5 motori a combustione di idrogeno pronti a rompere gli schemi

La combustione dell’idrogeno è emersa come una delle opzioni di carburante più promettenti, offrendo un valore ambientale significativo e prestazioni. A livello di progettazione, questi motori risalgono a più di quattro decenni.

Nel 1970, l’inventore Paul Dieges brevettò una modifica che permise ai motori a combustione interna alimentati a gas di funzionare a idrogeno. Da allora, questa tecnologia è progredita notevolmente nella sua capacità di alimentare veicoli, automobili e autobus. Il suo potenziale è così grande che anche gli aerei commerciali futuri potrebbero adottare l’idrogeno come carburante principale.

Nei motori a combustione di idrogeno, l’idrogeno liquido o gassoso brucia in un motore a turbina a gas modificato per generare spinta. Questo processo rispecchia la combustione interna tradizionale, ma con l’idrogeno che sostituisce il suo corrispondente combustibile fossile.

With its growing use and importance, speculations are rife about which HCE has the most exciting future. In the following segments, we look at five hydrogen combustion engines that are all set to break the mold.

Motore a idrogeno da 15 litri di Cummins

La piattaforma del motore da 15 litri di Cummins, di cui discutiamo, è neutrale rispetto al carburante al suo interno. È compatibile con idrogeno, gas naturale e diesel. Ma quando viene utilizzata con idrogeno, può davvero rompere gli schemi diventando la migliore versione della sua gamma di capacità di carburante a bassa o zero emissione di carbonio e accelerando la decarbonizzazione delle applicazioni pesanti fuori strada al loro ottimo. 

Parlando della sua specialità, Antonio Leitao, Vicepresidente del Business dei Motori Off-highway Global di Cummins, ha dichiarato quanto segue:

“La nuova piattaforma di Cummins porta la combustione interna a un nuovo livello, capace di soddisfare i futuri standard di emissioni ultra-basse, come EPA Tier 5 e EU Stage 6, insieme a una capacità di carburante a bassa o zero emissione di carbonio per aiutare i cantieri edili e le cave a intraprendere un percorso a costi inferiori verso la decarbonizzazione. Il da 15 litri presenta un significativo aumento della densità di potenza con un involucro di installazione più compatto, offrendo ai produttori di attrezzature la possibilità di fare di più con le loro macchine.”

Se discutiamo il caso specifico del motore a idrogeno, esso è dotato di una combustione a iniezione diretta e a combustione magra con potenze da 400 a 530 hp (298-395 kW) e una coppia massima di 2600 N·m. Attraendo energia da idrogeno verde a zero carbonio, può utilizzare un sistema di stoccaggio carburante ad alta capacità a pressione di 700 bar per massimizzare le ore di funzionamento tra i rifornimenti. 

Si prevede che la versione entrerà in piena produzione entro il 2027. L’azienda produrrà questi motori con cilindrate da 15 litri e 6,7 litri.

Il motore ha ricevuto convalida da parte degli stakeholder del settore fin dai suoi primi giorni. Nel gennaio 2022, Werner Enterprises (WERN ) (Nasdaq: WERN), un importante fornitore di trasporti e logistica,decise di iniziare a convalidare e integrare i motori a combustione interna a idrogeno da 15 litri di Cummins nei suoi veicoli.

Cummins ha riportato i risultati del quarto trimestre e dell’intero anno 2023 il 6 febbraio 2024. I ricavi del quarto trimestre 2023 di 8,5 miliardi di dollari sono aumentati del 10% rispetto allo stesso trimestre del 2022, mentre i ricavi per l’intero anno 2023 sono stati 34,1 miliardi di dollari, il 21% in più rispetto al 2022.

Motori a idrogeno al 100% V8 da 5,0 litri di Yamaha per Toyota

Toyota Motor Corporation (TM ) ha commissionato a Yamaha Motor lo sviluppo delmotore a idrogeno del futuro. Le cinque aziende — Kawasaki Heavy Industries, Subaru Corporation, Toyota Motor Corporation, Mazda Motor Corporation e Yamaha Motor — hanno deciso di condurre una ricerca collaborativa per esplorare e ampliare la gamma di opzioni di carburante per motori a combustione interna adatti alla neutralità carbonica.

Parlando dello sviluppo, il presidente di Yamaha Motor, Yoshihiro Hidaka, ha dichiarato:

“I motori a idrogeno hanno il potenziale di essere carbon-neutral mantenendo al contempo viva la nostra passione per il motore a combustione interna. Collaborare con aziende con culture aziendali e competenze diverse, oltre ad aumentare il numero di partner, è il modo in cui vogliamo guidare il futuro.”

All’evento di presentazione del motore, il V8 da 5,0 litri sembrava basato sul motore da 5,0 litri dellaLexus RC F luxury sport coupe, modificato per iniettori, teste dei cilindri, collettore di aspirazione e altro. Il motore può erogare fino a 450 hp a 6.800 rpm e un massimo di 540 Nm di coppia a 3.600 rpm. Il motore ad alte prestazioniV8 DOHC 32 valvole da 5,0 litri a 90 gradi è stato convertito da Yamaha per utilizzare l’idrogeno. 

Secondo il suo rapporto annuale per il 2023, Yamaha ha registrato un fatturato consolidato di gruppo di 451,4 miliardi di Yen con un profitto operativo di base di 45,9 miliardi di Yen. 

Il motore per BMW iX5 Hydrogen 

BMW sta testando il suo veicolo futuro dal 2023. Da temperature fino a 45°C a sabbia, polvere, varie pendenze e livelli di umidità variabili, l’azienda ha testato tutto. L’azienda ritiene anche che la sua tecnologia a celle a combustibile a idrogeno sia adatta all’uso quotidiano in temperature sub-zero estreme.

In termini di specifiche, ilsistema a celle a combustibile BMW iX5 Hydrogen può fornire costantemente una potenza elevata di 125 kW/170 hp. 

Toyota Motor Corporation è stata incaricata di produrre le singole celle per il Gruppo BMW. Lo stabilimento del Gruppo BMW a Landshut produce il contenitore per lo stack, che è la seconda fase del processo di produzione a due step. La prima fase prevede l’impilamento delle celle e il montaggio degli altri componenti.

Le celle a combustibile che forniscono le prestazioni di 125 kW/170 hp sono una combinazione innovativa derivante dalla gamma Gen-5 delle tecnologie eDrive di BMW Group e da una batteria appositamente sviluppata. Quando combinate, l’insieme è in grado di offrire una potenza fino a 285 kW/401 hp.

Il Gruppo BMW è anche responsabile dello sviluppo dei componenti dedicati all’idrogeno, inclusi il compressore ad alta risoluzione con turbina e la pompa di raffreddamento ad alta tensione. Il meccanismo interno della cella a combustibile spinge l’idrogeno dai serbatoi a reagire con l’ossigeno dell’atmosfera per produrre elettricità che alimenta il motore. I due serbatoi presenti nel BMW iX5 Hydrogen possono contenere un totale di 6 kg di gas e consentono al sistema di raggiungere un’autonomia di 504 km nel ciclo WLTP.

Il Gruppo BMW considera anche il motore iX5 il futuro del rifornimento, poiché il rifornimento di idrogeno è più veloce rispetto alla ricarica di un’auto elettrica a batteria.

L’associazione di BMW con l’idrogeno è stata olistica. La logistica degli impianti del gruppo utilizza il gas dal 2013. È anche l’azienda che ha eretto la prima stazione di idrogeno indoor in Germania presso lo stabilimento di Lipsia. Il PaintShop dello stabilimento di Lipsia è coinvolto nella sperimentazione dell’uso dell’idrogeno nella produzione di veicoli.

Nel 2023,Il Gruppo BMW ha riportato ricavi annuali di circa 155,5 miliardi di euro, un aumento del 9% rispetto al valore del 2022 di quasi 143 milioni di euro.

Motori a combustione di idrogeno Volvo con tecnologia di iniezione diretta ad alta pressione (HPDI)

I camion Volvo destinati a dotarsi di un motore a combustione di idrogeno avranno la tecnologia di iniezione diretta ad alta pressione (HPDI), il che significa che una piccola quantità di carburante di accensione, iniettata ad alta pressione, può consentire l’accensione per compressione anche prima che l’idrogeno venga aggiunto. Uno dei numerosi vantaggi di questa tecnologia è che mantiene alti livelli di efficienza energetica con un consumo di carburante ridotto. Garantisce che la potenza del motore non sia compromessa nel processo. 

Il Gruppo Volvo ha già firmato un accordo con Westport Fuel Systems (WPRT ) per creare una joint venture che utilizzi la tecnologia HPDI, la quale si prevede entrerà in funzione nel secondo trimestre del 2024. 

Mentre illustrava la strategia di Volvo per i suoi motori a idrogeno, Jan Hjelmgren, Responsabile della Gestione Prodotto e Qualità presso Volvo Trucks, ha dichiarato,  

“I camion, dove il tradizionale motore a combustione interna rimane ma funziona a idrogeno, avranno le stesse prestazioni e affidabilità dei nostri camion diesel, ma con il vantaggio aggiuntivo di potenziali emissioni nette zero di CO2 dal pozzo alla ruota. Saranno un complemento prezioso ai nostri camion elettrici a batteria, presenti sul mercato da diversi anni.”

I test con i clienti sui camion Volvo che utilizzano idrogeno nei motori a combustione inizieranno nel 2026, e i camion saranno disponibili commercialmente verso la fine di questo decennio. 

La tecnologia HPDI è un’aggiunta trasformativa a come i nostri sistemi di trasporto funzioneranno in futuro. Affronta le sfide di soddisfare i requisiti normativi Euro 7 e EPA USA per i produttori di camion e attrezzature fuori strada a livello globale. 

L’iniettore con design a doppia ago concentric può ridurreil 97% delle emissioni di CO2. È per questo che i camion che utilizzano questa tecnologia possono essere classificati come “Veicoli a emissioni zero” secondo i nuovi standard UE sulle emissioni di CO2. I motori produrranno anche quantità molto ridotte di ossidi di azoto e particolato. 

Nel 2023, le vendite nette aggiustate per valuta del Gruppo Volvosono cresciute dell’11% a 552,8 miliardi di SEK, e il suo reddito operativo aggiustato è migliorato a 77,6 miliardi di SEK.

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Motore a combustione di idrogeno sviluppato in collaborazione da Kia e Hyundai

In una mossa recente che potrebbe rivelarsi pionieristica, Kia e Hyundai, due giganti automobilistici coreani, hanno collaborato per progettare un motore a combustione di idrogeno. Il motore potrebbe essere pronto per le auto passeggeri entro il 2025. 

I rapporti suggeriscono che questo motore possa potenzialmente risolvere tutti i problemi di durata e fattibilità su larga scala che i motori a idrogeno hanno affrontato fino ad ora. Il prototipo è un motore a idrogeno da 2 litri con 180-200 cavalli, con curve di coppia e potenza comparabili a quelle dei motori a benzina equivalenti in termini di dimensioni. Il vantaggio è che il motore a idrogeno consuma molto meno carburante. Il motore può mantenere un’alta efficienza termica durante il funzionamento infondendo idrogeno nella camera di combustione a una pressione di 30 bar.

Per potenziare la produzione del motore, Hyundai e Kia hanno anche stabilito partnership con alcuni fornitori. Ad esempio, hanno firmato un memorandum d’intesa con Next Hydrogen Corporation, una società canadese specializzata nella tecnologia di elettrolisi dell’acqua. Lo sviluppo di un sistema di elettrolisi alcalina dell’acqua migliorerà la competitività di prezzo dell’idrogeno pulito per Hyundai e Kia.

L’azienda ha anche firmato un accordo con W. L. Gore & Associates (Gore) per sviluppare congiuntamente membrane a elettrolita polimerico avanzate (PEM) per sistemi a celle a combustibile a idrogeno. La PEM facilita il trasferimento di protoni tra gli elettrodi nella cella a combustibile. Poiché la PEM blocca la combinazione diretta dell’idrogeno in ingresso con l’ossigeno, avviene una conduzione selettiva dei protoni e, a sua volta, viene generata una corrente elettrica per alimentare un veicolo.

Secondo Chang Hwan Kim, Responsabile dello Sviluppo Batteria e dello Sviluppo di Idrogeno e Celle a Combustibile presso Hyundai Motor Company e Kia Corporation:

“Stiamo entrando nel prossimo capitolo della nostra partnership con Gore. Sfruttando i 15 anni di collaborazione, otterremo una tecnologia avanzata per le celle a combustibile e guideremo il mercato dei veicoli elettrici a celle a combustibile, accelerando il percorso verso un futuro sostenibile.”

Per l’anno finanziario 2023, Hyundai ha registrato un fatturato annuo di 162.664 miliardi di KRW, un aumento di oltre il 14% rispetto al fatturato del 2022 di 142.152 miliardi di KRW. Nel 2023, Kia ha registrato un fatturato di 99.808.420 milioni di KRW.

Il futuro dei motori a combustione di idrogeno sembra più promettente che mai

Da veicoli passeggeri a camion, tutti i principali produttori automobilistici globali stanno investendo risorse e ricerca per rendere i motori a combustione di idrogeno l’opzione migliore per un futuro carbon-neutral, sostenibile e verde. 

Oltre a offrirci un ambiente pulito, questi motori sono superiori in molti altri aspetti. Per esempio, eliminano la necessità di un pesante pacco batteria, caratteristica comune tra i veicoli elettrici. Lo stack convertitore da idrogeno a elettricità è compatto e più leggero rispetto a una batteria agli ioni di litio con una catena di potenza di autonomia simile. Ci vogliono solo 3 a 5 minuti per rifornire un motore a combustione di idrogeno, e la sua densità energetica è almeno 3 volte superiore rispetto alle batterie, mentre con un pieno possono percorrere 2-3 volte più distanza rispetto alla maggior parte dei veicoli elettrici.

Qui abbiamo avuto la possibilità di esaminare quasi tutti i principali tipi di motori nella categoria destinati a rompere gli schemi. Il futuro potrebbe benissimo essere ricco di ulteriori innovazioni all’avanguardia.

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