Sviluppo di un motore a idrogeno innovativo
Un istituto di ricerca tedesco sta lavorando su argomenti di ricerca connessi a nuovi concetti e tecnologie di veicoli, come il motore a idrogeno. In particolare, le attività dell’ente spaziano dalle considerazioni concettuali alla simulazione e progettazione, alla costruzione di prototipi e di veicoli per attività di ricerca. L’attività dell’ente è focalizzata anche sull’uso dell’idrogeno come futuro vettore energetico e sulla fornitura di energia elettrica attraverso celle a combustibile a livello di veicolo. Per questa ragione, attualmente cerca partner industriali con esperienza nella compressione e nell’espansione dell’idrogeno. La cooperazione è indirizzata a sviluppare un primo dimostratore per il loro concetto innovativo basato sull’espansione dell’idrogeno. Questo prototipo servirà come convalida sperimentale dei calcoli teorici e delle simulazioni già eseguiti con successo.
Focus sullo stato dell’arte
Nei veicoli elettrici a celle a combustibile, l’idrogeno gassoso viene immagazzinato in serbatoi a pressione fino a 700 bar, mentre nella pila di celle a combustibile sono richieste pressioni di soli 1-3 bar. I veicoli attuali utilizzano semplici riduttori di pressione con modifiche della sezione trasversale per ridurre il livello di pressione. Uno svantaggio di questa soluzione è che un’enorme quantità di energia rilasciata da questo processo di espansione viene persa mentre potrebbe essere utilizzata per alimentare il veicolo. Esistono soluzioni come i motori di espansione associati al generatore che possono essere implementati nel propulsore a idrogeno per affrontare questa sfida. La loro implementazione può migliorare sia l’efficienza dal pozzo alla ruota del veicolo a celle a combustibile sia l’efficienza del sistema del gruppo propulsore.
Soluzione proposta dall’ente di ricerca tedesco
Il concetto innovativo sviluppato dall’ente ruota intorno ad un motore di espansione con un generatore elettrico. Nel dettaglio, il sistema funziona così:
- il motore di espansione converte l’energia di depressurizzazione dell’idrogeno in energia cinetica. È accompagnato da un generatore che converte l’energia cinetica in energia elettrica.
- L’elettronica di potenza collegata con un convertitore di tensione garantisce l’alimentazione di energia elettrica alla batteria o al motore elettrico.
Al fine di valutare l’aumento dell’efficienza ottenuto utilizzando il motore di espansione, ha eseguito calcoli e simulazioni approfonditi. Inoltre, l’ente ha effettuato la valutazione facendo riferimento a diverse piattaforme di veicoli (automobili, camion, treni e navi) e in vari profili di guida o di carico. Queste simulazioni tengono conto anche delle perdite di energia che si verificano durante il processo di espansione.
Vantaggi e innovazioni connessi alla tecnologia
Con l’uso del sistema di espansione del motore a idrogeno, l’efficienza del sistema complessivo, che integra il motore a combustione a celle a combustibile, idrogeno o gas naturale, è aumentata. Ciò si traduce in una maggiore quantità di energia utilizzata dalla stessa quantità di gas immagazzinato, con conseguente aumento dell’autonomia del veicolo o riduzione del consumo di carburante. Di conseguenza, questa tecnologia promuove un funzionamento efficiente in termini di risorse. Inoltre, il motore di espansione a idrogeno ha il potenziale per migliorare significativamente l’efficienza well-to-wheel recuperando energia dalla differenza di pressione tra la pressione del serbatoio e la pressione di esercizio del sistema di celle a combustibile. Questa tecnologia non solo migliora l’efficienza dell’approvvigionamento energetico basato su celle a combustibile, idrogeno e gas naturale, ma può anche essere applicata in applicazioni stazionarie e in altri settori come l’edilizia o l’approvvigionamento energetico decentralizzato.
Potenziali applicazioni della tecnologia
Il potenziale di mercato della tecnologia nel settore dei veicoli a idrogeno può essere stimato analizzando il numero di sistemi a celle a combustibile con serbatoi di idrogeno pressurizzati che saranno venduti nei prossimi anni. L’ente presume che ciascuno di questi sistemi potrebbe essere dotato in futuro di un sistema di espansione del motore a idrogeno. Le proiezioni indicano che entro il 2035 potrebbero esserci quasi 400.000 veicoli a celle a combustibile venduti in tutto il mondo, tutti potenzialmente equipaggiati con l’invenzione descritta. Questa stima non considera ancora le ulteriori applicazioni nei sistemi mobili e fissi basati su idrogeno e gas naturale con motori a combustione, che aumenterebbero ulteriormente il potenziale di mercato in modo significativo.
Ricerca partner di sviluppo
L’istituto sta cercando esperti nella compressione e nell’espansione dell’idrogeno per costruire un prototipo e portarlo alla maturità del mercato. Nell’ambito della cooperazione anche il motore sarà ottimizzato e adattato ad ulteriori applicazioni. La cooperazione può avvenire nell’ambito di un accordo di ricerca e sviluppo o di un accordo di cooperazione tecnica.
Specifiche tecniche e competenze richieste
In un’ampia indagine preliminare, le macchine a pistoni alternativi o lineari sono state identificate come tecnologie adatte per il motore di espansione poiché sono in grado di gestire intervalli di pressione elevati a flussi di massa relativamente bassi. le macchine in streaming, come le turbine, sarebbero soggette a velocità irrealisticamente elevate anche con un’espansione a più stadi, rendendole inadatte alle condizioni date. Tuttavia, le turbine diventano molto importanti per l’aspetto dell’ingegneria di processo delle applicazioni dei compressori d’aria. Implementando un bypass con un riduttore di pressione a monte, è possibile utilizzare pressioni inferiori e impiegarle per scopi di compressione dell’aria. Pertanto, a seconda dell’applicazione specifica, sia le macchine alternative che quelle a flusso sono opzioni valide.
L’istituto è alla ricerca di aziende industriali con esperienza nella compressione ed espansione dell’idrogeno in macchine alternative e/o in streaming per costruire un primo dimostratore che serva come validazione sperimentale dei calcoli teorici e delle simulazioni già eseguiti con successo. L’obiettivo è sviluppare ulteriormente la tecnologia attraverso un accordo congiunto di ricerca e sviluppo fino a quando non sarà pronta per il mercato. L’azienda ricercata dovrebbe disporre delle attrezzature di produzione per costruire un dimostratore fisico e del know-how per selezionare materiali adatti alle condizioni operative del motore di espansione. Attraverso l’accordo di cooperazione tecnica, il motore di espansione sarà continuamente ottimizzato e adattato per ulteriori applicazioni, come la compressione dell’aria catodica delle celle a combustibile. Lo sviluppo della tecnologia mira ad essere altamente orientato all’applicazione e flessibile. La collaborazione dovrebbe essere stabilita attraverso progetti finanziati a livello internazionale, ma può anche avvenire attraverso accordi bilaterali.
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