Un ciclomotore elettrico con un’autonomia di 150 chilometri (90 miglia) che fa rifornimento in meno di un minuto? Con una cella a combustibile e un serbatoio di idrogeno che fungono da range extender, ciò è fattibile.
La conferma di ciò può essere trovata in uno studio congiunto intitolato “Pocket Rocket H2” intrapreso dall’università DHBW e SOL Motors a Böblingen, in Germania.
Le biciclette elettriche e gli e-scooter sono già diventati parte del paesaggio urbano. Ora i ciclomotori si stanno avvicinando alla propulsione elettrica. Nell’autunno di quest’anno verrà lanciato sul mercato l’accattivante Pocket Rocket della startup SOL Motors.
Il modello elettrico a batteria è disponibile in due versioni con velocità massima di 45 km/h (28 mph) o 80 km/h (50 mph). In entrambi i casi l’autonomia è compresa tra 50 e 80 chilometri e sono necessarie circa tre ore per ricaricare la batteria da una presa domestica. Questo di solito è del tutto sufficiente per guidare il Pocket Rocket nel tragitto quotidiano verso il lavoro.
Tuttavia, ci sono anche circostanze in cui un motociclista vorrà ricaricarsi rapidamente e viaggiare più lontano. Ad esempio, l’uso dei ciclomotori può essere previsto in situazioni di risposta ai disastri in cui sarà necessaria un’autonomia maggiore insieme a una disponibilità continua. Condizioni che possono essere soddisfatte da un veicolo a celle a combustibile.
Veicoli elettrici: batteria o cella a combustibile?
Al momento, la stragrande maggioranza dei veicoli elettrici in tutto il mondo, dagli scooter elettrici ai veicoli commerciali leggeri, sono alimentati da batterie. Una cella a combustibile entra in gioco solo se sono richieste potenze più elevate e grandi quantità di energia. Esempi tipici sono i veicoli pesanti, i treni, le navi o gli aerei. Poiché il serbatoio dell’idrogeno e la cella a combustibile sono separati, ciò significa che la quantità di energia e la potenza erogata sono disaccoppiate in un sistema di alimentazione a celle a combustibile. Ciò offre un maggiore grado di libertà in termini di disposizione del sistema, anche per i veicoli più piccoli.
Un sistema di alimentazione a celle a combustibile non può rinunciare completamente alla batteria poiché è necessaria per l’avvio del sistema e per la rigenerazione. Esistono diversi modi per configurare la batteria in combinazione con la cella a combustibile: se l’intera potenza motrice viene fornita dalla batteria, la cella a combustibile funge solo da range extender. Quasi il contrario sarebbe l’opzione secondo cui la propulsione verrebbe fornita esclusivamente dalla cella a combustibile e verrebbe utilizzata una piccola batteria di avviamento in grado di immagazzinare temporaneamente l’energia di frenata. Se entrambe le fonti di energia funzionano insieme, si parla di funzionamento ibrido.
Di conseguenza, il progetto Pocket Rocket H2 si è concentrato inizialmente sulla questione della configurazione poiché veicoli comparabili non sono (ancora) sul mercato. Punto di partenza per i calcoli è stato il ciclo di prova definito nella Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Procedure o WLTP che, insieme ai dati del veicolo per il Pocket Rocket (versione con massimo 45 km/h), fornisce la potenza e l’energia dalla fig. 2. Di conseguenza, si è deciso di optare per una cella a combustibile come range extender.
Vantaggi di un range extender con celle a combustibile
Quando una cella a combustibile viene utilizzata come range extender, il suo scopo è semplicemente quello di ricaricare la batteria. Pertanto occorre fare ben poco al sistema di controllo del veicolo elettrico a batteria. Nella sua funzione di range extender, la cella a combustibile deve fornire solo una potenza fino a 1.000 Watt; i picchi di carico sono coperti dalla batteria. L’autonomia, nel frattempo, è limitata solo dalle dimensioni del serbatoio dell’idrogeno. Per le celle a combustibile nella classe di potenza fino a 1.000 Watt è sufficiente un semplice raffreddamento ad aria; a partire da circa 2,5 kilowatt è necessario un sistema di raffreddamento ad acqua più complesso. Come range extender, la cella a combustibile può essere utilizzata a potenza costante proteggendo allo stesso tempo la batteria dallo scaricamento completo. Entrambi i fattori aumentano la durata di questi componenti.
L’unico svantaggio della configurazione scelta è che la batteria deve essere sufficientemente grande da garantire con una potenza di oltre 1.000 Watt diversi chilometri, ad es. per la guida in montagna.
Dimostratore in laboratorio
Nell’ambito del progetto è stato allestito come prototipo di laboratorio il sistema comprendente la batteria e il range extender delle celle a combustibile. A questo scopo è stata utilizzata una membrana a scambio protonico o un sistema di celle a combustibile PEM della Hydrogen Air Technologies (vedi fig. 3).
Il sistema con le sue 65 celle è raffreddato ad aria mediante semplici ventilatori a velocità controllata e fornisce la potenza elettrica massima descritta di 1.000 Watt. La tensione varia, a seconda del livello di uscita, tra 65 volt (al minimo) e 35 volt (potenza massima). L’impianto è detto sistema senza uscita, ovvero viene fornita solo la quantità di idrogeno che verrà consumata.
Nel sistema senza uscita, l’azoto si accumula in tempi relativamente brevi sul lato dell’idrogeno (anodo) a causa della diffusione. Questo azoto deve quindi essere rilasciato tramite una valvola di spurgo. Lo spurgo riduce l’efficienza del sistema poiché porta via anche l’idrogeno inutilizzato. Il sistema di celle a combustibile in esame ha un rendimento di circa il 35% a 1.000 Watt. Convertito in idrogeno, il consumo equivale a 85 grammi di idrogeno all’ora.
Connessione elettrica
L’utilizzo del sistema di celle a combustibile come range extender consente un collegamento elettrico estremamente semplice. Come illustrato nella fig. 4, un convertitore DC-DC deve adattare la tensione di uscita della cella a combustibile alla tensione di fine carica della batteria. La batteria può quindi essere caricata continuamente a una tensione costante. Il controller della cella a combustibile adatta la propria potenza in uscita alla corrente di carica prevalente. La centralina della catena cinematica non viene influenzata dalla carica effettuata dalla cella a combustibile.
Grazie al sistema a celle a combustibile, la batteria può essere ridotta da 2,5 kilowattora a 0,35 kilowattora mantenendo la stessa potenza del motore. In linea di principio l’autonomia può essere limitata solo dal volume del serbatoio, quindi dalla quantità di idrogeno nel serbatoio. Il fabbisogno di potenza accertato dal ciclo di prova WLTP produce, unitamente all’efficienza del sistema, un consumo di idrogeno di circa 200 grammi per 100 chilometri (60 miglia). Ciò significa che la versione a celle a combustibile del Pocket Rocket potrebbe percorrere una distanza di 500 chilometri (300 miglia) con 1 chilogrammo di idrogeno!
Preoccupazione per i serbatoi di idrogeno pressurizzati
Sfortunatamente, lo stoccaggio dell’idrogeno per applicazioni motorie è ancora insoddisfacente. L’idrogeno è circa 14 volte più leggero dell’aria. Pertanto deve essere compresso per immagazzinare il gas in quantità significative. Ma anche ad una pressione di 700 bar, 1 chilogrammo di idrogeno occupa un volume di quasi 40 litri. Inoltre, un serbatoio pressurizzato a 700 bar, che immagazzina 1 chilogrammo di idrogeno, pesa circa 24 chilogrammi. Ciò rende ancora più notevole il fatto che il Pocket Rocket H2 sia solo circa 2 chilogrammi più pesante del veicolo elettrico a batteria – e abbia il doppio dell’autonomia.
Riducendo la batteria da 2,5 kilowattora a 0,35 kilowattora, il suo peso diminuisce da circa 14 chilogrammi a circa 2 chilogrammi. In totale si tratta di circa 16 chilogrammi distribuiti tra cella a combustibile (4 kg), serbatoio (9 kg), batteria (2 kg) e altri componenti (1 kg) come il chopper DC-DC e i connettori. Il serbatoio dell’idrogeno pressurizzato non è solo il componente più grande; è anche il più pesante. Ciò è dovuto principalmente agli elevati requisiti di sicurezza per l’utilizzo nel trasporto su strada.
Al giorno d’oggi, i serbatoi ad alta pressione per l’idrogeno sono costituiti da un rivestimento polimerico avvolto in fibre di carbonio impregnate con resina epossidica. Lo strato di fibra di carbonio ha uno spessore di diversi centimetri per garantire il rispetto dei requisiti desiderati, ad esempio una pressione di scoppio pari a 2,35 volte la pressione di esercizio. Pertanto per motivi di fabbricazione è possibile produrre solo serbatoi rotondi o cilindrici. Per ospitare il serbatoio sul telaio del Pocket Rocket, sarebbero auspicabili geometrie del serbatoio più flessibili, anche se in questo momento supererebbero tutti i budget.
Nella parte finale del progetto sono state esplorate in un modello CAD le possibilità di alloggiare i componenti del range extender sul telaio del Pocket Rocket (vedi fig. 5).
La batteria, che nel modello elettrico a batteria si trova nel tubo trasversale superiore, ora è molto più piccola e potrebbe migrare in uno dei tubi a V. In questa versione l’idrogeno verrebbe immagazzinato in due serbatoi, entrambi nel tubo trasversale e in un serbatoio separato. Certo, il serbatoio superiore sarebbe in grado da solo di immagazzinare quasi tutti i 350 grammi di idrogeno necessari per raddoppiare l’autonomia. Il secondo serbatoio verrebbe utilizzato solo se l’idrogeno dovesse essere immagazzinato a “soli” 350 bar. Da notare inoltre che per le auto il rifornimento di 6 chilogrammi di idrogeno richiede quattro minuti. La ricarica del Pocket Rocket H2 richiederebbe circa 14 secondi.
Conclusione e prospettive
Il progetto Pocket Rocket H2 è riuscito a dimostrare come è possibile raddoppiare l’autonomia di un ciclomotore utilizzando una cella a combustibile e un serbatoio di idrogeno. Invece di lunghi tempi di ricarica, il “ciclomotore a idrogeno” può essere rifornito in un tempo estremamente breve. Ciò che sorprende è che è ancora possibile ridurre il peso complessivo del Pocket Rocket a celle a combustibile nonostante il serbatoio dell’idrogeno relativamente pesante perché viene utilizzata una batteria di dimensioni inferiori. Alla fine è stato necessario solo un minimo aggiustamento al sistema di controllo per facilitare il collegamento elettrico nella versione range extender. Ciò lo rende particolarmente adatto al “retrofitting” nei veicoli elettrici a batteria. Nel campus Horb della DHBW, i risultati del progetto sono già stati tradotti nella progettazione di droni per le consegne con sistemi di alimentazione a celle a combustibile.
In un progetto successivo, l’attrezzatura del laboratorio e il Pocket Rocket verranno uniti in un vero ciclomotore a idrogeno. Il progetto Pocket Rocket H2 ha ricevuto finanziamenti nell’ambito della InnovationChallenge 2021 gestita dal Ministero della scienza, della ricerca e delle arti del Land del Baden-Württemberg.
Il concorso di innovazione di ICM
L’InnovationCampus Future Mobility, un’iniziativa congiunta del Karlsruhe Institute of Technology e dell’Università di Stoccarda, sta aumentando il suo coinvolgimento con l’industria attraverso il lancio del suo primo InnovationChallenge Mobility and Production. Nel novembre 2021, il formato di finanziamento rapido e semplice per progetti di innovazione esplorativa ha riunito il mondo dell’industria e quello accademico con l’obiettivo di risolvere insieme sette domande di ricerca nei settori della mobilità e della produzione. Le sfide provenivano da aziende focalizzate sull’innovazione mentre le possibili soluzioni sono state fornite dalle università partecipanti. Il finanziamento, nel frattempo, è stato assegnato sotto forma di sovvenzioni piccole e compatte dall’InnovationCampus. Il nuovo formato di finanziamento è pensato appositamente per le piccole imprese: nel bando di concorso 2021, consorzi di imprese e organismi di ricerca hanno ricevuto più di 900.000 euro di sostegno.
Autore: Prof. Dr. Volker P. Schulz, Kai Tornow, Prof. Wolf Burger, Manuel Messmer
Di Sven Geitmann
Fonte: SOL Motors
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