Quali tecnologie accompagnano la transizione dai motori a combustione a quelli elettrici?

I veicoli con motori elettrici acquistano importanza nella transizione dei trasporti. L’energia può provenire da batterie, celle a combustibile a idrogeno o altri sistemi. Il ritmo di sostituzione dei motori a combustione interna (ICE) dipende però da impieghi, costi, politiche e infrastrutture.

Il cambiamento non avverrà tutto insieme. Molti Paesi hanno costruito reti per benzina e gasolio, mentre scienza dei materiali e ingegneria possono ancora migliorare i motori a combustione. Le due tecnologie potrebbero quindi convivere in diverse applicazioni.

Un rapporto di mercato disponibile alla pubblicazione di questo articolo nel 2023 prevedeva una crescita da circa 55,18 miliardi di dollari nel 2020 a 73,84 miliardi nel 2028, con un tasso annuo composto di circa il 3,7%. Era una previsione sul mercato studiato, non una garanzia di rendimento per gli investitori.

Di seguito alcune innovazioni che potrebbero migliorare i motori a combustione durante la transizione verso trasporti sempre più elettrificati.

Produttori e sviluppatori

Porsche e Tesla rappresentano due diversi percorsi tecnologici. I profili seguenti forniscono un contesto, senza garantire risultati d’investimento.

Porsche (P911)

Porsche sviluppa tecnologie per le prestazioni e l’efficienza dei veicoli e sostiene lo sviluppo di carburanti sintetici.
Porsche AG ha sede a Stoccarda, in Germania. Nel 2022 ha registrato ricavi per circa 37,6 miliardi di euro. La valuta del dato di bilancio è l’euro, non il dollaro.

Tesla (TSLA)

Tesla (TSLA ) acquista celle da fornitori, sviluppa una propria produzione di celle e produce o assembla pacchi batteria. È uno dei protagonisti dell’innovazione nei veicoli elettrici, insieme a numerosi altri produttori, fornitori e ricercatori.

Questo articolo è stato pubblicato nel 2023, dopo il calo del titolo Tesla nel 2022. Il rialzo del 55,48% da inizio anno indicato nella versione iniziale era riferito al momento della stesura, non al rendimento attuale. Nel 2022 Tesla ha registrato ricavi per circa 81,46 miliardi di dollari.

Tesla ha sede in Texas, negli Stati Uniti.

Intelligenza artificiale

L’assistenza alla guida e i controlli basati sull’intelligenza artificiale (IA) possono migliorare l’efficienza operativa dei veicoli, anche di quelli a combustione. I benefici dipendono dalle capacità del sistema e dalle condizioni d’uso.

Una regolazione più fluida della velocità può ridurre accelerazioni e frenate ripetute. Comunicazione tra veicoli e gestione del traffico possono contribuire a diminuire la congestione. L’IA non elimina però automaticamente gli errori e la comunicazione tra veicoli non è una funzione presente in ogni sistema di guida automatizzata.

Questi miglioramenti possono ridurre consumi ed emissioni in determinate condizioni. Anche i veicoli elettrici possono beneficiarne.

Carburanti sintetici

I veicoli a combustione tradizionali dipendono da carburanti fossili, la cui combustione produce gas serra e inquinanti. Anche estrazione e lavorazione hanno un impatto ambientale.

I carburanti sintetici, o e-fuel, vengono sviluppati come possibile alternativa per i motori a combustione. Nel marzo 2023 l’Unione europea ha adottato norme sulla riduzione delle emissioni di CO₂ delle nuove auto e dei nuovi furgoni, menzionando una futura proposta separata per immatricolare dopo il 2035 veicoli alimentati esclusivamente con carburanti climaticamente neutri. Non era un’esenzione incondizionata già applicabile a tutti i veicoli a combustione.

Gli e-fuel sono prodotti usando elettricità e materie prime come acqua e anidride carbonica. Alcuni prodotti possono sostituire la benzina se rispettano le specifiche del carburante e del motore. Tra i processi possibili:

• L’elettrolisi dell’acqua, H₂O, produce idrogeno, che viene poi fatto reagire con CO₂ catturata per ottenere metanolo. Con catalizzatori e ulteriori trasformazioni, il metanolo può diventare benzina sintetica.
• Un altro percorso produce idrocarburi attraverso gas di sintesi ottenuto da CO₂ e H₂

. La produzione di e-fuel richiede molta energia e la combustione continua a generare emissioni allo scarico. L’impatto climatico del ciclo di vita può diminuire se la CO₂ proviene da fonti appropriate e il processo usa energia a basse emissioni. Catturare carbonio e usare fonti rinnovabili non rende automaticamente prive di emissioni tutte le fasi di produzione, trasporto e combustione.

Porsche sostiene questa tecnologia per i veicoli a combustione ancora in uso, mentre aziende come HIF sviluppano impianti e processi produttivi.

Attrito: benefici e perdite

L’attrito tra pneumatici e strada è necessario per trasmettere forza, frenare e sterzare. Al contrario, nei componenti del motore e della trasmissione trasforma parte dell’energia meccanica in calore che non contribuisce a muovere il veicolo.

Due approcci per ridurre queste perdite sono la lavorazione della microstruttura superficiale e l’impiego di lubrificanti sintetici appropriati.

La ricerca sulle superfici studia scanalature e microcavità in componenti come le pareti dei cilindri, per migliorare la lubrificazione e ridurre l’attrito. I risultati dipendono da geometria, carico, velocità e condizioni di lubrificazione: non tutte le superfici lavorate risultano migliori.

I lubrificanti sintetici sono utilizzati da tempo. Formulazioni e additivi possono migliorare lubrificazione, resistenza all’usura e stabilità alle diverse temperature. La ricerca continua a produrre lubrificanti più adatti alle esigenze del motore specifico, senza che un unico olio sia sempre superiore per tutti i veicoli.

Superfici e lubrificanti possono ridurre alcune perdite per attrito. Molta energia nei motori a combustione viene però dispersa anche come calore di combustione e gas di scarico. L’efficienza del solo motore elettrico non va confrontata direttamente con l’intera catena energetica di un veicolo a combustione. Le perdite del 5% e di quasi il 50% non costituiscono quindi un confronto omogeneo valido per tutti i veicoli.

Ripensare il motore a combustione

Oltre a controlli, carburanti e lubrificazione, i progettisti studiano modifiche al meccanismo del motore stesso. Un esempio è il prototipo Avadi MA-250.

Avadi Engines ha proposto una raccolta di capitali tramite StartEngine. Per informazioni generali, si veda la guida alla raccolta di capitali . L’articolo iniziale indicava oltre 210.000 dollari raccolti. È un dato storico riportato, non un’offerta attiva o un ricavo dalla vendita di motori. Avadi affermava che il progetto riduceva le parti mobili e offriva un motore leggero, compatto e con coppia elevata: sono dichiarazioni dello sviluppatore.

Il progetto Avadi utilizza un pistone rotante e due bielle. Il movimento rotatorio apre e chiude i condotti di aspirazione e scarico senza una distribuzione convenzionale azionata dall’albero a camme. Non consiste semplicemente nell’aggiungere normali valvole alla testata. Nei materiali relativi ai test interni, l’azienda dichiarava:

«Secondo i test interni, il nostro Avadi MA-250 pesa circa la metà e offre il doppio della coppia e della potenza del concorrente più vicino, consumando circa il 30% di carburante in meno.»

La versione iniziale dell’articolo indicava per il prototipo circa 15 hp, 22 lb-ft di coppia e 26 lb di peso. Erano dati dello sviluppatore riferiti a quel momento, non una certificazione indipendente o specifiche garantite di un prodotto di serie.
Avadi descriveva anche la possibilità di modificare le dimensioni del progetto per impieghi diversi. I motori a combustione sono usati in trattorini, veicoli fuoristrada, cippatrici, generatori e molti altri dispositivi. Ogni nuova applicazione richiede sviluppo e prove specifiche.

Le prospettive della transizione

I veicoli elettrici continuano a evolversi, mentre l’ingegneria può ancora migliorare i motori a combustione per determinati impieghi. Non esiste un unico calendario di sostituzione valido per tutti i Paesi e tutti i tipi di macchine.

Infrastrutture, costi, norme, affidabilità e fabbisogno energetico determinano le scelte. Carburanti moderni, lubrificanti e nuovi progetti possono creare opportunità commerciali, ma crescita del mercato e successo di un prototipo non garantiscono guadagni agli investitori.

Combinare controllo automatizzato, nuovi motori, e-fuel, lubrificanti e superfici lavorate resta una possibilità di sviluppo. Efficienza e fattibilità devono essere dimostrate nelle prove e nell’impiego reale.