Il Gruppo PUNCH ha anche investito in modo significativo nello sviluppo della tecnologia dell’idrogeno, con diversi articoli pubblicati negli ultimi anni ad importanti congressi, simposi e riviste internazionali per descrivere i risultati tecnici raggiunti da PUNCH nel campo. [1-5]
Partendo da tale esperienza, nel presente articolo vorremmo presentare lo studio del ‘Powerpack ICE’ alimentato a idrogeno puro (‘mono-fuel’) oppure in combinazione con diesel (‘dual-fuel’) applicato alle macchine fuoristrada, in particolare ai gruppi elettrogeni (spesso chiamati con il termine inglese GenSet) come quelli utilizzati nell’industria delle costruzioni.
Questo campo di applicazione è caratterizzato da un ambiente particolarmente ‘difficile’, e dalla necessità di fornire un’estrema affidabilità nel motore stesso e nell’alimentazione del carburante.
In questo contesto, può essere di particolare interesse la possibilità di utilizzare l’ICE idrogeno-diesel ‘dual-fuel’ PUNCH Hydrocells in combinazione con il sistema ibrido PUNCH Flybrid di recupero cinetico dell’energia (KERS), come punto di equilibrio tra l’affidabilità dell’approvvigionamento di carburante (il diesel può essere comodamente utilizzato come combustibile di riserva) e gli obiettivi di decarbonizzazione, raggiungendo interessanti livelli di riduzione della CO2.
Come illustra bene la Figura 1, grazie alla tecnologia ‘dual-fuel’ idrogeno-diesel è possibile ottenere grandi riduzioni di CO2 – proporzionali all’aumento del tasso di sostituzione dell’idrogeno – ed una riduzione esponenziale del particolato rispetto a un’applicazione di riferimento alimentata a diesel.
È anche relativamente conveniente adattare i motori esistenti con un kit di retrofit che includa i sistemi di stoccaggio e mandata del carburante, gli iniettori per idrogeno installati sul collettore di aspirazione e una centralina elettronica cosiddetta ‘slave’ per il controllo delle caratteristiche specifiche dell’idrogeno iniettato.
Con questa architettura flessibile ‘dual-fuel’, è possibile lavorare al 100% in modalità diesel in particolari situazioni, mantenendo le stesse prestazioni del motore Diesel originale.
Vediamo ora cosa limita il tasso di sostituzione dell’idrogeno sulla mappa del motore e come massimizzarlo!
Il tasso di sostituzione, chiamato in inglese ‘H2 Substitution Rate’ rappresenta la quota di energia totale immessa dall’idrogeno al posto del gasolio, rispetto all’energia totale immessa nel processo di combustione:
La Figura 2 mostra il tasso di sostituzione tipico trovato in letteratura, diagrammato in funzione del regime del motore e dell’IMEP.
Possiamo riconoscere che a basso carico la sostituzione è limitata dalla combustione lenta e dal ‘misfire’ – la mancata accensione causata da eccessiva diluizione -, mentre a carico elevato è limitata dalla tendenza alla preaccensione o da combustione troppo violenta; raggiunge quindi il livello massimo a carichi medi.
Il team di PUNCH ha svolto specifiche attività di sviluppo e simulazione per evidenziare ciò che limita il tasso di sostituzione, con l’obiettivo di abilitare ulteriori aumenti del tasso di sostituzione.
Ad esempio, a basso carico vengono simulate due calibrazioni con un tasso di sostituzione del 53% e dell’84% (Figura 3).
Il primo viene eseguito con iniezione a doppia pilota di diesel come il motore base di riferimento – ottenendo una combustione stabile e robusta della miscela di idrogeno -, mentre il secondo si ottiene mantenendo solo la prima pilota – portando a una combustione più debole e a una minore efficienza di combustione.
Nel complesso, le emissioni di NOx e PM sono ad un buon livello, con i migliori risultati raggiunti con un tasso di sostituzione dell’84%, un miglioramento del 31% rispetto al base!
I risultati dell’ampia attività di simulazione descritta hanno generato una mappa di sostituzione che è possibile vedere nella Figura 4 (in alto).
Questa mappa sarà la base per gli studi ‘GenSet’ ‘dual-fuel’ riportati nel prosieguo dell’articolo.
Per una calibrazione ben adattata, è visibile un’ampia area con un picco intorno al 95-97% e coerente con i risultati della letteratura discussi nell’introduzione, con alcuni miglioramenti a basso e alto carico grazie alle specifiche ottimizzazioni di PUNCH Hydrocells.
La Figura 4 (in basso) riporta invece le curve di potenza e coppia dei due motori che saranno considerati come motori primi per lo studio applicativo ‘GenSet’:
- un motore ‘standard’ da 6,6ℓ, funzionante a velocità fissa di 1500 giri/min (uscita di tensione a 50 Hz)
- un motore 3.0ℓ ‘downsized’, funzionante a velocità variabile di 1000-3000 rpm con uscita di tensione fissa a 50 Hz. In entrambi i casi sono dotati di un generatore elettrico da 106 kW / 130 kVA.
Il ‘downsizing’ del motore ‘standard’ è reso possibile dall’utilizzo del modulo PUNCH Flybrid KERS, che può tenere conto di improvvisi aumenti di potenza richiesti dal carico esterno senza causare un calo di frequenza inaccettabile.
Il volano PUNCH Flybrid può anche compensare le limitazioni note nel raggiungimento di una buona risposta ai transitori utilizzando motori alimentati a gas, incluso l’idrogeno.
Nella Figura 5 (in alto), il layout elettromeccanico del ‘GenSet’ ibrido dotato di KERS è mostrato nelle cosiddette configurazioni ‘completamente integrate’, in cui l’elettronica di controllo gestisce la quota di energia tra il motore e il volano.
In realtà, il supporto di potenza del sistema PUNCH Flybrid, basato sull’energia cinetica recuperata, è così efficace che il ‘GenSet’ ibrido da 3,0ℓ ridimensionato può fornire una risposta migliore rispetto al ‘GenSet’ standard non ibrido dotato del motore standard 6.6 ℓ, come visibile in Figura 5 (in basso): questa qualità è un punto critico vincente della tecnologia PUNCH Flybrid, in quanto consente l’affidabilità a lungo termine dei carichi collegati grazie a oscillazioni minime di tensione/frequenza.
Al fine di dimostrare le affermazioni di cui sopra in diversi casi reali, è stato impostato ed eseguito un piano di simulazione, i cui risultati principali sono riportati nella Figura 6 per due casi interessanti: la ‘gru’ (indicata come ‘Crane’ nelle figure in inglese) e lo ‘spaccapietre’ (indicato come ‘Rock-sizer’), caratterizzati da diverse missioni e contrastanti nei profili di carico.
In particolare, quella della ‘gru’ è caratterizzata da una distribuzione binaria del carico, mentre quella dello ‘spaccapietre’ è distribuita in modo più uniforme su un’ampia gamma di requisiti di potenza (da inattivo a potenza nominale).
Tali differenze possono aiutare a valutare la robustezza della tecnologia ibrida idrogeno-diesel ‘dual-fuel’ attraverso lo spettro delle tipiche applicazioni reali.
Ora – grazie alla mappa di sostituzione del carburante della Figura 4 e ai profili di ciclo della Figura 6 – è possibile stimare il consumo orario di carburante confrontando tutte le configurazioni sia per le applicazioni ‘gru’ che per quelle ‘spaccapietre’ (Figura 7).
Partendo dalla configurazione standard solo diesel, possiamo notare che il vantaggio del ridimensionamento e dell’ibridazione del motore primario – incluso il recupero di energia cinetica eseguito dal sistema PUNCH Flybrid – è di circa il 13/14% di riduzione del consumo di carburante per entrambi i ‘case studies’.
Quando l’analisi viene estesa al rifornimento di idrogeno, grazie alla tecnologia PUNCH Hydrocells, i vantaggi del funzionamento ibrido e del ‘downsizing’ del motore principale sono ancora presenti e contribuiscono ancora di più a ridurre i costi di esercizio, in quanto l’idrogeno è un combustibile relativamente costoso.
Con i dati sul consumo di carburante ora disponibili, è possibile stimare il ‘Total Cost of Ownership’ (TCO) – ovvero il costo totale di mantenimento comprensivo di costo di capitale, manutenzione e di combustibile – a 10 anni per le varie opzioni studiate, considerando una data di commercializzazione un possibile MY24.
Il parametro che sarà probabilmente più volatile nel prossimo decennio è il prezzo dell’idrogeno, per il quale sono stati considerati 3 casi secondo le informazioni di ‘benchmarking’ e letteratura (da 2,5 €/kg a 7 € / kg nel periodo di tempo pertinente).
Come si può vedere, il contributo dell’idrogeno al TCO può spostare il saldo fino a 200k € in 10 anni e trasformare il confronto con il motore diesel di base in positivo o negativo.
Le opzioni ibride, grazie al loro miglioramento dell’efficienza, tendono ad essere una scelta robusta rispetto alle diverse ipotesi di costo dell’idrogeno.
La Figura 8 (a sinistra) riporta la sensibilità a una ‘carbon tax’ nel settore ‘GenSet’ con 3 diverse ipotesi: 0; 50 e 100 EUR per tonnellata di CO2 è stata considerata nello studio utilizzando l’ipotesi dei prezzi dell’idrogeno ‘medi’: la soluzione ibrida da 3,0 ℓ è l’opzione più favorevole principalmente in caso di elevata tassa sul carbonio.
Infine, concludiamo la nostra revisione analizzando il caso nominale con ‘carbon tax’ di 50€/ton e il prezzo medio H2 combinando sia l’analisi del TCO che il potenziale di decarbonizzazione per ciascuna delle configurazioni studiate come illustrato nella Figura 8 (a destra).
Il TCO più basso è con configurazione ibrida Diesel ma con un vantaggio di decarbonizzazione piccolo. D’altra parte, l’opzione di decarbonizzazione più efficace è l’ibrido a idrogeno al 100% con un TCO molto vicino a quelli ibridi diesel.
La tecnologia ‘dual-fuel’ di PUNCH Hydrocells ha una potenziale riduzione di CO2 dell’80% con un TCO vicino all’opzione ibrida diesel che mantiene il gasolio come back-up (un vantaggio abbastanza importante durante la costruzione dell’infrastruttura dell’idrogeno).
Conclusioni
In conclusione, vorremmo riassumere i seguenti risultati:
- I ‘GenSet’ costituiscono un campo promettente per gli ICE a idrogeno, al fine di raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione fissati dall’Accordo di Parigi e dal piano UE ‘Fit-for-55’;
- l’alimentazione a idrogeno può essere perseguita sia come mono-combustibile che come idrogeno-diesel ‘dual-fuel’: quest’ultimo ha il vantaggio del ‘back-up’ del carburante diesel per le applicazioni remote dell’utente finale;
- la combustione ‘dual-fuel’ idrogeno-diesel è stata studiata da PUNCH Group (PUNCH Hydrocells e PUNCH Torino) attraverso un’ampia simulazione e le mappe di sostituzione ottimizzate messe a disposizione per le analisi dei cicli;
- due tipi di ‘GenSet’, un motore primario standard da 6,6 ℓ e un ibrido ‘downsized’ da 3,0 ℓ, sono stati considerati e accoppiati alle applicazioni ‘Gru” e ‘Spaccapietre’;
- le opzioni 3.0ℓ Ibrida (diesel, ‘dual-fuel’ e ‘mono-fuel’ H2), grazie al loro miglioramento dell’efficienza, tendono ad essere la scelta più robusta rispetto alle diverse ipotesi di costo dell’idrogeno in termini di TCO a 10 anni, con il 3.0 ℓ H2 ibrido che è l’opzione di decarbonizzazione più efficace.
Tratto da Auto Tecnica n.475 – Testo di Alberto Lorenzo Vassallo e Francesco Concetto Pesce – Punch Torino
Bibliografia
[1] R. Golisano, A. Vassallo, PUNCH Group – M. Ferrera, Landi Renzo Group, ‘H2 ICE: a sustainable powertrain for reaching net zero carbon emissions’, key-note lecture al Congresso ICE SAE 2021 di Napoli (Italia), 14-17 Settembre 2021
[2] R. Golisano: ‘Hydrogen ICE – an appealing value proposition for sustainable mobility’, presentato al Sustainable ICE Symposium, 28-30 Giugno 2021
[3] R. Golisano, A. Vassallo, F. Pesce et al. ‘PUNCH Hydrogen Internal Combustion Engine & KERS: an Appealing Value-Proposition for Green Power Pack’, presentato al 42° Vienna Motoren Simposium, 28-30 Aprile 2021
[4] F. Millo, A. Vassallo, F. Pesce et al. ‘Ultra-lean Combustion System Optimization for H2-fuelled ICEs via Synergistic Application of 1D- and 3D-CFD’, presentato a SIA Powertrain Paris, 28-30 Giugno 2021
[5] R. Golisano, A. Vassallo, F. Pesce et al. ‘PUNCH H2-ICE & Flybrid KERS for decarbonizing off-highway applications’, presentato al 30° Aachener Kolloquium, 4-6 Ottobre 2021
