Camion con pantografo
da RWTH Aquisgrana
Progetto di ricerca innovativo dell'Università RWTH di Aquisgrana
Il PEM dell'Università RWTH di Aquisgrana sta sviluppando autocarri elettrificati con pantografi e componenti Webasto per ridurre in modo sostenibile le emissioni di CO2 sulle strade di tutto il mondo. Anche il trasporto su strada è fondamentale per una riduzione significativa e duratura delle emissioni di CO2 nell'inversione di tendenza del traffico. Gli autocarri sono responsabili di circa il dieci percento delle emissioni globali di CO2. Allo stesso tempo, sono difficili da elettrificare a causa del loro elevato fabbisogno energetico e delle lunghe distanze che devono percorrere.
Un impegno per cambiare questa situazione e trovare una soluzione competitiva per il trasporto merci è portato avanti dalla cattedra di Ingegneria di Produzione dei Componenti per la Mobilità Elettrica (PEM) presso l'Università RWTH Aachen, che sta conducendo ricerche proprio in quest'area. Nell'ambito del progetto LiVePLuS, gli specialisti della cattedra hanno sviluppato un powertrain elettrico con pantografo e batteria, implementandolo in un primo prototipo con il supporto di Webasto, partner di sistema per la mobilità elettrica.
Fondata nel 2014, la cattedra PEM della RWTH – una delle università di eccellenza in Germania e tra le migliori a livello mondiale – studia i componenti fondamentali della mobilità elettrica. Quattro gruppi di ricerca si concentrano sulla batteria come uno dei componenti principali del powertrain elettrico lungo l'intera catena del valore. "Il nostro obiettivo è sviluppare nuovi modi per ridurre attivamente le emissioni di CO2. Il traffico stradale è responsabile di una grande percentuale delle emissioni."
Se osserviamo più da vicino, scopriamo che sono principalmente i veicoli commerciali pesanti la cui elettrificazione avrebbe un impatto considerevole sulla riduzione delle emissioni di CO2. Pertanto, per ottenere la massima efficienza e il maggiore impatto possibile, è proprio su quest'area che desideriamo concentrarci nei nostri progetti di ricerca", spiega Konstantin Sasse, Team Leader Battery Engineering & Safety presso il PEM.
Webasto e RWTH Aquisgrana: soluzione pantografo per autocarri
Rendere possibile l'inversione di tendenza del traffico
L'obiettivo principale: sviluppare moduli adattabili dei componenti del powertrain che possano essere personalizzati in base all'area di applicazione. Così, nel settembre 2017, è stato avviato il progetto LiVe, che inizialmente ha studiato diverse tecnologie come la cella a combustibile o il pantografo – un collettore di corrente estensibile montato sul veicolo – basandosi sul veicolo a batteria elettrica. Successivamente, nel febbraio 2020, è stato creato il progetto LiVePLuS, che si è concentrato sui camion pesanti con batteria e pantografo.
Per convalidare i risultati della ricerca e dimostrare l'idoneità dei camion con semirimorchio dotati di pantografo, è stato previsto anche il retrofitting di un camion come prototipo. Questo consiste classicamente in un motore elettrico e una batteria di trazione, a cui si aggiunge il pantografo come interfaccia per un sistema di linee aeree. Un sistema di sensori rileva se il veicolo sta percorrendo una corsia con linea aerea, e il pantografo del camion si estende e si aggancia alla linea. Questo fornisce energia al motore elettrico e carica contemporaneamente la batteria.
Entrambi i progetti sono sponsorizzati da VDI/VDE Innovation + Technik GmbH e sono finanziati dal Ministero Federale Tedesco per l'Ambiente, la Conservazione della Natura, la Sicurezza Nucleare e la Protezione dei Consumatori (BMUV). "La tecnologia con pantografi è particolarmente interessante, poiché l'infrastruttura per essa può essere implementata piuttosto rapidamente – molto può già essere realizzato entro il 2030. Gli studi hanno dimostrato che utilizzando camion con linee aeree, si può ridurre circa il 50% delle emissioni di CO2 entro il 2030 rispetto ai camion convenzionali. Se si estende questo calcolo e si utilizza l'energia rinnovabile per alimentare esclusivamente i sistemi di linee aeree, il semplice funzionamento di questi camion sarebbe già oggi CO2 neutrale", afferma Simon Dünnwald, Team Leader E-Mobility Production Engineering del PEM.
L'energia fornita dai pantografi non solo è altamente efficiente grazie alla sua elevata efficienza complessiva, ma presenta anche pochi svantaggi rispetto ai camion convenzionali. Gli impatti sull'infrastruttura sono altrettanto contenuti: le corsie dotate di linee aeree possono essere utilizzate senza restrizioni anche da altri utenti della strada. Tali linee sono già installate su tratti delle autostrade A1 e A9 come percorsi di test. "Le simulazioni e gli studi dimostrano che adattare circa il 30% della rete autostradale tedesca – circa 3.200-4.000 chilometri – con sistemi di linee aeree è sufficiente per elettrificare l'80% dei camion pesanti. Abbiamo quindi un potenziale enorme", afferma Dünnwald.
Componenti e supporto di prim'ordine da parte di Webasto
Poiché attualmente non esistono camion con pantografi a propulsione puramente elettrica in circolazione sulle strade tedesche, e la tecnologia è quindi ancora molto nuova, il gruppo di ricerca non ha potuto fare affidamento su un sistema già collaudato, ma ha dovuto sviluppare soluzioni innovative. Anche la fornitura dei componenti ha rappresentato una sfida. "Stiamo costruendo prototipi in quantità limitate per il nostro progetto di ricerca, il che non è sufficientemente attraente per molti fornitori. Inoltre, la disponibilità tecnica e i tempi di consegna dei singoli componenti dovevano essere adeguati."
Il settore di applicazione dei veicoli commerciali pesanti esclude già alcuni operatori del mercato. Inoltre, naturalmente, avevamo delle specifiche precise riguardo ai componenti. Ad esempio, invece di batterie da prototipo, volevamo installare batterie certificate per la produzione in serie, compatibili con il resto dell’alimentazione elettrica ad alta tensione a bordo", spiega Sasse. Poiché lo spazio è limitato nel camion, anche le dimensioni delle batterie dovevano essere appropriate. Dopo un'attenta analisi del mercato e una ricerca approfondita, alla fine la scelta è ricaduta sulla batteria standard di Webasto per veicoli commerciali.
L'azienda non solo è stata in grado di fornire i componenti richiesti in tempi brevi, ma ha anche offerto un supporto attivo con la sua esperienza tecnica. "Abbiamo collaborato strettamente con Webasto e mantenuto un contatto diretto con tutti i reparti. Sviluppare un prototipo significa sempre affrontare domande molto specifiche per le quali abbiamo bisogno dei pareri degli esperti. Abbiamo lavorato fianco a fianco con Webasto, ricevendo feedback tempestivi, tutti i dati rilevanti e persino supporto durante la messa in servizio dei singoli componenti in loco", spiega Sasse.
Oltre al sistema di batterie di Webasto, per il prodotto è stato utilizzato anche il Vehicle Interface Gateway (VIG). È molto compatto e funge da interfaccia tra il veicolo e le batterie e consente il controllo di un massimo di 16 batterie. Il gruppo di ricerca ha sviluppato la cosiddetta Power Distribution Unit (PDU) sulla base del VIG. Questa unità compatta contiene tutti i collegamenti principali per la batteria, il pantografo e il motore, nonché la distribuzione necessaria e altre funzioni.
EV Battery Pack Module in Aluminum Housing - Webasto Battery System
Dalla teoria alla pratica
Dopo numerosi test, come la messa in servizio individuale per ciascun componente e la configurazione del sistema complessivo in uno stato non definitivo, è previsto il collaudo finale del prototipo. Il veicolo ha già completato diversi test sulla pista di prova della RWTH. Il passo successivo prevede il test del pantografo su un altro circuito per verificare che il processo di aggancio alla linea aerea avvenga senza problemi.
Successivamente, il prototipo sarà testato nel traffico pubblico, per consentire al gruppo di ricerca di eseguire misurazioni approfondite. "L'obiettivo è ottimizzare ulteriormente il sistema e raggiungere un livello di maturità superiore. Vogliamo arrivare a un punto in cui il modulo del powertrain non solo sia completamente sviluppato, ma rappresenti anche un vero interesse economico. Se i costi non sono adeguati, il sistema non verrà adottato. Ma siamo sulla strada giusta. Il progetto ha anche una grande rilevanza sociale.
Abbiamo già ricevuto visite da molte importanti aziende fornitrici che sono rimaste entusiaste dopo aver visto il prototipo. Siamo curiosi di scoprire cosa ci riserverà il futuro per questo progetto, ma siamo davvero orgogliosi di quanto abbiamo già raggiunto. E con Webasto abbiamo trovato un partner che ci fornisce supporto completo e collabora con noi per promuovere la decarbonizzazione del trasporto merci", conclude Dünnwald. Anche Webasto è entusiasta della collaborazione. "Siamo orgogliosi di essere partner di un progetto così innovativo, con il potenziale di ridurre drasticamente le emissioni di CO2 nel trasporto su strada. Siamo ansiosi di continuare a supportare il progetto in futuro e siamo pronti a fornire prodotti e contributi teorici in qualsiasi momento", aggiunge Michael Bauer, Vice President Business Line Energy Management di Webasto.
