Motori a combustione interna alimentati a biogas: Pro e Contro dell’alimentazione a metano

Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Da escrementi, rifiuti e scarti energia quasi pura da utilizzare

Come spiegato nel precedente articolo di questa rubrica (vedi i link correlati in basso) la combustione del metano nell’autotrazione genera basse emissioni inquinanti quando il propulsore lavora con miscele magre o, al limite, stechiometriche. In caso contrario le emissioni diventano particolarmente nocive. Inoltre, se il propulsore è progettato per lavorare con turbolenze di tipo “tumble”, la combustione completa del metano avviene in 1 millisecondo ed i prodotti della combustione (e la fiamma) raggiungono l’intera camera di combustione in modo omogeneo. Viceversa se il propulsore è progettato per lavorare con turbolenze di tipo swirl non risulta particolarmente adatto per essere alimentato a metano in quanto la propagazione dei prodotti della combustione e della fiamma non è uniforme e ciò comporta un impiego di tempo 4 volte superiore per completare la combustione con conseguenti perdite di calore attraverso le pareti dei cilindri ed una riduzione del rendimento termodinamico. Premesso questo, di seguito vengono riportati a mò di elenco i Pro e Contro “puramente oggettivi” cui va in contro il motore ciclo Otto di un veicolo dotato di doppia alimentazione benzina e metano*.

*Esistono infatti motori, seppur rari, progettati per l’esclusivo uso a metano. In tali motori alcune problematiche vengono notevolmente ridotte mentre altre permangono invariate.

Pro dell’alimentazione a metano

Elevato potere antidetonante. Ottima caratteristica per motori con elevato rapporto geometrico di compressione. Tuttavia, non essendo presenti in circolazione sulle nostre strade motori realizzati per girare solo ed esclusivamente a metano, questa caratteristica non è ancora sfruttata (eccezion fatta per i motori VW EcoFuel monovalenti con rapporto geometrico di compressione pari a 13,5:1).

Elevato rendimento termodinamico (potenzialmente maggiore del 10-15% rispetto a quello dei motori a benzina). Grazie al potere calorifico di 47 MJ/kg, ad una tonalità termica di 0,820 kcal/litro e ad un’energia specifica (sviluppata dalla combustione) pari a 14,8 kWh/kg (vedi l’articolo relativo alle caratteristiche energetiche e motoristiche del metano – link correlati in basso), tramite il metano un motore potrebbe sviluppare prestazioni superiori ad un motore a benzina tuttavia questa potenzialità non è raggiunta in quanto nei motori a doppia alimentazione impedirebbe il funzionamento a benzina (che accuserebbe forti problemi di detonazione) e richiederebbe un motore dedicato quasi esclusivamente al solo funzionamento a gas (vedi la VW Caddy MaxiLife Ecofuel che circola in Germania).
Inoltre il motore a combustione interna ciclo Otto è noto per l’enorme quantità di energia che disperde sotto forma di calore. Ciò significa che, senza organi studiati per trattenere la maggiore quantità di calore al fine di trasformarla in lavoro utile, si rischia di vanificare gli intenti ed aumentare quasi esclusivamente le perdite.
Infine è noto che i metalli invecchiano con il calore e le leghe attualmente utilizzate nella realizzazione degli organi dei motori accusano, talvolta, problemi di cedimento anche con le alimentazioni ordinarie.

Miscelazione combustibile (metano) comburente (aria) facilitata. Il metano essendo un gas si miscela con l’aria in aspirazione più agevolmente rispetto a quanto accade tra i combustibili liquidi nebulizzati e l’aria (non vi è quindi la formazione di condense lungo i condotti di aspirazione).

Assenza di fenomeni di diluizione a motore freddo. Il metano non ha la tendenza a combinarsi con l’olio lubrificante del motore a combustione interna. Va comunque detto che i produttori di oli lubrificanti non stanno a guardare e includono nei loro oli, già da parecchio tempo, specifici additivi che minimizzano la possibilità di diluizione della benzina o del gasolio nell’olio lubrificante in seguito a trafilaggi contenuti nei limiti dell’ordinario (avviamento a freddo e/o normale livello di usura del propulsore). Diverso è il discorso del biogas nel quale la presenza di contaminanti ha degli effetti disastrosi sulle proprietà dell’olio lubrificante il quale richiede specifiche correzioni e addizioni nella formula per garantire la corretta lubrificazione (questo tema verrà trattato in uno degli articoli finali di questa rubrica).

Elevato rapporto H/C, ovvero idrogeno su carbonio, che rende il metano un combustibile più pulito rispetto agli altri idrocarburi. Il rapporto H/C è pressappoco doppio rispetto agli altri idrocarburi ed a parità di energia utile generata produce il massimo di acqua ed il minimo di anidride carbonica.

Sicurezza in caso di fuoriuscite in quanto il metano non tende a ristagnare ma, anzi, volatilizza facilmente evitando rischi di esplosioni.

Maggiore disponibilità di metano in natura rispetto al petrolio.

Possibilità di ricavare metano da processi biologici rinnovabili.

Riduzione o esenzione bollo in diverse regioni per veicoli a doppia alimentazione o monovalenti a metano.

Il prezzo al chilogrammo del metano è più conveniente rispetto al prezzo al litro ad esempio della benzina, tuttavia è errato effettuare confronti con unità di misura differenti come spesso avviene quando si osservano le tabelle dei distributori. Un litro di benzina (ovvero 1 dm^3) ha infatti una massa di circa 0,75 kg cui fa riferimento il prezzo di vendita che pertanto non è direttamente confrontabile con 1 kg di metano. Il costo al chilogrammo della benzina pertanto vale (considerando il prezzo medio al litro di Novembre 2013):

1 kg di metano: 1,00 Euro c.a.

1 kg di benzina: 2,50 Euro c.a. (1 kg di benzina corrisponde a circa 1,33 litri)

E’ inoltre opportuno considerare quanta energia ricaviamo da 1 kg di metano e quanta da 1 kg di benzina:

1 kg di metano libera 14,8 kWh di energia

1 kg di benzina libera 12 kWh di energia

Vi sono tuttavia degli aspetti negativi che sono analizzati nei “Contro”.

Contro dell’alimentazione a metano

Il metano necessiterebbe in realtà di essere impiegato in motori ad elevato rapporto geometrico di compressione, quindi in motori costruiti ad hoc esclusivamente per l’alimentazione a metano. La soluzione a doppia alimentazione metano-benzina non permette di sfruttare al meglio le caratteristiche del metano. Soluzioni mirate più al metano, come nel caso della VW Caddy MaxiLife Ecofuel che circola in Germania, hanno fornito risultati migliori.

Ridotto rendimento volumetrico. La miscela gassosa riduce il riempimento dei cilindri con perdite di potenza (e quindi di velocità massima) del 10% circa durante l’alimentazione a gas rispetto alla potenza ottenibile durante l’alimentazione a benzina dello stesso motore. Sebbene per molti la perdita di velocità massima sia considerata una pecca, in realtà, data la presenza fondamentale del codice stradale che normalizza il traffico dei veicoli sulle strade è opportuno riconoscere che in realtà la velocità massima non rappresenta alcun problema. Ciò che invece diviene un fattore di rischio è la perdita di coppia massima esprimibile dal propulsore e che risulta fondamentale per compiere in breve tempo, ed in sicurezza, l’accelerazione necessaria per affrontare un sorpasso.

Assente lubrificazione degli organi interni del motore al passaggio della carica.

Assente refrigerazione degli organi interni del motore al passaggio della carica.

Assente protezione degli organi interni del motore per la mancanza di additivi, altresì presenti nella benzina, in grado di formare uno strato protettivo che preserva ad esempio valvole e sedi valvole durante ogni chiusura ammortizzando l’urto.

Deterioramento precoce (per erosione, stress termico, indurimento) di valvole, sedi valvole, pistoni, elementi di tenuta, guarnizione della testata, paraoli delle valvole. Anche l’intera testata in seguito allo stress termico può fratturarsi (specie se presenta difetti di fonderia). Nel caso non vengano effettuate operazioni di manutenzione specializzata tramite opportune officine specializzate nella rettifica dei motori, le prestazioni tendono a calare drasticamente ed i consumi aumentano sia nel funzionamento a gas che a benzina.

La maggior parte dei costruttori non ha adeguato i propri motori per il funzionamento a metano e non ha raggiunto un’affidabilità analoga a quella maturata con l’alimentazione a benzina. In ogni caso, anche a seguito di un sufficiente adeguamento, un motore termicamente più sollecitato necessita di maggiori controlli e più frequentemente (costi da inserire in bilancio).

Spesso il risparmio quotidiano sul carburante viene reimmesso in bilancio in una volta sola quando il motore si danneggia e si arrivano a spendere anche cifre maggiori rispetto ai benefici inizialmente preventivati. Per questo il metano è particolarmente vantaggioso se si perccorre la maggior parte della strada in extraurbano e autostrada dando la possibilità di ammortizzare i maggiori costi di manutenzione e impianto anche in caso di rotture.

Un diverso uso di due analoghi veicoli alimentati a metano può offrire livelli di affidabilità nettamente differenti. Percorsi urbani stressano molto più un motore a gas rispetto ai percorsi extraurbani, percorsi con molte salite e discese hanno lo stesso effetto, uno stile di guida sportivo anche, così come viaggiare con il veicolo carico o comunque con diversi passeggeri porta quantomeno ad un usura precoce del gruppo valvole – sedi valvole con il risultato che quando la tenuta tra questi due organi viene a mancare calano le prestazioni e aumentano i consumi. Se le valvole non chiudono bene infatti, parte dell’energia generata dalla combustione viene dispersa nei condotti e la spinta sui pistoni si riduce. La mancata corretta chiusura delle valvole viene innescata dalle forti sollecitazioni termiche subite che alterano la superficie di contatto tra valvole e relative sedi. Questo accade anche con l’alimentazione a benzina ma il fenomeno si verifica dopo un chilometraggio nettamente superiore.

I costruttori di parti specifiche per i motori a combustione interna alimentati a gas sostengono che le sollecitazioni cui vanno in contro organi cruciali come le valvole e le sedi valvole in seguito alla combustione del gas sono analoghe a quelle subite da un potente motore da corsa durante una competizione (da qui la nascita di kit sedi valvole sinterizzati altamente resistenti che mantengono la funzionalità per chilometraggi maggiori).

Spesso si informa un automobilista, che fa installare un impianto di alimentazione a metano, della possibilità di aumentare l’intervallo chilometrico tra un cambio dell’olio e l’altro in quanto il metano non va a contaminare l’olio lubrificante. Ciò è vero solo in parte in quanto il metano non contamina l’olio lubrificante ma quest’ultimo perde comunque le sue proprietà per il motivo principale per cui è impiegato: l’attrito. L’olio infatti porta con sé microresidui metallici che ingloba durante il funzionamento del motore e che in buona parte deposita nel filtro apposito. Inoltre il tempo varia le proprietà di un olio lubrificante anche se la vettura rimane a lungo ferma e percorre pochi chilometri.

In base alla qualità del gas utilizzato questo può contenere dei contaminanti (o svilupparli in seguito alla combustione) che degradano precocemente le proprietà lubrificanti dell’olio (tema che affronteremo in un articolo appositamente dedicato di questa rubrica).

Costi assicurativi del veicolo più alti, con spinta verso il downsizing motoristico e tutte le problematiche che tale scelta comporta in termini di potenza specifica elevata, minore affidabilità e obsolescenza programmata.

Costi di aggiunta dell’impianto.

Costi di manutenzione dell’impianto

Costi legati all’adeguamento del motore a combustione interna (sostenuti praticamente da nessuno in quanto, ad oggi, solo una minima parte delle modifiche necessarie sono disponibili sotto forma di kit aftermarket con particolare riferimento a guarnizioni, valvole e sedi valvole).

Costi legati alla manutenzione straordinaria richiesta dal motore in seguito all’installazione dell’impianto.

Ulteriore massa a bordo (circa 100 kg) che grava sui consumi facendo perdere di per sé una parte del risparmio.

Necessità di tenere sempre un contenuto minimo di benzina.

Stoccaggio e trasporto del gas problematici rispetto ai combustibili liquidi (i problemi sono però nettamente minori per il biogas che solitamente è distribuito dove è prodotto).

Stazioni di servizio con l’automatico del metano non ancora disponibili in Italia.

Peso e ingombro del sistema di stoccaggio a bordo oltre quattro volte maggiore rispetto al sistema equivalente utilizzato per la benzina (il quale è comunque presente a bordo, si tratta quindi di masse aggiunte e non sostituite).

Autonomia limitata.

Quando conviene alimentare un motore a combustione interna a metano?

Quando si percorre la maggior parte della strada in extraurbano.
Quando non si viaggia carichi di merci, bagagli, attrezzi.
Quando non vengono occupati costantemente tutti i posti del veicolo.
Quando non si affrontano frequenti dislivelli e quindi non si viaggia a ridotte andature con un carico elevato sull’acceleratore.
Quando non si effettuano frequenti accelerazioni e si viaggia pressappoco a regime costante o con variazioni dolci.
Quando il motore non verrà utilizzato unicamente a gas ma percorrerà alternativamente lunghi tratti a benzina.
Quando il veicolo non ha una massa considerevole.
Quando il veicolo ha un’aerodinamica efficace.
Quando il motore ha già percorso diverse decine di migliaia di chilometri esclusivamente a benzina.
Quando si ha una guida diligente, rilassata e priva di colleriche accelerazioni.
Quando il motore è stato disegnato per generare una turbolenza di tipo “tumble” in camera di combustione.
Quando si comprende la necessità di effettuare opportuni adeguamenti sul motore (sostenendo i relativi costi) e/o interventi di manutenzione mirata (tramite personale preparato) agli organi maggiormente sollecitati.

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