Ricerca svizzera con dimetiletere come carburante alternativo per camion

L’Istituto federale di ricerca e prova dei materiali (Empa) sta studiando un nuovo concetto di propulsione con un motore sperimentale speciale. I veicoli commerciali dovranno emettere meno CO2 in futuro e soddisfare al contempo standard di emissione più severi. Molti esperti si aspettano che presto potrebbe diventare difficile per il diesel fossile. Un possibile carburante alternativo è il dimetiletere. Questa sostanza leggermente volatile può essere prodotta da energia rinnovabile e brucia in modo molto pulito.

(Dübendorf/St. Gallen/Thun) Gestire una flotta di camion è un’attività difficile. C’è poco spazio per la romantica figura del camionista, mentre la forte concorrenza e l’alta pressione sui prezzi sono molto presenti. Leggi ambientali sempre più severe intensificheranno ulteriormente questa pressione nei prossimi anni, portando a una riduzione delle emissioni di CO2 e a valori di emissione rigorosi, in particolare per quanto riguarda gli ossidi di azoto (NOx). Se gli operatori di camion non investono nelle tecnologie più recenti, temeranno costi di pedaggio più elevati o svantaggi fiscali in molti paesi.

Alternativa dimetiletere

Molti produttori e operatori di veicoli commerciali stanno ora considerando propulsori alternativi per migliorare la sostenibilità ambientale delle loro flotte. Tuttavia, i propulsori elettrici sono poco adatti per i veicoli commerciali a lungo raggio: le batterie sarebbero troppo pesanti, i tempi di ricarica troppo lunghi e le potenze di ricarica necessarie troppo elevate per un utilizzo competitivo. L’idrogeno potrebbe risolvere questo problema: a partire da settembre 2020, i primi camion a celle a combustibile di Hyundai saranno in funzione in Svizzera in un progetto commerciale. Anche il gas naturale sintetico prodotto da energia eolica e solare in eccesso è oggetto di ricerca: a partire dal 2021, i primi camion a gas naturale saranno riforniti presso il dimostratore di mobilità move dell’Empa. Ma c’è un’altra alternativa che sarebbe adatta per i trasporti a lungo raggio e merita un’attenzione più approfondita: il dimetiletere.

Infrastruttura economica, combustione pulita

La sostanza chimica dimetiletere (DME) viene prodotta su scala di diverse decine di migliaia di tonnellate all’anno. La sostanza è presente come propellente in bombolette spray ed è parte dei refrigeranti negli impianti di refrigerazione. Inoltre, il DME è ampiamente utilizzato come intermedio nell’industria chimica. Il suo vantaggio: può essere prodotto in modo economico e quasi senza perdite a partire dal metanolo, che a sua volta può essere prodotto a basso costo utilizzando energia solare e eolica. Il DME offre quindi l’opportunità di far viaggiare i camion in modo neutrale rispetto al CO2.
Un ulteriore vantaggio: il DME ha proprietà simili a quelle del gas liquefatto. Può essere trasportato e conservato in forma liquida in serbatoi economici a bassa pressione, a differenza dell’idrogeno; anche la tecnologia per le stazioni di rifornimento è economica, conosciuta a livello mondiale e già in uso da decenni. Poiché nel dimetiletere l’ossigeno è chimicamente legato, la sostanza brucia anche in modo particolarmente pulito e con una bassa formazione di fuliggine.

Prove in un motore per camion modificato

In passato ci sono stati tentativi di utilizzare il dimetiletere come carburante: Volvo Trucks ha condotto dal 2013 prove pratiche in Svezia e negli Stati Uniti con camion sperimentali alimentati a DME. In Germania, dal 2016 è in corso un progetto di ricerca coordinato dal Ford Research and Innovation Center di Aquisgrana. Il motore è già stato installato e testato in una Ford Mondeo.
Ora l’Empa, insieme a FPT Motorenforschung AG di Arbon, al Politecnico di Milano, al produttore di lubrificanti Motorex e ad altri partner, si baserà sulle conoscenze finora acquisite. In un banco di prova del dipartimento di sistemi di propulsione per veicoli dell’Empa, dal luglio 2020 è in funzione il motore sperimentale, che fornirà dati solidi sui processi di combustione, sull’efficienza e sull’impatto ambientale del DME nel settore dei veicoli commerciali.
«Conosciamo molto bene questo motore», afferma il responsabile del progetto Patrik Soltic. «Il blocco motore proviene da un motore per veicoli commerciali Cursor 11 del produttore FPT Industrial e ci è stato utile per diversi progetti di ricerca negli ultimi cinque anni. Negli ultimi mesi lo abbiamo convertito insieme al nostro partner FPT per l’uso del DME.» Non è stato affatto semplice: il DME, essendo leggermente volatile, ha praticamente nessuna proprietà lubrificante rispetto al carburante diesel, il che avrebbe rapidamente distrutto la pompa ad alta pressione del sistema di iniezione Common-Rail.

Funzionamento senza additivi nel carburante

I ricercatori intendono far funzionare il loro motore sperimentale con DME puro, senza l’aggiunta di additivi lubrificanti, come era consuetudine nei progetti precedenti. Insieme a un grande fornitore europeo, è stata quindi sviluppata una nuova pompa Common-Rail a lubrificazione ad olio. Inoltre, le valvole e gli anelli di seduta delle valvole sono stati adattati a materiali compatibili con il DME. Viene utilizzato anche un compressore elettrico per un preciso ricircolo dei gas di scarico. Infine, anche le camere di combustione e il rapporto di compressione del precedente motore diesel sono stati adattati. La nuova forma delle camere di combustione è stata calcolata con l’aiuto di simulazioni matematiche al Politecnico di Milano. Il progetto di ricerca è cofinanziato dall’Ufficio federale dell’energia (BFE).

Funzionamento simulato in autostrada

«Ora vogliamo conoscere la macchina con il nuovo carburante», afferma Soltic. I ricercatori iniziano con un intervallo di carico medio tipico per l’uso in autostrada, in cui il motore deve fornire 100 kW di potenza. «Poi modificheremo, tra l’altro, il momento e la pressione dell’iniezione, esamineremo i valori delle emissioni e il consumo di carburante.»
Il grande vantaggio del funzionamento a DME, afferma Soltic, è la possibilità di trasferire una percentuale molto alta di gas di scarico nel prossimo riempimento del cilindro, in quasi tutte le condizioni operative, attraverso il cosiddetto ricircolo dei gas di scarico (AGR). Questa tecnica consente di risparmiare molto NOx, il che allevia il trattamento dei gas di scarico dietro il motore e consente di soddisfare in modo sicuro i futuri limiti più severi. Con il diesel fossile, elevate percentuali di ricircolo dei gas di scarico portano a un aumento delle emissioni di particolato, mentre questo non accade con il DME.
Durante la fase di test, i ricercatori dell’Empa prelevano regolarmente campioni dell’olio motore per monitorare eventuali cambiamenti chimici. I risultati vengono inviati al partner di progetto Motorex, che utilizza i dati per sviluppare un nuovo olio motore specificamente adattato per l’uso con DME.

Ricerca congiunta tra concorrenti

«Attualmente ci troviamo ancora nella fase pre-competitiva del lavoro di ricerca», spiega Soltic. I risultati del progetto sono in parte pubblici e vengono discussi congiuntamente tra i concorrenti nel settore della costruzione di veicoli. La piattaforma per questo è l’«International DME Association», fondata nel 2001, con attualmente 50 membri provenienti dall’industria e dalla ricerca. «Ma prima o poi ognuno vorrà tenere per sé i propri risultati», sa il ricercatore dell’Empa. «Allora sarà importante che noi padroneggiamo la tecnologia per poter fornire un contributo prezioso come partner di ricerca per l’industria.»

Carburante dalla fabbrica ecologica

Il dimetiletere (DME), il carburante ecologico per motori a accensione spontanea, può essere prodotto a partire da idrogeno e CO2. Se l’idrogeno utilizzato è prodotto con energia rinnovabile e il CO2 viene estratto dall’atmosfera, i camion potrebbero muoversi praticamente senza emissioni di gas serra.
Il ricercatore dell’Empa Andreas Borgschulte e il suo team stanno studiando processi chimici per produrre il DME nel modo più efficiente possibile. La metodologia della catalisi assistita da adsorbimento è considerata promettente: i due gas, idrogeno e CO2, devono entrare in contatto con particelle di rame attive per legarsi a metanolo o dimetiletere. Come prodotto secondario si forma acqua. Se ora si estrae l’acqua dalla miscela di reazione, l’equilibrio chimico si sposta verso il prodotto. In altre parole: solo allora si ottengono le quantità desiderate di metanolo e dimetiletere. Per rimuovere l’acqua, i ricercatori dell’Empa utilizzano zeolite, un minerale assorbente di acqua.
Negli esperimenti di laboratorio, il team di Borgschulte ha scoperto che a una certa temperatura si forma principalmente dimetiletere a partire da CO2 e idrogeno, e solo una quantità relativamente ridotta di metanolo. «La produzione in questo modo è quindi teoricamente possibile», afferma Borgschulte, aggiungendo: «Sfortunatamente, il processo attualmente non è molto redditizio.» Nel prossimo passo, il processo chimico dovrebbe quindi essere ulteriormente affinato e dovrebbero essere sviluppati impianti adeguati. Solo allora sarà possibile valutare se la produzione di DME tramite catalisi assistita da adsorbimento sia competitiva dal punto di vista economico. I lavori di ricerca sono stati condotti in collaborazione con l’Università di Zurigo e fanno parte del progetto «LightChEC».

Foto/Grafica: © Empa

www.empa.ch