L'idrogeno salverà i motori a combustione? Porsche prova a usarlo al posto della benzina

L'idrogeno salverà i motori a combustione? Porsche prova a usarlo al posto della benzina
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Antonio Aimar
  • di Antonio Aimar
Solitamente l'idrogeno viene impiegato come generatore di corrente nelle fuel cell, ma Porsche sta ottenendo grandi risultati sfruttando la combustione dell'idrogeno nei motori termici "classici"
  • Antonio Aimar
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19 agosto 2022

Se vi diciamo "carburanti alternativi", a cosa pensate? Probabilmente alle controparti sintetiche di benzina e diesel, i cosiddetti e-fuel, ma sicuramente pochi avranno pensato all'idrogeno.

Questo perché tendenzialmente l'idrogeno viene utilizzato per le fuel cell, che creano energia elettrica da stoccare nella batteria, e non come combustibile per un motore a pistoni. 

Porsche però sta lavorando assiduamente per sfruttare l'idrogeno come potenziale alternativa a carburanti convenzionali e sintetici, all'interno di motori a combustione che possano offrire potenze elevate e restituire emissioni di azoto ben al di sotto di quanto fissato per la normativa Euro 7, e anzi prossime allo zero. La composizione chimica dell'idrogeno, fra l'altro, gli permette di non rilasciare né monossido di carbonio, né particolato, né alcun tipo di idrocarburi incombusti.

Il "problema" dell'idrogeno

In realtà, in tutto il globo si sta lavorando su motori a idrogeno, ma solitamente si parla di veicoli commerciali con una potenza specifica relativamente bassa, intorno a 68 CV/litro - insufficiente per il settore automobilistico, soprattutto se si parla di sportive, dove si potrebbe dire che il "minimo sindacale" sia 100 CV/litro.

Nel 2006 BMW brevettò una 760i con motore 6.0L V12 bivalente, che poteva cioè lavorare ad accensione comandata sia con la benzina sia con l'idrogeno. La Casa dell'Elica riuscì a renderlo prestante con l'H2 tanto quanto lo era con la benzina (fermando entrambi a 260 CV, poco più della metà del V12 a benzina di serie), ma significò un consumo medio di 14 L/100 km - cosa che lo rendeva difficile da immaginare su larga scala, specie al tempo quando le stazioni di rifornimento compatibili erano cinque in tutta Italia.

Più di recente poi vari marchi hanno brevettato motori a combustione capaci di alimentarsi con l'idrogeno, fra cui il prototipo funzionante del V8 Yamaha-Toyota e il progetto di Ford solo nel 2022. Ma qui entra in scena Porsche, che fa un ulteriore passo avanti: un'auto con un 4.4L otto cilindri da 600 CV alimentato ad H2 e 2.600 kg di peso capace di correre sul Nurburgring in 8 minuti e 20 secondi... in teoria. O meglio, "nel mondo virtuale". 

8:20 al Nurburgring. Come? Con nuovi sistemi di turbocompressione

Vincenzo Bevilacqua, Senior Expert Engine Simulation di Porsche Engineering, parla delle genesi del progetto nato sulla scia del problema della potenza specifica, citato qui sopra:

"Abbiamo quindi deciso di sviluppare un motore a combustione di idrogeno che mirasse ad eguagliare la potenza e la coppia degli attuali motori a benzina ad alte prestazioni, come studio concettuale. Allo stesso tempo, avevamo come obiettivo un basso consumo di carburante ed emissioni allo stesso livello dell'aria ambientale. Il punto di partenza del nostro studio è stato un motore a benzina a otto cilindri da 4,4 litri esistente - o meglio, il suo set di dati digitali, dato che abbiamo condotto l'intero studio in via virtuale utilizzando simulazioni delle prestazioni."

Le modifiche apportate al propulsore originale comprendono un rapporto di compressione superiore e una combustione più adattata all'idrogeno, ma soprattutto un nuovo sistema di sovralimentazione.

Per una combustione pulita dell'idrogeno, infatti, i turbocompressori devono fornire circa il doppio della massa d'aria rispetto ai motori a benzina. Il problema è che le temperature inferiori nei gas di scarico causano una minor quantità di energia potenziale per le turbine, che sarebbero quindi incapaci di garantire il giusto apporto di aria alla miscela. È un problema non risolvibile con turbo tradizionali, motivo per cui Porsche ha dovuto progettare nuovi sistemi di sovralimentazione con valvole di controllo e compressori azionati elettricamente.

Nel caso specifico dell'auto collaudata virtualmente, la soluzione prescelta è stata la turbocompressione back-to-back: si tratta di un sistema con disposizione coassiale di due stadi del compressore, che vengono azionati dalla turbina o dal motore elettrico di supporto tramite un albero comune. L'aria passa attraverso il primo compressore, viene raffreddata nell'intercooler e quindi ricompressa nel secondo stadio.

Emissioni ridotte all'osso

Gli 8 minuti e 20 secondi segnati virtualmente nel Nurburgring sono un enorme risultato per quanto riguarda la dinamica del veicolo, ma un altro dato di grande rilevanza - quello che di fatto sta schiacciando i motori termici in favore di quelli elettrici - sono le emissioni

Per contestualizzare meglio i risultati, bisogna fare un confronto con l'indice di qualità dell'aria che viene utilizzato dalle autorità governative e da altre istituzioni come parametro di riferimento per valutare il livello di inquinamento dell'ambiente. In generale, una concentrazione fino a circa 40 microgrammi di ossido di azoto per metro cubo equivale a una buona qualità dell'aria.

Matthias Böger, Specialist Engineer Engine Simulation di Porsche Engineering, conferma che lo standard del motore otto cilindri a idrogeno è ben al di sotto di quanto sarà richiesto per l'omologazione Euro 7:

"Le emissioni del motore a combustione di idrogeno sono inferiori a questo limite. Il suo funzionamento quindi non un impatto significativo sull'ambiente, senza dimenticare l'assenza di CO, di particolato e idrocarburi allo scarico."

Oltre alle emissioni minime, il propulsore offre un'elevata efficienza nel ciclo WLTP e affini, grazie alla sua combustione magra. Bevilacqua dunque lo descrive come un aver realmente "raggiunto l'obiettivo che ci eravamo prefissati: lo sviluppo di un motore a idrogeno pulito, economico e sportivo, in tutti i suoi aspetti".

La complessità del progetto per altro non influirebbe eccessivamente sui costi di produzione: se è vero che da un lato certe componenti richiederebbero maggiori sforzi produttivi facendo lievitare i prezzi, dall'altro lato il non dover post-trattare i gas di scarico grazie alle emissioni già ridottissime permette all'incirca di equipararsi al costo di un motore a benzina tradizionale.

Fattibile, ma non previsto in produzione

È improbabile che il motore a idrogeno entri in produzione nella sua forma attuale, ma questo non è mai stato l'obiettivo del progetto. L'obiettivo primario invece era quello di valutare il potenziale della tecnologia di propulsione alternativa e di ampliare le capacità degli strumenti ingegneristici già in uso. Bevilacqua lo spiega così:

"Lo studio ci ha permesso di acquisire preziose conoscenze sullo sviluppo di motori a idrogeno ad alte prestazioni e di aggiungere modelli e metodi specifici per l'idrogeno alla nostra metodologia di simulazione virtuale. 

Con questo know-how, siamo pronti a gestire in modo efficiente i futuri progetti dei clienti." 

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