DUNE by PENSAI
La turbina che non sceglie il carburante
L’idea iniziale sembrava quasi una provocazione: costruire un’automobile capace di utilizzare benzina, GPL, metano, gasolio e, perché no, altri combustibili.
Poi è emerso un problema fondamentale. Forse stavamo cercando la soluzione nel posto sbagliato. Un normale motore alternativo deve adattare la combustione alle caratteristiche del carburante. Benzina, gasolio, GPL e metano non si comportano nello stesso modo e non richiedono necessariamente la stessa strategia di accensione. Una turbina a gas parte invece da un principio differente. La combustione avviene in modo continuo. Questo cambia radicalmente il problema.
La lezione delle turbine
Le turbine a gas sono state utilizzate storicamente con una grande varietà di combustibili. La documentazione tecnica della NASA relativa a esperimenti su turbine automobilistiche descrive la possibilità di utilizzare praticamente qualsiasi liquido infiammabile compatibile con il sistema di alimentazione e riporta sperimentazioni con combustibili come metanolo ed etanolo.
Altri programmi NASA hanno studiato combustori multifuel alimentati con diesel, carburanti aeronautici, kerosene e altri combustibili.
Non significa che una turbina possa bruciare indistintamente qualunque liquido infiammabile senza modifiche.
Significa però che la combustione continua delle turbine offre una flessibilità che il tradizionale motore a pistoni non possiede nella stessa forma.
Ed è proprio questo il punto da cui può ripartire DUNE.
Non una turbina che muove direttamente le ruote
La soluzione più interessante non sarebbe collegare direttamente una turbina alle ruote. Una piccola turbina avrebbe un funzionamento molto più razionale come range extender. Il suo compito sarebbe produrre elettricità. L’architettura diventerebbe:
carburante → turbina → generatore → batteria → motore elettrico → ruote.
Il conducente non dovrebbe quindi preoccuparsi del rapporto meccanico tra turbina e ruote.
La turbina produrrebbe energia elettrica quando necessario.
La DUNE MultiEnergy
L’architettura concettuale potrebbe essere:
BENZINA ─┐
GPL ─────┤
METANO ──┤
GASOLIO ─┤
ETANOLO ─┤
METANOLO ├──► TURBINA MULTIFUEL
BIOFUEL ─┤ │
E-FUEL ──┘ ▼
GENERATORE
│
▼
BATTERIA
│
▼
MOTORE ELETTRICO
│
▼
RUOTE
A questo punto la DUNE non sarebbe più una normale automobile ibrida.
Sarebbe un veicolo elettrico con generatore multifuel.
Perché è interessante
La trazione elettrica risolve una parte importante del problema. Il motore elettrico non deve sapere quale carburante è stato utilizzato. Riceve semplicemente energia elettrica. La turbina, invece, può essere progettata per lavorare con una famiglia molto più ampia di combustibili. La separazione tra generazione e trazione permette quindi di concentrare la complessità nel generatore e mantenere relativamente semplice il sistema di propulsione.
È una forma di disaccoppiamento energetico.
Ma la turbina non è una soluzione magica
Qui bisogna evitare un errore ancora più grave. La capacità di bruciare molti combustibili non significa automaticamente che la turbina sia migliore di un motore a pistoni. Una turbina automobilistica deve affrontare problemi importanti:
- rendimento ai bassi carichi;
- risposta transitoria;
- temperatura elevatissima;
- materiali;
- emissioni;
- rumorosità;
- isolamento termico;
- costo del gruppo turbina;
- sistema di alimentazione;
- controllo della combustione.
Una turbina può essere estremamente interessante quando lavora vicino al proprio punto di funzionamento ottimale. Un’automobile, però, passa continuamente da minimo carico a piena accelerazione.
Per questo il sistema turbina + batteria diventa più interessante della turbina collegata direttamente alle ruote.
La batteria assorbe le variazioni rapide della domanda.
La turbina può lavorare più lentamente e più vicino alle condizioni per cui è stata progettata.
La vera DUNE
A questo punto la nostra automobile assume una forma molto più chiara. Non serve necessariamente un motore termico gigantesco.
Serve:
una piccola turbina multifuel, un generatore, una batteria e un motore elettrico.
Il carburante diventa una variabile.
La trazione rimane elettrica.
Questa separazione permette anche di immaginare diverse configurazioni:
- DUNE-E: soltanto batteria.
- DUNE-F: batteria + turbina multifuel.
- DUNE-H: batteria + fuel cell a idrogeno.
- DUNE-ME: batteria + turbina multifuel + predisposizione per idrogeno.
La piattaforma rimarrebbe sostanzialmente la stessa.
E l’aria compressa?
L’aria compressa rimane interessante, ma con una funzione differente. Non è un carburante. È un sistema di accumulo energetico. Potrebbe essere studiata per applicazioni ausiliarie o per recuperare energia in specifiche condizioni, ma non deve essere inserita nel primo prototipo soltanto perché tecnicamente possibile.
La stessa regola vale per l’idrogeno.
DUNE non deve diventare una collezione di tecnologie.
Deve diventare un sistema coerente.
Il nuovo MVP
La prima prova sperimentale dovrebbe quindi essere molto più semplice dell’automobile completa. Non cinque carburanti. Non idrogeno. Non aria compressa.
Il primo banco dovrebbe rispondere a una sola domanda:
Una piccola turbina può produrre elettricità in modo efficiente e stabile utilizzando più combustibili con un sistema di alimentazione controllabile?
Si potrebbe iniziare con una coppia di combustibili molto differenti, misurando:
- potenza elettrica;
- consumo specifico;
- rendimento;
- temperatura;
- stabilità della combustione;
- emissioni;
- tempi di risposta;
- comportamento al cambio di combustibile.
Solo dopo questa verifica avrebbe senso aumentare il numero dei combustibili.
Il principio PENSAI
Qui emerge un elemento che va oltre l’automobile.
La progettazione non parte dalla domanda:
«Quante tecnologie possiamo mettere insieme?»
Parte dalla domanda:
«Qual è l’architettura più semplice che consente di ottenere il risultato?»
La turbina potrebbe essere una risposta proprio perché separa due problemi:
generare energia e utilizzare energia per muovere il veicolo.
La prima funzione può essere affidata a una macchina termica multifuel. La seconda a una macchina elettrica.
Conclusione
DUNE by PENSAI non deve essere presentata come un’automobile che «brucia tutto». Sarebbe una semplificazione tecnicamente scorretta.
È più interessante definirla così:
un veicolo elettrico dotato di un generatore termico multifuel capace di utilizzare una pluralità di combustibili compatibili con il suo sistema di combustione e alimentazione.
Questa formulazione è meno spettacolare. Ma è molto più seria.
La ricerca scientifica dimostra che la combustione multifuel nelle turbine non è una fantasia. La domanda ancora aperta è se sia possibile trasformare quella flessibilità in un range extender automobilistico piccolo, economico, efficiente, silenzioso e omologabile.
Questa è la vera sfida di DUNE. Non costruire un’automobile che può bruciare tutto.
Costruire un’automobile che non sia costretta a dipendere da un solo carburante.
Fonti principali
- NASA — Advanced Ground Propulsion
È la fonte più diretta per la nostra intuizione: documenta autobus sperimentali con turbina a gas automobilistica, utilizzata con metanolo ed etanolo, e descrive la capacità multifuel delle turbine.
NASA — Advanced Ground Propulsion - Gökalp & Lebas — Alternative fuels for industrial gas turbines, Applied Thermal Engineering
Studio scientifico sullo sviluppo di turbine capaci di utilizzare una gamma più ampia di combustibili, compresi combustibili liquidi e gassosi, biocombustibili e combustibili arricchiti con idrogeno.
Articolo scientifico — Alternative fuels for industrial gas turbines - Molière — Stationary gas turbines and primary energies: A review
Review scientifica particolarmente utile perché spiega perché la turbina a gas, essendo una macchina a flusso continuo, può essere adattata a una gamma ampia di fonti energetiche. Vengono citati gas naturale, distillati petroliferi, combustibili da biomassa e alcoli, tra gli altri.
Review scientifica — Stationary gas turbines and primary energies - Chong et al. — Liquid biofuels production and emissions performance in gas turbines: A review
Review del 2018 su biodiesel, bioetanolo, bio-oil, HVO e combustibili Fischer-Tropsch nelle turbine a gas. Sottolinea però che alcuni combustibili richiedono modifiche al sistema di alimentazione, preriscaldamento o atomizzazione.
Review — Liquid biofuels in gas turbines - Review sulla combustione flameless con combustibili liquidi
Analizza esplicitamente i problemi tecnici della combustione di differenti combustibili liquidi nelle turbine: stabilità, emissioni, vaporizzazione, trasferimento di calore e progettazione del combustore. È utile per evitare l’affermazione semplicistica «una turbina brucia qualsiasi cosa».
Review — Flameless combustion with liquid fuel
Una fonte NASA particolarmente istruttiva
C’è anche un documento NASA sulla progettazione di un motore multifuel per applicazioni aeronautiche. Il progetto prevedeva diesel, JP-4, JP-5, Jet-A e kerosene; il documento precisa però che la benzina richiedeva condizioni/modifiche particolari. È una fonte utile proprio perché mostra sia la possibilità sia i limiti del concetto multifuel.
Conclusione
Le turbine a gas possiedono una flessibilità di alimentazione storicamente dimostrata, anche in applicazioni automobilistiche sperimentali. Ciò non significa che una singola turbina possa utilizzare senza modifiche qualsiasi combustibile: proprietà fisiche e chimiche differenti richiedono sistemi di alimentazione, atomizzazione e controllo della combustione adeguati.
Questo articolo è stato realizzato con il supporto dell’intelligenza artificiale. Idee, contenuti, fonti e formulazione finale sono stati verificati e revisionati dall’autore.
NDR — Perché il nome DUNE
Il nome DUNE è un omaggio al primo film Dune, diretto da David Lynch nel 1984.
In particolare, richiama l’immaginario della scena finale, con il duello tra Paul Atreides e Feyd-Rautha: un confronto nel quale Paul arriva alla conclusione del proprio percorso e conquista il controllo del destino che lo attende. Il progetto automobilistico non ha naturalmente alcun rapporto con la trama del film. Il nome è stato scelto come citazione cinematografica personale, legata a quella scena e all’immaginario di Dune. DUNE by PENSAI nasce quindi anche da questo piccolo omaggio a David Lynch.
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