Da diverse settimane per la rubrica Energia e Futuro l’argomento dei vari post è sempre il Motore a Combustione Interna, pertanto dopo avere discusso ampiamente su di esso tra storia e stato attuale, e prima di presentare lo stato dell’arte delle ricerche sui motori di un futuro sempre più prossimo, è venuto il momento di fermarci a riflettere su questo “percorso” per cercare di capire ciò che ci attenderà.
IL PASSATO
Nei primi post sui motori a combustione interna c’è stato un piccolo excursus storico, il quale ha evidenziato come l’esigenza di disporre di una macchina motrice piccola ma al tempo stesso dotata di una certa potenza, abbia stimolato l’inventiva e la creatività di moltissime persone, tra le quali si sono particolarmente evidenziati individui come Otto e Diesel, senza però dimenticare il genio dei veri creatori del motore a combustione interna, ovvero Barsanti e Matteucci (sul cui omonimo viale a Napoli sorge l’Istituto Motori del Consiglio Nazionale delle Ricerche).
Se i parametri principali dell’epoca consistevano nel raggiungere una sempre maggiore densità di potenza risolvendo al tempo stesso le criticità del funzionamento del motore, con il tempo e con la diffusione sempre maggiore dei motori a combustione interna, grazie anche allo sviluppo dell’industria automobilistica reso possibile dai motori stessi, lo studio e la ricerca sui motori a combustione interna ha subito una profonda accelerazione.
IL PRESENTE
Lo sviluppo dell’industria automobilistica ha permesso ai motori a combustione interna di divenire sempre più utilizzati, e con l’aumento del parco vetture circolante nel mondo sono iniziate le prime discussioni sulle tematiche divenute poi predominanti negli ultimi anni, ovvero i Consumi e le Emissioni.
Lo sviluppo dei motori si è pertanto concentrato nella ricerca di una sempre maggiore efficienza e soprattutto sono state sviluppate diverse soluzioni mirate alla limitazione delle emissioni finali, quali catalizzatori e trappole antiparticolato.
Tali soluzioni sono divenute necessarie per rispettare le sempre più restrittive norme EURO ed analoghe normative Americane e Giapponesi, normative sulle quali ritorneremo in successivi post.
MOTORI ELETTRICI E CELLE A COMBUSTIBILE: VERI AVVERSARI O HYPE MEDIATICO?
Ogni volta che si parla di motori a combustione interna e di scenari futuri è immediato introdurre l’argomento Motori Elettrici, aiutati in questo anche da un sempre crescente movimento che enfatizza i problemi dei motori a combustione interna ed esalta le caratteristiche positive dei motori elettrici… ma è proprio tutto corretto?
Quando si paragonano due soluzioni differenti è quantomeno fondamentale individuare dei parametri di confronto quanto più completi ed esplicativi, ed inoltre è necessario individuare le eventuali “questioni nascoste” dietro ad ogni soluzione.
Quando si parla di motori elettrici si evidenzia il loro rendimento pressoché unitario sull’intero campo di funzionamento, valore che rende impietoso il confronto con i tradizionali motori a combustione interna che si attestano su valori massimi non superiori al 40%, con valori sensibilmente più bassi ai carichi parziali.
Un altro punto a favore è la totale assenza di emissioni inquinanti da parte dei motori elettrici, e se ci si fermasse qui il quadro sarebbe impietoso e farebbe gridare (come spesso avviene per i più suggestionabili alle teorie complottistiche) al complotto delle multinazionali del petrolio, ma nella realtà le cose sono diametralmente differenti.
Il primo punto è l’energia, poiché essa è necessaria a prescindere dal tipo di motore che viene impiegato, bisogna tenerne conto quando si opera un confronto.
I motori a combustione interna impiegano una risorsa, i combustibili fossili, che è presente in natura in quantità abbondante ma finita, e che viene prodotta prevalentemente dalla raffinazione del petrolio.
I combustibili si prestano all’accumulo mediante semplici serbatoi, trovandosi allo stato liquido (anche se vi sono componenti più o meno volatili) in condizioni ambiente.
Il costo energetico per passare dall’estrazione del petrolio fino ad arrivare all’effetto utile, ovvero la “potenza misurata alla ruota” assume un valore tutto sommato definito e costante, dal quale discende (anche se influenzato da parametri speculativi) il costo economico (piuttosto variabile in virtù di quanto detto poco fa) della stessa potenza.
Le emissioni inquinanti derivate da questo processo sono a loro volta definibili, mentre riferendosi ai motori elettrici sono questioni che spesso vengono omesse o trattate con molta leggerezza miscelandole con discussioni che distolgono l’attenzione da esse.
L’energia elettrica necessaria al funzionamento del motore deve venire prodotta, ed allo stato attuale può venire prodotta esclusivamente da soluzioni tradizionali in termini di impianti (non considerando il nucleare), pertanto si farà uso ancora di risorse fossili che verranno convertite in energia elettrica secondo il rendimento dell’impianto.
Il costo energetico in questo appare comunque inferiore, in quanto gli impianti termoelettrici operano con rendimenti che possono arrivare nei casi più efficienti nell’ordine del 60%, ma ancora non si sta tenendo conto del metodo per immagazzinare l’energia, il quale implica a sua volta un rendimento ed un costo energetico sicuramente superiore a quello del corrispettivo tradizionale in quanto richiede la produzione di sistemi chimici di accumulo, quali le batterie.
Le batterie a loro volta sono caratterizzate da un decadimento prestazionale e da un tempo necessario per la ricarica che rendono il veicolo elettrico meno elastico nell’impiego, anche se la ricerca in tale direzione procede ad opera delle aziende che hanno come business tale settore.
Una soluzione a tale problema arriva dalle Celle a Combustibile (che verranno trattate ampiamente in post successivi), le quali sono in grado di generare on-board l’energia elettrica da fornire al motore, ma richiedono per potere funzionare di una risorsa primaria che consiste in Idrogeno o Gas Naturale / Metano (in funzione delle caratteristiche della cella).
Poiché l’idrogeno non è presente in natura, esso necessita di venire prodotto mediante processi che trasformano il gas naturale in idrogeno (con produzione quindi di CO2) oppure partendo come risorsa primaria dall’acqua, tenendo presente che il bilancio energetico di questo processo è fortemente negativo in quanto l’energia spesa per la separazione dell’idrogeno è superiore (tenuto conto del rendimento del processo di separazione) dell’energia che viene poi effettivamente rilasciata, ancora prima di considerare il rendimento delle celle a combustibile.
Alla luce di queste semplici considerazioni appare pertanto piuttosto improbabile che il motore o combustione interna venga rimpiazzato in tempi brevi dalle soluzioni elettriche, salvo per impieghi particolari, prima di tutto perché NON risolve il problema che tanto rumore crea intorno ai motori a combustione interna, ovvero l’inquinamento.
Una terza via appare quella dei motori ibridi, i quali seppure ancora poco diffusi, possiedono delle caratteristiche a meta strada tra la soluzione puramente termica e quella puramente elettrica, permettendo un buon mix che in futuro presumibilmente ne porterà un maggiore impiego.
IL FUTURO E LA RICERCA
La ricerca motoristica sta orientandosi sempre più nella direzione di sviluppare motori che si basano su un mix di caratteristiche tra motori ad accensione comandata e motori ad accensione spontanea, ovvero si cerca di ottenere un basso livello di emissioni tipico dei “motori a benzina” con i rendimenti tipici dei “motori diesel”, e questo si ottiene mediante dei concetti di combustione innovativi, ma di questi ne parleremo in seguito… pertanto vi invito a continuare a seguirci, sempre su AppuntiDigitali, sempre sulla rubrica Energia e Futuro.
