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Tutto quello che avreste voluto sapere sui sistemi di accumulo a bordo

Nel numero di Aprile di Camper Professional abbiamo esaminato varie opzioni di produzione di energia disponibili per i progettisti di camper. In questo articolo ci concentriamo sulla tecnologia delle batterie che caratterizzeranno le soluzioni ibride per i nostri camper. Prendiamo in considerazione anche le soluzioni ibride e la relativa tecnologia bus. Infine, riflettiamo sull’emergente economia dell’idrogeno, che ha il potenziale per essere un punto di svolta nel nostro settore.

Testo di Terry Owen

Tecnologia delle batterie

In un mondo ideale, la batteria perfetta sarebbe completamente ricaricabile in pochi minuti e dovrebbe immagazzinare una quantità di energia comparabile a un pieno di benzina o diesel. La domanda è: quanto siamo lontani da questo obiettivo? Ci arriveremo mai?

Batterie al litio-zolfo

Le batterie al litio-zolfo utilizzano un anodo di zolfo-carbonio al posto del solo carbonio e hanno densità di energia nell’ordine di 500 watt/ora per chilogrammo (Wh/kg). Questo risultato è significativamente migliore rispetto al tipo a ioni di litio, che ha una densità nell’intervallo 150–250 Wh/kg. Il problema, almeno finora, sono stati la scarsa durata del ciclo di vita e l’auto scaricamento, con la perdita di materiale attivo dal catodo all’anodo.
Recentemente, secondo The Engineer Magazine, un team di ricercatori internazionali guidati dal Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale della Monash University di Melbourne, in Australia, ha depositato un brevetto per una batteria al litio-zolfo di lunga durata, semplice ed economica da produrre, che utilizza processi a base d’acqua. Ciò significa una grande riduzione di residui ecologicamente pericolosi. Le prove su auto e impianti fotovoltaici si svolgeranno in Australia per tutto il 2020.

Litio allo stato solido

Tutte le batterie commerciali al litio utilizzano un elettrolita in gel liquido o polimerico. Questo è il conduttore attraverso il quale gli ioni passano tra gli elettrodi durante la carica e la scarica. In una batteria allo stato solido, il liquido o il polimero viene sostituito da un composto, appunto, solido. L’idea non è nuova ma, finora, la scarsa conduttività dei composti solidi utilizzati ha limitato lo sviluppo a piccole applicazioni specialistiche come pacemaker, RFID e dispositivi indossabili. Tuttavia, la ricerca sta ora producendo materiali a stato solido con conduttività ioniche vicine a quelle degli elettroliti liquidi. I vantaggi sono enormi. Innanzitutto, a differenza degli elettroliti liquidi, gli elettroliti allo stato solido non sono infiammabili e questo rende la tecnologia estremamente sicura. Un altro vantaggio è l’auto-scarica ridotta, il che significa una durata di conservazione più lunga. Inoltre, gli elettroliti a stato solido possono essere realizzati per avere maggiore capacità e resistere a tensioni elevate. Ciò si traduce in batterie con un migliore rapporto peso / potenza, che le rende ideali per l’uso sui veicoli ricreazionali. Nonostante questi vantaggi, è probabile che ci vogliano ancora alcuni anni prima che tali batterie abbiano un impatto significativo sul nostro mercato.

Batterie “ad acqua di mare”

Con una lunga storia di innovazione nella scienza dei materiali, IBM Research ha svelato una nuova chimica delle batterie alla fine del 2019. Questa utilizza tre materiali proprietari che, in precedenza, sembra non siano mai stati combinati in una batteria. A quanto pare, questi materiali possono essere estratti dall’acqua di mare, eliminando così la necessità di estrazione o altre tecniche di approvvigionamento di materiale ecologicamente intrusive. L’idea base è che la tecnologia potrebbe eliminare la necessità di metalli pesanti come cobalto e nichel, contribuendo così a garantire la sostenibilità a lungo termine nella produzione di batterie.
Attualmente il cobalto si trova spesso nei catodi delle batterie agli ioni di litio, dove supporta la stabilità termica e la densità di energia. Il nichel è ampiamente utilizzato nella produzione di batterie e si trova nei dispositivi NiCd e NiMh.
L’IBM naturalmente è riservata nel comunicare i dettagli della sua invenzione, ma sembra che il litio sia usato come materiale anodico e sia combinato con un elettrolita sicuro (ad alto punto di infiammabilità) e un catodo che è completamente privo di cobalto e nichel. I vantaggi dichiarati includono costi più bassi, ricarica più rapida, elevata potenza e densità di energia, oltre il 90% di efficienza energetica e una bassa infiammabilità. IBM ora sta lavorando per portare questa tecnologia dalla fase di ricerca allo sviluppo commerciale.

Batterie “a sabbia”

Le cosiddette “batterie a sabbia” al litio-silicio usano anodi compositi in silicio-carbonio anziché in carbonio. Il silicio può immagazzinare molto più litio della grafite mentre le celle si scaricano. Ciò significa che può essere impiegato più litio, con conseguente maggiore densità di energia. Perché, quindi, non tutte le batterie al litio usano questa tecnologia? Il problema è che, durante il processo di carica / scarica, il silicio si espande di oltre tre volte quando reagisce con il litio, prima di ridursi nuovamente. L’effetto complessivo è la disintegrazione dell’anodo. Questo problema viene affrontato combinando silicio con biossido di silicio (che si presenta in effetti come sabbia) ricoperto di carbonio. Nel 2016 Elon Musk ha rivelato che le celle agli ioni di litio di Tesla sono costruite in questo modo anche se, fino a quel momento, le quantità di silicio erano state minime.
Ora, la società californiana Sila Nanotechnologies Inc. sta realizzando prodotti anodici a predominanza di silicio che possono integrarsi negli esistenti processi di produzione di batterie, sostituendo completamente la grafite. La tecnologia promette un aumento della densità energetica del 40% insieme a un miglioramento del 20-40% nella durata della batteria. La distribuzione iniziale riguarderà dispositivi di consumo come smartphone e orologi, con successive applicazioni più estese. Si prevede che i costi saranno simili a quelli attuali, con riduzioni man mano che le economie di scala lo permetteranno.

Batterie al grafene e supercondensatori

Oltre al potenziale per migliorare i pannelli solari, menzionato nel nostro precedente articolo, il grafene ha anche il potenziale per aumentare le prestazioni della batteria. Finora gli sviluppi si sono concentrati su carica e scarica più rapide e senza surriscaldamento. Questo viene fatto coprendo l’anodo e il catodo con un singolo strato di grafene anziché riprogettare l’intera batteria. Una batteria del telefono cellulare può caricarsi completamente in soli 20 minuti, rispetto ai 90 minuti con la tecnologia convenzionale. Samsung sta inoltre lavorando a una versione che consentirà un aumento della capacità del 45%.
Inizialmente, lo sviluppo è stato frenato dal costo estremamente elevato del grafene. Questo, però, si è ridotto in modo significativo, quindi, possiamo aspettarci di vedere molti più prodotti potenziati con grafene (non solo batterie). Nel frattempo, è probabile che i primi prodotti a beneficiarne siano piccoli dispositivi come smartphone, apparecchi acustici e il caricabatterie portatile mostrato qui sotto.
Il grafene ha anche il potenziale per creare supercondensatori. Questi si caricano direttamente senza la necessità di una reazione chimica. Di conseguenza, possono essere caricati e scaricati in modo estremamente rapido.

Modulazione asimmetrica della temperatura (ATM)

Uno dei problemi associati alla ricarica estremamente rapida delle batterie agli ioni di litio è che il litio metallico può involontariamente essere placcato sull’anodo, riducendo notevolmente la durata della batteria. I ricercatori della Pennsylvania State University hanno scoperto che il riscaldamento di una cella a 60 ° C prima della ricarica elimina il problema. Tuttavia, il tempo deve essere limitato a circa 10 minuti per prevenire il degrado della cella. Lo scaricamento avviene quindi a una temperatura molto più fredda, e da qui nasce il termine ATM. Il riscaldamento è stato dimostrato utilizzando una struttura in nichel che si preriscalda in meno di 30 secondi. Si dice che la tecnologia sia scalabile perché le celle si basano su componenti disponibili a livello industriale. Utilizzando questa tecnologia, dovrebbe essere possibile ottenere per la batteria una ricarica per 200 miglia in soli 10 minuti.

Soluzioni a doppia tecnologia

Le batterie agli ioni di litio hanno un grosso tallone d’Achille: la carica a una temperatura inferiore a 0°C può provocare danni permanenti. Le batterie al piombo acido d’altra parte non hanno questo problema ma, in altre situazioni, non performano come il litio. Sorge quindi la domanda sul perché non combinare queste due tecnologie per offrire prestazioni senza soluzione di continuità nel comportamento della batteria. Pensando a questo, gli ingegneri di Hymer hanno collaborato con la società tedesca di soluzioni energetiche BOS, per produrre Hymer Smart Battery. Lanciata nel 2018, funziona combinando la batteria al piombo con una speciale batteria al litio in modo tale che la batteria al litio svolga la maggior parte del lavoro. Questo avviene assicurandosi che la batteria al piombo sia caricata per prima con l’eventuale energia in eccesso che va alla seconda batteria al litio. Quando si consuma energia, la batteria al litio viene scaricata per prima, aumentando in modo significativo la durata della batteria al piombo. Hymer afferma che l’effetto è quello di aumentare sia la capacità sia le prestazioni della batteria acida al piombo, triplicandone contemporaneamente l’efficienza.

Soluzioni ibride

Con tanti entusiasmanti sviluppi sia nelle fonti di energia sia nella tecnologia delle batterie, la sfida è trovare le migliori soluzioni ibride che offrano un alto grado di indipendenza per il camper.

Produttori specializzati come CBE, Mastervolt, NDS, Nordelettronica, Sargent, Victron Energy e Votronic offrono una vasta gamma di prodotti per soddisfare questa esigenza.
Alcuni offrono anche servizi di progettazione su misura per consentire ai costruttori di veicoli di ottenere il meglio dai loro prodotti. Ecco un sistema personalizzato di CBE, montato su un camper. Esistono due caricabatterie, vari relè di isolamento, un regolatore di carica solare insieme a pannelli di distribuzione combinati da 12 e 230 volt. La gamma di prodotti Combimaster di Mastervolt offre potenza pura dell’inverter a onda sinusoidale e sistema di ricarica per batterie di tipologie diverse. Hanno anche la commutazione automatica dell’energia tra generatore o alimentazione e uscita dell’inverter, garantendo un’alimentazione costante. Sono disponibili modelli con potenza continua fino a 2600 Watt. Victron Energy fa un passo avanti con una soluzione a energia solare all-in-one. EasySolar-II GX combina un regolatore di carica solare MPPT con un inverter / caricatore e un hub di controllo, in un unico dispositivo. Ha una potenza continua di 2400 Watt a 25°C. L’unità offre anche connettività per i prodotti GX di Victron. Questi forniscono un monitoraggio completo di vari parametri mentre operano come centro di comunicazione del sistema. Il monitoraggio può essere effettuato localmente o in remoto tramite smartphone. Il dispositivo GX fornisce anche aggiornamenti firmware remoti e consente di modificare le impostazioni di inverter / caricabatterie da remoto. L’offerta di NDS include la ricarica avanzata della batteria dall’alternatore del veicolo. I suoi moduli Powerservice sfruttano al meglio la potenza dell’alternatore, attraverso curve di carica progettate per batterie di servizio con tecnologia al piombo-acido di qualsiasi tipo. Sono compatibili con i motori Euro 6 e possono fornire fino a 40 Ah di carica per ogni ora di viaggio. Alcuni modelli accettano anche sorgenti di energia solare e di rete.
Nordelettronica presenta una vasta gamma di caricabatterie insieme a sistemi bus e pannelli di controllo avanzati.
Sargent è orgogliosa di offrire un supporto di progettazione e assistenza totale per la sua vasta gamma di prodotti. Questi includono dispositivi di alimentazione e distribuzione, sistemi bus avanzati, misurazione dei livelli, sistemi di allarme, cablaggi, gestione centralizzata e controllo remoto.
Votronic offre anche una vasta gamma di kit elettrici ed elettronici. Ciò include caricabatterie, trasformatori di tensione, sistemi solari, tecnologia di misurazione dei livelli, dispositivi e display di misurazione, unità periferiche e accessori.

Sistemi di comunicazione e controllo bus

I sistemi di comunicazione e controllo bus furono sviluppati per la prima volta da Robert Bosch GmbH negli Anni ‘80 per l’uso nell’automotive. Il loro grande vantaggio è una drastica riduzione della quantità di cavi necessari per controllare e monitorare i numerosi componenti all’interno di un’automobile.

L’elettronica avanzata viene utilizzata per inviare e ricevere segnali tramite fili che collegano insieme vari componenti. Ogni componente può decodificare il segnale e reagire solo a quelli destinati a esso. Negli ultimi anni il calo dei costi dell’elettronica ha fatto sì che i sistemi bus si siano creati spazio anche a bordo di caravan e camper. Esistono due tipi base di tecnologia in uso: CAN bus (abbreviazione di Controller Area Network) e LIN bus (abbreviazione di Local Interconnect Network).
In sostanza, il bus CAN consente ai componenti principali di comunicare perfettamente tra loro tramite una singola coppia di fili di controllo. I fili sono disposti in giro, visitando a turno ogni componente, come un autobus che tocca diverse fermate. Un microprocessore su ciascun componente si collega ai fili di controllo tramite un controller CAN dedicato. Questi controller formano una serie di nodi sulla rete con protocolli che determinano il modo in cui comunicano. Ad esempio, un segnale urgente per attivare il sistema ABS avrà la precedenza su altri segnali. Nonostante tutte le sue virtù, il bus CAN è relativamente complesso e può essere considerato eccessivo per i componenti abitativi all’interno delle nostre caravan e camper.
Il bus LIN è molto più semplice e richiede solo un filo di controllo. Funziona inviando segnali da un controller master a un massimo di 16 unità slave (una su ciascun componente da controllare). I segnali svegliano uno slave alla volta che poi comunica con il master per produrre l’effetto desiderato, come l’accensione di un riscaldatore. Una volta completato, il master può quindi comunicare con altri slave come richiesto. Questa semplicità lo rende più economico del bus CAN pur rimanendo adatto alle applicazioni che non richiedono il livello di sofisticazione che il bus CAN offre. Ecco perché, nel 2011, la Caravanning Industry Association europea, la CIVD, ha adottato i principi del sistema bus LIN, meno complesso, per il suo standard CI-BUS (abbreviazione di Caravan Industry). Ciò definisce una piattaforma comune per la creazione, la manutenzione e l’assistenza di un sistema uniforme di bus dati nel settore del caravan. Lo standard CI-BUS è ora ampiamente adottato in tutta Europa. In effetti, circa 67 membri del CIVD in quattro continenti hanno firmato l’accordo di cooperazione CI-BUS. Ciò sottolinea la tendenza del settore verso l’aumento della digitalizzazione. Di conseguenza, su molti camper, elementi come il riscaldamento e l’aria condizionata possono già essere gestiti abbastanza facilmente tramite un laptop, un tablet o uno smartphone. Questo può aiutare a fornire sia un maggiore comfort sia una migliore efficienza energetica. Il CIVD afferma che “innovazioni come CI-BUS contribuiscono alla futura redditività del settore e continuano a offrire un enorme potenziale di innovazione”.
Man mano che un numero maggiore di componenti viene equipaggiato con un’interfaccia CI-BUS, saranno possibili livelli di sofisticazione sempre crescenti. Naturalmente, molto dipende da quante funzioni ciascun singolo OEM decide di indirizzare verso l’interfaccia, ma il potenziale c’è. Abbiamo già visto un’esplosione di interessanti pannelli di controllo a bordo di tanti camper. Oltre a inviare segnali di controllo, questi pannelli sono in grado di ricevere feedback su dati come temperature, livelli e tensioni. Inoltre, i segnali inviati via bus da un componente possono essere utilizzati da altri secondo necessità. Ad esempio, un sensore di livello del serbatoio potrebbe essere utilizzato per azionare una pompa quando il serbatoio si sta esaurendo.

L’economia emergente dell’idrogeno

A partire dalla rivoluzione industriale ci siamo affidati fortemente ai combustibili fossili, inquinanti per l’atmosfera, per fornire la potenza di cui abbiamo bisogno per i nostri stili di vita affamati di energia. Più recentemente, l’uso di energie rinnovabili, come eolica e solare, ha contribuito a tenere sotto controllo le emissioni, ma la tendenza globale è ancora al rialzo.

Ora, un ulteriore sviluppo è in arrivo sotto forma di idrogeno, l’elemento più abbondante nell’universo. Gli sviluppi tecnologici stanno spingendo questo combustibile verde verso una presenza molto maggiore nelle nostre vite. La sua natura ecocompatibile, unita all’elevata densità energetica, all’efficienza e alla buona flessibilità tecnologica, garantisce una grande aspettativa come vettore energetico. Quando l’idrogeno viene bruciato nell’aria, l’unico sottoprodotto è l’acqua. Non ci sono emissioni nocive né gas a effetto serra. Naturalmente, l’idrogeno deve essere prodotto e questo processo può generare inquinamento. In un mondo ideale, tutto l’idrogeno sarebbe prodotto dall’elettrolisi dell’acqua usando l’elettricità da fonti rinnovabili. Attualmente non è così e la stragrande maggioranza dell’idrogeno mondiale è prodotta dalla rigassificazione del metano (CH4). Il problema è che il processo richiede calore e produce emissioni di CO2.

CH4 + H2O > CO + 3H2 CO + H2O > CO2 + H2

Pertanto potrebbe sembrare inutile considerare l’idrogeno come combustibile “amico dell’ambiente”, ma la CO2 può essere catturata e immagazzinata e ci sono alcuni vantaggi nell’uso dell’idrogeno. Ad esempio, l’idrogeno ha la più alta densità di energia per il suo peso di qualsiasi combustibile (circa tre volte quello della benzina) anche se, quando è immagazzinato come gas altamente compresso in bombole resistenti, questo rapporto è leggermente compensato. Tuttavia, sono in fase di sviluppo serbatoi alternativi, come quelli basati sulla tecnologia dei materiali. Questi immagazzinano idrogeno attraverso un processo noto come assorbimento e sono caratterizzati da elevate densità di stoccaggio, pur richiedendo relativamente poco tramite un’infrastruttura di supporto. È in fase di ricerca un’ampia gamma di materiali di assorbimento.
L’idrogeno si rivela unico quando viene utilizzato per alimentare veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV). Questo perché una cella a combustibile su un motore elettrico è due o tre volte più efficiente di un motore a combustione interna che funziona a benzina. Inoltre, a differenza dei veicoli a batteria, quelli a idrogeno possono essere riforniti di carburante in circa cinque minuti e avere un chilometraggio simile ai veicoli a benzina. Senza dubbio, è perfettamente possibile utilizzare l’idrogeno per alimentare i motori a combustione interna (come dimostrato dall’auto a produzione limitata Hydrogen 7 di BMW, costruita dal 2005 al 2007) ma il sistema è molto meno efficiente e produce alcune emissioni.
Nel 2018 Mercedes ha presentato il suo furgone Concept F-Cell Sprinter al Caravan Salon di Düsseldorf, con un motore da 147 kW e un’autonomia di 500 km.
Nell’ottobre 2019 Renault ha annunciato il lancio di KANGOO Z.E. Hydrogen alla fine del 2019 e MASTER Z.E. Hydrogen nel 2020. La casa afferma che questi modelli hanno un’autonomia fino a tre volte superiore rispetto al 100% dei veicoli elettrici con un tempo di ricarica di soli 5-10 minuti. Anche Toyota, Hyundai e Honda producono FCEV per mercati selezionati, anche se la diffusione è limitata dalla disponibilità di stazioni di rifornimento.
La chiave per sbloccare veramente l’economia dell’idrogeno sarà la sua produzione a un prezzo abbastanza basso da competere con quello prodotto dalla rigassificazione del gas naturale, ma senza le emissioni di carbonio a esso associate. Nel frattempo, la diffusione dell’idrogeno è destinata a essere relativamente lenta, sebbene molti paesi si stiano comunque muovendo in questo senso. L’esperienza dimostra che, man mano che vengono installate le stazioni di rifornimento di idrogeno, seguiranno gli FCEV. La Germania, ad esempio, tramite la sua iniziativa sulla mobilità H2, prevede di installare 400 stazioni di ricarica entro il 2025 e stima che serviranno 650.000 FCEV.
Anche il Giappone sta pianificando un futuro alimentato a idrogeno, spronato dall’incidente di Fukushima nel 2011. Il Paese, infatti, sta pianificando di avere 900 stazioni di rifornimento entro il 2030. La Cina, nel frattempo, pianifica 300 stazioni di ricarica entro il 2025.
Negli Stati Uniti, come ci si potrebbe aspettare, la California è all’avanguardia. Ha già 6.300 FCEV e 39 stazioni di rifornimento. Quest’ultimo dato dovrebbe aumentare a 200 entro il 2025.

Conclusioni

Con una tale attenzione globale sull’impatto dei cambiamenti climatici, è evidente la necessità di ridurre le emissioni e la nostra dipendenza dai combustibili fossili. La pandemia di Covid-19, con il conseguente calo delle emissioni globali, sta già dando luogo a richieste di modi più ecologici per tornare alla normalità.
Non vi è dubbio che un componente chiave dell’energia pulita è l’elettricità, soprattutto se può essere generata da risorse rinnovabili. Oggi assistiamo alla corsa a produrre camper sempre più ecologici, e alcuni importanti risultati sono già stati raggiunti.
L’anno scorso abbiamo visto il lancio dell’Iridium E Mobil, probabilmente il primo camper completamente elettrico al mondo ad essere messo in vendita al pubblico.
Ora, il crescente impegno verso l’energia a idrogeno significa che il giorno del camper alimentato con questo combustibile potrebbe non essere troppo lontano. E grazie a rifornimento rapido, autonomia eccellente, indipendenza dalla rete elettrica e zero emissioni, cambierà completamente il gioco.