tecnologia
febbraio 2015

I serbatoi per veicoli a CNG: aspetti operativi

Flavio Mariani

Una parte fondamentale per il corretto funzionamento dei veicoli a metano sono i serbatoi. Le normative che regolano i controlli da effettuare periodicamente su quei dispositivi devono tener conto di molteplici fattori, tra cui il materiale di cui sono composti e le loro capacità_Immagazzinare energia a bordo di un veicolo è un’esigenza fondamentale, e un aspetto critico sia della progettazione sia dell’esercizio del mezzo. Si deve trovare il giusto compromesso tra esigenze in conflitto: autonomia di marcia, ingombri e pesi, sicurezza. Con benzina e gasolio è relativamente agevole progettare un veicolo dotato di un serbatoio che consenta autonomie di marcia lunghe; oltre 1.000 km per mezzi HD (High Duty, mezzi pesanti) a gasolio; oltre 900 km per mezzi LD (Light Duty, mezzi leggeri) a gasolio; e oltre 600-700 km per mezzi LD a benzina e Gpl.  In passato i veicoli a CNG (Compressed Natural Gas) erano realizzati grazie alla trasformazione in officina. Con questa soluzione il serbatoio viene aggiunto a quello originale della benzina, e viene installato solitamente all’interno del bagagliaio. L’esigenza pratica di limitarne il più possibile ingombro e peso per non penalizzare la capacità di carico può far accettare anche autonomie di marcia a CNG dell’ordine di 250 o 300 chilometri. Oggi però, con la larga e crescente disponibilità sul mercato dei veicoli a CNG prodotti direttamente dal costruttore (OEM, Original Equipment Manufacturers), si possono conseguire autonomie più lunghe anche con i NGV (Natural Gas Vehicles). L’autonomia di marcia a metano tende ormai a superare i 300 km, e si arriva spesso a valori superiori a 400 o 500 chilometri, grazie alla ripartizione tra diversi serbatoi di dimensione contenuta, relativamente leggeri, incastonati nella struttura del mezzo, in modo da sfruttare spazi disponibili diversi da quello del bagagliaio e disposti in maniera ottimale anche dal punto di vista del baricentro. Questo vale in particolare per i veicoli classificati dalle norme come “monovalenti”, ottimizzati per il metano anche nella scorta di carburante, e che conservano a bordo anche un piccolo serbatoio di benzina, di capacità inferiore a 15 litri, sostanzialmente con funzione di riserva. Nel caso poi dei veicoli pesanti a GNL, si arriva quasi alla stessa autonomia dei mezzi equivalenti a gasolio. La liquefazione del gas naturale consente una grande concentrazione di energia in poco spazio. Per questo carburante, un volume di liquido equivale a circa 600 volumi gassosi, ed il serbatoio del GNL, oltre al vantaggio di pressioni di esercizio relativamente basse, più o meno analoghe a quelle del Gpl, può anche avvalersi di un ingombro poco superiore all’equivalente serbatoio del gasolio o della benzina. Nel caso dei veicoli pesanti quindi, almeno dove sono richieste lunghe percorrenze giornaliere, la soluzione ottimale per l’impiego del gas naturale è quella del GNL. Invece nel caso dei veicoli leggeri, come auto, pullmini, piccoli mezzi commerciali, l’utilizzo del gas naturale rimane essenzialmente legato alla forma di gas compresso a 200 bar. In questo caso, un volume di gas compresso a 200 bar equivale a circa 250 volumi di gas in condizioni standard di 1 bar e 15° C. Nel tempo è stata comunemente adottata questa pressione perché tende a realizzare il miglior compromesso tra concentrazione di energia e costi di fabbricazione e di esercizio del serbatoio e del mezzo, e del sistema di riempimento. Inoltre, nell’intorno di questa pressione si hanno i massimi valori del coefficiente di comprimibilità del gas naturale, il parametro che determina quanto “gas reale” si può immagazzinare in più rispetto al valore teorico valido per i “gas perfetti”.SERBATOI-CNG-ISO-11439---MASSIMA-PRESSIONE-SOPPORTABILE-(BAR)

Serbatoi per CNG

I serbatoi per CNG sono tra gli elementi strutturalmente più resistenti installati a bordo dei veicoli a metano. In Europa sono progettati per una pressione di esercizio di 200 bar, quindi devono essere collaudati a 300 bar, e quelli in acciaio (classificati anche come “Tipo 1”) devono resistere fino ad una pressione di almeno 450 bar (massima pressione sopportabile; fattore di sicurezza = 2,5). In Nord America sono adottate anche pressioni di esercizio più alte, con lo standard di 3.500 psi (~ 250 bar). In quel caso, anche la pressione di collaudo e la massima pressione sopportabile aumentano in proporzione.

Per i serbatoi degli altri tipi, realizzati con materiali compositi (classificati come Tipo 2, 3 e 4), le massime pressioni sopportabili, fino alle quali essi devono resistere, sono ancora più alte di 450 bar.

In Italia oggi c’è un parco circolante di circa 900.000 NGV. Si stima che siano quindi in uso non meno di 2 milioni di serbatoi per CNG, ancora principalmente del Tipo 1.tank3

Aspetti operativi delle norme

In Italia sono ammessi all’uso sia i serbatoi realizzati secondo le norme italiane sia i serbatoi realizzati in conformità con i requisiti del Regolamento UN ECE R 110, sezione 3°, che ricalcano in modo abbastanza fedele la norma ISO 11439 High pressure cylinders for on board storage of Natural Gas as fuel for automotive vehicles.

Norme italiane per serbatoi tradizionali in acciaio per CNG (isotropici, simili al Tipo 1 del ISO 11439):

  • Sez.II DM 24/11/84: Norme e istruzioni per l’approvazione, prova/ispezione periodica bombole GNC;
  • Circ. No.122/1958 del 21/10/1958: Norme per approvazione /ispezione periodica di bombole per GNC;
  • Circ. No.138/1958 del 29/11/1958: Istruzioni per l’applicazione delle norme per l’approvazione e l’ispezione periodica dei serbatoi per GNC.

Norme italiane per serbatoi parzialmente in composito per CNG (simili al Tipo 2, del ISO 11439):

  • Decreto Dirigenziale 22/1/98 Codice tecnico per progetto e costruzione recipienti in pressione in materiale composito – fa specifico riferimento alla norma unificata europea EN 12257, riguardante le modalità di concezione, costruzione, prove tecniche ed utilizzo dei recipienti rinforzati in materiale composito.

Norme italiane sul divieto dell’uso di serbatoi scaduti, o non ricollaudati a tempo debito:

  • Circolare ministeriale 138/1958 Capitolo IV punto 1

 

Il riempimento dei serbatoi per CNG

La Norma italiana fissa per i serbatoi per CNG una pressione di esercizio nominale di 200 bar a 15°C. Le condizioni di riempimento dei serbatoi di CNG sono indicate nella Parte 1a cap VIII° (punto 1 – gas metano) della Circolare Ministeriale N° 138/1958 prot. 12455 (62)024A del 29/11/1958.

Il punto C) ‘’pressione massima di carica delle bombole per metano’’, esige il rispetto contemporaneo delle tre condizioni:

  • T massima di carica = 50° C;
  • P massima di carica = 225 bar;
  • T e P massime tali che il successivoeventuale riscaldamento a 50° C non elevi P oltre i 260 bar.

La norma ISO 11439 fissa i criteri seguenti per il riempimento dei serbatoi per CNG:

  • pressione di esercizio nominale = 200 bar a 15°C
  • temperatura massima del CNG a fine carica = 65°C
  • pressione e temperatura a fine carica tali per cui, al successivo assestamento della temperatura (in salita o in discesa) a 15°C, la pressione si stabilisca a 200 bar
  • pressione finale di carica comunque non superiore a 260 bar, indipendentemente dalla temperatura.

 

opel-zafira-tourer-cng-mit-reichweitenbestwert-small_2Si può vedere che sia la normativa italiana sui serbatoi per CNG, sia la norma ISO, nel fissare i requisiti per il riempimento, tengono conto dell’effetto di riscaldamento che il gas naturale subisce inevitabilmente all’atto della sua introduzione in serbatoio. Questo effetto è tanto più marcato quanto più veloce (quindi “adiabatica”) è l’operazione di rifornimento. Il riscaldamento del gas ne comporta una minore massa volumica a parità di pressione. Quindi a rifornimento ultimato, maggiore è la temperatura del gas nel serbatoio, minore è il quantitativo in peso di gas introdotto, a parità di pressione finale. Nei climi temperati, e nel caso di rifornimento rapido, che caratterizza tutti i distributori pubblici stradali, questo fenomeno di riscaldamento tende a ridurre leggermente l’autonomia di marcia del mezzo, che viene rifornito con una quantità di gas inferiore rispetto ad un pieno con un gas a fine carica alla temperatura di riferimento di 15°C.

 

A questo problema si può ovviare del tutto o in parte con due soluzioni:

  • refrigerazione del gas dopo la compressione, e prima dell’erogazione, che ne mitiga ma in genere non ne può eliminare del tutto il riscaldamento successivo nella bombola;
  • compensazione di temperatura, cioè riempimento del serbatoio fino ad una pressione superiore a 200 bar, e tanto più elevata quanto più alta è la temperatura del gas alla fine del rifornimento, con un limite superiore di pressione comunque invalicabile (260 bar).

La compensazione di temperatura, in particolare nei climi caldi e con il rifornimento rapido, tende ad un maggior soddisfacimento del cliente, e anche dell’operatore della stazione di servizio, dato che consente al primo percorrenze superiori ad ogni pieno, e al secondo un esercizio più efficiente dei suoi erogatori.

Questo criterio, nei climi freddi e con il rifornimento lento, ha invece una funzione di sicurezza. Esso agisce infatti anche in senso opposto, e prevede l’erogazione di gas a pressione finale inferiore a 200 bar se la temperatura finale del gas nel serbatoio è inferiore a 15°C. Nel caso del riempimento lento, a fine carica la temperatura del gas nel serbatoio tende ad approssimarsi alla temperatura ambiente. Se fosse riempito un serbatoio con CNG molto freddo a pressione di 200 bar, ed il mezzo, dopo il rifornimento, anziché entrare in servizio fosse ricoverato in una rimessa riscaldata, o lasciato in sosta in un’area con una forte insolazione, il riscaldamento del mezzo conseguente comporterebbe un innalzamento della pressione interna del serbatoio di CNG, che potrebbe raggiungere valori sconsigliabili.

La compensazione di temperatura è un criterio progettuale applicato oggi in diversi paesi dentro e fuori dell’Europa. Sono adottate soluzioni moderne basate su metodi particolari, in base ai quali un software in dotazione all’erogatore calcola l’eventuale sovra-pressione necessaria, utilizzando i parametri fisici appropriati.

In Italia la compensazione di temperatura finora è stata invece proibita dalle norme sui distributori di CNG, nonostante la norma sui serbatoi la preveda in nuce, come già visto. Le norme nazionali affrontano questo aspetto concedendo al livello dell’erogatore una sovra-pressione fissa rispetto al valore nominale di 200 bar a 15°C. La pressione massima di rifornimento all’erogatore, fissata dal DM 24/5/2002, è infatti di 220 bar, indipendentemente dalla temperatura di fine carica.slider_cylinders_tanks

Il collaudo periodico

La normativa italiana (Legge 8 luglio 1950 n. 640; Legge 7 giugno 1990 n. 145 e D.P.R. 9 novembre 1991 n. 404), per i serbatoi realizzati secondo le norme italiane viste più sopra, stabilisce una durata massima della vita di esercizio di 40 anni, alla cui scadenza i serbatoi devono essere obbligatoriamente distrutti. I serbatoi devono essere sottoposti a collaudo periodico ad intervalli massimi di 5 anni. Il collaudo periodico consiste principalmente di:

  • ispezione visiva della parete interna ed esterna, previo lavaggio interno ed eventuale rimozione della vernice esterna;
  • pesatura; in sostanza non è ammesso un calo superiore al 2% rispetto al peso iniziale, riportato sull’ogiva; questa operazione serve a verificare che non vi sia stata perdita di materiale (e quindi anche di resistenza strutturale) dovuta a ossidazione o corrosione;
  • prova idraulica a 300 bar (1,5 volte la pressione nominale di esercizio);
  • manutenzione della valvola, con sostituzione delle parti deperibili.

 

Il Regolamento R110, adottando anche per questo aspetto i criteri fissati dalla norma ISO 11439, stabilisce che sia il costruttore del serbatoio di CNG a indicare i requisiti riguardanti il ricollaudo periodico e la massima vita di esercizio del suo prodotto. In assenza e ad integrazione di tali indicazioni comunque il regolamento R110 fissa in 20 anni la durata massima di un serbatoio. Per la revisione periodica fissa un intervallo massimo di 4 anni, a partire dalla data di immatricolazione del mezzo sul quale il serbatoio è installato. La prova da eseguire può consistere nella sola ispezione visiva della parete esterna del serbatoio, e al di sotto degli ancoraggi del serbatoio al mezzo. Il regolamento R110 è quindi meno restrittivo della nostra norma nazionale.ASPETTI-PRINCIPALI-DELLA-NORMA-ISO-11439-1

L’adozione del R110 in Italia

In Italia i regolamenti devono essere recepiti tramite una circolare. Ogni stato membro, nell’adottare i regolamenti, ha una certa libertà di renderne l’applicazione più restrittiva sul proprio territorio. L’Italia ha adottato il regolamento UN ECE R110, con il provvedimento del Ministero Trasporti: Circolare 90 MOT 1 04/C del 31/1/2001. Con tale provvedimento sono state ammesse all’uso anche in Italia le bombole realizzate secondo i criteri fissati dalla norma ISO 11439, il cui testo è sostanzialmente adottato dal regolamento UN ECE. Con la successiva Circolare 3171 MOT2/C del 19/9/2005 sono stati adottati i criteri del R110 anche in materia di revisione periodica dei serbatoi per CNG, con qualche variante nazionale.

 

Per la parte relativa all’ispezione periodica dei serbatoi per CNG, la Circolare 3171 impone – fintantoché non sarà ratificata una specifica norma di armonizzazione comunitaria – le modalità di effettuazione che seguono:

  • tutte le bombole (di tipo CNG-1, CNG-2, CNG-3, CNG-4), devono essere sottoposte ad ispezione visiva, per verificare le tipologie di eventuali danni;
  • le bombole di tipo CNG-2, CNG-3, CNG-4, oltre alla ispezione visiva, devono essere sottoposte a ulteriore verifica, effettuando gli esami non distruttivi:

– per le bombole di tipo CNG-2 e CNG-3, A) prova di pressione idraulica (300 bar), massima deformazione permanente ammessa: 5%; B) prova non distruttiva, con ultrasuoni o metodo alternativo ritenuto equivalente;

– per le bombole tipo CNG-4: A) prova di pressione idraulica (300 bar); massima deformazione permanente ammessa: 10%; B) prova non distruttiva; in questo caso non è possibile impiegare la prova con gli ultrasuoni, e deve essere adottato un metodo alternativo idoneo;

 

L’ispezione visiva deve valutare eventuali danni relativi a: corrosione; tagli; graffi; incavature; fibre esposte; ammaccature; rigonfiamenti; fratture; perdita/rimozione di materiale; cambiamento di colore della superficie della bombola (fuliggine, annerimenti, attacchi chimici, ecc.); prove dell’esposizione al calore; urto o incidente; deterioramento del materiale superficiale. La circolare prescrive che il costruttore della bombola indichi i criteri di accettazione dei danni o difetti riscontrati. Essa fissa comunque i criteri minimi di tale accettazione, per tutti i tipi di bombole, e quelli aggiuntivi per i tipi CNG-2, CNG-3 e CNG-4.

I serbatoi tipo CNG-4, che rappresentano il prodotto con tecnologia più moderna, sono molto più leggeri dei serbatoi tradizionali in acciaio. L’esercizio di questi serbatoi ha mostrato nel tempo che la loro struttura, principalmente basata su fibre e resina, richiede operazioni e modalità di revisione periodica e manutenzione, diverse rispetto ai serbatoi in acciaio. Il settore si è reso conto che si tratta di una differenza di cui è necessario tenere conto. Alla luce di questo aspetto, il Ministero Trasporti ha emanato la Circolare prot. 17355 Div 3/H, del 4/8/2014. La nuova Circolare sospende la prima revisione dei serbatoi Tipo 4 installati sulle auto, fino alla emanazione di norme specifiche per la revisione di questo tipo di serbatoio. In attesa di tale provvedimento, la revisione di auto con serbatoio CNG Tipo 4, con esclusione del serbatoio stesso, può essere effettuata presso i Centri Prove provinciali della Motorizzazione Civile.

 

Normativa internazionale

A livello europeo oggi è sentita l’esigenza di armonizzare questi importanti aspetti del mercato dei NGV. La normativa internazionale si è già occupata dell’ispezione periodica di riconvalida dei serbatoi di CNG, con la predisposizione della norma ISO 19078 – Bombole per CNG – ispezione sull’installazione delle bombole, ricollaudo di bombole per alta pressione per lo stoccaggio di bordo di gas naturale come carburante per veicoli. È quindi prevedibile che gli organismi normativi internazionali affrontino anche questi temi nella loro attività del prossimo futuro.ASPETTI-PRINCIPALI-DELLA-NORMA-ISO-11439