Idrogeno su ICE, è bello!
L'uso dell'idrogeno nel motore NextFuel™ Tier-3 evidenzia Wabtec come leader nei carburanti alternativi
«Primo incendio» sull'idrogeno
Ricordate questa data: 15 maggio 2024.
Quel mercoledì pomeriggio, in una struttura di test presso il campus principale del Southwest Research Institute (SwRI) a San Antonio, Texas, gli ingegneri di ricerca di Wabtec hanno ottenuto il «primo fuoco» (cioè la combustione) in un motore diesel a doppia alimentazione e idrogeno-diesel.
Hanno introdotto l'idrogeno in un motore Wabtec Evolution Series Tier 3 da 4.500 cavalli, che è un elemento fondamentale delle flotte di locomotive ferroviarie di tutto il mondo (diverse migliaia di locomotive con motori della serie Evolution sono in servizio oggi), e ha funzionato... entro i parametri previsti.
Giusto per essere chiari: un motore a combustione interna a idrogeno (H₂ ICE) è ancora lontano da anni. Ma raggiungere il «primo fuoco» è un importante passo iniziale di questo viaggio e arrivare a questo punto evidenzia lo spirito innovativo e l'approccio pratico di Wabtec al business, in quanto è leader in un settore ferroviario già efficiente in termini di consumo di carburante verso un futuro a zero emissioni nette.
Un approccio «diversificato»: motori a doppia alimentazione
L'idrogeno come fonte di combustibile (non fossile) ha catturato l'immaginazione del trasporto ferroviario merci e delle imprese in generale, perché brucia senza emissioni di carbonio. Sebbene l'elemento stesso sia ampiamente abbondante nell'universo, le grandi forniture di idrogeno «verde» e a costi competitivi e l'infrastruttura necessaria per distribuirlo non lo sono. È anche l'elemento più leggero ed estremamente infiammabile, il che pone sfide progettuali uniche per i progettisti di motori per locomotive.
Tuttavia, nonostante tutte le molte caratteristiche uniche dell'idrogeno, Wabtec ritiene che la risposta per trasformarlo in un carburante produttivo a zero emissioni di carbonio per le flotte di locomotive merci esistenti risieda nei suoi punti in comune con altre fonti di energia. In altre parole, l'H₂ è un gas e Wabtec sa come bruciare gas in un motore a combustione interna ad alte prestazioni. Ancora meglio, Wabtec sa come bruciare gas naturale in un motore a doppia alimentazione che può passare senza problemi al diesel in base alle necessità, cosa che sta già facendo in ambito commerciale con la sua locomotiva NextFuel™ per la Florida East Coast Railway.
Questa distinzione è importante perché, ancora una volta, Wabtec sta innovando in modo efficiente, dimostrando al settore che non è necessario reinventare la ruota per ospitare una fonte di carburante alternativa emergente. Invece, Wabtec sta cercando di far sì che quel carburante alternativo, in questo caso l'idrogeno, funzioni efficacemente all'interno di una piattaforma di motori esistente costruita appositamente per la flessibilità (del carburante), consentendo ai clienti di beneficiare dei nuovi carburanti non appena diventano redditizi.
«La tentazione di considerare l'idrogeno e lo sviluppo di un motore a combustione interna a idrogeno come una sfida che richiede un approccio radicalmente nuovo è forte, ma abbiamo resistito con successo attraverso una buona pianificazione e un'esecuzione ancora migliore», afferma Jim Gamble, Vice President, Engine and Power Solutions, Wabtec. «Con i nostri motori NextFuel™ a doppia alimentazione, Wabtec ha modificato i nostri popolari motori diesel esistenti per a) accogliere carburanti alternativi e b) passare facilmente e automaticamente al diesel secondo necessità».
Questo approccio all'innovazione garantisce che le esigenze dei clienti ferroviari siano integrate nelle tecnologie di riduzione delle emissioni, in particolare le preoccupazioni relative all'infrastruttura e alla disponibilità dei carburanti alternativi. Ad esempio, i successi di Wabtec nell'utilizzare carburanti alternativi nei motori esistenti con i suoi kit NextFuel, siano essi GNL, biodiesel o diesel rinnovabile, consentono ai vettori di passare da un tipo di carburante all'altro a seconda della situazione sul campo. Ciò significa che quando un carburante alternativo non è disponibile in un determinato territorio o l'infrastruttura per fornirlo non è pronta in un dato momento, il diesel può comunque svolgere il suo lavoro, e lo farà, automaticamente e utilizzando un motore ad alte prestazioni.
Ciò è particolarmente importante nell'evoluzione dei motori a combustione di idrogeno, in cui la costruzione di un'infrastruttura per il combustibile a idrogeno è in una fase iniziale tanto quanto lo sviluppo dell'H₂ ICE stesso.
«Abbiamo imparato dall'esperienza che non è una buona idea innovare troppo rispetto a ciò che i nostri clienti del settore ferroviario possono utilizzare in pratica», aggiunge Gamble. «Facendo progressi nell'uso dell'idrogeno come combustibile nella nostra piattaforma funzionante NextFuel, stiamo assicurando che i progressi che facciamo avvengano all'interno di un modello di consegna che il settore ha già adottato e che può facilmente accettare».
Avvicinare l'idrogeno al cliente
Wabtec ha fatto scalpore nel campo dei treni alimentati a idrogeno sin da quando ha annunciato accordi di ricerca su larga scala con gli Oak Ridge e gli Argonne National Laboratories del Dipartimento dell'Energia. Questo lavoro si è concentrato sulla sperimentazione di una serie di combustibili alternativi, incluso l'idrogeno, su un motore per locomotiva monocilindrico a doppia alimentazione Wabtec installato presso l'Oak Ridge Lab.
Parallelamente alla creazione di questo importante banco di prova, la dirigenza senior di Wabtec ha sfidato il team Engine and Power Solutions ad avvicinare la ricerca sull'idrogeno «al cliente» e alla sua esperienza quotidiana, rendendola meno teorica e qualcosa che potessero toccare e sentire.
Il risultato è stata una nuova partnership con SwRI e un regime a idrogeno condotto su un motore NextFuel Evolution Series Tier 3 simile a quello in uso presso la Florida East Coast Railway, con modifiche per l'uso di carburante a idrogeno. Questo motore a doppia alimentazione era «naturale» per i test iniziali sull'idrogeno, perché anch'esso bruciava un gas, cioè gas naturale, insieme al diesel.
Eppure, a parte i punti in comune, l'idrogeno non è gas naturale. Tanto per cominciare, l'idrogeno è molto più leggero. In effetti, essendo l'elemento più leggero della tavola periodica, vuole salire di tre piani al secondo. Bisognerebbe vedere in che modo ciò influirebbe sulla progettazione del sistema di erogazione del carburante del motore. Inoltre, l'energia di accensione dell'idrogeno è molto bassa, molto inferiore a quella del gas naturale, e il suo intervallo di infiammabilità è estremamente ampio.
La combustione è importante
Detto questo, Wabtec ha iniziato questo test da una posizione di forza. Aveva già modificato il motore Tier 3 della serie Evolution per funzionare a gas naturale, apportando modifiche sia al motore che all'hardware della locomotiva.
L'obiettivo di Wabtec è sfruttare, e in alcuni casi scavalcare, questi progressi, apportando le modifiche e le modifiche più importanti necessarie per raccogliere e quindi ottimizzare l'idrogeno come fonte di carburante sostenibile. Ad esempio, le attuali tubazioni e l'architettura del motore sono sufficienti per alimentare l'idrogeno, che è 6 volte più leggero del gas naturale, dal tender alla camera di combustione? Sarebbe meglio iniettare l'idrogeno direttamente nella camera di combustione (iniezione diretta) anziché nel collettore di aspirazione (iniezione in porta)?
Queste e centinaia di altre domande e variabili sono e continueranno ad essere oggetto di test approfonditi sia sull'installazione monocilindrica presso l'Oak Ridge National Laboratory che sul motore Tier 3 NextFuel presso SwRI.
«Un vero vantaggio»
«Siamo a un punto di svolta entusiasmante nel nostro modo di pensare all'idrogeno, in cui possiamo passare dalla teoria alla verifica effettiva delle nostre ipotesi su motori reali e ad alte prestazioni che i nostri clienti conoscono bene e su cui fanno affidamento», conclude Gamble. «Ascoltando i nostri clienti e concentrandosi sui modi per fornire tecnologie di riduzione delle emissioni in modo rapido, incrementale e nel modo più semplice possibile, Wabtec ha consentito al settore del trasporto ferroviario merci di avere un impatto significativo sui suoi obiettivi odierni di riduzione delle emissioni».