Macrotendenze che influenzano il futuro dell'energia fluida

"I tempi stanno cambiando", cantava Bob Dylan per la prima volta nel 1964. Era vero allora ed è certamente vero oggi, poiché la tecnologia, nelle sue varie forme, produce cambiamenti radicali praticamente in ogni aspetto dell'industria. La forza motrice non fa eccezione, poiché si allontana sempre di più dai sistemi e dalle tecnologie che sono stati utilizzati per gran parte della sua storia.

Sebbene spesso trascurato nelle discussioni sulle principali tendenze del settore, ciò che sta accadendo nel settore dell'energia fluida mobile ha ampie implicazioni sulla futura direzione della forza motrice. Questo è ciò che ha spinto Power Progress a chiedere il contributo dei seguenti esperti del settore:

• Daniel Winter, presidente di Danfoss Power Solutions
• Corey Quinnell, vicepresidente dell'ingegneria, Husco
• Russ Schneidewind, direttore dello sviluppo aziendale, HydraForce

Nella prima parte di questa serie in due parti, analizzeremo le tendenze che questi esperti stanno osservando nei mercati in cui operano, i loro risvolti e l'impatto che queste tendenze stanno avendo sul settore dell'energia fluida mobile e sui suoi clienti. Nella seconda parte, analizzeremo più da vicino gli ostacoli che il settore sta affrontando e come questi e altri fornitori si stanno evolvendo per affrontare queste sfide, ora e nel prossimo futuro.

Produttività e affidabilità

Schneidewind ha osservato che il settore dell'energia fluida mobile segue da vicino le richieste del settore OEM mobile.

I sistemi idraulici degli escavatori sprecano circa il 70% della potenza utile. Ottimizzare l'impianto idraulico migliora l'autonomia della macchina, riducendo il consumo e i costi delle batterie, accelerando così l'elettrificazione. (Foto: Danfoss Power Solutions)

"Se si considerano le attrezzature mobili off-highway, si cerca di offrire attrezzature più robuste, con tempi di attività e disponibilità maggiori, in modo da avere macchine prontamente disponibili per numerose applicazioni", ha spiegato. "Cercano anche di aumentare la produttività. Vogliono essere in grado di lavorare più velocemente e con maggiore precisione, soprattutto per, ad esempio, i movimenti ripetitivi.

"Ciò comporta l'emergere di requisiti molto diversi da parte del settore dell'energia fluida mobile, tra cui un grado di integrazione più elevato con l'elettronica e l'idraulica stessa."

La richiesta di produttività e affidabilità gioca un ruolo indipendentemente dalle dimensioni della macchina.

"Man mano che le apparecchiature diventano più piccole, più potenti e più efficienti, i componenti idraulici devono offrire una maggiore densità di potenza riducendo al minimo le perdite di energia", ha affermato Quinnell. "Questo ha portato a innovazioni nei circuiti idraulici, nelle pompe e nelle soluzioni elettroidrauliche integrate, ad esempio utilizzando sensori per eliminare/ridurre il numero di componenti meccanici/la complessità, per massimizzare l'efficienza del sistema.

"Molti OEM stanno cercando di utilizzare pompe di cilindrata maggiore con regimi motore inferiori per operare in una fascia di consumo di carburante più efficiente del motore diesel, mantenendo al contempo la stessa produttività", ha aggiunto.

Elettronica e software

Garantire tale produttività sul campo è sempre stata una responsabilità dell'operatore delle attrezzature. Ma una macrotendenza che influenza la progettazione delle macchine mobili e, di conseguenza, dei sottosistemi di tali macchine, ha affermato Winter, è la carenza di manodopera qualificata.

La piattaforma MX di Husco è progettata per un'integrazione elettroidraulica flessibile e robusta. (Foto: Becky Schultz)

"In passato, l'operatore era per lo più il 'cervello' e l'idraulica il 'muscolo'. Negli ultimi, diciamo, tre o cinque anni, la situazione è diventata sempre più complessa... l'operatore è diventato l'elettronica il cervello e l'idraulica il muscolo", ha commentato Schneidewind. "Quindi, per affrontare gli aspetti di uptime e disponibilità a cui gli OEM sono interessati, stiamo assistendo a questa esigenza di sistemi più flessibili.

"L'elettronica è utile in questo senso, perché è possibile avere un'architettura idraulica simile e adattare il funzionamento o le sensazioni della macchina in base all'operatore o all'applicazione, intervenendo sull'elettronica o sul software applicativo della macchina", ha affermato. "Questo consente alla macchina di essere più disponibile in più applicazioni, oltre a garantire tempi di attività più lunghi in molti casi".

Elettronica e software sono essenziali per abilitare i moderni sistemi di controllo odierni, ha concordato Winter. "Stiamo assistendo a un aumento dei sistemi idraulici con controlli elettronici sofisticati", ha affermato. "In effetti, oggi è raro vedere nuovi prodotti progettati con interfacce meccaniche. Quasi tutti i nostri nuovi sviluppi di prodotto in Danfoss sono progettati esclusivamente per il controllo digitale.

"Naturalmente, offriamo ancora controlli meccanici, ma il vantaggio del solo digitale è che si eliminano i dispositivi meccanici che aumentano i costi. Stiamo anche iniziando a vedere più architetture distribuite con controlli a livello di componente anziché centralizzati."

Passare a una maggiore automazione

Gli OEM sono chiamati a fornire soluzioni che si adattino alle dinamiche di una forza lavoro in continua evoluzione, il che significa che è necessario un livello di automazione sempre maggiore.

Le funzionalità autonome e semi-autonome possono aiutare i proprietari di apparecchiature a far fronte alla carenza di manodopera e competenze, migliorando la produttività e la precisione degli operatori. (Foto: Danfoss Power Solutions)

"Prima c'era un operatore altamente efficiente, un professionista per quel tipo di attrezzatura. Ora si trovano sempre meno operatori qualificati e più generalisti che potrebbero dover gestire più tipi di macchine", ha sottolineato Schneidewind. "Avere quell'automazione a supporto è ciò che gli OEM desiderano davvero per aumentare la produttività. Il settore dell'energia oleodinamica deve essere in grado di rispondere a questa esigenza".

"C'è una crescente domanda di macchinari autonomi e semi-autonomi in agricoltura, edilizia e movimentazione materiali", ha affermato Quinnell. "L'agricoltura e la movimentazione materiali sono più avanti in questo segmento grazie a un funzionamento più definito rispetto alla varietà di ambienti e attività a cui sono sottoposte le macchine edili."

Finora, nel settore delle attrezzature per l'edilizia, i progressi hanno riguardato in larga parte ciò che Schneidewind ha descritto come assistenza all'automazione per funzioni ripetitive, come il ritorno allo scavo o il ritorno in quota per le pale caricatrici utilizzate nelle applicazioni di carico di camion.

"È possibile farlo in modo più rapido e preciso tramite una funzione automatizzata: basta cliccare un pulsante dopo aver impostato il limite, e la benna si abbassa rapidamente nella posizione necessaria mentre l'operatore si dirige verso il cumulo", ha spiegato.

Per abilitare questo tipo di funzionamento semi-autonomo e persino completamente autonomo su una macchina sono necessari "elettronica ad alta potenza, software avanzati e il know-how per mettere insieme il tutto", ha affermato Winter.

"Non basta più essere un fornitore di componenti", ha affermato. "Bisogna conoscere a fondo le applicazioni e servono competenze in sistemi e software".

Focus sulla sostenibilità

Un secondo macrotrend che influenza la potenza idraulica mobile, ha affermato Winter, è la sostenibilità. "La tutela ambientale e l'aumento dei costi del carburante stanno alimentando la domanda di sistemi idraulici più efficienti", ha osservato, "e accelerando il ritmo dell'elettrificazione".

Gli OEM sono sotto pressione per ridurre il consumo di carburante e le emissioni, ha affermato Quinnell, il che richiede che i sistemi idraulici diventino più efficienti e integrati con fonti di energia alternative.

La nuova serie EDG-OBE di valvole direzionali compatte pilotate di Bosch Rexroth con elettronica integrata. (Foto: Bosch Rexroth/Hydraforce)

"La sfida risiede nel fatto che ogni OEM, e persino diverse classi di macchine all'interno dello stesso OEM, adottano una strategia unica per migliorare l'efficienza delle macchine e selezionare fonti di alimentazione alternative", ha continuato. "Per rimanere competitivi e supportare queste diverse esigenze, Husco ha sviluppato piattaforme di valvole flessibili e modulari che possono essere personalizzate per adattarsi alla strategia specifica di ciascun OEM".

In particolare, per quanto riguarda l'elettrificazione, Quinnell ha citato la crescente adozione di sistemi elettroidraulici e completamente elettrici. "Gli OEM stanno integrando controlli idraulici intelligenti, attuatori elettrificati (su macchine di piccole e micro dimensioni) e sistemi di propulsione a batteria o ibridi per migliorare l'efficienza dei consumi e ridurre l'impatto ambientale".

Ma anche considerando questo cambiamento, ritiene che l'idraulica avrà un suo spazio. "Sebbene gli attuatori completamente elettrici stiano guadagnando terreno in alcune applicazioni (principalmente in macchine di piccole dimensioni) o per funzioni specifiche su macchine più grandi, l'idraulica rimane essenziale laddove siano richieste elevata densità di potenza e forza in uscita", ha affermato Quinnell.

"L'ottimizzazione idraulica è importante per le macchine convenzionali, ma anche – forse di più – per quelle elettriche", ha affermato Winter. "Prendiamo ad esempio un escavatore. Il sistema idraulico spreca il 70% della potenza utile che riceve. Riducendo questa percentuale, miglioriamo l'autonomia della macchina, forse riduciamo le batterie necessarie, riducendo così i costi e accelerando l'adozione dei veicoli elettrici.

In Danfoss continuiamo a sviluppare componenti idraulici più efficienti e a ottimizzare i componenti esistenti, ma oggi la leva di efficienza più importante è a livello di sistema. Ci sono più variabili in gioco e possiamo ottimizzare il funzionamento delle macchine, e quindi il consumo energetico, tramite software.

Non mutuamente esclusivi

Winter ha proseguito affermando: "C'è un'idea sbagliata diffusa secondo cui l'idraulica e l'elettricità si escludono a vicenda. In realtà, in molti casi si completano a vicenda.

Ad esempio, sebbene un sistema di propulsione elettrico possa sostituire un sistema di propulsione idrostatico, le macchine fuoristrada ad alta potenza si affidano ancora all'idraulica per la loro conversione di potenza robusta ed efficiente. L'elettrico ha sostituito l'idraulica in alcune applicazioni a bassa potenza e rotative, ma è difficile sostituire l'energia idraulica lineare con soluzioni elettrificate economiche, robuste e compatte.

Efficienza di guida

Secondo Winter, l'impatto più significativo dell'elettrificazione risiede nella necessità di notevoli miglioramenti nell'efficienza del sistema idraulico.

"Nelle macchine elettriche di prima generazione, gli OEM tendono a sostituire il motore a combustione interna con un motore elettrico e batterie, lasciando sostanzialmente invariato il sistema idraulico. In molte applicazioni, questo si traduce in una macchina con un'autonomia inadeguata. In altre parole, non è in grado di svolgere un'intera giornata di lavoro con una singola carica", ha sottolineato Winter.

Il controllo digitale del braccio HydraForce EHBL con HF-Impulse 2.0 è progettato per risparmiare energia e aumentare la precisione delle valvole EHBL, semplificando inoltre lo sviluppo e la manutenzione grazie al software di configurazione e programmazione HF-Impulse 2.0. (Foto: HydraForce/Bosch Rexroth)

"Per le loro macchine di seconda generazione, gli OEM si stanno concentrando sull'ottimizzazione dell'impianto idraulico, valutando architetture e tecnologie alternative come l'abbassamento per gravità, la misurazione indipendente, i sistemi zonali e il recupero energetico", ha continuato. "In Danfoss, abbiamo eseguito diverse conversioni di macchine, tra cui una pala gommata e una terna. Stiamo anche lavorando su un escavatore. Questo ci ha fornito l'esperienza pratica necessaria per guidare gli OEM nel loro percorso, non solo sull'elettrificazione, ma anche sull'ottimizzazione dell'impianto idraulico".

Quindi, pur riconoscendo che l'elettrico sottrarrà una quota maggiore all'idraulico nel lungo termine, Winter ritiene anche che l'idraulico a sua volta sottrarrà quote alle soluzioni meccaniche in alcune applicazioni. "La domanda di sistemi idraulici non crollerà a breve", ha assicurato, "quindi chi opera nel settore oggi non deve preoccuparsi".

Anche l'efficienza è al centro dell'argomentazione di Schneidewind, quando si parla di energia alternativa. "Indipendentemente dal fatto che l'elettrificazione [sia] il sistema di alimentazione, o il diesel o l'ibrido o persino l'idrogeno o altri – il metano, ad esempio, potenzialmente nei mercati agricoli – tutto si riduce all'efficienza", ha affermato. "La potenza che si può avere sul veicolo è limitata, in termini di spazio per trasportarla. Quindi, l'impianto idraulico deve diventare più efficiente nell'utilizzo dell'energia disponibile su quella macchina".

Nuova architettura necessaria

Schneidewind prevede che questa maggiore efficienza sarà raggiunta attraverso nuove architetture e sistemi idraulici. "Richiederà minori perdite di carico, tecniche di controllo avanzate e l'integrazione di più componenti elettronici e sensori", ha previsto. "Questa sarà la sfida più grande, direi, per il settore: come si presentano questi sistemi, come vengono promossi e come il cliente integra questo nuovo tipo di architettura nelle proprie macchine?"

"Queste saranno alcune delle sfide più grandi, ma rappresentano anche un'opportunità per le aziende che possono [fornire] quel tipo di supporto a quei clienti, e possono apportare tali cambiamenti e dimostrare un aumento dell'efficienza del 25%, 30%, 40%, 45%", ha continuato Schneidewind. "C'è ancora molto spazio per diventare più efficienti nel settore dell'oleodinamica e della fluidica mobile."

Nota dell'editore: questo articolo è apparso per la prima volta nel numero di aprile 2025 di Power Progress. Non perdetevi la seconda parte di questa serie in un prossimo numero di Power Progress.