- Audi progetta una mobilità del futuro nella quale la corrente elettrica prodotta in modo ecologico giocherà un ruolo decisivo. Questa energia può non solo alimentare i motori elettrici dei modelli e-tron, ma è anche la forza propulsiva impiegata per alcuni dei cosiddetti Audi e fuel: i carburanti alternativi a basso impatto ambientale per motori a combustione. Audi, infatti, produce carburanti indipendenti dal petrolio che, nel processo di produzione, legano tanta CO2 quanta ne liberano nella fase di combustione. Si chiamano Audi e gas, Audi e diesel, Audi e benzina e Audi e etanolo. Con l’Audi e gas Audi offre già oggi ai Clienti di A3 g-tron una mobilità completamente neutra rispetto al clima.Audi utilizza la corrente prodotta dagli impianti eolici di Werlte, in Bassa Sassonia, per trasformare, all’interno di un impianto Power-to-Gas, l’acqua in ossigeno e idrogeno tramite elettrolisi. L’idrogeno puro è sufficiente ad alimentare vetture quali la Audi A7 Sportback h-tron quattro.
Il concept tecnico A7 Sportback h-tron quattro mostra come Audi riesca a portare su strada la tecnologia delle celle a combustibile in modo estremamente emozionale. Si tratta della prima auto a celle a combustibile con trazione quattro – con un decisivo valore aggiunto in termini di trazione, stabilità e dinamismo rispetto alle vetture della concorrenza a due ruote motrici. Ciascun asse viene azionato da un motore elettrico. La trazione e-quattro consente prestazioni di marcia sportive, con potenza massima 170 kW, coppia massima di 540 Nm e una velocità di punta di 200 km/h.
Inoltre, la batteria agli ioni di litio della Audi A7 Sportback h-tron quattro fornisce l’energia recuperata e accumulata nelle fasi di frenata, mettendola a disposizione come boost supplementare quando il guidatore preme a fondo il pedale destro. La batteria rende disponibili 8,8 kWh e può essere ricaricata da una presa. Anche la ventola di ricircolo nelle celle a combustibile aumenta l’efficienza del concept tecnico, poiché riconduce l’idrogeno non utilizzato all’anodo.
Per l’ulteriore sviluppo della tecnologia delle celle a combustibile, all’inizio del 2015 Audi ha acquistato dall’azienda canadese Ballard Power Systems Inc. un pacchetto di importanti brevetti, che rappresentano la base per lo sviluppo della prossima generazione delle celle a combustibile. Questo know-how avvantaggerà tutti i marchi del gruppo Volkswagen. La collaborazione con Ballard proseguirà anche in futuro.
Audi, inoltre, insieme a Volkswagen e ad altri partner lavora al futuro della cella a combustibile nell’ambito del progetto «HyMotion 5». L’attenzione è focalizzata sui nuovi materiali per la realizzazione delle cosiddette piastre bipolari, che separano una dall’altra le singole celle nello stack. Con queste, la cella a combustibile diviene molto più leggera, piccola, robusta e potente.
Ulteriori punti di forza sono l’eccellente comportamento d’avviamento a freddo, la lunga durata, la risposta istantanea ed il basso consumo di idrogeno. Anche il prezzo dovrebbe ridursi perché si ridurrà la percentuale di componenti molto costosi delle celle a combustibile, come per esempio quelli in platino.
Audi si occupa di soluzioni con cella a combustibile da più di dieci anni. Nel 2004 è stato realizzato il primo concept tecnico, la compatta A2H2, che utilizzava già una cella a combustibile a membrana polimerica elettrolitica (PEM), la strada maestra per questa tecnologia. Il suo motore elettrico erogava già 110 kW; fungeva da buffer una batteria nichel-metallo idruro. Nel 2009 è seguita Audi Q5 HFC (Hybrid Fuel Cell). La cella a combustibile PEM erogava 90 kW ed era supportata da una compatta batteria agli ioni di litio.
Gli Audi e fuel
Nel 2013 è entrato in funzione l’impianto di Audi e gas di Werlte (Bassa Sassonia). Grazie alla corrente eolica, a partire dall’acqua e dal biossido di carbonio viene prodotto l’Audi e gas, un metano sintetico. Il processo si attua in due grandi fasi, l’elettrolisi e la metanizzazione. Nella prima fase l’impianto utilizza la corrente da fonte rinnovabile per scindere l’acqua in ossigeno e idrogeno. Nel medio periodo l’idrogeno potrà anche servire per l’alimentazione di vetture a celle a combustibile, quale la Audi A7 Sportback h tron quattro.
Poiché, tuttavia, a oggi è ancora assente un’infrastruttura adeguatamente estesa per l’idrogeno, il focus si concentra attualmente sulla seconda fase del processo: mediante la reazione dell’idrogeno con la CO2 proveniente dal flusso dei gas di scarico di un adiacente impianto che produce biogas dai rifiuti, viene prodotto del metano sintetico, l’Audi e gas. Questo gas è chimicamente quasi identico al gas naturale, può pertanto essere distribuito alle stazioni di rifornimento CNG mediante la rete tedesca del metano e immesso nei serbatoi dei modelli Audi g-tron
L’impianto di Audi e gas produce ogni anno fino a 1.000 tonnellate di e gas, legando fino a 2.800 tonnellate di CO2. Con questa quantità di gas, 1.500 modelli Audi g-tron possono percorrere 15.000 chilometri l’anno ciascuno, a fronte di un bilancio di CO2 neutro. Come mezzo di pagamento l’Azienda mette a disposizione la fuel card Audi e gas. Questa carta serve anche come strumento di bilanciamento: Audi reimmette nella rete del metano la quantità di gas prelevata con i rifornimenti dei Clienti.
Alla Audi A3 Sportback g-tron, che è stata introdotta nel mercato all’inizio del 2014, si aggiungerà la nuova A4 Avant g-tron alla fine del 2016. L’Azienda sta inoltre lavorando all’impiego dell’e gas in altri mercati.
L’impianto di Audi e gas di Werlte mostra la grande validità del progetto «Power to Gas», ovvero il progetto della trasformazione della corrente in carburante. Nel frattempo questo concept ha trovato diversi imitatori nell’economia tedesca dell’energia: si tratta di grandi player che hanno aperto e gestiscono altri impianti Power-to-Gas. Questi rendono accumulabili le frequenti quantità di energia rinnovabile eccedenti, fornendo così un contributo prezioso alla rivoluzione energetica.
Contemporaneamente l’impianto Audi e gas contribuisce a stabilizzare la rete di corrente pubblica nella Germania settentrionale, che viene alimentata in gran parte da energia eolica. Com’è risultato da una serie di test effettuati dal gestore di reti elettriche TenneT TSO GmbH, l’impianto è in grado di reagire in modo veloce ed affidabile e di compensare le oscillazioni che si verificano nella rete elettrica. Pertanto si è dimostrato idoneo alla partecipazione al cosiddetto mercato secondario di regolazione dell’energia, che le società di gestione delle reti promuovono per la stabilizzazione della rete di distribuzione elettrica.
Audi è convinta delle potenzialità del principio Power-to-Gas e coopera con altri partner del settore dell’energia per coprire il crescente fabbisogno di combustibile. Uno di questi partner di cooperazione è il gruppo Thüga, una rete di società di servizi energetici comunali. Anche questo gruppo gestisce a Francoforte sul Meno un impianto Power-to-Gas, nel quale viene testata tra l’altro la miscelazione di idrogeno nella rete del metano.
e-gas ottenuto per via biologica: il partner Audi Viessmann
Un altro partner di Audi è la Viessmann GmbH. L’azienda della cittadina di Allendorf (in Assia) è leader nel campo del riscaldamento e contribuisce con la propria expertise nel settore della corrente e del gas gestendo il primo impianto Power-to-Gas con metanizzazione biologica esistente in Germania. Un ulteriore esempio è rappresentato dall’azienda cleantech Electrochaea di Copenaghen, che vuole portare la metanizzazione biologica al livello dei megawatt. In entrambi i casi la trasformazione dell’idrogeno in metano non avviene come a Werlte, per via termochimica e catalitica, bensì secondo un procedimento biologico: speciali microorganismi si nutrono di idrogeno e CO2 e producono così l’Audi e gas.
Power-to-Liquid: Audi e diesel
A Dresden-Reick (un quartiere della città di Dresda), alla fine del 2014 è stato avviato come progetto pilota un impianto per la produzione di Audi e diesel. Anche qui viene applicata la formula degli Audi e-fuel: nella produzione del carburante viene legata una quantità di CO2 uguale a quella che verrà liberata durante il funzionamento della vettura. In questo caso il partner di Audi è l’azienda di energia locale Sunfire. L’impianto lavora secondo il principio Power to Liquid (PtL) e utilizza corrente ecologica come energia primaria. Le materie prime sono l’acqua e il biossido di carbonio fornito da un impianto di biogas. In futuro una parte di CO2 verrà ottenuta dall’aria ambientale tramite Direct Air Capturing – una tecnologia del partner Audi Climeworks di Zurigo.
Rispetto agli altri metodi di produzione di carburanti liquidi sintetici, il grado di efficacia del processo complessivo è straordinariamente elevato, raggiungendo il 70%. Nella prima fase del lavoro un’elettrolisi ad alta temperatura trasforma l’acqua surriscaldata fino a diventare vapore, in idrogeno e ossigeno. Nelle ulteriori fasi l’idrogeno reagisce nei reattori di sintesi con la CO2 (di nuovo sotto l’azione di pressione e temperatura). Il risultato è un prodotto denominato Blue Crude che, analogamente al petrolio grezzo, può essere raffinato e diventare il prodotto finale Audi e diesel. Il carburante sintetico è privo di zolfo e composti aromatici, il numero di cetano elevato lo rende molto infiammabile.
Purissimo carburante sintetico da biomassa: Audi e benzina
Audi sta attualmente sviluppando l’Audi e benzina, un ulteriore carburante del futuro, neutrale rispetto alle emissioni di CO2 e realizzato con materie prime coltivabili. La Global Bioenergies S.A. gestisce nelle vicinanze di Reims (Francia) un impianto pilota per la produzione di isobutene. Il centro Fraunhofer per processi chimici e biotecnologici (CPB) di Leuna (in Sassonia-Anhalt) trasforma l’isobutene gassoso mediante idrogeno in isoottano liquido, un pregiato carburante sintetico da biomassa. Questo carburante è privo di zolfo e benzolo e brucia pertanto con bassissime emissioni di sostanze nocive.
Global Bioenergies sta attualmente costruendo a Leuna un impianto dimostrativo, che dal 2016 produrrà grandi quantità di isoottano. Nel medio periodo i partner del progetto vogliono modificare il processo in modo tale da renderlo indipendente dalla biomassa – saranno così sufficienti acqua, idrogeno realizzato con metodo rigenerativo, CO2 e luce solare.
Grande resa per m2: Audi e etanolo
Un ulteriore progetto si sta realizzando ad Hobbs (New Mexico, USA). Qui dal 2012 Audi, insieme all’azienda di biotecnologie americana Joule, gestisce un impianto di ricerca per la produzione di e etanolo ed e diesel estremamente puri. Speciali microrganismi utilizzano la luce del sole, biossido di carbonio e acqua salata o industriale per realizzare carburante liquido. Alla fine di questa fotosintesi ottimizzata dal punto di vista biotecnologico troviamo gli alcani, importanti componenti del gasolio, ma anche etanolo. Già oggi il rendimento specifico per unità di superficie dell’impianto dimostrativo è otto volte superiore a quello della produzione di bioetanolo da frumento, prevalente negli USA, e tre volte quello della produzione del bioetanolo da canna da zucchero, adottata soprattutto in Brasile. Ma è possibile attendersi altri miglioramenti.
La nuova Audi A4 Avant g-tron
- 2.0 TFSI con 170 CV e 270 Nm
- Oltre 500 km di autonomia a gas metano
- Versatilità e capacità di carico inalterataSportiva, versatile e, ove possibile, a impatto zero senza emissioni di CO2: la
A4 Avant g-tron, che sarà commercializzata da fine 2016, rappresenta un’ulteriore proposta di Audi per la mobilità sostenibile. Dopo A3 Sportback g-tron è il secondo modello del Marchio a utilizzare il gas metano o l’ecologico e-gas Audi.La A4 Avant g-tron è allo stesso tempo sportiva, efficiente e molto parsimoniosa. Il motore si basa sulla tecnologia del nuovo 2.0 TFSI con l’innovativo sistema di combustione, estremamente efficiente e ulteriormente ottimizzato da Audi. Il propulsore turbo eroga una potenza di 170 CV (125 kW). A circa 1.650 giri/min è disponibile la coppia massima di 270 Nm. I pistoni e le valvole, specificatamente adattati per il funzionamento a gas, consentono di ottenere una compressione ottimale. Un regolatore elettronico riduce l’elevata pressione del gas metano, proveniente dal serbatoio con valori fino a 200 bar, a una pressione di esercizio da 5 a 10 bar nel motore. La regolazione della pressione è dinamica e precisa in funzione della potenza richiesta dal conducente. In questo modo nel sistema del gas e nelle valvole di iniezione è sempre presente la giusta pressione: bassa per la marcia efficiente ai regimi inferiori, alta per maggiore potenza e coppia.
Nel ciclo NEDC Audi A4 Avant g-tron consuma ogni 100 chilometri meno di 4 kg di gas metano (gas naturale compresso), pari al costo di carburante di solo 4 Euro circa (prezzo medio ottobre 2015). Le emissioni di CO2 sono inferiori a 100 g/km. La capacità del serbatoio di 19 chilogrammi di gas consente un’autonomia superiore a 500 chilometri nel ciclo NEDC. Con una quantità residua di circa 0,6 kg, analoga a una pressione residua di 10 bar, la centralina passa alla modalità di marcia a benzina, in cui la bivalente A4 Avant g-tron è in grado di percorrere altri 450 km. L’autonomia complessiva corrisponde pertanto a quella di un’auto con motore TDI.
I bocchettoni di rifornimento per gas e benzina si trovano sotto un unico sportello del serbatoio. Dopo il rifornimento o in caso di clima molto freddo, il motore si avvia inizialmente a benzina e passa poi il più rapidamente possibile alla modalità a gas. Due indicatori nella strumentazione informano costantemente il conducente sul livello di riempimento del serbatoio. Il sistema di informazioni per il conducente visualizza i consumi nella rispettiva modalità di funzionamento attiva.
Audi monta nella parte posteriore della vettura i serbatoi cilindrici per gas metano sotto forma di modulo compatto. Sono adattati in modo ottimale agli spazi e adeguatamente dimensionati. Il serbatoio è contenuto in gusci di lamiera in acciaio con bande di serraggio, che lo proteggono da eventuali danneggiamenti, per esempio contro i marciapiedi. L’intero modulo del serbatoio per gas metano, che comprende anche il serbatoio della benzina da 25 litri, viene adattato alla carrozzeria durante la produzione di A4 Avant. Il vano della ruota di scorta è stato eliminato
Inoltre la batteria è stata spostata dal bagagliaio al vano motore. Il piano di carico è posizionato all’altezza del bordo di carico, a tutto vantaggio della praticità del bagagliaio. I serbatoi per gas metano con una pressione d’esercizio di 200 bar a 15° C sono conformi alla filosofia della struttura leggera Audi: grazie all’innovativo layout pesano il 56% in meno dei serbatoi analoghi in acciaio. Una matrice in poliammide impermeabile al gas costituisce il rivestimento interno. Il secondo strato in materiale sintetico rinforzato con fibre di carbonio (CFK) e fibre di vetro (GFK) garantisce la massima resistenza. Il terzo strato in pura vetroresina (GFK) ha soprattutto una funzione di controllo visivo perché assume un colore bianco latte nei punti danneggiati. In fase di produzione ogni serbatoio viene controllato a 300 bar prima di essere montato sull’auto. La reale pressione limite è ancora superiore ed è perfettamente conforme alle disposizioni di legge.
Con l’e-gas di Audi, A4 Avant g tron è a impatto zero senza emissioni di CO2. L’e-gas è un metano sintetico prodotto in vari impianti Power-to-Gas mediante energia da fonti rinnovabili e derivato da acqua e CO2. Audi gestisce a Werlte il primo impianto Power-to- Gas a livello industriale, ma acquista l’e-gas anche da altri impianti.
Con la tecnologia Power-to-Gas, il marchio dei quattro anelli consente di immagazzinare l’energia rinnovabile in esubero, fornendo così un prezioso contributo per il recupero dell’energia. Insieme ai propri partner, l’azienda incentiva in modo intensivo lo sviluppo di diversi carburanti sintetici (Audi e fuels), anche con nuove procedure di produzione di tipo biologico.
Il conducente può acquistare il carburante con la scheda E-gas Audi, già introdotta per Audi A3 Sportback g-tron, che serve sia come mezzo di pagamento sia come strumento di bilanciamento. In base alle informazioni fornite al pagamento, Audi reintroduce nella rete del metano, sotto forma di e-gas, la quantità di gas prelevata dal Cliente facendo rifornimento. In questo modo il marchio dei quattro anelli realizza una mobilità a impatto zero senza emissioni di CO2.
La Audi A7 Sportback h tron quattro
- Oltre 500 km con un pieno di idrogeno
- Tecnologia ibrida plug-in
- Trazione integrale e-quattro per la massima dinamicitàPassa da 0 a 100 km/h in 7,9 secondi e raggiunge la velocità di punta di 200 km/h. Con un pieno di carburante percorre oltre 500 km, a fronte di emissioni pari a qualche goccia di acqua: A7 Sportback h tron quattro si affida a una potente propulsione elettrica da 170 CV con una cella a combustibile per l’alimentazione di energia. Ciascuno dei due motori elettrici aziona le ruote di un solo assale e consente così di applicare la tecnologia Audi della trazione quattro, una vera e propria innovazione per le automobili con celle a combustibile.
La Audi A7 Sportback h tron quattro si aggiunge ai modelli Audi e tron e g tron con sistema di propulsione alternativo e introduce una tecnologia innovativa già nel nome, dove «h» indica l’idrogeno.
La cella a combustibile di questo concentrato di tecnologia Audi è montata nella zona anteriore della vettura, come il motore di A7 Sportback convenzionale, ed è costituita da una «pila» (stack) di 300 celle. Il nucleo di ogni cella singola è una membrana in materiale sintetico a polimeri. Da entrambi i lati della membrana si trova un catalizzatore a base di platino. Nell’anodo viene alimentato l’idrogeno, che si scinde in protoni ed elettroni. I protoni migrano attraverso la membrana verso il catodo, dove reagiscono con l’ossigeno presente nell’aria producendo vapore acqueo. Gli elettroni emettono quindi la corrente elettrica all’esterno; a seconda del punto di carico, la tensione delle singole celle varia da 0,6 a 0,8 Volt.
Nella cella a combustibile è presente alta tensione. I principali gruppi ausiliari sono una pompa del liquido di raffreddamento e un turbocompressore che comprime l’aria nelle celle, il cosiddetto soffiaggio di ricircolazione, e ritrasferisce l’idrogeno inutilizzato verso l’anodo aumentando così l’efficienza. Questi componenti hanno una forte carica elettrica dovuta all’alta tensione e sono alimentati dalla cella a combustibile. Poiché l’impianto di scarico convoglia solo vapore acqueo, è realizzato in materiale plastico leggero.
Per il raffreddamento della cella a combustibile serve un circuito di raffreddamento separato. Il propulsore raggiunge un range di temperatura di 80 gradi Celsius e necessita pertanto di maggiore raffreddamento rispetto a un analogo motore a combustione, ottenendo però un grado di efficacia fino al 60%, pari a quasi il doppio dei comuni motori a combustione. L’avviamento a freddo è garantito fino alla temperatura di -28 gradi Celsius. Uno scambiatore di calore e un elemento riscaldante termoelettrico ad autoregolazione assicurano temperature gradevoli nel vano passeggeri.
Batteria sotto il bagagliaio: il concetto ibrido plug-in
Una caratteristica della A7 Sportback h tron quattro è la sua concezione di veicolo ibrido plug-in, generato dallo sviluppo dei prototipi Audi A2H2 e Q5 HFC. A bordo di questa vettura altamente tecnica è montata una batteria agli ioni di litio da 8,8 kWh, derivata dalla Audi A3 Sportback e-tron. Si trova sotto il bagagliaio e si avvale di un sistema di gestione termica con circuito di raffreddamento separato.
La batteria ad alte prestazioni rappresenta il partner ideale per la cella a combustibile. È in grado di accumulare l’energia di recupero durante la frenata e di erogare un’eccellente potenza in modalità Boost a pieno carico. Con la corrente generata dalla batteria, la Audi A7 Sportback h tron quattro è in grado di percorrere fino a 50 chilometri. A seconda della tensione e dell’intensità di corrente, la carica completa ha una durata tra 2 e 4 ore.
La batteria funziona con una tensione diversa rispetto alla cella a combustibile. Pertanto è presente un convertitore di tensione continua (DC/DC) tra i due componenti. Il cosiddetto convertitore a tre porte è montato dietro la pila delle celle batteria. L’elettronica di potenza nella zona anteriore e posteriore della vettura trasforma la corrente continua, prodotta dalla cella a combustibile e dalla batteria, in corrente alternata per i due motori elettrici.
Fascino innovativo: la trazione quattro senza componenti meccanici
La Audi A7 Sportback h-tron quattro è la prima automobile a celle di combustibile con trazione integrale permanente quattro, anzi propriamente e-quattro, realizzata senza componenti meccanici di collegamento. Il motore elettrico anteriore aziona le ruote anteriori, mentre quello posteriore trasmette il moto alle ruote posteriori. Per entrambi gli assali è possibile regolare elettronicamente e variare in modo continuo la coppia in caso di slittamento.
Il concetto e quattro richiede una taratura precisa reciproca dei motori elettrici, affinché possa garantire un comportamento su strada sportivo, stabile e potente, come quello di un’auto di serie con trazione meccanica quattro.
I motori elettrici, che insieme ai commutatori di tensione sono raffreddati da un circuito a bassa temperatura, sono motori sincroni ad eccitazione permanente. Ogni motore eroga una potenza di 85 kW o 114 kW, se la tensione viene innalzata per breve tempo. La coppia massima raggiunge 270 Nm. Nell’alloggiamento dei motori elettrici sono integrati ingranaggi planetari con un rapporto di 7,6:1. Il sistema è completato dal blocco di parcheggio meccanico e dalla funzione differenziale.
La marcia della Audi A7 Sportback h tron quattro coniuga la potenza della trazione elettrica e i vantaggi del nuovo e quattro. La propulsione silenziosa è completamente disponibile già alla partenza. A pieno carico la cella a combustibile raggiunge la massima potenza in un solo secondo, garantendo un dinamismo superiore a quello di un motore a combustione grazie all’esigua presenza di componenti meccanici nel motore.
Grazie alla potenza di 540 Nm, la Audi A7 Sportback h tron quattro, che pesa solo 1.950 kg, passa da 0 a 100 km/h in 7,9 secondi. La velocità massima raggiunta è 200 km/h, un vero e proprio valore record rispetto alle concorrenti. Se il conducente preme il tasto EV, questa vettura tecnologica viene alimentata esclusivamente con la corrente della batteria. Passando dalla modalità D alla modalità S del cambio automatico, il sistema di recupero dell’energia aumenta nelle decelerazioni per caricare efficacemente la batteria nella marcia sportiva. Anche le frenate avvengono perlopiù in modalità esclusivamente elettrica. Solo in caso di energiche decelerazioni o frenate di emergenza si attivano anche i quattro freni a disco.
Autonomia di oltre 500 chilometri: i serbatoi dell’idrogeno
I quattro serbatoi dell’idrogeno della Audi A7 Sportback h tron quattro si trovano sotto il pianale del bagagliaio, davanti all’assale posteriore nel tunnel posteriore. Un rivestimento esterno in materiale sintetico rinforzato con fibra di carbonio (CFK) avvolge il guscio interno in alluminio.
I serbatoi possono contenere circa cinque chilogrammi di idrogeno alla pressione di 700 bar, sufficiente per un’autonomia superiore a 500 chilometri. In base al ciclo NEDC, i consumi si attestano a circa un chilogrammo di idrogeno ogni 100 chilometri, corrispondente alla quantità di energia racchiusa in 3,7 litri di benzina.
Lo sportello del serbatoio si trova nella parte posteriore destra della fiancata della coupé cinque porte e, sotto di esso, è presente il tappo di riempimento per l’idrogeno. Il rifornimento completo con H2 dura circa tre minuti, come in un’auto a propulsione convenzionale. I serbatoi comunicano con il sistema di serbatoi tramite un’interfaccia a infrarossi e inviano i rispettivi valori di livello di pressione e temperatura per un processo di rifornimento ottimale.
