Raggiungere zero emissioni significa elettrificare interi cantieri

Immagine per gentile concessione di Moog Construction

C'è un problema nel modo in cui il mondo sta promuovendo l'elettrificazione, in particolare nell'edilizia.

Se gli obiettivi dell'elettrificazione includono una drastica riduzione delle emissioni, la riduzione della quantità di energia richiesta per la produzione e la limitazione del consumo di materie prime, allora acquistare macchine edili elettriche una alla volta e posizionarle in un cantiere non è né produttivo né efficiente.

Il settore edile investe denaro e sforzi nella progettazione e nello sviluppo di soluzioni elettriche, ma la loro adozione è ancora lenta.

Al contrario, nel 2022 sono stati acquistati 41.320 escavatori diesel in Nord America, secondo gli analisti di Off-Highway Research. Se l'acquisto di veicoli elettrici fuoristrada è aumentato da un giorno all'altro, qual è una soluzione sostenibile per utilizzare decine di migliaia di veicoli diesel che potrebbero durare decenni?

Secondo un rapporto della società di consulenza Roland Berger, la spinta all'elettrificazione dei veicoli fuoristrada deriva, in parte, dalle normative governative volte a ridurre le emissioni e il rumore, nonché dal desiderio di efficienza nei consumi.

"Gli standard sulle emissioni negli Stati Uniti, in Europa, in Cina e in India stanno diventando sempre più severi. Sebbene i veicoli pesanti non siano ancora tenuti a soddisfare specifici obiettivi di CO2, ciò potrebbe cambiare già nel 2025...", nota la ricerca di Roland Berger. "I principali produttori industriali tra cui Komatsu, CAT, Hitachi, John Deere e Volvo prevedono un risparmio sui costi del carburante tra il 20 e il 50% per i veicoli fuoristrada elettrificati."

Roland Berger prosegue prevedendo che i veicoli compatti e da miniera apriranno la strada all'elettrificazione. C'è già innovazione con macchine come le minipale completamente elettriche di Bobcat e i camion da miniera realizzati da Epiroc, insieme alla tecnologia di ricarica per supportare queste attrezzature. Alcuni OEM di attrezzature da miniera hanno creato servizi per la sostituzione delle batterie sui loro enormi veicoli elettrici per aumentare il tempo di funzionamento e imitare il modo in cui i proprietari di utensili manuali senza fili sostituiscono le batterie per continuare a lavorare. Ci sono caricatori da 18 mt che ora lavorano nei siti minerari con una capacità di batteria utilizzabile fino a 450 kWh e batterie sostituibili. L'idea di batterie sostituibili è fantastica, ma le batterie nel veicolo da miniera di un OEM non possono essere sostituite con la macchina di un altro produttore.

Indipendentemente dall'ambiente, i professionisti dell'edilizia si chiedono due cose: quanta quantità di lavoro posso svolgere in un giorno e quanto costa tale lavoro?

Cantieri elettrizzanti

Invece di concentrarsi sull'elettrificazione di specifiche marche e modelli di veicoli come progetti autonomi, il mondo delle costruzioni dovrebbe elettrificare i cantieri e intere flotte di veicoli.

Ciò significa separare la macchina dalla batteria. Si consideri il concetto di modularità, sotto forma di un modulo batteria ad alto voltaggio, che spingerebbe l'adozione dell'elettrificazione. Analizzando cosa deve accadere in un cantiere a zero emissioni per completare una giornata di lavoro, i project manager potrebbero quindi decidere quanta capacità della batteria necessitano le loro macchine. Ad esempio, quando i lavoratori usano un trapano, scelgono la batteria della dimensione corretta per il lavoro pianificato o si assicurano di avere a portata di mano abbastanza batterie di riserva.

Un escavatore ZQuip impegnato a scavare nel sito di prova della Moog Construction a West Seneca, New York, USA.

Per le macchine edili, garantire un tempo di funzionamento sufficiente è fondamentale. Per fare questo, OEM e clienti hanno la sensazione di dover equipaggiare la propria macchina con la batteria più grande possibile (ad esempio, 800 kWh) per svolgere le attività e avere energia da risparmiare. Massimizzare le dimensioni della batteria non fa che aumentare il prezzo della macchina.

La sfida non è la massimizzazione, ma l'ottimizzazione. Ma persino la batteria sovradimensionata di un escavatore elettrico più costoso non garantisce il superamento di un ostacolo elevato all'adozione: eliminare l'ansia da autonomia e portare a termine il lavoro indipendentemente dalle condizioni.

Per elettrificare i cantieri e raggiungere zero emissioni, il settore edile dovrebbe iniziare a convertire i veicoli edili diesel-elettrici esistenti in batterie modulari . Queste macchine convertite possono funzionare con moduli batteria intercambiabili e a ricarica rapida che si adattano a qualsiasi marca e modello di macchina. Inoltre, quando i moduli non sono su una macchina, possono fungere da gruppi elettrogeni: luci di marcia, riscaldamento o raffreddamento di rimorchi e altro ancora.

Modularità in pratica

Immaginate di convertire un escavatore Caterpillar alimentato a diesel in un modello elettrico, facendo lo stesso con una pala gommata Komatsu e una pala cingolata Bobcat e, poi, di poter utilizzare lo stesso modulo batteria delle stesse dimensioni su tutte e tre le macchine in funzione in un cantiere.

L'escavatore potrebbe richiedere tre o quattro moduli batteria ad alta tensione, il mini caricatore cingolato un modulo e il caricatore gommato due. La combinazione di moduli batteria su ogni macchina si scaricherebbe in sequenza, anche se potrebbero essere programmati tramite software per fornire energia in parallelo.

Questo approccio fornisce ai clienti macchine a zero emissioni con la capacità esatta della batteria per il lavoro da svolgere. Supponiamo che l'escavatore stia esaurendo l'energia. La pala gommata può accostarsi e collegare uno dei suoi moduli batteria per "riempire" il modulo dell'escavatore o persino prestare uno dei suoi moduli batteria con l'aiuto di un sollevatore telescopico. Con un modello come questo, gli operatori delle macchine potrebbero scambiare le batterie tra le macchine, effettuare la ricarica da macchina a macchina con un cavo ad alta tensione o caricare rapidamente una macchina da un modulo autonomo o da un sistema di ricarica rapida.

Moog ha collaborato con Bobcat per la sua pala compatta cingolata completamente elettrica T7X, presentata al CES nel 2022. (Foto: Bobcat)

Si consideri un cantiere con sei macchine che utilizzano moduli batteria intercambiabili; due necessitano di 800 kWh di capacità della batteria mentre quattro ne richiedono 400 kWh ciascuna. L'energia totale per il giorno equivale a 3,2 mWh, ovvero ventitré moduli batteria da 140 kWh. Al contrario, i tradizionali veicoli completamente elettrici che alcuni OEM stanno realizzando sono dotati, ad esempio, di una batteria da 800 kWh su ciascuna delle sei macchine menzionate sopra. In questo scenario, il proprietario pagherebbe il 50% in più per la capacità della batteria che non viene utilizzata. Il valore della modularità è duplice. Innanzitutto, tutte le macchine hanno un alimentatore a ricarica rapida che è intercambiabile. In secondo luogo, la capacità energetica corrisponde al lavoro richiesto. In altre parole, il cantiere ha sempre la giusta quantità di energia quando serve. I proprietari e gli affittuari delle attrezzature non dovrebbero pagare per l'energia di cui non hanno bisogno.

Parte della promessa dell'elettrificazione è l'integrazione di software che controlla e monitora funzionalità che non sono possibili con le vecchie macchine diesel-idrauliche.

Il concetto di un modulo batteria intercambiabile su tutti i tipi di macchine includerebbe un livello software che consente a un motore elettrico, a un controller intelligente e a un kit termico di regolare la temperatura del modulo batteria per funzionare in modo efficiente in tutti i climi.

E invierebbe informazioni ai proprietari di attrezzature, alle società di noleggio e ai distributori, in modo che sappiano che tipo di lavoro stanno svolgendo le loro macchine e quanta energia stanno consumando. Sapere con largo anticipo che un modulo batteria si sta esaurendo consente a un operatore di sostituire un modulo in meno tempo di quanto ci vuole per fare il pieno di gasolio.

Se la macchina è di proprietà di una società di noleggio, il software del modulo batteria avvisa l'azienda di consegnare uno o più moduli al cantiere. La macchina riceve il suo nuovo modulo batteria quando è conveniente per l'operatore fermarsi e sostituire le batterie. Ciò elimina l'ansia da autonomia e garantisce che il proprietario dell'attrezzatura paghi solo per l'energia della batteria di cui ha bisogno per il lavoro in quel cantiere, per quel giorno.

Rendere funzionante la conversione diesel-elettrica

La conversione delle macchine diesel in elettriche a batteria tramite un approccio modulare affronta i problemi che rallentano l'adozione. Ecco come può funzionare: il processo di conversione richiede la rimozione del motore diesel, del serbatoio del carburante, del contrappeso e dei tubi flessibili. Il resto dell'impianto idraulico rimane lo stesso. Infatti, con un cablaggio del modulo batteria adattato nell'ingombro del motore, la conversione elettrica diventa semplicemente un modo pulito per far girare la pompa idraulica della macchina. Uno o più moduli batteria fungono da contrappeso. E con il motore rimosso, i meccanici troveranno molto più facile accedere all'impianto idraulico per la riparazione e la manutenzione.

Con ogni macchina convertita, il valore per proprietari, operatori, società di noleggio e distributori aumenta perché un modulo batteria standard alimenta qualsiasi macchina, ovunque nel mondo. Se il settore riesce a passare dal concentrarsi sulla vendita di macchine elettriche all'elettrificazione di cantieri e intere flotte, il settore otterrà un basso impatto di carbonio nel modo più produttivo ed economico.

Chris LaFleur è amministratore delegato di ZQuip.