Ridefinire il costo della conformità alle normative sulle emissioni

Un sistema armonizzato di motore e post-trattamento è un mezzo per ottenere valore operativo dalle macchine edili

Ciò significa, per quanto possibile, ridurre al minimo sia la complessità ingegneristica che il rischio del programma.

Sebbene il rispetto delle normative sulle emissioni sia obbligatorio, le modalità con cui viene garantito sono diventate un fattore di differenziazione significativo per i produttori di apparecchiature originali (OEM).

Oggi, il costo di acquisizione più basso nel controllo delle emissioni dipende meno dal prezzo iniziale di un sistema di post-trattamento dei gas di scarico e dipende piuttosto da fattori quali l'integrazione, la validazione, le tempistiche di sviluppo, la durata e i requisiti di manutenzione a lungo termine.

Secondo David Phillips, direttore tecnico della multinazionale specializzata in sistemi di post-trattamento Eminox, i produttori di apparecchiature originali (OEM) sono ora molto più consapevoli del fatto che i programmi di riduzione delle emissioni rappresentano sfide complesse a livello di sistema.

"Normalmente non si prende un motore esistente e si dice 'ci installeremo un sistema di post-trattamento'", spiega. "Il sistema di post-trattamento e il motore vanno integrati. Le scelte fatte a livello del motore – il sistema di alimentazione, la configurazione del turbocompressore, la strategia EGR – definiscono le emissioni in uscita, e questo influisce direttamente sulla configurazione necessaria del sistema di scarico."

Queste interazioni influenzano ogni aspetto, dalle tecnologie dei catalizzatori e dai carichi di metalli preziosi alle dimensioni del filtro antiparticolato diesel (DPF), alla capacità di accumulo della fuliggine e agli intervalli di manutenzione. Di conseguenza, ogni decisione presa all'interno del gruppo propulsore ha ripercussioni in altre parti del sistema.

Per i produttori di apparecchiature originali (OEM), ciò ha cambiato radicalmente l'approccio ai programmi di riduzione delle emissioni.

Dai componenti ai sistemi

Storicamente, i componenti per il controllo delle emissioni venivano considerati perlopiù come elementi separati. Oggi, la maggior parte dei produttori riconosce che le prestazioni in termini di emissioni sono il risultato di un sistema completamente integrato.

Dave Phillips, Direttore Tecnico del Gruppo Eminox

"Ora pensano in un'ottica olistica", afferma Phillips. "Dall'aria che entra nel motore fino al tubo di scarico. E tutti questi elementi possono influenzare i costi, il consumo di carburante, gli intervalli di manutenzione o l'esperienza dell'utente."

Questo cambiamento ha modificato anche la struttura dei team di sviluppo. Sempre più spesso, i produttori di apparecchiature originali (OEM) creano gruppi dedicati all'integrazione di sistema, che modellano e simulano diverse combinazioni di motori e sistemi di post-trattamento già nelle prime fasi del programma.

"Idealmente, dovrebbero aver analizzato diversi scenari prima di iniziare lo sviluppo fisico", spiega Phillips. "Come team, devono esaminare ogni aspetto e simulare tutte le eventualità, in modo che, prima di avviare un nuovo programma per un motore, abbiano effettivamente testato tutto sulla carta o in simulazione."

Anche con strumenti di pianificazione più sofisticati, tuttavia, le pressioni sui costi spesso emergono in fasi successive dello sviluppo.

Perché i problemi spesso compaiono alla fine

In molti programmi di riduzione delle emissioni, sforamenti di budget e ritardi si verificano verso la fine del processo, quando si avvicinano le scadenze di lancio e i team di ingegneri devono risolvere rapidamente i problemi rimanenti.

"Succede quasi sempre alla fine", afferma Phillips. "È quando si ha una data di scadenza e improvvisamente si iniziano ad aggiungere risorse o a spendere più soldi per risolvere i problemi."

Idealmente, tali risorse dovrebbero essere investite nelle prime fasi del programma per evitare complicazioni dell'ultimo minuto. In pratica, le priorità concorrenti spesso lo impediscono.

"Si potrebbe dire che si stanno accantonando risorse per qualcosa che arriverà tra tre anni", spiega. "Ma se oggi c'è un problema che influisce sulla produzione, le persone si spostano naturalmente su quello. Quando il programma sulle emissioni diventa urgente, si è già sotto pressione."

La velocità di sviluppo diventa quindi un fattore critico per i costi del programma.

"In definitiva, il tempo è denaro", afferma Phillips. "Più velocemente si progettano, si realizzano prototipi e si testano i sistemi, minore sarà in genere il costo."

Tuttavia, le tempistiche di sviluppo raramente sono determinate esclusivamente dai fornitori di sistemi di post-trattamento; spesso sono vincolate dal ritmo del programma di sviluppo del motore nel suo complesso.

"Potremmo essere in grado di progettare e costruire un sistema di scarico abbastanza rapidamente", afferma. "Ma il team addetto ai motori potrebbe essere ancora impegnato a testare diverse combinazioni di componenti. Quindi, di solito, i tempi sono dettati dall'intero programma, piuttosto che da una singola parte di esso."

Il costo nascosto della validazione e delle prestazioni sul campo

Le prove di laboratorio sono preziose, ma non possono sostituire i dati raccolti dalle macchine in funzione sul campo.

Anche quando i sistemi di controllo delle emissioni raggiungono con successo la fase di produzione, possono comunque emergere costi imprevisti una volta che le apparecchiature sono operative in condizioni reali.

Un esempio è la gestione delle garanzie.

"Ci sono sempre problemi imprevisti", afferma Phillips. "Potrebbe trattarsi di un comportamento termico, oppure di un caso d'uso che semplicemente non avevi previsto."

Per ridurre tali rischi, molti produttori di apparecchiature originali (OEM) ora monitorano attentamente le prime macchine installate sul campo.

"Seguono da vicino le prime unità", spiega. "Raccolgono dati, capiscono come i clienti utilizzano effettivamente le apparecchiature e identificano eventuali anomalie prima che ci siano grandi volumi sul campo."

Queste prime osservazioni spesso portano a perfezionamenti del progetto durante il primo anno di produzione.

Un altro aspetto fondamentale è rappresentato dai test di validazione. I test di laboratorio possono esplorare condizioni operative estreme, ma non sono in grado di replicare completamente l'utilizzo nel mondo reale.

"Non esiste un sostituto completo per la validazione sul campo", afferma Phillips. "Tuttavia, anche i test sul campo da soli possono essere piuttosto specifici. Potrebbero non essere rilevate tutte le diverse perturbazioni o non essere raggiunti i punti critici, impedendo di ottenere un quadro completo."

Per far fronte a tale incertezza, gli ingegneri testano spesso i sistemi ai limiti del loro intervallo operativo.

"Bisogna considerare gli scenari peggiori", spiega. "Se si prendono in esame i componenti peggiori e l'ambiente peggiore, il sistema sopravviverà comunque?"

La portata del programma spesso determina quanto approfondita sia la fase di test. I prodotti ad alto volume richiedono maggiore affidabilità, perché anche le piccole decisioni di progettazione possono avere ripercussioni su migliaia di unità.

"Se si producono molti sistemi, ogni centesimo conta", afferma Phillips. "Ma allo stesso tempo non ci si può permettere guasti sul campo."

Integrazione contro soluzioni aggiuntive

Sebbene lo sviluppo integrato sia generalmente preferibile, esistono ancora situazioni in cui i sistemi di controllo delle emissioni devono essere aggiunti ai motori esistenti anziché sviluppati in parallelo.

Un sistema di post-trattamento dei gas di scarico Eminox a montaggio ravvicinato

"Eminox riceve regolarmente richieste di sistemi di scarico 'plug-and-play' e disponiamo di una gamma di soluzioni nel nostro portfolio per soddisfare queste esigenze dei clienti", afferma Phillips. "A volte il cliente ha già un motore e non vuole cambiarlo, oppure il costo della riprogettazione del motore sarebbe troppo elevato."

In questi casi, gli ingegneri devono adattare il sistema di post-trattamento all'architettura esistente.

"I compromessi sono sempre necessari", ammette. "Ma a volte è la scelta commercialmente più sensata, soprattutto per le applicazioni a basso volume."

Differenze regionali nella regolamentazione

A complicare ulteriormente la situazione contribuisce il fatto che le normative sulle emissioni differiscono significativamente tra i vari mercati globali.

In Europa, la tendenza all'inasprimento della regolamentazione è rimasta relativamente costante, offrendo ai produttori obiettivi a lungo termine più chiari. Al contrario, negli Stati Uniti il contesto normativo è più frammentato, con approcci molto diversi tra loro, dalle normative federali relativamente permissive ai rigidi controlli del California Air Resources Board (CARB).

"Il CARB tende ad essere più rigoroso", osserva Phillips. "Altri stati possono scegliere se seguire questo approccio o quello dell'EPA [Agenzia federale per la protezione dell'ambiente]".

Anche i mercati emergenti come l'India presentano sfide uniche.

Phillips afferma: "Le normative stanno progredendo, ma le tempistiche possono variare. In alcuni settori si registra un forte slancio, mentre in altri l'industria ha bisogno di più tempo per adattarsi."

Nonostante queste variazioni regionali, un fattore rimane costante: il costo è sempre al centro della discussione.

"La discussione sui costi è la stessa ovunque", afferma Phillips. "Ciò che cambia è l'applicazione e l'architettura dell'applicazione."

Scegliere il sistema giusto

Secondo Phillips, uno degli errori più comuni nello sviluppo di modelli di riduzione delle emissioni è quello di concentrarsi eccessivamente sui singoli componenti anziché sul sistema nel suo complesso.

"Non si tratta solo di scegliere i componenti migliori singolarmente", afferma. "Bisogna scegliere componenti che lavorino insieme in armonia."

In realtà, combinare l'hardware più avanzato in ogni categoria può talvolta semplicemente aumentare i costi senza migliorare le prestazioni.

"Se ogni specialista punta a ottenere il meglio nel proprio campo, si rischia di ritrovarsi con un sistema sovradimensionato, con un budget superiore al previsto e potenzialmente sottoottimizzato", spiega.

Il successo, invece, spesso risiede nel trovare un equilibrio tra prestazioni, durata e costi dell'intero sistema.

Ridurre la complessità per ridurre i costi

La sfida per i produttori di apparecchiature originali (OEM) che si muovono in questi scenari normativi e tecnici consiste nel combinare la minimizzazione dei costi dei componenti con la riduzione delle difficoltà di integrazione, l'accorciamento dei cicli di sviluppo e la garanzia che i sistemi funzionino in modo affidabile per tutto il loro ciclo di vita.

Non è un'impresa da poco e richiede una visione olistica del controllo delle emissioni che colleghi considerazioni di ingegneria, validazione, produzione e assistenza.

"Sebbene oggi i produttori di apparecchiature originali (OEM) conoscano molto bene i sistemi di post-trattamento", afferma Phillips, "collaborare con gli integratori di sistemi di scarico rimane fondamentale per ottimizzare l'intero sistema, assicurandosi che motore e post-trattamento siano perfettamente integrati".

In definitiva, il costo di acquisizione più basso non si ottiene riducendo gli sforzi ingegneristici, bensì applicandoli nei punti giusti.

Poiché gli standard sulle emissioni continuano a evolversi a livello globale, i produttori che adottano questo approccio a livello di sistema saranno probabilmente in una posizione migliore per garantire la conformità in modo efficiente e sostenibile.

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Questo articolo è stato prodotto da KHL Content Studio, in collaborazione con esperti del Gruppo Eminox.

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Tutte le immagini sono fornite da Eminox.