Progettare macchinari sostenibili: vincere la sfida emissioni zero

I costruttori, spinti dal nuovo quadro normativo internazionale e locale, stanno affrontando la sfida della sostenibilità con la progettazione di macchine sempre più vicine al target emissioni 0. A dimostrarlo è anche la crescita esponenziale dell’offerta di macchine e veicoli elettrici.

Mentre da un punto di vista tecnico l’elettrificazione e, quindi, la digitalizzazione si stanno configurando come la scelta tecnica innovativa maggiormente adottata; la scelta delle batterie e dell’architettura impiantistica delle macchine stanno assumendo un ruolo strategico al fine di aumentare l’autonomia di questi mezzi, migliorandone l’efficienza.

Per un approfondimento, si veda anche l'articolo "Risparmio energetico, efficienza e sostenibilità: le soluzioni HYDAC". 

L’obiettivo è, dunque, quello di costruire macchine sempre più competitive. Facciamo il punto della situazione con l’Ing. Davide Guerzoni che lavora nella divisione Mobile di HYDAC S.p.A.

È facile rammentare come fino a ieri per le macchine operatrici mobili convenzionali con motore endotermico, specialmente nel mercato del noleggio non si poneva l’attenzione a parole quali sostenibilità ed efficienza energetica, bensì alla competitività di mercato e alle performance (ad esempio di portata o di velocità dei movimenti).

Oggi il quadro normativo, con un’attenzione crescente e sempre più urgente alla tutela del nostro pianeta, ha imposto anche ai costruttori di ripensare a macchine operatrici "pulite", a emissioni 0.

Emissioni zero e sostenibilità: come tutto ciò ha coinvolto i costruttori di macchine per il lavoro?

Quando parliamo di emissioni è necessario non limitare le nostre considerazioni al solo inquinamento atmosferico. Dato che questi mezzi si trovano spesso ad operare in centri abitati, in ambienti chiusi, in aree agricole, su terreni di bonifica o a elevato rischio di impatto, è fondamentale considerare come inquinante tutto ciò che la macchina emette: dai gas di scarico alle eventuali perdite di carburante/lubrificante, dal rumore/onde sonore fino ad arrivare a quello che emetterà a fine vita o per la sua stessa manutenzione.

I motori elettrici non necessitano degli interventi di manutenzione a cui siamo solitamente abituati con i motori endotermici (cambio liquidi, usura dei componenti e così via) e le batterie ormai hanno raggiunto livelli tecnologici tali da assicurare non solo un funzionamento pari alla stessa vita della macchina, ma anche da poter essere riutilizzate per altri fini dopo la rottamazione del mezzo (come ad esempio su piccoli impianti fotovoltaici).

Per queste ragioni il progettista di una macchina mobile (da quelle agricole a quelle per il movimento terra o sollevamento o costruzione) è oggi chiamato a progettare macchine non solo più performanti, ma anche più pulite, meno rumorose e non inquinanti.

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È in questo quadro che si inserisce la scelta dell’elettrificazione delle macchine, che permette di aumentare l’efficienza energetica (i motori elettrici attuali sono in grado di assicurare un rendimento superiore al 95%), diminuire drasticamente la rumorosità della macchina e non avere emissioni di gas di scarico durante il funzionamento in atmosfera.

Come per tutte le scelte, la medaglia ha sempre due facce: introducendo la propulsione elettrica in queste macchine nasce il problema dell’autonomia e, di conseguenza, della scelta delle batterie che dovranno assicurare all’operatore almeno 8 ore di lavoro. Per arrivare a questo monte ore è fondamentale ottimizzare i diversi sistemi dei veicoli e il loro funzionamento.

Elettrificazione e layout dell’impianto: quali sono le ottimizzazioni possibili?

Una via per ottenere reali benefici dal processo di elettrificazione è la revisione del layout impiantistico della macchina. In tal senso diverse sono le vie che portano ad ottenere il massimo nella ricerca del perfetto equilibrio tra emissioni 0 e performance.

Per far fronte a queste esigenze, infatti, molti costruttori hanno inizialmente attuato questo processo con la semplice sostituzione 1:1 del motore endotermico con quello elettrico. Una soluzione che, purtroppo, non apre a tutti i benefici perseguibili con l’elettrificazione. Questa scelta è soggetta a due importanti limitazioni: avere un’unica propulsione dal lato energetico implica un’elevata dissipazione nell’attivazione di una funzione del mezzo e, a fronte degli elevati voltaggi in gioco, attiva ulteriori universi normativi.

Invece, realizzare impianti in cui la potenza energetica necessaria venga suddivisa su più motori di minor potenza permetterebbe di regolare meglio la produzione di energia e rientrare in quadri normativi più accessibili.

E per quanto riguarda le performance energetiche?

In una qualunque macchina mobile convenzionale si parte da energia fornita dal motore a combustione sotto forma di energia meccanica, la quale si trasforma in energia idraulica che sarà poi resa disponibile con le necessarie regolazioni e entità di utilizzo, di nuovo sotto forma di energia meccanica.

Le maggiori perdite energetiche nell’impianto si possono, quindi, localizzare sul motore endotermico nel processo di trasformazione dell’energia generata dalla combustione del carburante in energia meccanica: la dissipazione causata dall’impianto idraulico può essere quantificata con un 25% circa. 

Pensando ora di sostituire nelle macchine di nuova generazione il motore primo con un motore elettrico, il bilancio dissipativo all’interno della macchina muta completamente: il motore elettrico ha efficienze altissime causando così dissipazioni irrisorie rispetto a quanto accade nell’impianto idraulico che a questo punto diventerà la maggior causa di dissipazione energetica.

In questo senso l’autonomia e, quindi, l’efficienza della nuova macchina elettrificata dipenderà principalmente dal rendimento dell’impianto idraulico che, a questo punto, dovrà essere progettato con componenti e soluzioni impiantistiche attente al saving energetico: gestione della portata intelligente, eliminazione dei compensatori (laddove possibile) e di alcuni componenti convenzionali altamente dissipativi, integrazione di sistemi di accumulo/energy recovery in grado di immagazzinare energia normalmente dissipata e restituirla quando il sistema richiede un picco di potenza.

I tecnici di HYDAC lavorano già in questo senso, in quanto sviluppano e creano soluzioni volte all’ottimizzazione delle macchine, per sfruttare al massimo i benefici dell’elettrificazione in ottica green ed eco-sostenibile.

Grazie all’Ing. Davide Guerzoni per averci illustrato le peculiarità del passaggio all'elettrificazione dei macchinari.

In conclusione, questa pratica porta enormi vantaggi: fra tutti possiamo citare la riduzione dei consumi, un investimento minore in manutenzione, il raggiungimento del target "emissioni zero" e una maggior efficienza dei macchinari stessi. 

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