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Elettrico o

purché ant

di Claudio Minero

Targhe alterne, zo-ne a traffico limita-to, fasce orarie, re-strizioni alla circola-zione per veicoli inqui-nanti o che non rispon-

dono ai nuovi criteri di emis-sione tipo euro 4: la nostravita in città è sempre piùcondizionata dalle misureantitraffico e antinquina-mento. Ma nonostante iprovvedimenti restrittivi iltasso di inquinamento restaalto e la nostra salute è sem-pre più a rischio. Mentre applicano queste mi-sure, le amministrazioni co-

munali cercano di dare l’e-sempio e arricchiscono il lo-ro parco auto e bus con vei-coli non inquinanti, tra iquali quelli elettrici o a“propulsori ibridi”. Anchemolte aziende, sia pubbli-che sia private, si stanno do-tando di veicoli a energiaelettrica.Il veicolo elettrico infatti sa-rebbe la soluzione ottimaleper la mobilità urbana, inquanto è l’unico che non haemissioni. Esso inoltre bensi adatta ad essere integratonei nuovi concetti di gestio-ne del traffico, come i siste-mi automatici per l’affittoauto, o i bus a bassa emis-sione nei servizi pubblici.Ma gli ostacoli da superare

Negli Usa i veicoli a doppio propulsore (un motore elettrico combinato con un altro tipo di propulsore) destano un crescente interesse delle caseautomobilistiche. Qui vediamo alcuni prototipi presentati in un’apposita manifestazione, il “Test do Sol”.

Dis

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MOTORI

Mentre le amministrazioni comunali combattono contro l’inquinamento del traffico, la ricerca fa la sua parte e sta perfezionando il veicolo ideale

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ibrido

ismog

per una sistematica adozio-ne di veicoli elettrici sonoancora molti e i ricercatorisono al lavoro per trovaresoluzioni in grado di supe-rarli.Prendiamo per esempio ilproblema dell’immagazzi-namento di energia. Tra lepossibili soluzioni c’è quel-la dello sviluppo di nuovi ti-pi di batterie oppure di me-todi alternativi per il tra-sporto della “riserva dienergia” necessaria al vei-colo elettrico, come l’uso diidrogeno come vettore ener-getico.Le batterie possono avereun progresso tecnico edeconomico rilevante a brevee medio termine, con signi-

ficative possibilità a livellodi mercato. Sono già in vendita, o lo sa-ranno a breve, nuovi tipi dibatterie, come le batterie adalta temperatura, a nichel-metallo idruro, e al litio.Per la loro alta densità dienergia (70 Wh/kg perNiMH e 125 Wh/kg per Li)esse sono più adatte dellebatterie tradizionali (40Wh/kg per Pb e 60 perNiCd ) per essere usate sumezzi mobili, permettendouna autonomia fino a oltre250 chilometri. Va sottoli-neato che più una batteriapesa, più parte dell’energiaimmagazzinata in essa deveessere usata per trasportarela batteria stessa.

La via realizzabile a breve per l’u-tilizzo di motori elettrici è quelladi propulsori ibridi, che combinanoun motore elettrico con altri tipi di pro-pulsori/generatori, come motori a com-bustione interna, turbine a gas, o celle acombustibile. Il vantaggio principale di

tale combinazione è l’interazione permanentetra un sistema elettrico, altamente efficiente, eun motore termico (poco efficiente dal puntodi vista termodinamico) o una cella a combu-stibile (più efficiente e con possibili minoriemissioni). Ne deriva un’elevata autonomia,riduzione di consumi e minore emissione. Lebatterie, ma anche i super condensatori, hannoun ruolo importante come riserva di potenza.Per la loro doppia anima, i veicoli ibridi pos-sono funzionare solo ad elettricità quando ri-chiesto, come è il caso di ambienti urbani do-

Local authorities are introducingelectric or hybrid public vehicles tocontrast the increasing pollution causedby means of transportation. Followedby public and private firms. In principleelectric vehicles are the ideal solutionbut there are still logistic problems tobe solved, such as battery life. Inpractice, for the time being, hybridengines (combining an electric systemand a thermic engine) are more viable,where fuel and emission savings canreach 20-30%. In the long term electricvehicles powered by fuel cells are themost interesting technology. Howeverthe problem posed by the hydrogenstorage must be efficiently solved first,as in-situ H2 generation has not stillbeen developed for the automotiveindustry. Energy production is thenprovided by the Polymeric ExchangeMembrane, PEM fuel cell, consideredby many as the most suitable for mobileapplications. Within the Environment Park in Turin, thePedemont Region and the EU arefinancially supporting the HydrogenSystem Laboratory, a centre ofexcellence for hydrogen-relatedtechnologies. Amongs its projectHysyrider- the first hybrid hydrogen-fuelled scooter.

Il prototipo della “Natrium”, il veicolo ibrido messo a punto dalla Daimler-Chryslere presentato alla manifestazione “Test do Sol”.

Summary

automobilistico con misure di limitazione : quello a trazione elettrica

I propulsori

ibridi,la via più breve

per “l’elettrico”

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ve è richiesta emissività zero. Essi possonousare combustibili convenzionali o rinnovabi-li. La tecnologia ibrida è facilmente adattabilea veicoli per uso pesante, come i bus urbani,permettendo una riduzione sia dei consumisia delle emissioni del 20-30%. Nuove appli-cazioni stanno ora emergendo sui veicoli leg-geri usando fuel cells nella combinazione ibri-da 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 unsistema di propulsione elettrico (conver-titore elettronico di potenza, motore omotori elettrici, differenziale, ruote) ali-mentato da uno o più sorgenti connessein parallelo (vedi schema a destra). Il si-

stema motore/generatore in questa configura-zione può essere rimpiazzato da una cella acombustibile: si ha quindi un propulsore ibri-do a fuel cell (per le quali si veda oltre).

2. Il sistema ibrido parallelo com-bina la trazione elettrica e la trazione conun motore a combustione interna (vedischema a destra). I due sistemi di trazio-ne sono accoppiati al livello della tra-smissione per il movimento delle ruote.

La caratteristica principale di questo sistema èil recupero di energia in frenata. Usando il mo-tore elettrico (di trazione) in modo reversibilecome generatore, l’energia meccanica del mo-tore o che deriva dalla decelerazione del vei-colo può essere convertita e immagazzinatacome energia elettrica per un uso successivo.La presenza di una batteria implica che ci deb-ba essere a bordo o fuori bordo un sistema diricarica. Ci sono ovviamente molte possibilitàdi combinazione costruttiva e operative, perottimizzare la coppia, i buchi di coppia, l’ela-sticità e la progressione del propulsore.

1- Serbatoio combustibile2- Motore3- Ruote4- Batteria

5- Convertitore6- Motore elettrico7- Cambio riduttore8- Differenziale

1- Serbatoio2- Motore3- Generatore4- Batteria

5- Carica batterie6- Convertitore7- Motore elettrico

3. La combinazione della struttu-ra ibrida serie con quella in paral-lelo porta al sistema combinato oserie-parallelo, descritto qui a destra, do-ve un cambio planetario è connesso a ungeneratore in configurazione ibrida pa-

rallela. Questo tipo di topologia è usato nellaben nota Toyota Prius. Questo propulsore hauna serie di possibilità per il controllo del flus-so di potenza e il consumo energetico. Il cam-bio planetario (7) divide la forza propulsivadel motore (2) in due: una parte muove le ruo-te (3), attraverso il divisore di coppia (7), el’altra aziona il generatore (9). L’energia elet-trica prodotta dal generatore è riconvertita inenergia meccanica attraverso il motore elettri-co (6) o immagazzinata nella batteria (4).

1- Serbatoio combustibile2- Motore3- Ruote4- Batteria5- Convertitore6- Motore elettrico

7- Sistema di divisione(split) della potenza(cambio planetario)8- Differenziale9- Generatore

MOTORI

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Le celle a combustibile trasfor-mano l’energia prodotta dallareazione di combustione in ener-gia elettrica, piuttosto che in calorecome fanno i motori a combustione in-terna, con alta efficienza, nessun o mo-derato rumore, poche o nulle emissioni

nel caso il combustibile sia idrogeno o una mi-scela ricca di idrogeno prodotta da reforming.Con idrogeno il gas di scarico è acqua. L’ener-gia elettrica generata viene usata nei veicoliper la propulsione (nello schema ibrido serie)e per l’alimentazione degli accessori elettrici.

I veicoli elettrici a

fuel cells:come funzionano

Elettrico o ibridopurché antismog

Tecnologie di hydrogen storage

La tecnica di immagazzinamentodi idrogeno è un punto critico perlo sviluppo della tecnologia, quandonon sia possibile avere a bordo un siste-ma di generazione. Nelle applicazioniautomotive o per altri veicoli di piccola

dimensione il sistema di generazione a bordonon è per ora possibile per problemi di spa-zio e peso. Ogni veicolo alimentato a idroge-no deve quindi avere a bordo un sistema diimmagazzinamento sicuro e capiente, perpermettere l’autonomia adesso raggiungibilecon i veicoli ad alimentazione tradizionale,senza limitazioni eccessive di passeggeri, dispazio di carico o di peso. Questo è un pro-blema di difficile soluzione a causa della bas-sa densità di immagazzinamento dell’idroge-no. La sua soluzione è la chiave per lo svilup-po della produzione di massa dei veicoli afuel cells.La soluzione più semplice per l’uso di fuel

cells è l’uso diretto di idrogeno, in quanto ta-le scelta evita la necessità di un reformer abordo, che a sua volta produce CO2 e altrisottoprodotti che limitano in parte i vantaggiche si potrebbero ottenere dalla tecnologia.Tuttavia questo implica che si trovi un siste-ma di immagazzinamento ragionevolmentepiccolo e leggero, e che rilasci idrogeno ra-pidamente e alla velocità richiesta per il con-sumo. Sebbene l’idrogeno immagazzinimaggiore energia su base ponderale di ognialtro combustibile (circa 3 volte di più dellabenzina), è difficile immagazzinarlo in unserbatoio, per la sua diffusività ed esplosi-vità.A) La soluzione più semplice è l’immagaz-zinamento in bombola come gas compresso.Esso viene immagazzinato come il gas natu-rale, in bombole di acciaio, alluminio o le-ghe composite, e il “pieno” viene fatto comeper il metano e in tempi simili. Le bombolesono cilindriche per avere una buona distri-buzione della pressione lungo le pareti dellastessa. Per incrementare la quantità di idro-geno immagazzinato, e quindi l’autonomia,si può: 1) aumentare la pressione (fino a 700bar), ma questo richiede contenitori più co-stosi e pesanti, con costi maggiori di com-pressione ed eventuali problemi di sicurez-za; 2) usare basse pressioni con contenitoridi maggior volume, che possono essere co-munque pesanti e che occupano maggiorespazio nel veicolo.B) L’idrogeno liquido (LH2) è attualmente ilmetodo più usato per l’immagazzinamentofuori bordo per l’alta densità di energia del-l’idrogeno liquido. Tuttavia il processo di li-quefazione dell’idrogeno è molto costoso acausa del punto di ebollizione molto basso.

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L’idrogeno liquido richiede inoltre conteni-tori con altissimo isolamento termico perevitare la perdita per ebollizione. Le bassetemperature devono inoltre essere mantenutedurante il riempimento del serbatoio (chepuò portare a perdite del 25% come gas) edurante lo stoccaggio (almeno 1% perso algiorno). C) Sono ancora allo stato di ricerca di basealtre tecnologie per l’immagazzinamento,come l’adsorbimento allo stato solido, i na-notubi di carbonio e gli idruri. Tutti questimetodi hanno potenzialmente la possibilitàdi alta densità di energia immagazzinata perunità di volume e peso rispetto all’idrogenoliquido e compresso. Gli idruri allo stato so-lido immagazzinano e rilasciano H2 per as-sorbimento/desorbimento. Tuttavia i metalliche possono formare idruri sono normal-mente pesanti, dando solo un 1-1,5% di idro-geno come frazione in peso, e sono costosi(si veda Pd). I metalli più leggeri e meno co-stosi richiedono invece alte temperature ope-rative per il desorbimento, non praticabili inveicoli a fuel cells.Le nanostrutture a base di carbonio, come fi-bre di grafite con configurazioni molto intri-cate e ad alta rea superficiale, possono assor-bire idrogeno per più di 1/5 del loro peso.Tuttavia questi risultati sono per ora limitatiad esperimenti di laboratorio.La tecnologia basata su idruri di boro, sodioe calcio (si noti elementi leggeri) produceidrogeno per reazione con acqua in un reat-tore catalitico opportuno e i prodotti di rea-zione possono essere riciclati per un riuso. Ilsodio boroidruro (NaBH4) ha la capacità diimmagazzinare il 10,3% in peso del materia-le come idrogeno. La reazione base di pro-duzione è la seguente:NaBH4 + 2 H2O ➝ NaBO2 + 4 H2La concentrazione iniziale di NaBH4 in acquastabilizzata con 1-3% di NaOH è solitamente20-35%. La reazione con l’acqua è catalizzatada catalizzatori brevettati che produconoistantaneamente H2. Il borace prodotto rima-ne solubile in acqua e può venir riciclato alsuccessivo “pieno” del serbatoio. La tecnolo-gia ha molti vantaggi rispetto all’idrogenocompresso: a) la soluzione non è infiammabi-le e con basso impatto ambientale quando ac-cidentalmente dispersa nell’ambiente; b) ilborace può venir riciclato per la produzione dinuovo idruro; c) il volume richiesto per il ser-batoio non abbisogna di molto spazio (moltominore di quello delle bombole, anche semaggiore di un normale serbatoio a benzina,per le usuali autonomie dei veicoli).

La generazione di energia

Le celle a combustibile con mem-brana a scambio protonico (Poly-meric exchange membrane, PEM fuelcell) usano una membrana a elettrolitasolido che scambia protoni come illu-strato in basso. Esse funzionano a tem-peratura relativamente bassa (80-120°C)

e sono ritenute da molti le più adatte per appli-cazioni mobili e automotive. Esse richiedonouna riserva di idrogeno on board, come gasidrogeno, o gas ricchi di idrogeno generabili abordo da combustibili liquidi come metanolo,idrocarburi convenzionali come benzina e die-sel, o riserva di idrogeno in forma di compostiinorganici riusabili.

Elettrico o ibrido

Sopra: cella a combustibile ditipo PEM.

A lato:stack di celle acombustibile da20 celle conpotenza 500W,tensione 20V, I=500/20=25 A

(Concessione delEnvironmentPark Torino).

MOTORI

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Una singola cella, come quella nello schemaqui sopra, viene abbinata ad altre per farequello che si chiama uno stack. Esso riuniscepiù celle con lo scopo di ottenere tensione piùelevate di una singola cella e ovviamente piùpotenza. La fotografia della pagina accantomostra uno stack di bassa potenza per appli-cazioni mobili.

Il parco tecnologico EnvironmentPark a Torino, con il sostegno dellaRegione Piemonte e della Città di Tori-no, e il co-finanziamento dell’UnioneEuropea, ha avviato il progetto HysyLab (Hydrogen System Laboratory)(www.hysylab.com), centro di eccellen-

za sulle tecnologie dell’idrogeno. Il progetto è stato concepito come centro diaggregazione del Sistema Piemonte Idrogenoe dei soggetti operanti nel settore, come labo-ratorio di supporto alle aziende di medie epiccole dimensioni e come centro di forma-zione per futuri tecnici operanti nel settoredella ricerca applicata. Tra progetti sviluppati da Envipark ci sono:Micro CHP - Sviluppo dell’unità fuel cell mi-cro-CHP; Celco Yacht - Sviluppo di un siste-ma a fuel cell per l’alimentazione di motoriausiliari e la propulsione di imbarcazioni daturismo; Microcell - Sviluppo di micro fuelcell a metanolo ed etanolo per applicazionimobili; Hydrogen School - progettazione erealizzazione di laboratori didattici sulla filie-ra dell’idrogeno; H2.006 - Sviluppo di inizia-tive dimostrative nella cornice dei GiochiOlimpici Invernali di Torino 2006; Hysyrider- primo scooter ibrido a idrogeno che vedia-mo qui a lato.

La DaimlerChrysler ha sviluppatoun prototipo, chiamato “Na-trium’’, in cui l’idrogeno è prodotto dasodio boroidruro (NaBH4). Tutto il ne-cessario può essere collocato nel pavi-mento veicolare (come mostra lo spac-cato) ed evita l’ingombro in cabina del

serbatoio, permettendo allo stesso tempo unaautonomia competitiva.

Il propulsore della Natrium consiste di un si-stema di trazione con 82 kW di potenza mas-sima, una batteria di 40 kW a ione-Li, e un ge-neratore a fuel cell di 54 kW. Con 166 L dicombustibile al 20% come concentrazione disodio boroidruro, la Natrium può viaggiare500 km. La vettura ha anche prestazioni ac-cettabili (accelerazione 0-100 kmh in 16 s) euna velocità massima di 130 km/h.Queste prime realizzazioni sono incoraggian-ti, ma sottolineano che i progressi da fare so-no ancora molti prima di arrivare a un parcoveicolare a bassa emissione.

Claudio MineroDipartimento di Chimica analitica,

Università di Torino

ProgettoHYSYRIDER.Assemblaggio etest di unoscooter (1kW) a celle acombustibile.

In basso: vista delladisposizione del propulsore a fuel celldel prototipoNatrium dellaDaimler-Chrysler.

purché antismog