METANO E ALTRI CARBURANTI ALTERNATIVI

ANALISI DELLE OPZIONI PER UNA MOBILITA’ ECO-COMPATIBILE

METANO E ALTRI CARBURANTI ALTERNATIVI

Se siamo d’accordo che, per il bene del clima, del pianeta e di tutti noi, sia meglio cominciare a pulire ancora più accuratamente gli scarichi delle nostre vetture, forse è il caso che, arrivati a questo stadio di sviluppo degli attuali sistemi di controllo delle emissioni, ci applichiamo al problema con massima competenza, determinazione e creatività, usando tutte le nostre conoscenze e tecnologie al fine di affrontare il problema in modo innovativo ogni volta che si arrivi in fondo ad un vicolo cieco. L’idea di pulire i serbatoi per facilitare la pulizia degli scarichi non è nuova, ma per il momento è attuata ancora a passo ridotto e, soprattutto, in modo assolutamente non coordinato neppure fra i paesi tecnicamente più avanzati. Faccio riferimento all’utilizzo di carburanti alternativi e ai vantaggi relativi. Il primo e il più diffuso è il propano liquefatto, utilizzato negli USA già dagli anni ’30 per l’alimentazione dei grossi V8, oltre 10 litri di cilindrata, di camion colossali, prima che la superiore efficienza termodinamica del ciclo Diesel portasse anche l’industria USA del trasporto pesante a convertirsi allo sviluppo di moderni motori a gasolio.

Il propano, C3H8, è un derivato della raffinazione del petrolio, è gassoso e “bolle” (diventa liquido) a -42° (231.15°K), ma basta sottoporlo a moderata pressione per mantenerlo stabilmente allo stato liquido in un serbatoio di costruzione adeguatamente solida e senza necessità di uno strato di coibente che lo isoli dal calore esterno. È un carburante puro, non trasporta inquinanti, brucia in modo completo e pulito e, soprattutto, vanta un tenore ottanico di 111 RON che consentirebbe di elevare il rapporto di compressione ad almeno 12/13:1 anche su motori “per famiglia”. In Europa, per abbassarne i costi, è stato miscelato al butano, CaH10, anch’esso un derivato gassoso del petrolio che, rispetto al propano, è portato allo stato liquido ancora più agevolmente, basta abbassarne la temperatura a -1° (272.15°K) e applicare una modestissima pressione. Le sue caratteristiche di purezza e combustibilità sono analoghe a quelle del propano, ma il suo tenore ottanico è pari a 103 RON, quello di un’ottima “benzina super”.

L’utilizzo del GPL al posto della benzina abbassa il livello delle emissioni inquinanti grazie alla combustione più rapida, completa e che non lascia depositi carboniosi sugli organi interni del propulsore e nel lubrificante. Anche la quantità di CO2 per kilometro è leggermente inferiore in ragione del minor numero di atomi di carbonio nella costruzione delle molecole di butano e propano, rispetto alle molto più complesse molecole degli idrocarburi liquidi che partecipano alla formulazione delle benzine. È un passo avanti, non enorme, ma è presente, ben accessibile e ampiamente sperimentato. Ma il vero carburante che consentirebbe di far compiere al motore a accensione comandata un grande salto di qualità in termini di compatibilità ambientale è sicuramente il metano, per gli amici CH4. Ne ho già parlato e non vorrei ripetermi perché il metano nel frattempo non è cambiato. La sua molecola è sempre costituita da un atomo di carbonio e da quattro di idrogeno e quindi offre il miglior rapporto carbonio/idrogeno fra tutti gli idrocarburi e questo è un dato fondamentale nell’ottica della riduzione delle emissioni di CO2, sempre ammesso che il CO2 sia questo terribile nemico del nostro ecosistema, di cui io non sono affatto convinto, anzi. Al contrario di propano e butano, è più leggero dell’aria e quindi si miscela con essa ancora più rapidamente ed in modo più completo al momento della introduzione della carica aspirata nel cilindro.

Ne consegue una combustione molto prossima alla perfezione, che non richiederebbe post trattamento catalitico perché non ci sono residui né di CO né di HC da eliminare. Ma la caratteristica del metano che può aprirci la strada ad un importante incremento della efficienza termodinamica del motore ad accensione comandata è un valore ottanico ineguagliato, pari a 130RON. È una qualità che consentirebbe di realizzare propulsori dedicati il cui rapporto di compressione potrebbe arrivare agevolmente a 16:1, e forse anche a 16.5:1, nel caso di motori aspirati, e attorno a 14:1 per i turbosovralimentati, senza problemi di detonazione. Il rapporto di compressione è uno dei fattori primari nella determinazione della efficienza termodinamica di un propulsore alternativo e questi sono valori prossimi a quelli dei moderni propulsori a ciclo Diesel. La superiore efficienza termodinamica che ne conseguirebbe avrebbe positiva ricaduta sia sul potenziale prestazionale, sia sul contenimento dei consumi e delle emissioni.

L’elevato rapporto di compressione ha anche una conseguenza negativa: l’incremento delle emissioni di NOx, per cui sarà necessario adottare un efficiente catalizzatore riducente. Nel settore automotive, per il momento non ci sono propulsori dedicati alla alimentazione esclusivamente a metano, ma solo in configurazione bi-fuel benzina-metano. Ne consegue che tali propulsori mantengono un rapporto di compressione calibrato sulla alimentazione a benzina, senza poter ricorrere a quelli consentiti da quella puramente a metano. Quindi l’efficienza termodinamica del propulsore è sempre la stessa, ma tutti gli altri effetti positivi della alimentazione a metano restano validi. E quindi vale sempre la pena di lavorare alla pianificazione di un più diffuso utilizzo del metano e del biogas, cominciando dal consolidamento delle infrastrutture in tutta Europa. Il Gruppo AUDI-VW è quello più positivamente impegnato nello sviluppo di modelli dotati di propulsori ad alimentazione bi-fuel metano-benzina e i risultati conseguiti sono decisamente molto brillanti. Si tratta di propulsori sovralimentati e le loro prestazioni mantengono una elevata densità di erogazione e i consumi specifici rimangono molto contenuti. A queste qualità, l’alimentazione a metano aggiunge un funzionamento piacevolmente fluido e straordinariamente elastico.  Tutti i propulsori bi-fuel di ultima generazione confermano la grande competenza del Gruppo AUDI-VW in materia e fra questi segnalo il 2.0 litri TFSI g-tron delle AUDI A4 e A5, lo 1.5 litri TFSI g-tron della Golf 8 e lo straordinario tre cilindri G-TEC 1.0 della Skoda Scala, rispettivamente da 170 Hp, 130Hp e 90 Hp, tutti turbosovralimentati ed eccezionalmente efficienti.

Ma questo deve essere considerato come l’attuale stato dell’arte del settore. Ma il metano ha molto di più in da offrire per una positiva evoluzione dei propulsori ad accensione comandata. Federmetano ha annunciato la creazione delle prime stazioni di servizio che distribuiscono metano allo stato liquido ed è un fatto molto rilevante. Il metano è liquido a -170°C (103.15°K) e questo lascia intuire che il processo di liquefazione richiede un rilevante dispendio di energia e che la sua conservazione in questo stato pone problemi di criogenia. La scienza e l’industria hanno messo in campo un rilevante sforzo di ricerca tecnologica per rendere disponibile e agevolmente accessibile e utilizzabile il metano allo stato liquefatto, e i risultati sono stati estremamente positivi, come è sempre quando andiamo ad aprire i rubinetti della ricerca scientifica. La migliore dimostrazione della conseguita accessibilità è data dal fatto che il metano viaggia regolarmente e in sicurezza allo stato liquido a bordo delle navi metaniere. La progressiva disponibilità di metano liquido merita che l’industria automotive e i relativi centri di ricerca e sviluppo comincino a considerare lo sviluppo di propulsori dedicati alimentati ad iniezione diretta di metano liquido. No, non sono sbarcato da Marte. Negli anni ’90 ho avuto modo di guidare quello che ritengo tutt’ora il miglior prototipo che BMW abbia realizzato nell’ambito del programma di sviluppo di una generazione di vetture dotate di propulsori alternativi alimentati da idrogeno, un’idea del tutto sballata perché l’idrogeno ha un tenore ottanico che supera appena 80RON, per cui un motore ad accensione comandata ha un potenziale drammaticamente limitato. Ma questo specifico prototipo disponeva di un 6 cilindri 3.6 litri con iniezione diretta di IDROGENO LIQUIDO. Una enormità tecnologica, l’idrogeno è liquido a -254*C (solo 19.15°K), ha densità molto bassa e non ha capacità lubrificante alcuna, ma ci riuscirono, con l’assistenza della Stanadyne, azienda USA leader nella progettazione e produzione di impianti di iniezione diretta che, grazie alla sua esperienza ed alla possibilità di accedere a materiali “spaziali” di esclusiva USA, riuscì a realizzare non solo la pompa di iniezione, ma soprattutto gli iniettori più sofisticati mei visti.

L’iniezione diretta di idrogeno liquido ha azzerato il rischio di ritorni di fiamma nel collettore di aspirazione, presenti in tutti gli altri propulsori sperimentali BMW del programma idrogeno in ragione della estrema volatilità dell’elemento più leggero in natura. L’iniezione diretta, inoltre, ha conferito a quel 6 cilindri una densità di risposta in potenza sconosciuta agli altri prototipi. La tecnologia, quindi, esiste e, per quanto complessa e costosa, è stata resa accessibile. Con il metano liquido gli iniettori potrebbero avere vita più facile che con l’idrogeno e quindi potrebbero essere meno sofisticati. L’’iniezione diretta di metano liquefatto avrebbe il positivo effetto di abbassare la temperatura della camera di combustione con conseguente contenimento della generazione di NOx. E il rapporto di compressione potrebbe essere ulteriormente innalzato, che è sempre un fatto positivo. Sarebbe l’inizio di una nuova generazione di propulsori ad accensione comandata, capaci di combinare prestazioni globali di assoluta eccellenza ed un doveroso rispetto dell’ambiente. Bisogna vedere se qualcuno avrà voglia di spendere un po’ meno per le auto a batterie e investire ancora per fare evolvere i propulsori endotermici. Anche i motori a ciclo Diesel possono migliorare il loro rapporto con l’ambiente grazie all’utilizzo di carburanti alternativi. In questo caso si tratta di carburanti di origine vegetale tratti da piante che possono contribuire a migliorare l’equilibrio agronomico da aree oggi a rischio desertificazione, come è nel caso della jatropha, da cui si estrae un ottimo bio-diesel che si potrebbe impiegare anche puro perché ha qualità lubrificanti perfettamente compatibili con le esigenze delle pompe e degli iniettori degli attuali sistemi common rail. Lo stesso vale per il bio carburante che l’aviazione della US Navy ottiene da piante marine e che viene miscelato al kerosene, ma potrebbe andare benissimo anche miscelato al gasolio. Come ho detto, la scienza arriva sempre a produrre soluzioni positive ai problemi dell’uomo e, in questo caso, dell’ambiente. Sono necessari investimenti per la ricerca. Gli strilli e gli slogan della Greta e dei gretini non servono a niente. La scienza e la cultura ci salveranno, non la demagogia pilotata.

 

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