Dopo 166 anni, il motore a combustione ha ancora un potenziale inesplorato

Una delle più grandi scoperte del nostro tempo è stata l’invenzione dei motori a combustione interna, che hanno svolto un ruolo significativo nello sviluppo dell’industrializzazione e, di conseguenza, della civiltà umana.

Questi motori furono inventati per la prima volta nel XIX secolo, sebbene scienziati e ingegneri iniziarono a contribuire al loro sviluppo un decennio prima dell’inizio di questo periodo.

Una turbina a gas fu sviluppata nel 1791 e un motore a gas fu brevettato pochi anni dopo. Un brevetto per un motore a combustione interna, che fu anche il primo a utilizzare carburante liquido, fu depositato nel 1794 e, prima della fine del secolo, fu costruito il primo ICE americano.

Mentre la prima automobile a funzionare con un ICE fu creata nel 1862, il primo motore a combustione moderno non arrivò più di un decennio dopo, nel 1876. Nel 1885, Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybach migliorarono il progetto e inventarono il primo ICE pratico e il carburatore.

Ora, come funziona esattamente un motore a combustione? Bene, per cominciare, la combustione è un processo chimico in cui l’energia viene rilasciata dall’accensione di una miscela di carburante e aria. I motori a combustione interna (ICE) convertono parzialmente questa energia in lavoro meccanico.

Quando la miscela di carburante e aria viene accesa, avvengono migliaia di piccole esplosioni controllate, che sono combustione o bruciatura.

In un ICE, l’accensione del carburante e la combustione avvengono entrambe all’interno del motore, che è composto da un cilindro fisso e da un pistone mobile. La combustione provoca l’espansione dei gas e il rilascio di calore, che spinge il pistone su e giù. Questo, a sua volta, fa ruotare l’albero motore attraverso un sistema di ingranaggi nella trasmissione, facendo avanzare le ruote del veicolo.

Esistono due tipi di motori a combustione interna: il motore a benzina a iniezione di scintilla e il motore diesel a iniezione di compressione, la differenza risiede nel modo in cui il carburante viene fornito e acceso.

I motori a combustione dominano ma affrontano sfide

Ora, più di un secolo e mezzo dopo la loro invenzione, oltre un miliardo di motori a combustione interna (ICE) sono ancora in funzione sulle strade di tutto il mondo.

Il mercato globale dei motori a combustione, nel frattempo, è attualmente valutato intorno a 200 miliardi di dollari e si prevede che crescerà a un CAGR del 9,2% per raggiungere i 300 miliardi di dollari entro il 2033, spinto dalla crescente domanda di veicoli nei mercati emergenti e dai progressi tecnologici nella progettazione dei motori.

Tuttavia, la più grande sfida per i motori a combustione è l’ascesa dei veicoli elettrici (EV) e le normative più severe sulle emissioni.

Ma mentre gli EV stanno diventando più comuni, rappresentando circa il 18% di tutte le vendite di auto nuove a livello globale, rispetto a appena il 2% del 2018, gli EV continuano a costituire una percentuale davvero piccola dei veicoli a motore a combustione totali sulle strade. Con una quota di mercato stimata tra il 3% e il 5%, su ogni 100 veicoli a motore a combustione, solo ogni terzo o quinto veicolo è un EV.

La crescente tendenza degli EV è guidata dall’aumento della domanda di motori, che porta all’esaurimento dei combustibili fossili e a un aumento drammatico dell’inquinamento in tutto il mondo.

Poiché benzina e diesel sono i carburanti più dominanti nel settore automobilistico, l’inquinamento ambientale continua a essere la principale preoccupazione per i motori a combustione. Le principali emissioni di questi motori sono idrocarburi non bruciati, monossido di carbonio, ossidi di azoto e particolato.

Ciò sta provocando gravi rischi per la salute e il riscaldamento globale, motivo per cui i paesi di tutto il mondo hanno iniziato a implementare normative rigorose per affrontare le emissioni del settore automobilistico. Questo ha spinto ingegneri e ricercatori automobilistici a sperimentare varie tecnologie dei motori così come carburanti rinnovabili e più ecologici.

Con alcune nazioni che stanno persino puntando a un divieto totale sui motori a combustione interna, i ricercatori stanno anche migliorando questi motori per aumentare le loro prestazioni e ridurre il loro impatto ambientale.

Rendere i motori a combustione più efficienti convertendo il calore sprecato in energia

I motori a combustione interna producono energia potente, ma non tutta l’energia generata viene utilizzata. In realtà, solo circa il 25%‑30% dell’energia chimica viene convertita in potenza utilizzabile.

La maggior parte è immagazzinata nel carburante che si perde come calore attraverso i sistemi di scarico e di raffreddamento del motore. Tuttavia, esiste un modo per utilizzare tutta l’energia persa, e gli scienziati stanno lavorando per trovare soluzioni per sfruttarla in modo produttivo.

studio pubblicato¹ quest’anno su ACS Applied Materials (AMAT ) & Interfaces ha dimostrato quanto il calore di scarico possa essere convertito in elettricità, fornendo una fonte di energia sostenibile.

Con finanziamenti dell’Office of Naval Research, del programma Army Rapid Innovation Fund e dell’National Science Foundation Industry, i ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica della Pennsylvania State University hanno presentato un prototipo di sistema generatore termoelettrico.

Il generatore termoelettrico (TEG) può ridurre il consumo di carburante così come le emissioni di anidride carbonica (CO2). L’inefficienza del carburante è un importante contributore alle emissioni di gas serra (GHG) e sottolinea la necessità di sistemi innovativi di recupero del calore di scarto come il TEG.

Questi sistemi TEG di recupero del calore utilizzano materiali semiconduttori per trasformare il calore in elettricità.

Inventati più di duecento anni fa, i sistemi TEG possono essere utilizzati in dispositivi elettronici, dispositivi medici e nell’aerospazio. Questi sistemi non hanno parti in movimento né sottoprodotti chimici, consentendo loro di funzionare silenziosamente e di rimanere ecologici. Sono anche durevoli, non richiedono manutenzione superflua e sono adatti per l’integrazione in dispositivi voluminosi e flessibili.

Secondo la ricerca:

La raccolta di energia termica per oggetti in rapido movimento è particolarmente promettente nel fornire una fonte di energia efficiente e sostenibile per migliorare le capacità operative e la resistenza.

Il funzionamento della tecnologia termoelettrica (TE) si basa sull’utilizzo delle differenze di temperatura tra una fonte di calore e la temperatura ambiente. Ciò consente alla tecnologia TE di fornire un’alimentazione costante a tali sistemi, riducendo la dipendenza dalle batterie tradizionali e prolungando i tempi di funzionamento.

Sebbene promettenti, i progetti di molti dispositivi termoelettrici attuali sono complessi e pesanti e, di conseguenza, richiedono più acqua di raffreddamento per mantenere la differenza di temperatura necessaria. Tuttavia, come osservato nella ricerca, lo sviluppo del design dei sistemi TEG integrati è molto indietro rispetto allo sviluppo dei materiali.

Così, guidati da Wenjie Li e Bed Poudel, i ricercatori della Penn State hanno costruito un sistema TEG compatto per recuperare l’energia termica. Questi sistemi TEG possono convertire in modo efficiente il calore di scarto dei gas di scarico non solo dalle auto, ma anche da altri veicoli ad alta velocità come veicoli aerei senza pilota (UAV) o droni e elicotteri, trasformandolo in energia.

Questo nuovo TEG utilizza il bismuto‑tellururo come semiconduttore. Il Bi2Te3 è una polvere grigia composta da bismuto e tellurio e presenta eccellenti prestazioni termoelettriche a basse temperature.

Inoltre, la ricerca ha impiegato scambiatori di calore a piastre triangolari, simili a quelli usati nei condizionatori d’aria, per catturare il calore dai tubi di scarico dei veicoli, come i gas di scarico del motore.

È stato inoltre incorporato un dissipatore di calore per regolare la temperatura. Questo elemento cilindrico a alette trapezoidali longitudinali aumenta significativamente la differenza di temperatura, influenzando direttamente la potenza elettrica del sistema TEG.

Questo dissipatore è progettato per disperdere il calore tramite convezione forzata, ma il team ha ulteriormente ottimizzato il design usando simulazioni di analisi agli elementi finiti (FEA) per aumentare il gradiente di temperatura e la potenza di uscita elettrica.

Con ciò, il prototipo TEG del team ha raggiunto una potenza di uscita di 40 Watt con un gradiente di temperatura di 190°C usando moduli TE a base di bismuto‑tellururo. Questa potenza è sufficiente per alimentare una lampadina.

È notevole che i risultati della ricerca hanno mostrato che le condizioni di alto flusso d’aria presenti nei tubi di scarico aumentano l’efficienza e la potenza elettrica del sistema.

Il team ha testato il sistema TEG in simulazioni che imitavano ambienti ad alta velocità, dimostrando grande flessibilità. Il loro sistema di recupero del calore ha prodotto fino a 56 W per velocità di scarico simili a quelle di un’auto, equivalenti a cinque batterie al litio (Li) 18650. I valori sono saliti fino a 146 W per velocità di scarico simili a quelle degli elicotteri, equivalenti a 12 batterie Li‑ion 18650.

Le batterie Li‑ion 18650 offrono vantaggi di grande capacità, lunga durata, alta tensione e alta sicurezza. Sono comunemente utilizzate in dispositivi elettronici, veicoli elettrici e dispositivi di accumulo energetico.

Secondo i ricercatori, l’ultimo sistema TEG dello studio può essere integrato direttamente negli attuali terminali di scarico, eliminando la necessità di sistemi di raffreddamento aggiuntivi.

I ricercatori credono inoltre che questo lavoro possa aprire la strada all’integrazione pratica di dispositivi termoelettrici nei veicoli ad alta velocità, in risposta alla crescente domanda di soluzioni energetiche pulite.

Clicca qui per scoprire come i veicoli a idrogeno stanno facendo ritorno.

I motori a combustione continuano a evolversi

Il recupero del calore di scarico dai motori a combustione sta suscitando un crescente interesse per aumentare l’efficienza e ridurre il consumo di carburante. Questi sforzi contribuiscono a ridurre l’inquinamento ambientale e il riscaldamento globale.

Oltre al TEG, vengono utilizzati cicli di recupero, dispositivi di turbo‑compounding elettrico (ETC), assorbimento a vapore, motori Stirling (SE) e generatori termo‑acustici (TAG) per recuperare il calore dai sistemi di scarico automobilistici e industriali.

I generatori termoelettrici, tuttavia, sono stati i più adottati come tecnologia affidabile, compatta e a stato solido, in grado di convertire il calore direttamente in elettricità senza alcun movimento meccanico. Sono anche leggeri e privi di vibrazioni, senza limitazioni di orientamento e senza emissioni.

Oltre a questi metodi di efficienza del carburante, i motori a combustione hanno anche registrato altri progressi per migliorare le loro prestazioni, l’efficienza e la sostenibilità ambientale.

Ciò include l’iniezione diretta di carburante, una tecnologia che immette il carburante direttamente nella camera di combustione, consentendo un controllo preciso della miscela aria‑carburante. I turbocompressori, nel frattempo, comprimono l’aria di aspirazione, permettendo a motori più piccoli di generare potenza comparabile a quella dei loro omologhi più grandi.

Uno sviluppo interessante è stata la combinazione di motori a combustione interna con motori elettrici, che ha portato a sistemi ibridi. Un gruppo motopropulsore ibrido offre la flessibilità di utilizzare energia elettrica per la guida a bassa velocità e il motore a combustione per velocità più elevate.

Guidati da aziende come Honda, Hyundai, Lexus, BYD e Porsche, i veicoli ibridi hanno guadagnato molta trazione a livello mondiale, ma continuano ad affrontare sfide legate a costi più elevati e minore potenza rispetto alle auto tradizionali.

Un altro sviluppo riguarda il carburante che alimenta i veicoli a motore a combustione interna. L’esplorazione di carburanti alternativi come etanolo, gas naturale, propano e biodiesel mira a ridurre l’impatto ambientale dei motori a combustione abbassando le emissioni di gas serra e riducendo la dipendenza dai combustibili fossili.

Tra questi carburanti alternativi, l’idrogeno, in particolare, sta attirando molta attenzione da parte di ricercatori e aziende che vogliono salvare i motori a combustione.

Una delle molecole più semplici, l’idrogeno in forma gassosa, ha una densità energetica estremamente bassa a meno che non sia a pressione molto alta e/o a temperatura molto bassa, e anche in tal caso la sua densità energetica è molto inferiore a quella della maggior parte degli altri carburanti liquidi. Ciò causa problemi di stoccaggio del carburante. Inoltre, presenta emissioni più elevate di ossidi di azoto (NOx).

Ma dove l’idrogeno brilla è nella velocità di combustione, che è molto alta, molto più alta della benzina. Inoltre, la proprietà a zero carbonio dell’idrogeno, quando bruciato con ossigeno, lo rende un carburante alternativo attraente. Questo è il motivo per cui i motori a combustione interna a idrogeno e le celle a combustibile a idrogeno stanno guadagnando così tanto interesse.

Entrambi questi veicoli a propulsione utilizzano l’idrogeno. Nei veicoli ICEV, l’idrogeno viene bruciato in modo simile alla benzina, mentre nei veicoli a celle a combustibile (FCEV) l’idrogeno è impiegato in un dispositivo per generare elettricità.

Lo scorso anno, ricercatori dell’Università di Alberta hanno introdotto una nuova lega alluminio‑nichel per rivoluzionare i motori a combustione di idrogeno. La lega AlCrTiVNi5 offre alta stabilità in condizioni di calore estremo, bassa espansione termica e durabilità superiore, rendendola ideale per resistere alle temperature estreme della combustione di idrogeno.

Toyota ha inoltre rivelato lo scorso anno diversi prototipi ICE che possono funzionare a idrogeno oltre che a benzina e altri carburanti.

Guidare i nuovi approcci ai motori a combustione

Attualmente, i motori a combustione stanno subendo una crescente pressione da parte degli EV e delle normative sulle emissioni, ma nonostante tutto, continuano a dominare il settore dei trasporti. Questo è principalmente dovuto a infrastrutture consolidate e a una diffusione capillare, ma non è tutto. Le aziende stanno anche facendo notevoli progressi nell’affrontare il problema chiave delle emissioni.

Ad esempio, Cummins (CMI ) e Ford Motor (F ) stanno investendo nella tecnologia dei motori a combustione a idrogeno, mentre ClearSign Technologies Corporation (CLIR ) ha creato la Duplex Burner Architecture per migliorare l’efficienza energetica e soddisfare standard di emissione rigorosi.

Quindi, diamo un’occhiata più approfondita al potenziale di investimento di un innovatore che sta ancora sviluppando nuovi approcci al motore a combustione e lo sta aiutando a prosperare.

1. Westport Fuel Systems Inc. (NASDAQ: WPRT)

Un fornitore leader di sistemi avanzati di carburanti alternativi, Westport Fuel Systems (WPRT ) opera attraverso diversi segmenti, tra cui Light-Duty, High-Pressure Controls & Systems, Cespira, Heavy-Duty OEM e Corporate.

Con una capitalizzazione di mercato di 72,5 milioni di dollari, le azioni Westport sono attualmente scambiate a 4,70 dollari, in rialzo del 27,93% YTD. Il suo EPS (TTM) è -1,57 e il rapporto P/E (TTM) è -2,91.

L’azienda ha riportato un fatturato di 66,2 milioni di dollari nel Q3 2024, con una diminuzione del 14% rispetto allo stesso trimestre dell’anno precedente. Il fatturato è stato guidato dalla transizione delle attività Heavy-Duty OEM in Cespira, una joint venture tra Volvo Group e Westport.

Con questa joint venture, Westport Fuel Systems e Volvo Group mirano a sviluppare, promuovere e accelerare la commercializzazione della tecnologia HPDI. Questo li aiuterà a concentrarsi sul progresso di soluzioni di trasporto accessibili e sostenibili utilizzando il motore a combustione interna che funziona con carburanti rinnovabili, per ora, e con idrogeno in futuro.

In particolare, si prevede che la joint venture avrà un impatto significativo sulle applicazioni globali di trasporto a lunga distanza e fuori strada per veicoli pesanti. I motori a combustione interna alimentati da HPDI, ha dichiarato il CTO di Volvo Lars Stenqvist, dovrebbero “svolgere un ruolo cruciale negli sforzi di decarbonizzazione globale nel trasporto commerciale”.

Durante il terzo trimestre, la perdita netta dell’azienda è stata di 3,9 milioni di dollari, e le disponibilità liquide e equivalenti alla fine del periodo erano 33,3 milioni di dollari.

“Rimaniamo fiduciosi nel ruolo che i carburanti alternativi svolgeranno nel guidare la sostenibilità nel futuro del settore dei trasporti e delle applicazioni industriali.”

– CEO Dan Sceli

Parlando di idrogeno, ha osservato un rallentamento nello sviluppo delle infrastrutture globali, il che, a sua volta, ha influenzato l’adozione di applicazioni automobilistiche e industriali alimentate da idrogeno. Secondo Dan:

“Il successo di questo mercato dipende dall’installazione di infrastrutture e dalla produzione di idrogeno pulito, entrambi i quali sono stati lenti a materializzarsi.”

Nonostante ciò, l’azienda crede ancora che l’idrogeno come carburante prevarrà, ma prevede che la sua adozione globale come fonte di carburante pulito sarà un processo graduale piuttosto che immediato.

Nel frattempo, Westport continuerà a fornire una vasta gamma di carburanti alternativi a basso contenuto di carbonio e a prezzi accessibili, come propano, gas naturale, gas naturale rinnovabile e idrogeno.

“Stiamo guidando prestazioni più pulite affrontando normative sulle emissioni più basse con applicazioni pratiche usando l’innovazione disponibile oggi.”

– Dan

Conclusione 

I motori a combustione sono il punto di partenza della rivoluzione della mobilità. Tuttavia, un tale motore opera con un’efficienza di circa il 40% e ha un impatto negativo significativo sull’ambiente a causa dell’uso di combustibili fossili. Il settore dei trasporti è in realtà la seconda più grande fonte di emissioni di gas serra a livello globale.

Ciò ha spinto il mondo a orientarsi verso alternative più ecologiche come i veicoli elettrici. Ma non è tutto; anche i motori a combustione stanno evolvendo per tenere il passo con l’ambiente in cambiamento, mostrando il loro potenziale inesplorato anche dopo un secolo.

Scoperte come i generatori termoelettrici (TEG) per il recupero del calore di scarto, i gruppi motopropulsori ibridi e i carburanti alternativi come l’idrogeno stanno attualmente guidando questa trasformazione. Con la ricerca e l’innovazione in corso, i motori a combustione sono pronti a diventare più efficienti e rispettosi dell’ambiente. E man mano che il mondo adotta tecnologie più pulite, non solo coesisteranno con gli EV, ma potranno anche contribuire in modo significativo a un futuro più sostenibile.

Clicca qui per un elenco dei primi 5 motori a combustione a idrogeno destinati a rompere gli schemi.