In che modo l'idrogeno cambierà il noleggio delle attrezzature da costruzione?

Considerato come un elemento "semplice" - l'atomo di idrogeno è costituito da un singolo protone e un singolo elettrone - l'idrogeno promette anche una soluzione semplice per un problema complesso: la potenza di decarbonizzazione.

A prima vista, i suoi benefici sono chiari: è una fonte di energia rinnovabile e abbondante in offerta; è relativamente pulito e non tossico; e più efficiente di molte altre fonti di energia. Il rovescio della medaglia, il suo uso diffuso non è previsto in tempi brevi.

C'è un modo per capire la sua applicazione più utile - è meglio per le macchine più grandi o può essere utilizzato in quelle più piccole? - e renderlo commercialmente redditizio.

Imperterriti, gli OEM come Volvo CE e JCB, così come gli specialisti di motori Cummins e Deutz - interessate alla costruzione - stanno affinando la loro attenzione sull'idrogeno.

L'attenzione si concentra attualmente su due aree principali: la tecnologia dei motori a combustione interna a idrogeno (ICE) e la tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno.

Come il combustibile convenzionale, l'idrogeno contiene energia chimica che viene rilasciata tramite una reazione chimica. Nel caso di un ICE alimentato a idrogeno, tale reazione è la combustione; in una cella a combustibile, il combustibile a idrogeno è combinato con ossigeno.

Mentre la combustione in un motore alimentato a idrogeno viene convertita in energia meccanica, in una cella a combustibile, l'energia chimica dell'idrogeno e dell'ossigeno viene convertita in energia elettrica.

Gli OEM stanno studiando il potenziale di entrambi, con una serie di risultati.

L'approccio di JCB all'idrogeno:

Una visita al centro R&D JCB nel Regno Unito all'inizio di quest'anno ha rivelato intuizioni circa gli OEM work-in-progress su un motore a combustione interna a idrogeno. Alla fine del 2021, JCB ha fatto una serie di annunci che hanno attirato l'attenzione dei media nazionali.

Ad una di queste chiamate alla stampa, l'ex primo ministro britannico Boris Johnson fu fotografato con il presidente della JCB, Sir Anthony Bamford, mentre Johnson riforniva una terna equipaggiata con un motore a idrogeno.

L'evento è servito come rivelazione ufficiale per l'investimento di 100 milioni di sterline (118 milioni di euro) di JCB per sostenere lo sviluppo e la produzione di nuovi motori a combustione interna a idrogeno.

Parlando all'evento, Lord Bamford ha detto: "Stiamo investendo nell'idrogeno in quanto non vediamo che l'elettricità sia la soluzione a tutto tondo, in particolare non per la nostra industria perché può essere utilizzata solo per alimentare macchine più piccole."

I vantaggi fondamentali del motore a combustione interna a idrogeno (ICE) comprendono il rifornimento rapido, mentre le emissioni dell'idrogeno ICE sono livelli di acqua e tracce di CO2 e NOx, entrambi molto inferiori a quelli di un diesel conforme allo stadio V dell'UE.

"Abbiamo esaminato il nostro percorso e abbiamo cercato di capire cosa fosse necessario per raggiungere tale obiettivo", afferma Tim Burnhope, Chief Innovation and Growth Officer, parlando con il giornalista di KHL Julian Buckley. "Abbiamo macchine elettriche a batteria e dove c'è una domanda di energia simile a una macchina, allora quella tecnologia è una buona misura. Ma l'85% della nostra gamma di prodotti va oltre la domanda di energia in termini di orario di lavoro."

Quali sono i vantaggi di un ICE a idrogeno?

Bunhope dice che il team ha considerato le celle a combustibile - "[Idrogeno] è un fantastico combustibile mobile, può essere portato sul posto, rifornire le macchine e continuare a lavorare" - ma ha concluso "le celle a combustibile sono un po' immature per la nostra industria, troppo complicate e troppo costose. Con le alte risposte transitorie delle nostre macchine, non sono la migliore fonte di energia."

Nella presentazione della metà del 2020, è stato affermato che un ICE a combustibile a idrogeno sarebbe la migliore soluzione a tutto tondo per le macchine JCB. Nel mese di dicembre, il team ha completato con successo la prima dimostrazione di un motore a idrogeno.

L'ICE a idrogeno si basa sul collaudato blocco motore a quattro cilindri JCB Dieselmax 448, con l'aggiunta di caratteristiche come lo sfiato aggiuntivo per supportare lo spurgo di qualsiasi eccesso di carburante a idrogeno allo spegnimento. A differenza del blocco, l'unità di testa è stata sottoposta ad una significativa riprogettazione per supportare l'idrogeno come combustibile.

Paul McCarthy, Chief Engineer - Performance, Controls & Integration di JCB Power Systems afferma che gli ingegneri R&D di JCB hanno identificato problemi chiave nello sviluppo di un motore a idrogeno; uno si occupava del gas come carburante.

"H2 è un gas intrigante, molto leggero, a bassissima densità. Si disperde molto bene, ma a causa della bassa densità e delle minuscole molecole, farlo mescolare in un cilindro può essere problematico. Mettere l'idrogeno esattamente dove lo vogliamo nel cilindro è stato un obiettivo chiave."

I primi prototipi utilizzavano iniettori sviluppati per l'uso con gas naturale, ma sebbene adatti per le prove, non sono adatti per i modelli di produzione. JCB ha lavorato con un fornitore di iniettori per sviluppare una soluzione proprietaria.

L'immissione di idrogeno nella camera di combustione è un problema, ma ottenere aria sufficiente è un ulteriore problema. "L'idrogeno ha bisogno di molta più aria del diesel, è una combustione stechiometrica", dice McCarthy. "Che ci ha fatto concentrarsi sulle nostre soluzioni turbo, il modo in cui l'aria viene forzata nel cilindro. Abbiamo bisogno di quella massa d'aria per portare slancio e superare il basso peso del gas idrogeno per fare un buon mix."

Egli aggiunge che, mentre le temperature e le pressioni sono "un po' diverso", è ancora solo fondamentale turbocompressore che può forzare aria sufficiente nella camera di combustione. "Invece di scarico, stiamo lavorando con il vapore per guidare il turbo", aggiunge.

Il contenuto di acqua nello scarico deve essere attentamente gestito per evitare che il fluido si combini con l'olio. Insieme ad un altro partner, JCB sta lavorando per sviluppare un olio motore idrofobo che utilizza additivi per prevenire la formazione di emulsioni nel refrigerante. Il team di sviluppo sta ora lavorando con oli prototipo infusi con additivi per garantire che tali prodotti non vengano estratti dal refrigerante.

A differenza della maggior parte dei motori diesel JCB che utilizzano l'accensione a compressione, il motore a idrogeno richiede una scintilla. McCarthy dice che genera le nuove edizioni relative a over-sparking o a doppia scintilla. "Deve essere molto pulito, molto chiaro, che detta come il fronte di fiamma propaga la combustione della miscela," sottolinea.

Con motori a GPL e a gas naturale già sul mercato, sembrerebbe un semplice passo per produrre un motore a combustione interna che utilizza idrogeno. Potrebbe essere meno complesso di una cella a combustibile a idrogeno, ma come i vari progetti che sono venuti prima del progetto JCB evidenziare, è tutt'altro che una soluzione semplice.

"Ci sono così tante cose che sono controintuitive con l'idrogeno, ogni giorno è un giorno di scuola", dice McCarthy.

Il motore a combustione interna a idrogeno di JCB è previsto per il lancio commerciale nel Q4 di quest'anno.

L'idrogeno è il futuro del settore energetico?

Cummins, azienda statunitense specializzata in motori e potenza, spende annualmente circa 1 miliardo di euro in ricerca e tecnologia per aiutare i propri clienti a decarbonizzare. Un obiettivo chiave è stato sostenere il futuro dell'idrogeno nel settore energetico.

L'azienda opera in tre aree chiave: la produzione di idrogeno verde, la gestione e il trasporto di idrogeno e l'applicazione di energia a idrogeno nei motori a combustione interna e nelle celle a combustibile.

Jeremy Harsin, Global Construction Market Director di Cummins, racconta all'IRN che un risultato importante è stato lo sviluppo di elettrolizzatori su larga scala - sistemi che usano l'elettricità per rompere l'acqua in idrogeno e ossigeno attraverso l'elettrolisi - nonché una joint venture per lo sviluppo di serbatoi con lo specialista di stoccaggio di idrogeno NPROXX.

Un altro è stato l'uso dell'idrogeno con le nuove piattaforme di carburante agnostiche di Cummins. Svelata a febbraio, la gamma Fuel Agnostic è stata sviluppata pensando alle fonti di carburante, tra cui l'idrogeno. Offre inoltre l'impronta e la comunanza dei componenti per l'uso con diesel e gas naturale.

Vantaggi per il settore del noleggio:

Cummins conferma che "la piattaforma di motori Fuel Agnostic ha molti vantaggi potenziali per il settore del noleggio, in particolare alla luce dell'uso di idrogeno. In primo luogo, richiede una riprogettazione minima della macchina: i motori all'interno di una piattaforma indipendente dal carburante hanno un'architettura di prodotto comune.

Per gli OEM, c'è meno bisogno di modificare drasticamente il design del veicolo per ospitare diverse versioni della stessa famiglia di motori."

L'uso dell'idrogeno, in particolare, comporta anche cambiamenti limitati dei processi di produzione. "La necessità di riorganizzare le linee di produzione e creare processi di produzione per accogliere i motori che fanno parte di una piattaforma indipendente dal carburante è inferiore rispetto all'adozione di una tecnologia di alimentazione completamente nuova."

Harsin sottolinea che lo stoccaggio di carburante è il top della mente per i giocatori che sviluppano nuove tipologie di carburante, ed è qui che un altro dei vantaggi dell'idrogeno; è più densa di energia rispetto al diesel o gas naturale - un chilogrammo ha l'equivalenza energetica generale di circa tre chilogrammi di carburante diesel.

In altre parole, rispetto al diesel o al gas naturale, l'idrogeno può alimentare un veicolo che percorre la stessa distanza o svolge lo stesso compito con meno carburante.

Ma ci sono ancora sfide; primo fra tutti l'infrastruttura di approvvigionamento per il carburante, almeno fino ad oggi.

"Nonostante molti progetti attualmente in atto in tutto il mondo per aumentare l'idrogeno, lo sviluppo di tali infrastrutture critiche richiede tempo e risorse," Harsin dice IRN. "Ciò significa che l'adozione dell'idrogeno molto probabilmente inizierà nei mercati in cui il rifornimento può essere fatto a livello centrale", ad esempio, vicino ai grandi hub di idrogeno.

Con l'aumento della produzione, della distribuzione e dello sviluppo di apparecchiature a idrogeno, i costi diminuiranno, il che è una buona notizia, anche se una prospettiva a lungo termine, con il cambiamento previsto per i prossimi 10-20 anni per una vasta gamma di applicazioni.

"Alla fine, però, l'idrogeno sarà competitivo con le controparti dei motori a combustione interna", afferma Harsin.

Cummins ha anche diversi progetti relativi alle aree di sviluppo nell'energia da combustibile a idrogeno. Ha installato oltre 2.000 celle a combustibile a idrogeno in varie applicazioni in autostrada e fuori strada in tutto il mondo.

Gli esempi spaziano dalle operazioni di camion commerciali in Norvegia con ASKO, un importante grossista di alimentari nella regione, e Coradia iLint di Alstom - il primo treno al mondo alimentato a idrogeno in esercizio commerciale in tutta Europa.

Recentemente, Cummins ha annunciato che, insieme ai partner Air Liquide, aveva completato la costruzione e la messa in servizio del più grande elettrolizzatore PEM (Proton Exchange Membrane) del mondo - utilizzato per generare idrogeno. Viene fornito con energia rinnovabile e produce fino a 8,2 tonnellate al giorno di idrogeno a basso tenore di carbonio a Bécancour, Québec, Canada.

E l'anno scorso, ha lanciato una partnership con Iberdrola, per creare uno dei più grandi impianti di elettrolisi al mondo a Castilla-La Mancha, in Spagna. Una "impresa comune" con NPROXX significa anche che Cummins sta costruendo capacità di stoccaggio di idrogeno ad alta pressione per applicazioni sia stazionarie che mobili.

Idrogeno ICE:

Nel frattempo, il produttore tedesco di ICE Deutz ha lanciato il suo primo motore a idrogeno, il TCG 7.8 H2. Lanciato nel 2021, ha un'unità che soddisfa tutti i criteri di ammissibilità stabiliti dall'UE per i motori a zero emissioni di CO2 - e una potenza di circa 200 kilowatt, rendendolo adatto a tutte le applicazioni off-highway.

"Stiamo già vedendo molto interesse nei nostri motori H2 da parte dei clienti in tutte le aree di applicazione", afferma il Dr. Markus Müller, Chief Technology Officer di Deutz. "E stiamo già progettando ulteriori applicazioni pilota."

Il TCG 7.8 H2 è attualmente in fase di sperimentazione in un progetto pilota congiunto con una società di servizi regionali in Germania, e la produzione in serie è prevista per il 2024.

Nell'immagine il motore TCG 7.8 H2 di Deutz.

Fonte: InternationalRentalNews