Il settore delle attrezzature edili è in fase di trasformazione e la spinta all’elettrificazione dei macchinari fuori strada va ben oltre i soli sistemi di trazione.
L’industria edile richiede una vera trasformazione che apre la sfida all’elettrificazione delle macchine operative e delle loro funzioni. Le indicazioni di Parker Hannifin.
di Bruno Jouffrey (*)
Il settore delle attrezzature edili è in fase di trasformazione. Man mano che gli obiettivi di sostenibilità prendono piede e le normative sulle emissioni diventano più rigorose, la spinta all’elettrificazione dei macchinari fuori strada va ben oltre i soli sistemi di trazione.
VERSO UN’EDILIZIA A EMISSIONI ZERO
Oggi, l’attenzione si concentra sull’elettrificazione delle funzioni operative: sistemi idraulici, sterzanti, frenanti e ausiliari che svolgono le operazioni di sollevamento di carichi pesanti, scavo, livellamento e perforazione caratteristiche delle opere edili. Mentre alcuni produttori lavorano per integrare l’elettrificazione nei telai delle macchine esistenti, la prossima generazione di macchinari avrà bisogno di un’attenta progettazione per continuare questa evoluzione.
ELETTRIFICARE LE FUNZIONI OPERATIVE
Parliamo di una transizione che non è facoltativa. Nei centri urbani di tutto il mondo sono in vigore obblighi di emissioni zero. Città come Londra, Berlino e Parigi già applicano limitazioni che presto vieteranno alle macchine con motore a combustione interna (ICE) di operare entro i confini urbani. Gli appaltatori vincono o perdono le gare in base ai dati forniti sulle emissioni e l’intero settore sta reagendo con urgenza alla situazione. Sebbene i sistemi di propulsione a batteria siano stati adottati diffusamente per veicoli di piccole dimensioni come carrelli elevatori e sistemi di trasporto in magazzino, l’elettrificazione delle funzioni operative nelle attrezzature edili fuori strada presenta sfide uniche e complesse che richiedono soluzioni ingegneristiche dedicate.
PRESTAZIONI E LIMITAZIONI DELLE BATTERIE
Le funzioni operative elettrificate si trovano a competere con applicazioni ad alta potenza per un servizio continuo, per le quali occorre un’estensione delle capacità delle attuali tecnologie alla base delle batterie. Macchine compatte come miniescavatori e piccole pale gommate possono funzionare in modo efficiente con alimentazione tramite batteria agli ioni di litio. Tuttavia, le macchine per impieghi medi e pesanti devono affrontare una realtà diversa. Complessi cicli di lavoro utile, tempi operativi prolungati e notevoli carichi idraulici richiedono livelli di potenza difficili da ottenere con le sole batterie. Anche se la densità di energia delle batterie migliora, il divario tra l’energia immagazzinata e la potenza richiesta rimane un ostacolo importante per le attrezzature di grandi dimensioni.
L’elettrificazione delle funzioni operative nelle attrezzature edili fuori strada presenta sfide uniche e complesse che richiedono soluzioni ingegneristiche dedicate.
PERDITA DI ENERGIA NEI SISTEMI IDRAULICI
La perdita di energia è un problema nascosto che complica ulteriormente l’elettrificazione. I sistemi idraulici tradizionali con propulsione tramite ICE sono notoriamente inefficienti. Studi sull'utilizzo dell’energia nelle macchine hanno dimostrato che meno del 15% dell’energia proveniente dal carburante viene convertita in lavoro utile, mentre il resto si perde tra attrito, strozzamento del fluido e inefficienze dei componenti. Queste perdite, che in alcuni sistemi possono superare l’85%, rappresentano un’enorme opportunità di miglioramento nelle architetture elettriche. I sistemi elettrificati possono essere ottimizzati in modo più preciso per adattarsi alla domanda, consentendo l’applicazione dell’energia dove e quando è necessaria, senza gli sprechi insiti nelle configurazioni ICE con funzionamento continuo.
STRATEGIE DI PROGETTAZIONE
I progettisti di sistemi dispongono ora di svariati percorsi per elettrificare le funzioni operative. Uno degli approcci maggiormente utilizzati è la pompa idraulica elettrica o EHP. I primissimi esemplari utilizzavano motori elettrici a velocità fissa, per replicare il comportamento dei motori a combustione. Sebbene questo approccio semplificasse l’integrazione, offriva guadagni limitati in termini di efficienza. Le odierne soluzioni EHP sfruttano i principi di alimentazione su richiesta e il controllo del motore a velocità variabile per erogare la pressione idraulica solo quando necessario. Questa strategia riduce le perdite a vuoto, abbatte il consumo energetico e prolunga la durata della batteria.
EHP ED EHA A CONFRONTO: L’APPROCCIO GIUSTO
Gli attuatori idraulici elettrici, o EHA, offrono un’efficienza ancora maggiore eliminando del tutto il circuito idraulico centralizzato. Questi sistemi sfruttano l’energia elettrica per azionare il movimento direttamente sull’attuatore. Sebbene siano più complessi e costosi rispetto alle EHP, gli EHA offrono controllo, modularità e prestazioni energetiche superiori. Per molti OEM, un approccio ibrido che utilizza EHP in tandem con blocchi valvole convenzionali e attuatori fissi può creare il giusto equilibrio tra prestazioni, complessità di integrazione e costi.
GESTIONE TERMICA NELLE MACCHINE ELETTRICHE
Un altro aspetto da considerare per l’elettrificazione è la gestione termica. I motori diesel generavano una quantità notevole di calore di scarto che poteva essere riutilizzato per riscaldare i fluidi idraulici o la cabina. Nelle macchine elettriche, le fonti di calore includono batterie, inverter, motori e controller, ciascuno con soglie di temperatura ed esigenze di raffreddamento distinte. La gestione di questi carichi termici richiede sistemi di raffreddamento integrati in grado di mantenere temperature ottimali in un’ampia gamma di condizioni operative.
Piattaforme come IQAN di Parker offrono agli ingegneri gli strumenti per progettare, testare e implementare una sofisticata logica di controllo, mantenendo, al contempo, la conformità ai requisiti di sicurezza e prestazioni.
REQUISITI DI RAFFREDDAMENTO SPECIFICI
La complessità della progettazione termica varia in base al tipo di macchina. Un escavatore, ad esempio, richiede due distinti cicli di raffreddamento. Uno raffredda la trasmissione elettrica, mentre l’altro raffredda il motore e l’inverter che azionano l’impianto idraulico. Le macchine perforatrici di superficie presentano un’altra serie di sfide. Queste macchine sono dotate di bracci alti e il liquido di raffreddamento deve essere pompato fino a otto o dieci metri per raggiungere il motore, il che determina ulteriori esigenze a livello di pressione e controllo. Le celle a combustibile a idrogeno sono caratterizzate da complessità specifiche, tra cui lo scarico dell’aria ad alta temperatura che deve essere diretto lontano dagli operatori e dagli altri componenti della macchina.
LA TENSIONE PER I SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO
Quando si tratta di sistemi di raffreddamento, gli ingegneri devono anche scegliere tra opzioni a bassa e alta tensione. Un confronto tipico riguarda i sistemi a 24 e 600 V progettati per dissipare la stessa quantità di calore. I sistemi ad alta tensione tendenzialmente offrono un flusso d’aria e un’efficienza migliori, ma richiedono anche cablaggio, misure di sicurezza e isolamento speciali. I sistemi a bassa tensione sono più semplici da implementare e generalmente occupano meno spazio, ma offrono prestazioni inferiori, il che ne limita l’utilizzo ad applicazioni più localizzate. Ogni applicazione richiede un’attenta valutazione dei vincoli dimensionali, del carico di raffreddamento, dei requisiti di sicurezza e dello sforzo di integrazione.
IL RUOLO DELL’IDROGENO NEI CICLI PROLUNGATI
Sebbene le batterie rimangano gli alimentatori principali per le macchine compatte e di medie dimensioni, l’idrogeno sta guadagnando terreno in quanto soluzione promettente per le attrezzature per impieghi gravosi. Le celle agli ioni di litio continuano a migliorare, ma non sono ancora all’altezza della densità di potenza necessaria per far funzionare macchine di grandi dimensioni per un intero turno senza ricariche frequenti. Laddove la rete elettrica non è disponibile o è già satura, l’idrogeno offre un percorso alternativo per lavorare senza emissioni.
Bruno Jouffrey, Market Development Manager - Electric Motion & Pneumatic Division (EMPD) - Motion Systems Group di Parker Hannifin.
ICE A IDROGENO E CELLE A COMBUSTIBILE
Il settore edile sta investendo nelle tecnologie a idrogeno percorrendo due vie distinte. La prima prevede l’uso dell’idrogeno in motori a combustione interna modificati. Questo approccio mantiene l’architettura idraulica di base e la trasmissione delle macchine diesel sostituendo il carburante. Sebbene in questo modo si eliminino le emissioni di carbonio, è necessario anche un ampio spazio di stoccaggio a bordo macchina, poiché l’idrogeno deve essere mantenuto ad alta pressione.
La seconda opzione, più lungimirante, è la cella a combustibile a idrogeno. In questa configurazione, una cella a combustibile fornisce la potenza di carico di base, mentre una piccola batteria agli ioni di litio eroga una coppia aggiuntiva durante i picchi di richiesta. Questo allestimento rispecchia le architetture elettriche a batteria, ma offre un’autonomia prolungata e un rifornimento più rapido. I sistemi con celle a combustibile sono già in fase di test su escavatori, carrelli elevatori e dumper articolati. Tuttavia, l’estensione limitata dell’infrastruttura di distribuzione dell’idrogeno rimane un ostacolo significativo alla diffusione di questi sistemi. La realizzazione di una tale infrastruttura è attualmente una proposta costosa, ma un aumento della domanda potrebbe promuovere il cambiamento.
DIGITALIZZAZIONE: COLONNA DELL’ELETTRIFICAZIONE
Oltre all’hardware, anche i sistemi intelligenti e la connettività digitale svolgono un ruolo sempre più importante nel supportare le funzioni operative elettrificate. Le moderne attrezzature per l’edilizia sono dotate sempre più di frequente di sensori che monitorano pressione, coppia, temperatura e sollecitazioni meccaniche in tempo reale. Questi sensori non solo supportano il funzionamento efficiente della macchina, ma inseriscono anche i dati nei sistemi di manutenzione predittiva in grado di rilevare potenziali guasti prima che si verifichino.
SICUREZZA E FUNZIONAMENTO SEMI-AUTONOMO
Anche i sistemi attivati da sensori sono essenziali per soddisfare gli standard di sicurezza funzionale in rapida crescita. Nelle macchine elettriche e semi-autonome, i sistemi frenanti e sterzanti elettronici devono rilevare i guasti e reagire automaticamente per evitare pericoli. Tecnologie quali steer by wire e brake by wire eliminano le linee idrauliche dalla cabina dell’operatore e le sostituiscono con dispositivi di input elettronici, migliorando il controllo e abilitando le funzioni di assistenza automatizzata. Queste tecnologie supportano anche il funzionamento autonomo e da remoto, che sta suscitando interesse in applicazioni, ad esempio, nel settore minerario ed estrattivo e nel movimento terra su larga scala.
I veri miglioramenti in termini di efficienza e prestazioni derivano dal ripensamento dell’architettura dell’intera macchina, dall’integrazione di controlli “smart”, dalla gestione intelligente dei sistemi termici e dalla selezione della giusta fonte di energia per ciascuna applicazione.
MACCHINE PIÙ INTELLIGENTI
Display digitali, connettività cloud e software di controllo personalizzabili consentono agli OEM di adattare il comportamento delle macchine alle applicazioni specifiche. Piattaforme come IQAN di Parker offrono agli ingegneri gli strumenti per progettare, testare e implementare una sofisticata logica di controllo, mantenendo, al contempo, la conformità ai requisiti di sicurezza e prestazioni. L’integrazione della diagnostica cloud riduce ulteriormente i tempi di manutenzione e migliora i tempi di attività, poiché le routine di manutenzione possono essere pianificate in base alle condizioni effettive della macchina, anziché a intervalli fissi.
OCCHIO A PRESTAZIONI, EFFICIENZA E SOSTENIBILITÀ
In definitiva, il futuro delle funzioni operative elettrificate risiede nella progettazione del sistema nel suo complesso. Una volta testati e ottimizzati i sistemi di base, si può pensare alla trazione. I veri miglioramenti in termini di efficienza e prestazioni derivano dal ripensamento dell’architettura dell’intera macchina, dall’integrazione di controlli “smart”, dalla gestione intelligente dei sistemi termici e dalla selezione della giusta fonte di energia per ciascuna applicazione. Che si tratti di batterie, idrogeno o sistemi ibridi, l’obiettivo è fornire macchine più pulite, più silenziose e più produttive senza andare a scapito della robustezza delle prestazioni così come richiesta dalle opere edili.
Poiché l’elettrificazione rimodella in continuazione il panorama edilizio, ingegneri e progettisti di sistemi svolgeranno un ruolo centrale nella transizione. Abbracciando le nuove tecnologie e collaborando con fornitori di soluzioni che comprendono sia le sfide che le opportunità, il settore può gettare le basi per cantieri più puliti e intelligenti. ©TECNELAB
(*) Bruno Jouffrey, Market Development Manager - Electric Motion & Pneumatic Division (EMPD) - Motion Systems Group.
