Emissioni Road To Zero

Anni di tentativi di cambiare guida e comportamento di acquisto hanno fatto capire ai regolatori che l'unico modo per attaccare il problema dell'aria pulita è attraverso la tecnologia.

Le emissioni zero dei veicoli sono state il mantra predicato da legislatori e ambientalisti come l'unica speranza per scavare fuori dai problemi dell'aria pulita della nazione. Tuttavia, per i produttori di automobili è stato un simbolo di eccesso di regolamentazione, costringendoli a commercializzare veicoli che affermano essere troppo costosi e non forniscono le caratteristiche di prestazione richieste dal pubblico automobilistico.

Nel dibattito sui veicoli a emissioni zero, gli ambientalisti puntano a sondaggi che mostrano il desiderio pubblico di aria pulita. Tuttavia, in termini di acquisti effettivi e pratiche di guida, i proprietari di auto hanno dimostrato che la relazione amorosa degli americani con le automobili non è finita e che i sacrifici che i proprietari di auto sono disposti a fare per l'aria pulita sono estremamente limitati. Gli americani vogliono avere la loro torta e mangiarla anche loro. I programmi governativi per incoraggiare il car pooling, l'ispezione delle emissioni e il trasporto di massa hanno avuto un successo limitato nelle grandi città.

Questo pone il problema dell'aria pulita della nazione direttamente sulla soglia dei produttori di veicoli. Finora, il loro record è stato sorprendente, riducendo sostanzialmente le emissioni delle automobili. Tuttavia, questi guadagni sembrano alimentare i desideri dei regolatori per le emissioni più basse, spingendo le aziende automobilistiche a ridurre ulteriormente il punto zero.

Dieci per cento entro il 2003?

La spinta maggiore verso zero emissioni arriva dalla California, che, fino a quando Houston ha preso il comando nel 2000, aveva la città più inquinata della nazione, Los Angeles. All'inizio degli anni '90, il California Air Resources Board (CARB), il gruppo istituito per attaccare gli ampi problemi di inquinamento dell'aria dello stato, emanò un severo mandato per i veicoli a emissioni zero. Il mandato ha spinto le compagnie automobilistiche a produrre il 10% della propria flotta con veicoli a emissioni zero (ZEV) entro il 2003. Inoltre, le compagnie automobilistiche avrebbero dovuto avere il due percento delle loro flotte alimentate elettricamente entro il 1998 e il cinque percento entro il 2002. CARB sapeva che stava sparando in alto , ma ha accettato di monitorare i progressi della tecnologia e modificare i requisiti, se necessario.

In effetti, una valutazione CARB condotta nel 1996 ammetteva che la tecnologia delle batterie e i problemi relativi ai costi avrebbero impedito alle società automobilistiche di rispettare il programma di lancio. Con gamme di guida limitate e alti costi della batteria, era improbabile che gli automobilisti si accampassero nei concessionari per veicoli elettrici. CARB ha deciso di eliminare le scadenze intermedie, ma mantiene l'obiettivo generale del 10 percento entro il 2003.

Nel 1998, CARB ha nuovamente rinunciato alla pressione della compagnia automobilistica, votando per fornire ulteriore flessibilità nel soddisfare il mandato del veicolo elettrico. Nello specifico, alle società automobilistiche sarebbe stata concessa la possibilità di soddisfare il 6% del loro mandato ZEV con la produzione di veicoli a bassissima emissione (SULEV). Tuttavia, questi veicoli dovrebbero soddisfare uno standard di emissioni estremamente rigoroso, oltre a una garanzia sulle emissioni di 15 anni / 150.000 miglia. Se i produttori di veicoli sfruttassero appieno questa opzione, solo il quattro percento della loro flotta avrebbe dovuto essere puri veicoli a emissioni zero.

Questi guadagni sembrano solo alimentare i desideri dei regolatori per le emissioni più basse, spingendo le aziende automobilistiche a ridurre ulteriormente il punto zero.

I blocchi stradali

I produttori continuano a sostenere che molti degli stessi problemi affrontati nel 1996 per quanto riguarda i limiti dei costi e della gamma di guida della tecnologia delle batterie sono ancora vere nel 2000. Questa squallida valutazione è condivisa da un comitato consultivo istituito da CARB per determinare lo stato della batteria tecnologia. Il rapporto consegnato a CARB all'inizio di quest'anno ha trovato molte buone tecnologie, ma ha ammesso che "sarebbero necessari importanti progressi o innovazioni per ridurre i costi avanzati della batteria sostanzialmente al di sotto delle proiezioni attuali". Il gruppo ha ritenuto improbabili tali progressi per i prossimi 6-8 anni.

In particolare, il pannello ha rilevato che le batterie al nichel-metallo idruro (NiMH) hanno dimostrato la capacità di soddisfare i requisiti di potenza e resistenza per l'alimentazione dei veicoli elettrici. Tuttavia, non è previsto che la gamma aumenti oltre le 75-100 miglia con una singola carica, limitando così gravemente la sua accettabilità a un gran numero di proprietari di automobili. Il costo di queste batterie, nonostante i significativi tentativi di commercializzazione, è ancora molto alto. Le batterie NiMH costano tra $ 9.500 e $ 13.000 ciascuna se prodotte in quantità di 10.000-20.000.

Il pannello ha anche dimostrato che le batterie agli ioni di litio sono promettenti, dimostrando di essere sia affidabili che sicure. Tuttavia, i dati dei test indicavano che la vita operativa della batteria era deludente da due a quattro anni. Inoltre, il pannello ha osservato che le batterie agli ioni di litio mostrano vari gradi di sensibilità quando sono soggette ad alcuni dei test di abuso intesi a simulare il comportamento e la sicurezza della batteria sotto elevati stress meccanici, termici ed elettrici. La risoluzione di questi problemi potrebbe richiedere sette anni, ha detto il panel, e comunque queste batterie saranno probabilmente più costose delle batterie NiMH.

La linea di fondo, secondo il pannello, è che la gamma pratica fornita dalle batterie degli attuali veicoli elettrici è limitata. "Per le applicazioni in cui è richiesta una maggiore portata, le batterie di maggiore capacità risultanti aggraverebbero il problema dei costi della batteria avanzata in proporzione, e aumenterebbero problemi di volume e di peso sempre più gravi", afferma il rapporto del gruppo.

Le vendite sono difficilmente elettriche

Nell'attuale dibattito sulle emissioni zero in California, le case automobilistiche hanno indicato il rapporto del panel come conferma di ciò che affermano da alcuni anni: a causa dei costi e dei problemi di autonomia, i veicoli elettrici hanno un potenziale di vendita limitato. In effetti, in termini di vendite effettive, il veicolo elettrico è stato un vero disastro.

Honda ha recentemente interrotto la produzione di EV Plus con vendite di soli 297 veicoli. Toyota ha venduto solo 507 delle sue auto RAV4-EV, e GM ha venduto solo 660 del suo veicolo elettrico, l'EV1. I produttori di veicoli sostengono che produrranno veicoli elettrici se forzati dai regolatori. Tuttavia, al di fuori del mandato ZEV, l'interesse del consumatore sembra essere limitato a piccoli mercati mirati in cui la gamma non è un fattore.

Negoziati ibridi

CARB non sembra essersi completamente allontanato dall'obiettivo delle emissioni zero. Mentre ulteriori concessioni alle case automobilistiche potrebbero essere imminenti, CARB sta spingendo gli ingegneri della società automobilistica a capire come risolvere il paradosso di mantenere i clienti felici e raggiungere l'obiettivo di zero emissioni. Un compromesso a breve termine potrebbe essere il veicolo ibrido. Sebbene non siano esattamente zero emissioni, gli ibridi sono veicoli a bassa emissione che consumano meno carburante e hanno prestazioni migliori o migliori rispetto ai veicoli a benzina. Gli ibridi usano un motore a combustione interna e un motore elettrico, evitando così i limiti di autonomia dei veicoli elettrici.

Questa non è solo un'idea di "torta nel cielo". La Toyota Prius è già sul mercato e Honda Insight dovrebbe essere disponibile nel prossimo futuro. Questi veicoli usano l'energia elettrica a bassa velocità e al minimo, ma passano alla benzina quando è necessaria più potenza. Il motore a benzina si spegne anche quando la macchina sta percorrendo lunghe distanze o quando viene fermata nel traffico intenso. Spostandosi tra l'elettricità e la benzina mentre il fabbisogno di energia cambia, il chilometraggio del gas per il veicolo è quasi il doppio di quello di un tipico veicolo a benzina di dimensioni paragonabili. Gli ibridi usano la frenata rigenerativa, il che significa che l'energia proveniente dalla spinta in avanti viene catturata durante la frenata e quindi utilizzata per ricaricare la batteria.

Dov'è l'ibrido americano?

Le compagnie automobilistiche statunitensi non sono molto indietro nella corsa per offrire ibridi. Le aziende americane hanno riunito le loro risorse con il governo federale in un progetto di sei anni, noto come il Partenariato per un veicolo di nuova generazione (PNGV), per sviluppare veicoli ecologici efficienti in termini di consumo di carburante. I veicoli in fase di sviluppo utilizzano una combinazione di tecnologia ibrida e nuovi materiali per ottenere enormi vantaggi in termini di efficienza del carburante e riduzione delle emissioni

Le presentazioni di veicoli ibridi da parte di Ford, GM e DaimlerChrysler sono ancora lontane un paio di anni, e al Congresso ci sono state molte controversie se continuare a finanziare il PNGV. I critici di Capital Hill sottolineano che, nonostante le centinaia di milioni di dollari spesi per il progetto, i giapponesi sembrano andare avanti rispetto alle società statunitensi in fase di commercializzazione.

Qualunque sia il risultato di questa battaglia politica, è chiaro che gli ibridi saranno una parte importante della flotta di veicoli degli Stati Uniti nei prossimi anni. La US Energy Information Administration (EIA) ha recentemente annunciato di ritenere che gli ibridi saranno secondi nelle vendite ai motori a combustione interna, sebbene aggiungano che sarà un secondo lontano, forse solo il 7% della flotta entro il 2020. Naturalmente, carburante prezzi, mandati governativi e progressi tecnologici potrebbero cambiare drasticamente questa dinamica.

La tecnologia dopo gli ibridi

Mentre gli ibridi offrono riduzioni delle emissioni, non sono veicoli a emissioni zero. Gli ibridi acquistano tempo fino a quando la prossima tecnologia è pronta per il lancio. Una tecnologia che potrebbe essere un candidato principale è costituita dalle celle a combustibile alimentate a idrogeno.

Le celle a combustibile si comportano come batterie, tranne che non si scaricano. La pila a combustibile Proton Exchange Membrane (PEM) che sta attualmente ricevendo la maggiore attenzione da parte degli scienziati consiste di due piastre di elettrodi su entrambi i lati di una membrana di elettrolita. L'ossigeno viene presentato a un elettrodo e idrogeno all'altro. La reazione, aiutata da un sottile strato di catalizzatore di platino legato su entrambi i lati della membrana, crea elettricità, acqua e calore. I protoni dagli atomi di idrogeno spaccati fluiscono attraverso la membrana e gli elettroni fluiscono all'esterno della cellula da un elettrodo all'altro, alimentando il motore.

Per quelli di noi che hanno dormito attraverso corsi di scienze, le cose importanti da ricordare sulle celle a combustibile sono che emettono solo vapore acqueo nell'atmosfera e che l'idrogeno utilizzato nella conversione può essere creato da un numero qualsiasi di combustibili incluso metanolo, etanolo, naturale gas e benzina. Tuttavia, il carburante deve essere privo di zolfo.

Le celle a combustibile sono ancora lontane

La possibilità di utilizzare carburanti diversi dall'idrogeno potrebbe essere fondamentale per il potenziale a breve termine delle celle a combustibile, dal momento che l'idrogeno non è tanto denso quanto la benzina e quindi difficile da immagazzinare sul veicolo. La soluzione dei problemi di infrastruttura di alimentazione presentati dall'idrogeno potrebbe richiedere anni.

Sfortunatamente, l'uso di altri combustibili oltre all'idrogeno pone delle difficoltà. Convertire la benzina o altri combustibili in idrogeno richiede l'uso di un riformatore di bordo che può estrarre l'idrogeno dal carburante. Questi sistemi, come attualmente sviluppati, sono inefficienti e richiedono alte temperature.

Exxon ha recentemente annunciato che, in collaborazione con GM, hanno sviluppato un metodo efficiente per convertire la benzina in idrogeno. Se questo metodo si rivela nei progetti dimostrativi del mondo reale, potrebbe eliminare i problemi di stoccaggio del combustibile e di infrastruttura impedendo l'implementazione a breve termine della tecnologia delle celle a combustibile. Mitsubishi ha recentemente annunciato che sta testando un veicolo a celle a combustibile alimentato a metanolo. Mentre l'infrastruttura per il metanolo non è sviluppata come la benzina, è considerata un buon candidato per i veicoli alimentati a celle a combustibile perché contiene grandi quantità di idrogeno ed è priva di zolfo.

Con il rendimento favorevole e il potenziale di riduzione delle emissioni delle celle a combustibile, le case automobilistiche sono ansiose di metterle in produzione.Mentre i prototipi di veicoli a celle a combustibile sono già stati testati, le case automobilistiche, a seconda di chi si parla, sostengono che questa tecnologia non sarà sui lotti di auto per qualche tempo. Uno dei principali ostacoli alla produzione è che il costo per la produzione di celle a combustibile è notevolmente superiore a quello necessario per costruire un'auto a prezzi competitivi. La compagnia automobilistica che riduce in modo significativo i costi di produzione avrà un vantaggio in gara per ottenere sul mercato un veicolo alimentato a celle a combustibile.

Uno dei principali ostacoli alla produzione è che il costo per la produzione di celle a combustibile è notevolmente superiore a quello necessario per costruire un'auto a prezzi competitivi.

La soluzione possibile

Sembra esserci un consenso in via di sviluppo tra gli ingegneri che, in base all'assenza di sacrifici per il campo di guida e le prestazioni, le celle a combustibile potrebbero essere la risposta a lungo termine alla domanda del veicolo a emissioni zero. In effetti, il Distretto della qualità dell'aria della Costa del Sud in California, in collaborazione con l'Air Resources Board, EPA e il Dipartimento dell'Energia, ha investito miliardi in progetti dimostrativi su celle a combustibile, tentando di spostare questa tecnologia.

Le celle a combustibile saranno la risposta ai nostri problemi di aria pulita? È troppo presto per fare questa determinazione. Tuttavia, i progressi nello sviluppo di ibridi e tecnologia delle celle a combustibile danno motivo di sperare che sia i regolatori che gli automobilisti otterranno ciò che vogliono, e anche l'ambiente e il risparmio di carburante ne trarranno beneficio.

L'autore desidera riconoscere l'assistenza tecnica fornita per questo articolo da Wendell Powell di Standard Motor Products.

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