«L’elettrificazione nell’off-Highway? Un’evoluzione necessaria, perché sostenibile e vantaggiosa». La transizione green di macchine da miniera, grossi muletti, trattori e veicoli per la movimentazione terra non è solo un’esigenza dettata da regolamentazioni sempre più stringenti sulle emissioni di CO2, ma implica anche evidenti vantaggi economici, nell’offrire un reale guadagno in efficienza e produttività agli OEM. Lo pensa Ettore Cosoli, vice-presidente Global OH Engineering della multinazionale americana colosso della componentistica Dana Incorporated, fornitore Tier 1 che, con un fatturato di 7,1 miliardi di dollari e più di 38mila dipendenti, sviluppa e produce assali, trasmissioni, inverter, gearbox e sistemi per la propulsione elettrica per veicoli leggeri, commerciali e, appunto Off-Highway.
L’elettrificazione sta riguardando tutti i prodotti e le applicazioni di Dana, che risulta essere l’unico fornitore con capacità in-house in grado di fornire tutti i componenti di un sistema elettrificato completo e completamente integrato, in tutti i mercati mobility. Negli ultimi 3 anni Dana ha investito più di 400 milioni di dollari in acquisizioni per espandere strategicamente le competenze in elettrificazione (Tm4, Sme, Vocis, Nordresa, Rational Motion, Pi Innovo). Per l’Off-Highway in particolare, la transizione green ha impatto sia sulla trazione che sulle funzioni di lavoro (ad esempio l’azionamento che solleva una benna), grazie alla combinazione di un motore elettrico con una pompa che a sua volta aziona un cilindro idraulico.
Ma quali sono i vantaggi economici rispetto alle medesime funzioni attivate da un propulsore diesel? In settori particolari, come il mining sotto terra, l’introduzione di veicoli elettrici comporta la dismissione (o la non costruzione) di costosissime infrastrutture di aerazione. Nel caso delle strutture portuali o degli aeroporti, l’elettrificazione permette la realizzazione di aree a zero emissioni. Sistemi di trazione ed attuazione elettrici offrono prestazioni superiori, soprattutto quanto a controllabilità. Sfruttando la reversibilità dei motori elettrici, che possono diventare generatori, nelle fasi di frenata le batterie si trasformano in accumulatori, consentendo di recuperare energia che altrimenti andrebbe dissipata. Inoltre, l’elettrificazione va di pari passo con la digitalizzazione: grazie alla presenza di controlli elettronici ed alla implementazione di tecniche di “sensor fusion” (il concetto sarà chiarito in seguito) si possono sfruttare i vantaggi di una manutenzione predittiva, che in una miniera o in un cantiere edile comporta enormi risparmi. L’intervista a Cosoli è stata realizzata nel corso di Inn4mech 2021, evento internazionale dedicato alle più avanzate frontiere della meccatronica e organizzato da Trentino Sviluppo, polo di riferimento per aziende, start-up e professionisti sul territorio che offre servizi tecnologici ad alto valore aggiunto e dà impulso all’innovazione e allo sviluppo sostenibile.
Elettrificazione con Dana, colosso Usa della componentistica
1) Dana leader nell’elettrificazione dei veicoli leggeri, commerciali e Off-Highway
«Dana è leader globale nell’elettrificazione ed ibridazione dei veicoli, in grado di collaborare e supportare gli OEM e i componentisti in qualsiasi fase della loro progressione all’elettrificazione, con moduli singoli o sistemi completi e del tutto integrati». Secondo Cosoli, questa posizione di vantaggio sarebbe determinata dal fatto «che non esiste altro player con un portafoglio così vasto di soluzioni», che riguardano sia i sistemi di trazione (drive) che quelli delle funzioni di lavoro (motion), nonché e-powertrain completi e del tutto integrati e moduli elettrodinamici. Quanto al sistema integrato motore e inverter, si fa l’esempio di TM4 Motive. È un sistema integrato con motori elettrici a magneti permanenti ad alto numero di giri, inverter elettronici ad alta densità di potenza e controlli avanzati che consentono ai veicoli elettrici di soddisfare i più elevati standard di efficienza, affidabilità e prestazioni. Questi sistemi sono efficienti soluzioni chiavi in mano ottimizzate per autovetture, veicoli commerciali ed Off-Highway, caratterizzati da elevata coppia specifica e basso rumore elettromagnetico.
Quanto alle trasmissioni, si fa l’esempio di Spicer Electrified eSP502 e-Powershift, che dimostra come Dana stia sviluppando rapidamente ed efficacemente soluzioni pronte per il mercato che possono aiutare a semplificare e accelerare la transizione del settore minerario all’elettrificazione. Può essere configurato con due motori ad alta tensione Dana TM4 da 350 a 800 volt per migliorare l’efficienza, ridurre le dimensioni totali e fornire ridondanza per le applicazioni minerarie. Il suo design modulare consente configurazioni con un unico motore per applicazioni off-highway più piccole.
2) L’elettrificazione dell’Off-Highway
Come per l’automobile, l’elettrificazione non è una novità assoluta in Off-Highway, afferma Cosoli. In passato ha riguardato veicoli come golf car o piccoli carelli elevatori che dal dopoguerra movimentano i pallet nello shopfloor grazie ad un motore elettrico ed un pacco batterie. La differenza è che ora si possono elettrificare sia la trazione che le funzioni di lavoro anche di grandi mezzi, le cui funzioni e prestazioni sono controllate e sincronizzate da software sempre più evoluti, in favore di sicurezza ed efficienza.
3) Come avviene, attualmente, l’elettrificazione delle funzioni di lavoro
Si è accennato al funzionamento delle funzioni di lavoro elettrificate: un motore elettrico aziona una pompa idraulica che a sua volta attiva un cilindro idraulico che assicura il movimento. Si procede in questo modo, secondo Cosoli, perché ad oggi non esiste attuatore elettrico che possa competere con un cilindro idraulico; e ciò sia per quanto riguarda le prestazioni, che per densità di potenza e costi.
Prima il motore a combustione che azionava la pompa era sempre acceso; mentre questo non accade con i propulsori elettrici. «Si ottiene così un risparmio energetico enorme, nonché un impatto ambientale e acustico minore». Ma di questo argomento parleremo fra poco. C’è un altro elemento a favore dell’elettrificazione: si va verso soluzioni in cui un singolo motore con pompa serve più dispositivi che assicurano più funzioni di lavoro. Di questo parleremo, però, in tema di digitalizzazione.
4) Off-Highway full electric
In Off-Highway esistono settori in cui ciò non è ancora possibile, in particolare per veicoli di dimensioni maggiori. Una completa elettrificazione è possibile nell’underground mining e per le macchine da cantiere. Al contrario non è facilmente applicabile ai trattori per impiego pesante, ove non si riesce a raggiungere un bilanciamento fra l’energia a bordo e quella necessaria a svolgere un intero turno di lavoro. Ne abbiamo parlato in questo articolo di Industria Italiana, un’intervista che il Lead Engineer, Electrification di Dana Rovereto Technology Center Lorenzo Serrao ci ha concesso.
La convenienza dell’elettrificazione nell’Off-Highway
Rispetto al diesel, i motori elettrici garantiscono vantaggi in termini di prestazioni, e cioè la maggiore accuratezza nel controllo delle funzioni e la maggiore precisione dei movimenti rispetto ad altro tipo di azionamento. Ciò di per sé determina un vantaggio economico: ad esempio, una semina più minuziosa comporta minori sprechi materiali e una maggiore produttività del campo. Ma la convenienza dell’elettrificazione non si ferma qui: le macchine green non assorbono potenza quando non sono utilizzate, a differenza del motore diesel che è sostanzialmente “sempre acceso”. Inoltre, sono reversibili: nel senso che le batterie con i propulsori “in frenata” diventano accumulatori e quindi possono ricaricare l’energia.
Ancora, l’elettronica mette a disposizione del sistema i dati, e ciò abilita altre funzioni digitali e di connettività che con tecnologie convenzionali non sarebbero possibili. I motori che comunicano tra di loro sono coordinati da un sistema di algoritmi che ottimizza prestazioni ed efficienza. Un importante vantaggio economico si riscontra nel settore minerario. In passato, infatti, per consentire ai lavoratori di respirare aria pulita, la propulsone convenzionale diesel costringeva ad installare potenti sistemi di areazione «di per sé particolarmente onerosi» ed energivori. Ora, con i mezzi green, è tutto cambiato. I veicoli elettrificati consentono di annullare emissioni inquinanti anche in altri contesti, come ad esempio nelle aree esterne degli aeroporti: come quello di Bruxelles e quello di Shanghai.
Dana Incorporated: l’efficientamento dell’off-highway? Passa dall’elettrificazione!
La digitalizzazione dei prodotti Off-Highway e quella in Dana
1) La digitalizzazione dei prodotti Off-Highway
«Oggi la parte meccanica, seppur fondamentale, non è più sufficiente» – ha affermato Cosoli. I prodotti devono diventare smart, e cioè interconnessi e intelligenti. Grazie anche alle cosiddette tecniche di sensor fusion (fusione di sensori): espressione con la quale ci si riferisce all’estrazione dei dati da più fonti diverse per generare informazioni più coerenti, accurate e utili rispetto a quelle fornite da qualsiasi singolo sensore. Tecnicamente, si parla di riduzione dell’incertezza: ad esempio, si potrebbe potenzialmente ottenere una stima più precisa della posizione di un oggetto all’interno di un sistema combinando più fonti di dati come videocamere e segnali di localizzazione wifi. Pressocché tutti i prodotti di Dana si prestano alla fusione sensoriale. Infatti motori, trasmissioni, azionamenti producono dati che si riferiscono a grandezze eterogenee: temperatura, giri, coppia, potenza, intensità di corrente, usura, e tanto altro.
«Oggi la fusione sensoriale viene utilizzata soprattutto per ottenere informazioni fruibili per la diagnostica e per la manutenzione predittiva. Nell’Off-Highway, questo ha un valore enorme. Se un’autovettura si ferma in strada, è in genere un danno limitato; se a fermarsi è una grossa machina per il mining o la movimentazione della terra, che peraltro possono costare centinaia di migliaia di euro, è un danno ingente. Si può fermare il processo produttivo della miniera o del cantiere» – ha commentato Cosoli. I prodotti Dana sono altamente personalizzati. «Nelle forme, nelle caratteristiche, e addirittura nei colori. I clienti hanno altissime aspettative nei nostri confronti: il nostro prodotto deve funzionare anche in condizioni estreme, anche a meno 50 gradi Celsius». Come si fa ad ottenere un così alto grado di customizzazione? «Gestendo la complessità con la modularità. I prodotti sono realizzati associando moduli, e le combinazioni possibili sono migliaia».
2) La digitalizzazione in Dana
Secondo Cosoli, «quanto a convergenza tra IT e OT, in Dana siamo allo stato dell’arte». Cosoli si riferisce all’interoperabilità tra la rete industriale, grazie alla quale un’azienda può gestire l’attività di una pluralità di macchinari e di processi, e quella IT, che serve a memorizzare, recuperare, trasmettere e manipolare dati. Il controllo puntuale dei processi si ottiene solo così, «e in ciò Dana è molto avanzata». «Disponiamo di sistemi MES in tutti gli stabilimenti produttivi» – ha continuato Cosoli. Il MES (manufacturing execution systems) è un sistema software che viene applicato per gestire e controllare in maniera integrata ed efficiente il processo produttivo aziendale. È perciò lo strumento che realizza il collegamento diretto ai macchinari, e che pertanto consente l’allineamento della produzione. In pratica, grazie al MES, si controlla la “fabbrica”.
L’analisi dei dati avviene per lo più at the edge, «anche se in due stabilimenti c’è la possibilità di un trasferimento in Cloud delle informazioni, per ulteriori analisi. Quanto al gestionale, abbiamo adottato Sap». «Inoltre, abbiamo introdotto, in modo pervasivo, tante tecnologie all’avanguardia in fatto di robotica, movimentazione indoor automatizzata e tracciamento. Stiamo inoltre sviluppando prototipi di realtà aumentata per agevolare l’operatore nel set-up dei macchinari». Secondo Cosoli, «l’investimento in tecnologia è stato notevole, ma il ritorno non è mai immediato. Ci vuole del tempo, anche perché abbiamo tanti sistemi legacy. Già iniziamo a vedere i primi frutti; il potenziale di queste innovazioni è enorme e nel tempo si esprimerà nella sua pienezza».
Ripubblicazione dell’articolo pubblicato il 10 settembre 2021
