Una maggioranza crescente di sistemi di propulsione ibrida è costituita da ibridi in serie, in cui il motore si limita a ricaricare la batteria, senza mai azionare le ruote. Come spiegato nel rapporto IDTechEx "Range Extenders for Electric Vehicles Land, Water & Air 2015-2025", i motori a pistoni convenzionali utilizzati come range extender sono ora messi in discussione perché non rappresentano un buon punto di partenza in termini di costi, peso e dimensioni, pur essendo altamente affidabili e in grado di prolungare la vita utile del veicolo.
Lo sviluppo di questi "motori a pistoni", come li chiamano gli oppositori, è ostacolato dalla crescente diffusione di alternative più semplici. Ciononostante, il supporto per tali motori a pistoni sta aumentando, come dimostrano il range extender monocilindrico Polaris e i motori a pistone libero in linea che forniscono direttamente elettricità. Questo sembra essere dovuto più a una riluttanza a investire che a un problema tecnico.
Un esempio del potenziale rischio di perdite dai pistoni deriva dal fatto che gli aerei a reazione dispongono di unità di potenza ausiliarie (APU) utilizzate come carico costante nelle code dei jet per installazioni a terra non destinate al volo. Derivati di tali turbine Capstone hanno avuto un discreto successo come range extender per autobus e camion, con il costo totale di proprietà come uno dei principali limiti.
Bladon Jets, nel Regno Unito, sta sviluppando piccoli motori a reazione portatili. La riduzione dei costi è ottenuta grazie alla miniaturizzazione, con un solo componente mobile, e questi motori vengono venduti in grandi quantità come elettrodomestici per la casa e l'ufficio in paesi come l'India. Le pale e l'albero sono saldati in un unico pezzo.
In un approccio alternativo, la Monash University in Australia, in collaborazione con la francese Safran Microturbo, ha realizzato un piccolo motore a reazione utilizzando la stampa 3D. Inoltre, questo metodo spreca pochissimo materiale, potenzialmente con costi di range extender ancora inferiori rispetto alle turbine a gas. Infatti, la Rolls-Royce nel Regno Unito sta già producendo componenti per motori a reazione in questo modo, che saranno pronti per il volo entro la fine dell'anno. Entrambe le aziende stanno realizzando forme sempre più complesse e dimostrando come ridurre i costi. Monash utilizza laser 3DP, mentre Rolls Royce utilizza fasci di elettroni 3DP.
Microturbo, membro del Gruppo Safran e filiale di Turbomeca, progetta, sviluppa e produce turbine a gas di bassa potenza. Microturbo è diventata leader mondiale nella produzione di turbine e turboreattori piccoli, robusti e affidabili. L'azienda opera su due linee di prodotto: APU per aerei, elicotteri e applicazioni terrestri, e motori turboreattori e sistemi di avviamento per missili e bersagli.
Un cambio di rotta per le celle a combustibile:
le celle a combustibile sono solo un altro "nuovo" range extender se ignoriamo il fatto che esistono da circa 175 anni e ci concentriamo sul fatto che continueranno ad avere successo nei veicoli. Gli appassionati continuano a parlare dei prossimi cinque anni, quando i problemi relativi a costi, manutenzione, dimensioni, infrastrutture di ricarica e così via inizieranno a essere superati, fino al punto di poter avviare la produzione nei volumi previsti. Ad esempio, Toyota prevede di produrre decine di migliaia di auto a celle a combustibile.
ACAL Energy, azienda sviluppatrice di materiali per celle a combustibile, osserva che "una serie di tecnologie all'avanguardia che saranno incorporate nella seconda generazione di veicoli a celle a combustibile tra il 2020 e il 2025 supereranno tutti questi problemi, e i catalizzatori liquidi di ACAL Energy faranno parte di questo processo. La tecnologia dei catalizzatori liquidi di ACAL affronta i problemi di:
• Risposta istantanea alla ricarica
• Eliminazione di tutti i meccanismi di degradazione del catodo
• Robustezza – capacità di funzionare con pitting della membrana
• Bilanciamento semplificato dell'impianto
• E una riduzione del 50% del prezzo del catalizzatore rispetto all'obiettivo di costo del platino richiesto.
La tecnologia delle batterie/supercondensatori è complementare ai propulsori a celle a combustibile, poiché tutti gli OEM automobilistici si sono impegnati in una qualche forma di sistema di propulsione ibrido".
Proton Motor sviluppa veicoli a celle a combustibile da 20 anni, con una propria esperienza nella progettazione di stack di celle a combustibile e nella progettazione di sistemi. Attualmente sta sviluppando un sistema bus a celle a combustibile per l'estensione dell'autonomia con una potenza di 25 kW e una capacità della batteria integrata compresa tra 80 e 120 kWh, a seconda del ciclo di guida. Questo concept permetterà a un autobus urbano da 12 m³/18 tonnellate di operare su due turni con un tempo di rifornimento di idrogeno di 10 minuti. Il costo dell'autobus è in linea con l'obiettivo UE del 2020, hanno dichiarato a IDTechEx.
I vantaggi includono rifornimento rapido, autonomia completa, peso inferiore e maggiore carico utile rispetto a un autobus puramente elettrico, un minor numero di batterie a bordo (riducendo il consumo di risorse e le difficoltà di riciclo di grandi quantità di batterie), bassa manutenzione rispetto a un autobus con un grande sistema a celle a combustibile, una lunga durata delle celle a combustibile basata su una modalità operativa ottimizzata e una maggiore durata della batteria, poiché può essere utilizzata entro uno stato di carica (SOC) ottimizzato. Sarà competitivo? Il BYD B9 ha le dimensioni di un autobus e ne sono già state vendute diverse migliaia, ma il suo tempo di ricarica è di 30 minuti o più.
Certamente, stanno comparendo sempre più auto a celle a combustibile, sebbene in numero limitato. Mentre le sperimentazioni sugli autobus a celle a combustibile hanno raggiunto il picco dieci anni fa, l'architettura è ibrida, con la cella a combustibile che funge da range extender. È presente una grande batteria NiMH o agli ioni di litio, oppure un supercondensatore, combinato con una batteria convenzionale, che gestisce l'avviamento, il recupero di energia e la gestione delle variazioni di carico. Si veda anche il rapporto IDTechEx "Electric Buses 2015-2025".
Dato il lento ritmo dei miglioramenti e la crescente concorrenza derivante dallo sviluppo di veicoli elettrici puri più ecologici, quest'anno gli atteggiamenti sono cambiati, con gli sviluppatori che si rendono conto di dover essere aperti e accettare aiuto da tutte le parti. Alla recente World Smart Energy Week di Tokyo, GM, che ha stretto un'alleanza con Honda per sviluppare celle a combustibile per la necessità di ridurre i rischi e gli investimenti necessari, sta ora invitando i fornitori ad avvicinarsi.
Toyota ha recentemente reso pubblici i suoi brevetti sulle celle a combustibile per un periodo limitato nel tentativo di accelerare i progressi: la sua auto a celle a combustibile Mirai è venduta in quantità molto limitate, presumibilmente a causa dei costi. In Giappone, Toyota ha dichiarato a IDTechEx di poter garantire 200.000 chilometri di durata delle celle a combustibile, un grande miglioramento rispetto a un vecchio problema, ma non sa come si evolverà il mercato dell'usato delle auto. I prezzi di rivendita molto bassi delle auto elettriche a batteria hanno frenato le vendite, e probabilmente accadrà lo stesso per le auto a celle a combustibile per un certo periodo.
Volkswagen ha dichiarato di non essere del tutto convinta che le auto a celle a combustibile avranno una diffusione capillare. Non investirà ingenti somme e utilizzerà la piattaforma delle auto a benzina per lo sviluppo delle sue auto a celle a combustibile. Le preoccupazioni principali riguardano le modalità di alimentazione a idrogeno derivato da combustibili fossili per le celle a combustibile a zero emissioni e la complessità del processo produttivo. Infatti, una cella a combustibile a idrogeno emette tipicamente un kilowatt di calore per ogni kilowatt di elettricità consumato.
Del Dr. Peter Harrop, Presidente, IDTechEx
