Il futuro delle macchine elettriche

Tecnologie
Il futuro
delle macchine elettriche
Della conversione
e/o integrazione
di una propulsione
elettrica nelle
macchine movimento
terra se n’è parlato
in svariate occasioni,
relativamente alla sua
integrazione
e/o fattibilità.
Un argomento che
riproponiamo, dopo
aver interpellato chi
recentemente si è
reso portavoce di tale
innovazione
n a cura di Ettore Zanatta
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er rispondere alle esigenze di mercato e ambientali
di mezzi sempre più puliti
ed efficienti, le case automobilistiche di tutto il mondo stanno proponendo soluzioni tecniche
commercialmente impensabili fino
a qualche anno fa.
Mezzi ibridi a recupero di energia
(in frenata) e auto elettriche definite precedentemente come “concept
car” sono oggi delle realtà. Citiamo
un “estremo” (in termini di prestazioni) “dell’estremo” (per il fatto che
è a batterie): un’autovettura elettrica
dalle prestazioni, in termini di accelerazione, del tutto simili a una Porsche
Turbo, la Tesla. Realizzata su scocca
di una Lotus Elise, equipaggiata con
mezza tonnellata di batterie al litio e
con un motore elettrico da 200 CV, la
macchina – stando ai dati dichiarati
dal costruttore – garantisce un’autonomia di 320 km e prestazioni da
super sportiva.
Ma MT non è una rivista di automobili: il nostro settore di riferimento
è quello delle macchine movimento terra, che con l’elettrico – a parte qualche raro caso – non ha nulla
(o poco) a che vedere. Almeno fino
all’ultima edizione del Samoter.
In quell’occasione SCAI di Bastia Umbra (Pg) – distributore esclusivo, tra
gli altri, del marchio Hitachi – ha presentato lo ZE22U, un miniescavatore
completamente elettrico e battezzato Volterra. Questa macchina – equipaggiata con batterie al piombo acido, per una tensione nominale complessiva di 80 V, e con un motore
elettrico trifase dalla potenza massima di 12 kWe – offre prestazioni, in
termini di raggio operativo e capacità
di sollevamento, analoghe (in alcuni
casi, superiori in altre) allo ZX22U.
Incuriositi da questo prodotto, abbiamo incontrato l’ingegner Walter
Vinciotti della società Privee srl che,
unitamente al collega Francesco Mastrandrea, ha collaborato insieme alla
divisione Ingegneria e all’ufficio marketing dell’azienda umbra alla realizzazione di Volterra. La Privee srl,
infatti, si dedica già da diversi anni
all’”elettrificazione” di mezzi alimentati da motori termici: il passaggio,
cioè, da mezzi equipaggiati con propulsori termici a benzina e/o diesel
a motori elettrici. La società è oggi
impegnata nella realizzazione di un
kit per la realizzazione di tale conversione con tanto di omologazione
stradale per autovetture.
Come nasce la collaborazione tra
Privee e Scai?
“Scai ci ha interpellato per analizzare la “fattibilità” del progetto. Dopo
uno specifico studio, in funzione di
quelle che erano le prestazioni attese, non abbiamo saputo resistere a
n Walter Vinciotti della Privee srl
questa nuova sfida che ci si prospettava. Abbiamo deciso di accettare,
dando il nostro supporto e condividendo parte delle nostre conoscenze
con l’azienda di Bastia Umbra”.
Durante la visita al Samoter molti
operatori del settore si chiedevano
quali siano le reali capacità, in termini di autonomia, del Volterra.
Cosa può dirci a tal proposito?
“Occorre fare una premessa: insieme
a Scai abbiamo affrontato uno studio
vincolato da tempi ristretti e costi contenuti. La tecnologia installata su Volterra non è l’ultima disponibile, ma la
più affidabile e a buon mercato. Questo
per il genere di lavoro che la macchina
andrà a fare. Inoltre, installare batterie
al litio su una macchina senza sapere
del futuro del mezzo stesso sarebbe
stato fuori luogo. A noi interessava
dimostrare la “fattibilità” di una macchina come questa.
Se avessimo avuto modo di installare le ultime tecnologie disponibili sul
mercato, certamente avremmo ottenuto prestazioni diverse. Ma si tenga
presente anche come varia il mercato
delle batterie, in termini di costi: se 1 è
il costo attribuito alle batterie al piombo acido, quelle al nichel cadmio ne
hanno uno compreso tra 3 e 5, mentre quelle al litio da 7 a 10. Ma, come
accennato, i tempi ristretti a disposizione e un budget contenuto hanno
imposto scelte specifiche”.
Se non ci fossero state tali problematiche cosa avreste potuto dimostrare?
“Sicuramente ottenere di più. Ma le
domande corrette da porsi, a questo
punto, sarebbero state le seguenti: ne
sarebbe valsa la pena? E se sì, a quale
costo? “Elettrificare” un miniescavatore, infatti, ha i suoi vantaggi e svantaggi. Altro discorso invece si può affrontare per macchine di taglia più importante. In tal caso sì, allora, avrebbe
senso investire nell’ultima tecnologia
disponibile”.
Cosa intende, nello specifico?
“Il consumo di carburante di un diesel
è pari 170 gr/CV; per quelli a uso industriale è anche superiore. Facendo
due conti è plausibile – e da quello che
so anche molto frequente – che in un
segmento come quello delle macchine
movimento terra sia facile raggiungere consumi orari prossimi ai 16-20 l/h
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n Dall’immagine si può intuire l’agevole manutenzione offerta dalla
macchine base
n Caricabatterie con presa
elettrica industriale
sulla classe di mezzi da 200 q. Se pensiamo che queste macchine lavorano
per circa 2.000 ore l’anno, per una vita
utile stimata tra le 10.000 ore a salire,
elettrificare una macchina movimento
terra risulta essere conveniente. Come
si sa il consumo, stando a tali premesse, è la prima voce di costo quando un
cliente decide di acquistare un mezzo
di questa categoria. La forbice che si
può creare dipende dal prezzo del carburante. Il costo del mezzo è probabilmente la seconda o terza voce nella
lista, in funzione del periodo che prende in esame. Con il prezzo del carburante che aumenta continuamente e
considerando le manutenzioni di un
motore diesel, il prezzo diventa rilevante! Cito un dato: i motori elettrici
dei quali ci avvaliamo nelle nostre conversioni sono “maintenance free” per
1.500.000 km. Sapete a quante ore di
funzionamento corrispondono? A circa 25.000 ore!
Già così facendo, chi investe in un
mezzo elettrico si libera della preoccupazione derivante dall’essere lasciati in asso dal motore e dai consumi in termini di spreco di carburante e di manutenzioni che l’impiego di un motore termico comporta.
Sono presenti a bordo un trasformatore dc/dc per le utenze a 12 V.
Prenderemo in esame il Volterra
LITe di prossima realizzazione, ovvero una versione a marchio CE che sarà dotata di batterie agli ioni di litio.
Le macchine da costruzione, per essere legalmente immesse sul mercato comunitario, devono rispettare le
direttive europee applicabili nei settori della sicurezza e della tutela ambientale. Lo Zaxis 22U soddisfa i requisiti richiesti dalla normativa; come si
comporta il suo “alter ego” Volterra?
Dal punto di vista delle emissioni di
gas è avvantaggiato rispetto alla macchina diesel: non ha, infatti, emissioni
inquinanti durante il suo ciclo di lavoro. Ciò grazie al motore elettrico, che
oltre a garantire rifornimenti a basso
costo, evita anche voci di spesa relative alla manutenzione. La normativa
per gli escavatori della UE, arrivata alla
Stage IIIB, prevede severi limiti per le
emissioni di gas di scarico dei motori che alimentano i mezzi destinati al
movimento terra. Vista la natura inquinante dei motori a combustione
interna – le cui efficienze arrivano al
40%, contro oltre il 90% di un motore elettrico – occorre applicare par-
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Sono soldi che gli operatori risparmiano.
E in più, si considerino i benefici derivanti dal poter lavorare in aree come i centri storici – anche di notte – e
senza emissioni di gas, in assenza di
vibrazioni e di rumori”.
Quali sono le particolarità di un
miniescavatore come Volterra?
“Volterra è un esemplare unico al
mondo e per poter svolgere l’analisi
delle sue prestazioni il confronto va
fatto con il miniescavatore d’origine,
lo Zaxis 22U-2 (22 q di peso, profondità massima di 2.585 mm), alimentato
da un diesel che produce una potenza
utile al volano di circa 14 kW.
Il Volterra è stato creato sostituendo
il propulsore endotermico Yanmar
3TNV76 con uno più semplice elettrico, quasi di pari potenza. Per l’applicazione è stato scelto un motore da 13 kW, asincrono trifase e
brushless. La regolazione avviene con
un inverter, che gestisce il motore attraverso la leva di regolazione del numero di giri. Come accessorio è possibile avere anche il sistema start &
stop, che gli permette di spegnersi
completamente quando non utilizzato, invece che rimanere al minimo.
Tecnologie
n Gruppo batterie connesse in
serie
n In primo piano, gli elementi che costituiscono il pacco batterie
ticolari sistemi di trattamento dei gas
di scarico se si vuole rientrare nei termini imposti dalla normativa.
Tali sistemi sono costosi e richiedono
manutenzione per la sostituzione e la
pulitura periodica degli elementi consumabili. Anche sulle emissioni sonore il Volterra è vincente nel confronto
con la macchina originale: il diesel è
rumoroso anche al minimo e produce
vibrazioni che costringono l’operatore
a lavorare in condizioni pericolose per
la salute. Il Volterra è invece (molto)
più confortevole: da un’analisi fonometrica risulta fino a 10 volte più silenzioso, specie in alcune fasce di frequenza (dato apprezzato da chi lavora
a bordo del mezzo e da chi deve vivere
e/o operare nell’intorno del suo luogo
di utilizzo). Dato il funzionamento rotatorio del motore elettrico si evitano
le vibrazioni dovute al moto alternato dei pistoni dei tradizionali motori.
L’utilizzo di oli biodegradabili all’interno dei circuiti idraulici la rendono
una macchina che esegue lavori senza
emissioni. Questi vantaggi non incidono sulle prestazioni della macchina.
Lo Zaxis 22U ha una forza di strappo
dalla benna di 18,6 KN, che nel Volterra rimane invariata, se non superio-
re. Il motore elettrico, infatti, ha una
potenza di 13 kW nominali, che possono raddoppiare negli spunti, ovvero proprio nello strappo della benna.
Possiamo quindi conferire al Volterra
una capacità di strappo anche superiore a quella del mezzo originale, come se fosse alimentato da un motore
da 26 kW. La forza di strappo, tuttavia, non arriva a raddoppiare, perché
il circuito idraulico rimane invariato e,
quindi, tarato sulla potenza originale. Inoltre, nel Volterra aumentano la
precisione e la fluidità dei movimenti. La possibilità di regolare le rampe
d’accelerazione attraverso il controllo elettronico dell’inverter permette
di fornire, come accessorio, un selettore dal quale scegliere alcune soluzioni pre-impostate, che conferiscono comportamenti differenti alla macchina durante il suo utilizzo, a favore dell’autonomia piuttosto che delle
prestazioni. Le batterie al litio scelte
per l’applicazione sono le LiFePo4, variante della famiglia agli ioni di litio
molto sicura anche in caso di foratura o urto violento (caratteristica utile in cantiere). La loro curva di scarica è l’ideale per queste applicazioni: la tensione rimane costante fino a
circa l’80% dell’utilizzo, diminuendo
solo a batteria quasi scarica. Inoltre,
la tecnologia permette di supportare
appieno le caratteristiche dei motori
elettrici capaci, come già accennato,
di spunti fino al doppio della propria
potenza nominale. Per sfruttare bene
questa caratteristica, che conferisce
ai mezzi elettrici l’ennesimo punto di
forza rispetto ai motori endotermici,
bisogna però utilizzare accumulatori
in grado di fornire prestazioni costanti, anche quando lavorino al di fuori
delle loro condizioni nominali.
A misurare tale capacità interviene
un moltiplicatore seguito dalla lettera “C”. Batterie con capacità 2C sono
capaci di erogare due volte la corrente nominale; quelle con capacità 10 C
fino a 10 volte. Il moltiplicatore indicato davanti alla lettera “C” indica
quindi per quanto va moltiplicata la
corrente nominale per trovare il suo
effettivo valore di spunto.
Anche le curve di carica legate all’utilizzo della tecnologia al litio sono ottimali per queste applicazioni, dimostrando un’ottima adattabilità delle
celle ed essendo in grado di eseguire il
ciclo di ricarica rapido, che porta a poter avere circa il 75% dell’energia accumulabile totale in soli 45 minuti di
carica. Questo tipo di batterie ha un ciclo di vita elevato, capace di perdere il
proprio rendimento in maniera lineare
negli anni, dando modo al gestore
di stimare con precisioni le capacità
residue del pacco batterie installato.
Si effettuano 1.500 cicli di carica/scarica senza scendere al di sotto dell’80%
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colando la necessità di connettersi a
una sorgente di energia (se non per
ricaricare), rende la macchina versatile e usufruibile negli ambienti più
disparati”.
n Motore elettrico trifase con
flangia di accoppiamento
n Motore trifase con flangia di
accoppiamento a gruppo pompe
n Particolare del motore trifase
n Tubazioni di raccordo
per distribuzione elettrolita
della capacità iniziale, mentre la vita
utile è stimata intorno ai 2.500-3.000
cicli. L’alta densità di energia delle batterie conferisce al Volterra una autonomia che può superare le sei ore di
lavoro senza la necessità di ricarica”.
Che genere di modifiche sareste in
grado di operare nella fase di conversione da termico a elettrico?
“Le soluzioni che possiamo offrire ai
clienti sono di tre tipologie: macchine elettriche indipendenti (a batteria); macchine alimentate a cavo (rete) e batteria; macchine alimentate
direttamente dalla rete elettrica nazionale. I clienti possono scegliere il
tipo di personalizzazione del mezzo
in funzione delle proprie esigenze.
In contesti urbani, ad esempio, laddove è disponibile una rete elettrica con un quadro industriale, la soluzione a cavo ha una sua valenza
poiché evita il vincolo della ricarica
delle batterie. Si tenga presente che
avvalendoci di motori elettrici si può
installare una potenza inferiore del
30-40% rispetto a quella nominale
del motore termico. Ciò per via del
rendimento del motore elettrico molto più alto. L’”ibrido” batteria-cavo è
una transizione rispetto alla versione
‘batteria al 100%’. Anche in questo
caso si ha una sua peculiarità di versatilità in funzione del sito operativo. Mentre l’elettrico al 100%, svin-
Certo la modifica di un escavatore
convenzionale è ben differente da
quella di un miniescavatore…
“Ciò non toglie che l’appetibilità resti immutata, forse superiore. Un miniescavatore, infatti, può essere facilmente trasportato e può lavorare in
ambienti chiusi e confinati. Ci s’immagini poter operare in pieno centro storico e/o all’interno di un’abitazione senza che i gas prodotti dallo scarico rendano l’ambiente circostante invivibile! La CO2 prodotta,
nel caso dell’elettrico, è inesistente,
come anche gli HC, i Nox, eccetera.
Rumorosità? La sola prodotta è quella dell’impianto idraulico. Vibrazioni
per l’operatore? Assenti, in quanto
essendo installato un motore rotativo anziché alternato le vibrazioni sono di gran lunga inferiori rispetto al
modello convenzionale”.
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Quali sono i costi per le diverse
modifiche, quindi un ordine di
grandezza per un’eventuale conversione?
“Parlando di mezzi a batteria mi si
consenta una battuta: al peggio non
c’è mai fine! Parlando di macchine
elettriche, dobbiamo chiederci ciò
che serve al cliente e il genere di autonomia richiesta. È il livello di autonomia che determina il prezzo della
macchina, poiché strettamente legata alla quantità di batterie installata.
Se il cliente comprende le potenzialità che gli si prospettano nel momento in cui può annoverare una versione
elettrica nella propria flotta e la moltitudine di lavori che può affrontare,
allora la voce “costo del mezzo” diventa secondario. Generalmente non
ci sbilanciamo mai su cifre prima di
aver effettuato uno studio di fattibilità, compreso l’esigenza del cliente, e capito realmente il problema.
Un ordine di grandezza può variare
tra le migliaia di euro e le decine di migliaia. Ma detto così è assolutamente riduttivo.
Quali sono, quindi, i progetti più
imminenti?
“Siamo in dirittura di arrivo per l’omologazione del nostro kit di conversione per le autovetture stradali e, in più,
stiamo studiando una soluzione analoga per gli escavatori. Ormai siamo
in pista e vorremo continuare ad approfondire i progetti, dato che abbiamo ricevuto un’altra richiesta del tutto analoga a Volterra. Posso solo dire
che stiamo studiando una soluzione
a batterie con un’autonomia minima
di sei ore, con tempi di ricarica contenuti e vita minima utile delle batterie
di 2.000 cicli di lavoro”.