Nel settore delle attrezzature edili, 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. Su questo tema Parker presenta considerazioni.
Soluzioni ingegneristiche
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.
Servizio continuo
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.
Cicli di lavoro
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.
Perdita di energia
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.
Sprechi evitati
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.
Funzioni operative
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.
Pressione idraulica
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.
Energia elettrica
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.
Approccio ibrido
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.
Carichi termici
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.
Progettazione termica
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.
Celle a combustibile a idrogeno
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, condizione 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.
Vincoli dimensionali
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, limitandone 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.
Ruolo dell'idrogeno
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.
Manutenzione predittiva
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.
Diagnostica cloud
Piattaforme come IQAN 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.
