Rubrica: Sistemi di accumulo dell’energia
Titolo o argomento: L’accumulo aerostatico di tipo pneumatico e pneumatico/idraulico
L’accumulo aerostatico consta di un serbatoio nel quale un gas, solitamente aria, viene compresso al fine di acquisire energia potenziale di compressione. Anche il sistema di accumulo aerostatico, puramente pneumatico, come quello idrostatico, non offre grandi vantaggi a causa della scarsa quantità di energia per unità di volume. Il discorso cambia di fronte ad un sistema misto pneumatico/idraulico.
Accumulo meccanico (pneumatico – pneumatico/idraulico)
Si tratta di un sistema di accumulo che immagazzina aria compressa a pressioni diverse. Gli elementi che lo costituiscono sono sostanzialmente due: il serbatoio di accumulo ed il trasformatore (compressore/espansore) che permette di collegare l’aria accumulata (e la relativa energia associata) con il carico meccanico (generalmente una massa rotante). L’energia, quindi, per essere trasformata da meccanica (contenuta nell’aria compressa all’interno del serbatoio) ad elettrica (per la trazione di un veicolo ibrido o elettrico) necessita almeno di due trasformazioni; se poi si desidera aumentare l’efficienza e la densità di energia del sistema occorre aggiungere un processo intermedio da pneumatico a idraulico interponendo un liquido tra il serbatoio d’aria e la massa rotante del generatore (accumulo pneumatico/idraulico). Un simile sistema accusa delle perdite principalmente nei riscaldamenti e raffreddamenti conseguenti ai processi di compressione ed espansione. I risultati ottenuti ne dimostrano comunque la convenienza di utilizzo dato che l’efficienza complessivo del veicolo aumenta (l’efficienza del solo ciclo di compressione/espansione si aggira attorno al 70%). Un sistema di accumulo con serbatoi di acciaio da 250 bar dispone di una densità di energia pari a 2 Wh/l ed energia specifica pari a 3,2 Wh/kg.
Applicazioni veicolari: Hydraulic Hybrid Technology
Al fine di ottimizzare i consumi di carburante, ridurre le emissioni inquinanti ed i gas serra, l’EPA (Environmental Protection Agency) ha sviluppato, diversi anni or sono, un sistema di accumulo pneumatico/idraulico dell’energia (noto anche come Hydraulic Hybrid Technology) che è stato installato sui veicoli commerciali del noto corriere espresso UPS. Il sistema sostanzialmente recupera l’energia in frenata di un mezzo pesante accumulandola sotto forma di gas compresso (nella fattispecie azoto) in apposite bombole ad alta pressione. Una pompa connessa, mediante ruote dentate, con la trasmissione viene attivata (trascinata per l’appunto dall’albero di trasmissione del veicolo) durante la fase di frenata al fine di inviare il gas prelevato, dal serbatoio di bassa pressione, al serbatoio di alta pressione dove verrà incamerato e compresso. Il lavoro speso per l’azionamento della pompa e la compressione del gas permette al mezzo pesante di frenare riducendo l’usura dei freni addirittura del 75%. Nel momento in cui il veicolo si ferma, si arresta anche il sistema. Non appena il conducente agisce nuovamente sull’acceleratore, l’azoto compresso passa dalla bombola di alta pressione alla pompa, che ora funge da motore e mette in rotazione la trasmissione permettendo al mezzo di accelerare (minimizzando drasticamente i consumi di carburante), per raggiungere poi il serbatoio di bassa pressione. Il ciclo ricomincia nuovamente alla successiva frenata. L’economicità del dispositivo, l’elevata efficienza e vita utile indipendente sia dai cicli di carica/scarica che dalla profondità di scarica, sono i punti di forza della tecnologia ibrida idraulica sviluppata da EPA ed i suoi partner. Risulta però importante notare che il dispositivo permette di ridurre drasticamente i consumi (anche del 50-60%) e le emissioni inquinanti (del 30-40%) durante le fasi di accelerazione, non appena la bombola di alta pressione si scarica, il veicolo procederà con il solo lavoro del propulsore a combustione interna.
I componenti
Il serbatoio di accumulo ad alta pressione immagazzina energia utilizzando un fluido idraulico che comprime un gas (in questo caso azoto); tale serbatoio, per la sua funzione, è paragonabile ad un pacco batterie destinato a veicoli elettrici ed ibridi.
La pompa di azionamento (in modalità motore) converte la pressione del fluido idraulico, spinto dall’espansione dell’azoto presente nel serbatoio ad alta pressione, in lavoro meccanico di rotazione atto a muovere le ruote tramite la trasmissione.
Il serbatoio di accumulo a bassa pressione immagazzina l’azoto espanso dopo che ha compiuto il lavoro sul fluido idraulico al fine di azionare la pompa in modalità motore.
La pompa di azionamento (in modalità pompa) cattura ben il 70% dell’energia, che verrebbe altrimenti persa con la frenata, pompando il fluido idraulico che comprimerà l’azoto nel serbatoio di alta pressione.
Il motore a combustione interna dispone di una seconda pompa/motore la quale, in modalità pompa, genera un’alta pressione addizionale da accumulare nel serbatoio di alta pressione recuperando eventuali eccessi di energia provenienti dallo stesso motore a combustione.
Il controller monitora la guida dell’autista (entità di accelerazioni e frenate) inviando ai vari componenti del sistema i comandi da attuare.
Caratteristiche fondamentali del sistema (freno rigenerativo, spegnimento motore, ottimizzazione consumi)
Il sistema di accumulo pneumatico/idraulico lavora come un freno rigenerativo sia in fase di rallentamento che di completo arresto del veicolo. La rotazione delle ruote, durante il rallentamento, permette di pompare e comprimere, tramite un sistema idraulico, l’azoto presente nel serbatoio di bassa pressione verso il serbatoio di alta pressione.
I mezzi pesanti passano il 40% della loro vita operativa con il motore acceso al minimo in sosta presso cantieri, porti, dogane, semafori, ecc.. Con il sistema di accumulo pneumatico idraulico il controller può procedere allo spegnimento del motore, sia durante le soste che durante le frenate, pur mantenendo attivi il riscaldamento, il sistema di sterzo e, ovviamente, il sistema frenante. Tale accorgimento riduce incisivamente i costi d’esercizio e le emissioni inquinanti.
L’ottimizzazione dei consumi è garantita dalla possibilità di adoperare il motore a combustione interna solo in quel range di utilizzo in cui offre la massima efficienza. Le accelerazioni da fermo e la marcia alle basse velocità sono completamente a carico del sistema di accumulo pneumatico idraulico Hydraulic Hybrid Technology.
Link correlati
Sistemi di accumulo dell’energia: Panoramica
Fonti:
EPA (Environmental Protection Agency)
ENEA (Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile)
UPS (corriere espresso)
