tecnologia
maggio 2015

Dual-fuel: vantaggi e sinergie

Flavio Mariani

Come funziona la tecnologia dual-fuel (metano+gasolio)? Quando è stata sviluppata? Quali aziende sono protagoniste di questo settore di mercato? Quali gli sviluppi tecnologici più recenti? L’esperto di Metauto Magazine, Flavio Mariani, risponde a queste domandeIl dual-fuel è da almeno tre decenni proposto tra le soluzioni per l’uso del gas naturale nei motori dei veicoli, in particolare di quelli pesanti. Oggi i progressi di questa tecnologia risvegliano l’interesse dei costruttori, impegnati nella valorizzazione dei suoi aspetti più innovativi. Operano nel dual-fuel sia il comparto OEM (veicoli a gas naturale di fabbrica) che il retrofit (veicoli trasformati a gas naturale in officina). Inizialmente era visto soprattutto come apripista per la diffusione dei veicoli a metano in zone dove la scarsità dei punti di rifornimento di Cng pone in risalto il pregio di un veicolo alimentato simultaneamente con due carburanti, ma che può funzionare a solo gasolio in caso di necessità. Ora a questo vantaggio, che permane in alcune delle soluzioni tecnologiche proposte, si assommano la qualità e la notevole sofisticatezza meccanica ed elettronica raggiunta dalle soluzioni messe a punto. Questo può consentire di raggiungere anche col dual-fuel livelli di emissioni compatibili con i limiti normativi più severi.

 

Dual-fuel: cos’è

Il dual-fuel consiste nell’alimentazione simultanea di un motore con gas naturale e gasolio. È una tecnologia motoristica di trasformazione a gas naturale indirizzata principalmente ai motori diesel pesanti per autocarri, compattatori e bus.Dual-fuel, vantaggi e sinergie 1 Le soluzioni più tradizionali prevedono l’installazione di un carburatore che introduce nelle camere di combustione una miscela aria/gas, incendiata poi dall’iniezione di una piccola dose di gasolio, che accendendosi spontaneamente permette al resto della carica di bruciare, conservando in pratica un funzionamento simile a quello del ciclo Diesel del motore originale a solo gasolio. Nelle soluzioni più recenti, sia il gasolio che il gas naturale sono iniettati in camera di combustione attraverso ugelli diversi degli stessi iniettori, al momento opportuno, cioè quando la temperatura dell’aria è sufficientemente alta da provocare l’autoaccensione del gasolio, ed il pistone che sta risalendo verso il punto morto superiore si trova nella posizione adatta al corretto svolgimento del ciclo. La temperatura minima di autoaccensione del gasolio è di circa 210°C (~500°K); quella del gas naturale è di circa 540°C (~800°K). Nel motore diesel, il gasolio s’incendia spontaneamente uscendo dagli ugelli dell’iniettore, a contatto dell’aria surriscaldata dalla compressione operata dal pistone; nel dual-fuel il gasolio pilota, una volta acceso, provoca l’accensione del metano, nel quale si ha poi la propagazione di un fronte di fiamma, a partire dai diversi punti di innesco.

 

Dual-fuel, vantaggi e sinergie 2Le tecnologie dual-fuel

Il dual-fuel offre vari vantaggi: trasformazione semplice e relativamente economica rispetto alla trasformazione da ciclo diesel a ciclo Otto; limitate modifiche al motore; sostituzione di una parte importante del gasolio (40-80% a pieno carico, secondo le soluzioni); elevato rendimento; flessibilità operativa; possibilità di funzionamento a solo gasolio, se previsto nel progetto; significativa riduzione delle emissioni di particolato, ossidi d’azoto, anidride carbonica (10 – 15%); minori costi gestionali grazie alla differenza di prezzo tra gasolio e metano. Richiede la coesistenza a bordo del veicolo di entrambi i sistemi di alimentazione, e una maggiore complessità impiantistica, che dipende anche dalle soluzioni adottate. 

Le prime applicazioni in Italia si devono a costruttori come la Tessari di Padova, la HYTE di Bologna, e la ETRA di Rovereto, che brevettò nel 1997 un sistema elettronico di trasformazione dual-fuel. Nel tempo si sono aggiunti altri operatori, ad esempio Westport, Cummins, Clean Air Power in America ed Europa, Landi Renzo, la divisione Emer di WESTPORT, Automotive Innovations in Italia. Le nuove soluzioni offerte consentono un migliore sfruttamento delle potenzialità di questa tecnologia.

La tecnologia di Westport HPDI (high-pressure direct injection) utilizza un iniettore doppio, che inietta piccoli quantitativi di gasolio e grandi quantità di gas naturale ad alta pressione in camera di combustione. Landi Renzo realizza un sistema dual-fuel ad iniezione sequenziale fasata. La centralina elettronica che gestisce il dual-fuel controlla l’iniezione di metano e la quantità di gasolio da iniettare in ogni condizione di funzionamento del motore. La trasformazione non apporta modifiche al motore. Il sistema offre la possibilità di gestire la calibrazione gas in modo adattativo, compensando le variazioni dei parametri del gasolio e del gas. Anche il sistema di Emer effettua l’iniezione sequenziale. Utilizza una connessione con la centralina originale e può gestire attraverso varie mappe, la riduzione della quantità di gasolio in modo dinamico, e la quantità di gas naturale aggiunta. Il sistema è in grado di soddisfare requisiti Euro IV e Euro V. Clean Air Power  e Hardstaff (USA – UK) offrono sistemi retrofit per il dual-fuel. Clean Air Power ha un sistema che non modifica il motore originale, consente la sostituzione fino al 85% del gasolio, e può tornare al funzionamento a solo gasolio. Il costruttore ha un accordo di fornitura e sviluppo con Volvo Powertrain. Hardstaff assicura di poter rispettare i limiti emissioni Euro IV ed Euro V con veicoli dual-fuel. Il dual-fuel è una soluzione molto interessante anche per la propulsione navale.

Anche se non esistono ancora motori dual-fuel compatibili con le norme Euro VI, o US 2010, il settore sta conseguendo risultati molto promettenti in questo senso. I motori dual-fuel con iniezione di gas naturale nel collettore d’aspirazione (pre-miscelazione) affrontano la sfida tecnologica dei limiti europei per il metano incombusto. Nel sistema HPDI di Westport il gas naturale è il carburante primario, innescato da una piccola quota di gasolio. Non vi è premiscelazione con l’aria comburente nel collettore di aspirazione prima di entrare in camera di combustione; ciò evita la possibilità di detonazione e non vi è la necessità di ridurre il rapporto di compressione e la coppia massima. Il gas naturale ha una minore temperature adiabatica di fiamma del gasolio, e mostra una minore tendenza alla formazione di particelle carboniose; perciò dà più basse emissioni di ossidi d’azoto (NOx) e particolato (PM).

 

Dual-fuel, vantaggi e sinergie 3

Sviluppi recenti

L’italiana Automotive Innovation (Gruppo Holdim), ha realizzato su meccanica Iveco Stralis 450 Euro V, una trasformazione dual-fuel col suo sistema d-gid dual-fuel electronic. Il veicolo sta conducendo prove su strada con esito interessante in termini di emissioni, sostituzione del gasolio (oltre il 40%) e conseguente riduzione dei costi operativi.

La società di logistica Howard Tenens (UK) e la Prins Autogas stanno conducendo prove di trasformazione a dual-fuel su motrici stradali Mercedes-Benz-Benz Actros Euro VI. Le operazioni di trasformazione, col sistema Prins Dieselblend-2.1, sono state completate. Il Mercedes-Benz-Benz Actros 2445 monta un motore di 12,8 litri, della potenza di 450 bhp omologato Euro VI nella versione a gasolio; il veicolo ha un peso totale di 44 ton, e un serbatoio da 93 Kg di Cng.1)

Westport offre sul mercato sistemi retrofit dual-fuel attraverso Prins ed Emer, società del suo gruppo. Questi sistemi hanno conseguito l’omologazione Euro V per carri di taglia media e pesante in alcuni paesi (Italia e Spagna). Prins ed Emer puntano ora all’approvazione Euro VI. Per il mercato dei mezzi pesanti, Westport ATG Diesel Blend Team focalizza le attività per il dual-fuel su mezzi Euro VI di Scania, DAF e Mercedes-Benz, per i mercati in UK, Spagna e Italia.

Shell Canada e Caterpillar hanno siglato un accordo per la sperimentazione in campo di un nuovo motore dual-fuel LNG/gasolio, per ridurre costi operativi ed emissioni nei campi minerari di sabbie bituminose della Shell nell’Alberta settentrionale, presso Fort McMurray. Caterpillar intende sfruttare la sua esperienza con l’LNG in altre applicazioni, per progettare e realizzare un veicolo pesante da miniera nel quale l’LNG sostituirà la maggior parte del gasolio.

 

Dual-fuel, vantaggi e sinergie 4Norme

Alcuni stati membri dell’UE hanno già norme nazionali che coprono le trasformazioni dual-fuel. Ne sono esempi, oltre all’Italia, UK e Belgio. In Italia il Ministero dei Trasporti ha emanato la circolare del 14 Febbraio 2000 (prot. n. 220/M3/C2) con la quale viene autorizzata la trasformazione dual-fuel.

In ambito ECE ONU, organizzazione che riguarda circa 50 paesi dentro e fuori dell’Europa, l’attività di normazione degli scorsi anni si è conclusa con l’inserimento di alcune modifiche al Regolamento UN/ECE N° 492) per consentire l’omologazione di mezzi dual-fuel OEM, cioè di fabbrica. Il nuovo Regolamento 49 è già in applicazione (Supplemento 1 alla serie 06 di emendamenti al Regolamento No. 49).

Un gruppo di lavoro informale GFV (Gaseous Fuels for Vehicles) che opera nel GRPE (Group Rapporteur Pollution et Energie) sta preparando una nuova bozza di regolamento anche per i mezzi dual-fuel di tipo retrofit, cioè trasformati in officina, a gasolio e carburante gassoso (Cng, LNG, Gpl). Non è ancora chiaro quali saranno i risvolti di questa attività per il testo del regolamento ECE ONU R 115, riguardante il settore retrofit.

Il gruppo di lavoro sta preparando un documento informale per la discussione all’incontro del GRPE in giugno 2015, con l’obiettivo della finalizzazione entro gennaio 2016. La bozza prevede limiti e procedure per sistemi retrofit HDDF molto simili o identici a quelli in vigore per gli OEM dual-fuel. Questa attività affronta alcune sfide, ad esempio il basso livello di emissioni da raggiungere con motori non specificamente progettati per carburanti gassosi. Tra i fattori all’esame degli esperti vi sono:

  • prove applicabili ai motori SCR (selective catalytic reactor) e ai motori EGR (exhaust gas recycling);
  • emissioni massime di incombusti (CH4);
  • modalità di comunicazione tra il sistema elettronico originale di gestione del motore e le apparecchiature aggiunte nella trasformazione;
  • compatibilità elettromagnetica del sistema di trasformazione, dopo il montaggio a bordo;
  • istruzioni per l’installatore.

 

Note

1) Fonte: comunicato stampa di Prins Autogas.

2) Regolamento UN ECE R 49 Rev 4 – “Uniform provisions concerning the measures to be taken against the emission of gaseous and particulate pollutants from compression ignition engines for use in vehicles, and the emission of gaseous pollutants from positive ignition engines fuelled with natural gas or liquefied petroleum gas for use in vehicles”