Mentre gli Stati Uniti si allontanano dalle auto e dai camion a combustibile fossile, gli scienziati dei laboratori nazionali Oak Ridge e Argonne del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti stanno esplorando le opzioni per un'altra forma di trasporto: i treni. La ricerca si concentra sull'idrogeno a zero emissioni di carbonio e su altri carburanti a basse emissioni di carbonio come valide alternative al diesel per l'industria ferroviaria.
I ricercatori del team multidisciplinare hanno dato il via al progetto e hanno festeggiato l'installazione del motore monocilindrico a doppia alimentazione della società di tecnologia ferroviaria Wabtec nel National Transportation Research Center, una struttura utente designata dal DOE situata all'ORNL, durante un evento tenutosi martedì scorso.
Entrambi i laboratori hanno stipulato accordi di ricerca e sviluppo cooperativi con Wabtec, descritto in un comunicato stampa dell'ORNL come un produttore leader di locomotive per il trasporto merci. L'accordo tra Argonne e Wabtec comprende anche la Convergent Science Inc. che sviluppa software. Il progetto avrà una durata di quattro anni.
L'idrogeno come carburante presenta molti vantaggi, ma i motori delle locomotive devono essere modificati per garantire un funzionamento sicuro, efficiente e pulito. Il team svilupperà hardware e strategie di controllo per il motore, che funzionerà a idrogeno e a gasolio per dimostrare la fattibilità dell'uso di carburanti alternativi.
"Siamo entusiasti di far parte di questa collaborazione perché risponde alla necessità di decarbonizzare l'industria ferroviaria facendo progredire la tecnologia dei motori a idrogeno per le locomotive attuali e future", ha dichiarato Josh Pihl, ricercatore di spicco dell'ORNL e leader del gruppo di ricerca sulla catalisi applicata e sulle emissioni. "È anche un esempio perfetto di come una collaborazione finanziata dal DOE tra l'industria e i laboratori nazionali possa accelerare lo sviluppo e la commercializzazione di tecnologie che contribuiscono a ridurre le emissioni di carbonio dei trasporti".
Pihl ha dichiarato che il progetto è in linea con gli obiettivi dell'Ufficio Tecnologie per i Veicoli del DOE di utilizzare carburanti a basse emissioni di carbonio in settori di trasporto difficili da elettrificare. Mentre l'elettrificazione dei veicoli è una strategia efficace per ridurre le emissioni di carbonio da alcune parti del settore dei trasporti, le ferrovie sono considerate più difficili a causa degli alti costi di costruzione di un unico sistema ferroviario elettrificato coordinato in tutto il Nord America. Ogni anno, la flotta ferroviaria nordamericana emette circa 87,6 miliardi di libbre di anidride carbonica, uno dei principali fattori di cambiamento climatico.
I ricercatori stanno esplorando il potenziale della tecnologia dei motori a combustione di idrogeno nell'industria ferroviaria, ha dichiarato Muhsin Ameen, ricercatore senior di Argonne. L'idrogeno è un vettore energetico che può essere prodotto da fonti energetiche pulite come l'energia solare ed eolica. Gli scienziati studiano da decenni i veicoli a idrogeno.
"Per ridurre le emissioni di anidride carbonica a zero entro il 2050, dobbiamo migliorare drasticamente l'efficienza energetica e le emissioni dell'intero sistema di trasporto, comprese le ferrovie", ha dichiarato Ameen nel comunicato. "L'idrogeno è stato utilizzato nei motori a combustione leggeri. Tuttavia, l'idrogeno è un'area di ricerca più recente nelle applicazioni ferroviarie".
Il team di ricerca sta sviluppando una tecnologia di combustione per alimentare la prossima generazione di treni con idrogeno al 100% e altri carburanti a basse emissioni di carbonio. L'obiettivo del team è progettare motori per treni che garantiscano la stessa potenza, autonomia ed economicità dell'attuale tecnologia diesel.
"Questa collaborazione con i laboratori nazionali di Argonne e Oak Ridge, con il supporto del DOE, farà progredire lo sviluppo della tecnologia dell'idrogeno all'interno delle piattaforme Wabtec, già leader del settore, per i motori a media velocità. Le ferrovie saranno in grado di ridurre notevolmente le emissioni di anidride carbonica mantenendo l'omogeneità della loro attuale flotta di treni", ha dichiarato James Gamble, vicepresidente della divisione Engine & Power Solutions Technology di Wabtec.
Nella prima fase del progetto, il team dell'ORNL lavorerà sulle modifiche hardware da apportare alle locomotive. L'obiettivo è ridurre le emissioni di anidride carbonica delle circa 25.000 locomotive in uso nel Nord America. Le locomotive hanno una vita utile di oltre 30 anni, quindi la sostituzione dell'intera flotta richiederebbe decenni.
Nella seconda fase del progetto, l'ORNL e Wabtec continueranno a modificare l'hardware del motore per aumentare la quantità di idrogeno utilizzabile. Il team mira a sostituire completamente il diesel con l'idrogeno o con carburanti a basse emissioni di carbonio nelle nuove locomotive.
Allo stesso tempo, Argonne sfrutterà oltre un decennio di esperienza nella modellazione dell'iniezione e della combustione dell'idrogeno per creare un quadro di modellazione per studiare le tecnologie di combustione e di controllo delle emissioni utilizzate nei motori a combustione di idrogeno. Esperti di iniezione di carburante, cinetica e modellazione della combustione, ottimizzazione dei progetti, calcolo ad alte prestazioni e apprendimento automatico si occuperanno del progetto dall'inizio alla fine.
Gli scienziati utilizzano i computer ad alte prestazioni di Argonne per sviluppare un software di simulazione. Questo strumento aiuterà a prevedere il comportamento dei motori a combustione quando le condizioni operative cambiano e l'hardware viene modificato. Le simulazioni aiutano i ricercatori a comprendere il processo di combustione, che determina l'efficienza del motore e riduce le emissioni.
Si prevede che ogni locomotiva diesel convertita a una fonte di energia a zero o a basso contenuto di carbonio consentirà di risparmiare fino a 5,6 milioni di libbre di anidride carbonica all'anno.
Oltre a Pihl, il team dell'ORNL comprende gli ingegneri ricercatori Dean Edwards ed Eric Nafziger e il meccanico ricercatore Steve Whitted.
Oltre ad Ameen, il team di Argonne comprende il leader del gruppo e ricercatore principale Riccardo Scarcelli, il postdoc Samuel Kazmouz e il ricercatore principale sui motori Christopher Powell.