analoghi vantaggi.

Serbatoio GPL toroidale in sostituzione del ruotino di scorta.

Motore da 20 kW (potenza specifica min > 15 kW/ton) per un possibile uso solo elettrico fino a 50-60 km/h di velocità massima con l’uso del cambio automatizzato per una ripresa accettabile.

Cambio automatizzato ad almeno 6 marce, con doppia frizione in entrata: una per il distacco del motore termico ed una per il cambio robotizzato con il motore elettrico direttamente collegato al disco conduttore delle frizioni (posizionato fra le frizioni ed il cambio). Possibile retromarcia solo elettrica.

Batterie degli accumulatori elettrici con autonomia solo in modalità elettrica di almeno 30-50 km con possibilità di ricarica domestica (plug-in), poste anche sotto e fra i sedili anteriori oltre che sotto quelli posteriori con serbatoio diesel/benzina di dimensioni ridotte (35 litri).

Scritto da Alberto Brambilla


Esempio di Power-Line ibrida Diesel-Elettrica in parallelo per Autocarro leggero tipo IVECO Daily (3,5-5,0 ton di PTT).


Schema similare potrebbe essere facilmente adattato ad autovetture anche aggiungendo l’uso del GPL con serbatoio al posto della ruota di scorta come già fatto dalle Hyundai/Kia LPI Hybrid Electric Vehicle.

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