Cosworth Catalytic Generator: Il generatore catalitico che estende l’autonomia dei veicoli elettrici – Parte 3

Rubrica: Tecnologie utili ai mezzi elettrici ed ibridi, ma non solo…

Titolo o argomento: Il generatore catalitico ultracompatto che “ibridizza” i veicoli elettrici estendendone all’infinito l’autonomia

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Esempio di applicazione sul Ford Transit Custom PHEV

Il Transit Custom PHEV è un particolare furgone compatto Ford dotato di range extender basato su motore benzina aspirato 3 cilindri, 1000 centimetri cubici che muove un generatore elettrico adibito a caricare il contenuto pacco batterie da 13,6 kWh che equipaggia il mezzo. La trazione è puramente elettrica così come il motore del range extender carica esclusivamente le batterie e non provvede alla trazione meccanicamente.

Cosworth, più precisamente Delta Cosworth, ha dimostrato, durante fasi di sviluppo presso il Circuito di Silverstone, di poter ridurre il peso del furgone, ridurre il peso del pacco batterie, aumentare l’autonomia ed aumentare la capacità del vano di carico sostituendo integralmente il motore a combustione interna in dotazione con il loro cat-gen e sostituendo il relativo pacco batterie con quello appositamente messo a punto per il sistema. Un ottimo inizio…

Video

Delta Cosworth – Catalytic Generator Particle Flow

Delta Cosworth – Catalytic Generator Component Breakdown

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Cosworth Catalytic Generator
Il generatore catalitico che estende l’autonomia dei veicoli elettrici

Parte 1: Intro | Quali sono i punti di forza?
Parte 2: Come funziona? | Ciclo Brayton
Parte 3: Video esplicativi | Es. applicazione su Ford Transit Custom PHEV

Pagine: Automotive | Motorsport
Pagina: Energy

Lotus Range Extender: il motore ultracompatto destinato ai veicoli ibridi
Il futuro è ibrido… a idrogeno – Parte 1: Considerazioni grandangolari

Cosworth Catalytic Generator: Il generatore catalitico che estende l’autonomia dei veicoli elettrici – Parte 2

Rubrica: Tecnologie utili ai mezzi elettrici ed ibridi, ma non solo…

Titolo o argomento: Il generatore catalitico ultracompatto che “ibridizza” i veicoli elettrici estendendone all’infinito l’autonomia

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Come funziona?

Può funzionare con qualsiasi combustibile liquido o gassoso. Un punto di forza non da poco. Sfrutta il ciclo Brayton per far girare una turbina direttamente collegata ad un generatore elettrico e ad un compressore. L’aria viene aspirata dall’ambiente tramite il condotto di aspirazione e viene compressa aumentando notevolmente pressione e temperatura (rispettivamente circa 4,4 bar e 205°C).

L’aria compressa passa attraverso lo scambiatore di calore (o recuperatore) e viene ulteriormente riscaldata sfruttando il calore recuperato dai gas ad alta energia prodotti dalla reazione nel catalizzatore (si raggiungono circa i 650°C).

Il carburante viene iniettato nell’aria riscaldata e reagisce continuamente mentre passa attraverso il catalizzatore alzando ulteriormente la temperatura a 1050°C aumentando così l’energia del flusso. Il processo di reazione attraverso il catalizzatore è senza fiamma e non è pertanto un processo di combustione (non si generano così NOx), si tratta invece di un processo di rilascio di calore altamente controllato (reazione esotermica).

I gas caldi in espansione cedono energia alla turbina la quale, ruotando a circa 110.000 giri/min, mette in moto il generatore elettrico. I gas di scarico contengono ancora molta energia e vengono fatti fluire attraverso lo scambiatore per scaldare l’aria in ingresso ciclo (il sistema agisce quindi con un prezioso processo di recupero dell’energia).

I gas che hanno ceduto la loro energia escono infine allo scarico ad una temperatura di 350°C. Grazie all’adozione dello scambiatore di calore il carburante viene utilizzato solo per metà del lavoro necessario ad incrementare la temperatura iniziale da 650°C a 1050°C. Maggiore efficienza, ridotto consumo di carburante.

La macchina elettrica, appositamente studiata, produce 35kW di potenza elettrica utilizzabile ad esempio sui veicoli elettrici per caricarne le batterie in marcia e renderli praticamente ad autonomia illimitata (ovviamente finché vi è carburante da iniettare nel sistema).

Pertanto, ricapitolando, i tre incrementi di temperatura si verificano a partire da quella ambiente (es. 21°C → 205°C; 205°C → 650°C; 650°C → 1050°C). L’aria di aspirazione viene compressa a 4,4 bar raggiungendo una temperatura di 205°C, attraverso lo scambiatore di calore (recuperatore) raggiunge la temperatura di 650°C sfruttando l’energia dei gas esausti. L’aria bollente si miscela con il carburante vaporizzato e reagisce continuamente nel catalizzatore raggiungendo la temperatura di 1050°C per incrementare ulteriormente l’energia del flusso. I gas espansi spingono la turbina alla rotazione di 110.000 giri/min trainando compressore e generatore, tutti e tre solidali su un singolo albero. I gas finali passano nuovamente attraverso lo scambiatore per cedere ulteriore energia ed escono all’atmosfera a 350°C.

Per comprendere bene queste fasi dovete fare un breve salto in avanti con la mente durante il secondo incremento di temperatura ed ipotizzare le fasi del ciclo su un cat-gen già avviato. La partenza a freddo sfrutta semplici artifizi della tecnica (riscaldatore elettrico) che possono generare confusione ragione per cui, per semplicità di esposizione, abbiamo considerato il ciclo già avviato ed il dispositivo già caldo.

Ciclo Brayton

Il ciclo Brayton, più precisamente Brayton – Joule, è il ciclo termodinamico ideale per le turbine a gas. Al di là dei fondamenti che trovate su ogni buon libro di testo di Macchine a Fluido (per i percorsi di studi presso gli Istituti Tecnici Industriali e, più teorici e squisitamente matematici, presso le Facoltà di Ingegneria), quello che ci interessa osservare sono le peculiarità di tale ciclo.

Il ciclo è aperto, l’aspirazione e lo scarico sono rispettivamente dall’ambiente esterno e verso l’ambiente esterno. Tra l’aspirazione e lo scarico vi sono fasi di elaborazione del fluido in cui avvengono conversioni di energia meccanica in calore e viceversa che tra poco andiamo a vedere in modalità accessibile.

Si aspira aria alle condizioni di pressione e temperatura atmosferica e si emettono i prodotti della combustione nuovamente all’atmosfera. Parliamo di prodotti della combustione laddove sia prevista una camera di combustione in cui viene accesa la miscela combustibile/comburente (ossia nel ciclo tradizionale). Nel generatore catalitico Cosworth, invece, non vi è combustione ma una continua reazione del combustibile a (relativamente) bassa temperatura all’interno di un catalizzatore. Questo consente di emettere allo scarico gas caldi a ridotto impatto (privi di ossidi di azoto NOx e ossidi di zolfo SO2) o impatto zero (solo acqua qualora venga impiegato idrogeno, ricordiamo che il sistema è onnivoro). Inoltre il ciclo che vedete in figura è espresso in una modalità generale in quanto, in realtà, nel ciclo del cat-gen di Cosworth abbiamo anche il recupero del calore di post-reazione al fine di ridurre notevolmente il carburante impiegato nel lavoro effettuato per portare la temperatura del fluido da 650°C a 1050°C (come espresso nelle fasi del precedente paragrafo).

Con riferimento al grafico seguente

Passaggio dal punto 1 al punto 2: impiego del compressore per comprimere il fluido (aumenta la pressione, si riduce il volume). La macchina (il compressore) opera sul fluido (macchina operatrice), lo scambio di lavoro è negativo (spendete lavoro per operare sul fluido) e, nel ciclo ideale, avviene in condizioni di entropia (S) costante (trasformazione isoentropica) ma la condizione reale prevede una trasformazione adiabatica.

Passaggio dal punto 2 al punto 3: riscaldamento a pressione costante (isobaro). Aumentano il volume e la temperatura.

Passaggio dal punto 3 al punto 4: impiego della turbina per attivare il generatore elettrico. Il fluido espande e muove la macchina (macchina motrice), lo scambio di lavoro è positivo (ricavate lavoro grazie all’azione del fluido). Nel ciclo ideale la trasformazione avviene in condizioni di entropia costante mentre nel reale la trasformazione è adiabatica.

Passaggio dal punto 4 al punto 1: raffreddamento a pressione costante (isobaro). Si riducono il volume e la temperatura.

Nota: l’adozione del recupero del calore permette un incremento non trascurabile del rendimento.

Immagine

Sulla sinistra il grafico pressione-volume, sulla destra il grafico temperatura-entropia. P=cost sta per “pressione costante”, stesso dicasi per l’entropia. Con la dicitura “q+” si intende riscaldamento e con “q-” si intende cessione del calore.

Per assimilare il concetto di entropia potete fare riferimento al relativo documentario a cura del fisico e divulgatore scientifico Jim Al-Khalili spesso trasmesso sul canale Rai Scuola: è spettacolare, spe-tta-co-la-re.

Continua…

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Il Lotus Range Extender

Già dodici anni fa vi abbiamo parlato di una soluzione molto simile alla radice, trattandosi di un range extender, ma totalmente diversa nello sviluppo. Mi riferisco al Lotus Range Extender sviluppato all’epoca in collaborazione con Fagor Ederlan (vedi in basso i Link correlati) e mai immesso realmente sul mercato. Si trattava di una soluzione assai interessante che permetteva di abbattere notevolmente i consumi di carburante in una architettura ibrida in cui il motore a combustione interna non fungeva da sistema di trazione diretta ma indiretta in qualità di solo generatore di ricarica del pacco batterie. L’utilità ed i benefici? Il motore a combustione interna poteva girare unicamente al regime costante di coppia massima, ottimizzato con consumi ed emissioni esigue, al solo scopo di caricare il pacco batterie del veicolo. Il motore a combustione interna, in tal modo, non era più soggetto alle variazioni di carico (dovute alle condizioni della strada, al numero di passeggeri, alle prestazioni generali richieste) che tanto gravano sul basso rendimento delle unità endotermiche, ma funzionava espressamente nelle sue migliori condizioni. Così alla trazione provvedono unicamente i motori elettrici che vantano un rendimento elevatissimo e splendidamente si accoppiano ai benefici offerti dall’endotermico. Si trattava di una soluzione che ebbi modo di studiare, e di cui verificai il reale potenziale, grazie alle contaminazioni di Ingegneria Navale nonché all’esperienza tecnica sul campo offerte da Wärtsilä con le sue unità propulsive, ottimizzate per l’impiego navale. Tali soluzioni adottavano, per l’appunto, i motori a combustione interna solo in qualità di generatori e lasciavano ai motori elettrici il compito di esprimere la propulsione nelle navi.

Si trattava di soluzioni interessanti degne di nota (in grassetto) di cui però non si parlava mai, eppure una decina di anni fa il clima era già compromesso. Con un range extender sviluppato ad hoc era possibile percorrere circa 100 km con 1,7 litri di carburante senza alcuna necessità di ricaricare il veicolo elettrico a prese pubbliche o private, senza necessità di attendere lunghi tempi di ricarica, senza necessità di dover pianificare un viaggio come una spedizione su Marte. Ma… nulla, non se ne parlò. Oggi siamo (finalmente) pronti ad impiegare simili soluzioni e la tecnologia che c’è, ed esiste da oltre 20 anni, non la si può più snobbare lasciandola nel cassetto delle cianfrusaglie. Ma non è tutto.

Il Range Extender di Cosworth

Oggi Cosworth ha fatto di più, molto di più, riuscendo in qualcosa che solitamente riesce solo ai geni (in realtà si tratta di un progetto nato circa 10 anni fa e sviluppato negli ultimi 5-6 anni con la transizione del mercato verso l’elettrico). Cosworth ha trovato, ad un problema enorme e complesso, una soluzione semplice, a basso costo, leggera, fattibile, versatile, sostenibile, che si basa sull’utilizzo del noto ciclo Brayton delle turbine a gas e di un opportuno catalizzatore per ottenere un Range Extender capace persino di emissioni quasi nulle o nulle in base al carburante che si intende impiegare (il sistema è onnivoro).

Non si tratta di una variante di un sistema a combustione interna ma di un sistema catalitico che non dà origine a combustione e non sviluppa quindi il calore che porta le temperature intorno ai 2500°C responsabili della produzione di NOx.

Quali sono i punti di forza?

E’ semplice

Pochi organi tutti largamente conosciuti dall’industria e dagli operatori del settore.

Costa poco

Si realizza con materiali di uso comune nell’industria e nell’artigianato.

E’ leggero

La sua massa è contenuta, inoltre riduce drasticamente il peso dei veicoli elettrici i quali con un range extender necessitano di pacchi batterie più contenuti.

Fattibile

Non richiede conoscenze e tecnologie esasperate né l’attesa di sviluppo di nuovi mercati né tantomeno particolari accordi con eventuali paesi che potrebbero vantare un qualche monopolio sulle materie prime.

Versatile

Può essere impiegato nel settore Automotive, nell’industria in generale, nell’Edilizia, nel settore Navale, nel settore Militare, nel settore Aerospaziale…

Sostenibile

Ottimo rapporto tra i benefici ed i costi, facilmente realizzabile, onnivoro. Prodotto su larga scala (almeno 100.000 pezzi l’anno) il suo costo può scendere a circa 2.000 Euro.

Pulito

Offre basse emissioni inquinanti o emissioni nulle a seconda del carburante impiegato. Non richiede un post trattamento dei gas di scarico.

Basso impatto generale

Produce basse emissioni sonore: non c’è combustione, è pulito ed è silenzioso, perfetto per l’elettrico.

Onnivoro

Può “digerire” carburanti liquidi o gassosi e persino idrogeno non purissimo (la cui produzione costa molto meno dell’idrogeno puro), aspetto che rivedremo nell’apposita rubrica “Il futuro è ibrido… a idrogeno” (vedi in basso i Link correlati).

Continua…

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