Un interessante approfondimento di Punch Hydrocell sulle fuel cell, in italiano celle a combustibile, che sono direttamente connesse all’utilizzo di idrogeno su veicoli elettrici.
Ringraziamo gli autori Andrea Almondo, Michele Bilancia, Romualdo Ruotolo e Vincenzo Verdino, tutti di Punch Hydrocells.
Negli ultimi anni la comunità scientifica e l’opinione pubblica stanno prendendo coscienza di un graduale aumento degli effetti del cambiamento climatico causato dai gas serra che sta rendendo necessario allontanarsi gradualmente dall’uso delle fonti energetiche fossili, come già evidenziato dall’Unione Europea che ha impostato l’obiettivo di neutralità carbonica entro il 2050.
In linea con gli obiettivi del Green Deal europeo, nel luglio 2020 la Commissione Europea (CE) ha anche identificato una strategia per creare le condizioni per la notevole diffusione dell’idrogeno nei prossimi anni in Europa [1].
Secondo questa strategia, la CE supporterà la realizzazione di elettrolizzatori in due fasi: entro il 2024 ne saranno realizzati per un equivalente di 6GW, giungendo a 40GW entro il 2030 in tutta Europa.
Infatti, l’idrogeno ben si presta a supportare la transizione energetica dal momento che può essere considerato un vettore energetico con la capacità di immagazzinare, e successivamente rilasciare, grosse quantità di energia per unità di massa senza emettere CO2.
Inoltre, si presta bene nella risoluzione del problema energetico spazio-temporale, generando idrogeno in periodi o luoghi di accumulo di energia per trasportarlo o utilizzarlo in modo conveniente in altri luoghi e/o altri periodi dell’anno.
Una caratteristica molto importante dell’idrogeno è il suo potere calorifico: quello inferiore è 33 kWh/kg (circa 3 volte il valore corrispondente del Diesel) ed è interessante il confronto con le batterie al litio, dove la densità di energia gravimetrica è di circa 0.16-0.2 kWh/kg (a livello di pacco batteria), quindi circa 200 volte inferiore all’idrogeno, di conseguenza batterie in grado di immagazzinare grandi quantità di energia saranno caratterizzate da una massa molto elevata.
Pertanto, sebbene il trasporto dell’idrogeno gassoso a bordo veicolo implichi la presenza di serbatoi ad alta pressione, con relativo importante contributo dal punto di vista della massa, rimane valido il fatto che l’idrogeno rappresenti una soluzione di grande interesse soprattutto in quei casi in cui sia necessario trasportare elevate quantità di energia, proprio in virtù del suo potere calorifico.
Un altro aspetto fondamentale che contribuisce a rendere l’idrogeno interessante come carburante è che i tempi di ricarica dei serbatoi sono paragonabili ai tempi di rifornimento a cui siamo abituati, quindi nettamente inferiori rispetto ai tempi di ricarica necessari per veicoli puramente elettrici (BEV), soprattutto in assenza di infrastrutture di ricarica ad altissima potenza.
Nelle applicazioni da trasporto merci “pesanti” questo significa mantenere invariata la produttività rispetto ai trasporti con i mezzi attuali a carburanti di origine fossile.
Nell’ambito di un sistema di motopropulsione, l’idrogeno può essere utilizzato come combustibile di motori a combustione interna oppure per alimentare celle a combustibile.
Avendo già trattato su Auto Tecnica il motore a combustione interna a idrogeno circa un anno fa [2], nel seguito concentreremo l’attenzione sulle celle a combustibile.
Fuel Cell o celle a combustibile: le origini
Rimanendo validi i vantaggi dell’idrogeno di cui sopra, è utile completare il quadro con un rapido confronto con i veicoli BEV: innanzi tutto le batterie hanno un’altissima efficienza di sfruttamento dell’energia ed un’efficienza complessiva superiore alle celle a combustibile, perché non necessitano della fase di trasformazione da elettricità ad idrogeno e della sua compressione, hanno un livello di sviluppo tecnologico più avanzato rispetto alle celle a combustibile e con costo inferiore.
Questi fattori sono soggetti ad una rapidissima evoluzione temporale, infatti sia lato celle a combustibile sia lato batterie si assiste ad un progressivo miglioramento delle prestazioni e ad un abbattimento dei costi, ma queste tendenze sono maggiormente accentuate per le celle a combustibile per via del passaggio dal produrre centinaia a migliaia di unità, con l’effetto sempre più marcato con l’aumento dei volumi.
Le celle a combustibile sono state inventate nel 1838 da William Grove; negli anni ’60 sono state utilizzate dalla NASA nel programma spaziale Apollo per generare energia a bordo del Command and Service Module (CSM) e nello stesso periodo, precisamente nel 1966, General Motors sviluppò l’Electrovan, il primo mezzo terrestre da trasporto equipaggiato con tale tecnologia.
Attualmente le celle a combustibile sono utilizzate per autovetture in produzione, in particolare Toyota ha lanciato la prima versione della Mirai nel 2014, vendendo più di 11.000 veicoli in 23 paesi.
La Mirai è stata aggiornata di recente con la seconda versione, la cui autonomia ha raggiunto 650 km (secondo lo standard WLTP) [3].
La Hyundai introdusse la Tucson nel 2013, seguita nel 2018 dalla Nexo che con un pieno di idrogeno di 6.3kg è in grado di percorrere oltre 609km (secondo prove svolte dalle autorità coreane) [4], quindi un’autonomia simile a quella di vetture con motore a combustione interna.
Il problema delle infrastrutture
Per rendere la propulsione ad idrogeno realmente fruibile è necessario aiutare la generazione dell’offerta, risolvendo in primis i problemi infrastrutturali legati alle reti per la distribuzione ed alla disponibilità delle stazioni di servizio.
Da questo punto di vista l’Europa si sta muovendo sia sollecitando la realizzazione di hub con cui iniziare il processo di espansione infrastrutturale, sia supportando la realizzazione di elettrolizzatori con lo scopo di produrre fino a 10 milioni di tonnellate di idrogeno in Europa entro il 2030 [1].
Questi aspetti contribuiscono a definire il costo dell’idrogeno (€/kg) che è un parametro di estrema importanza nel calcolo del Total-Cost-of-Ownership (TCO).
Come già accennato nel confronto con BEV e puntando l’attenzione sulla fruibilità delle celle a combustibile, un parametro di estrema importanza è il costo per kW a livello di sistema.
Il Department Of Energy (DOE) degli Stati Uniti in [5] riporta il target che ha fissato per questo parametro al 2030 ed evidenzia che il costo a livello di sistema è diminuito del 70% dal 2008 al 2020 grazie alla riduzione dell’uso di platino, all’ottimizzazione del design e dei componenti del BoP (Balance-of-Plant) , di cui vedremo in seguito il principio di funzionamento, e all’introduzione di processi di produzione innovativi.
Viene anche illustrato il grande effetto dei volumi di produzione che può abbattere il costo fino a circa 80$/kW nel 2030 nel caso della produzione di 100.000 celle a combustibile all’anno.
Ne discende che per i costruttori è importante sia continuare a ridurre il costo del prodotto, sia creare partnership che hanno lo scopo di aumentare i volumi venduti integrando la stessa cella a combustibile in diverse applicazioni.
La figura 1 illustra le varie applicazioni che già oggi si possono trovare sul mercato (carrelli elevatori, autobus, treni e van per il trasporto merci) e prevede che, nello scenario ambizioso, entro il 2025 molte delle applicazioni a celle a combustibile raggiungeranno una penetrazione dell’uno percento nel loro segmento, iniziando la crescita dei volumi di produzione necessaria per ottenere le economie di scala.
La cella a combustibile, illustrata in figura 2, è un dispositivo elettrochimico che converte l’energia chimica di un combustibile e di un ossidante (idrogeno e ossigeno per esempio) in energia elettrica (nella forma di corrente continua) e calore; la reazione chimica non avviene tramite combustione e produce acqua, che si troverà allo scarico. Come illustrato in figura, a differenza delle batterie le celle a combustibile utilizzano combustibile ed ossidante presenti all’esterno della cella che vengono trasferiti nella cella man mano che vengono consumati.
La tecnologia di cella a combustibile più utilizzata in ambito automotive è la PEM (Polymer Electrolyte Membrane) che è caratterizzata dall’uso di una membrana a scambio protonico, da una temperatura operativa inferiore ai 100°C, ha dimensioni limitate, efficienza relativamente elevata ed ha la capacità di rispondere in tempi relativamente brevi ai transitori di carico.
Il sistema cella a combustibile è costituito dallo stack e dai cosiddetti componenti del BoP, come illustrato in figura 3. La singola cella a combustibile PEM fornisce una tensione tra 0.5 e 1V; pertanto, le singole celle vanno assemblate ottenendo lo stack, al fine di generare la tensione desiderata. Per permettere alla cella a combustibile di funzionare correttamente è necessario alimentare il catodo con aria umidificata e compressa, l’anodo viene alimentato mediante idrogeno in pressione e la gestione termica dello stack è realizzata mediante un sistema di raffreddamento dedicato. Alcuni dei componenti che svolgono queste funzioni costituiscono il BoP.
Il sistema di motopropulsione di un veicolo a celle di combustibile (FCEV) è tipicamente costituto da un sistema di generazione di energia elettrica dato dalla cella stessa, una batteria ad alto voltaggio (HV) e da uno o più motori elettrici in grado di generare la coppia meccanica necessaria al moto del veicolo [7], come illustrato in figura 4. Pertanto l’architettura di un veicolo con propulsione a idrogeno mediante celle è molto simile a quella di un veicolo BEV con l’aggiunta della cella a combustibile.
Il trasferimento di energia tra questi sottosistemi avviene tramite un sistema di cavi ad alto voltaggio (massimo 800V) in tensione continua connessi ad una scatola di derivazione centrale (DC link).
La scelta di una tensione elevata consente di ottimizzare la densità di potenza trasferita a pari sezione dei cavi elettrici, consentendo di minimizzare costo e peso; questa è l’evoluzione tecnologica per le recenti applicazioni a partire dagli Heavy Duty.
L’adeguamento della tensione generata dal sistema a cella a combustibile a quella scelta per il collegamento dei componenti all’interno dell’architettura elettrica avviene tramite un convertitore DC/DC.
Un ulteriore convertitore DC/DC può essere opzionalmente inserito tra la batteria ad alto voltaggio e il sistema di cavi ad alta tensione, per offrire un grado di libertà ulteriore al progettista, svincolando la tensione di sistema da quella presente tra i poli della batteria.
Un inverter provvede infine a trasformare la tensione continua in tensione alternata per ciascun motore elettrico e di controllarne la potenza erogata.
La scelta di dimensionamento dei componenti ricade spesso su di un sistema “bilanciato” in cui la potenza della cella a combustibile viene utilizzata per soddisfare la richiesta media del veicolo, mentre la differenza di potenza necessaria per erogare le richieste istantanee viene erogata da una batteria ad alto voltaggio di capacità contenuta.
Tale soluzione consente di ottimizzare costo e peso del sistema di propulsione e al contempo di utilizzate ciascun sottosistema in un modo che ne massimizzi la vita utile.
Per effettuare un appropriato dimensionamento del sistema di propulsione di un veicolo a cella a combustibile, PUNCH ha sviluppato una metodologia di simulazione che è in grado di prevederne il funzionamento al variare del ciclo di guida, noto il carico strada e il carico accessori dell’applicazione di riferimento.
Durante la fase di sviluppo il modello utilizza strategie di controllo in grado di evidenziare il comportamento dinamico di ogni sottosistema suggerendo eventuali adeguamenti di dimensionamento.
La simulazione, inoltre, permette di valutare in modo rapido i consumi del veicolo e di stimare la vita utile dei sottosistemi in base alle diverse scelte progettuali e di controllo. Il modello infine costituisce una vera a propria copia virtuale del sistema di motopropulsione (“digital twin”) che viene utilizzato per accelerare le fasi dello sviluppo funzionale e della calibrazione, affiancandosi alla sperimentazione su banco prova o su veicolo.
Il sistema di controllo di un motopropulsore a celle di combustibile svolge numerosi compiti atti a garantire il funzionamento corretto/ottimo dell’intera architettura: gestione della cella a combustibile e di tutti i componenti del motopropulsore per seguire la richiesta del pedale acceleratore e le richieste di conditioning di veicolo, con conseguente ottimizzazione della selezione della sorgente di energia (tra cella a combustibile e batteria) per la massimizzazione dell’efficienza di funzionamento del sistema e della sua durata;
∙ ottimizzazione delle temperature di funzionamento dei diversi componenti e dei flussi energetici termici al fine di massimizzare il rendimento del sistema;
∙ gestione della strategia di diagnosi e delle operazioni inerenti alla sicurezza, quando necessario.
Lo sviluppo del motopropulsore con cella a combustibile e del sistema di controllo viene svolto in PUNCH utilizzando un banco prova appositamente realizzato per analizzarne il funzionamento come se fosse inserito all’interno di un veicolo e simulandone il comportamento stradale, per un ampio range di applicazioni fino a quelle ferroviarie.
Le prime applicazioni in studio sono quelle Heavy Duty.
Il banco prova, illustrato in figura 5, include il completo sistema in alta tensione, fornisce l’alimentazione di idrogeno al modulo cella a combustibile in condizioni di pressione pari alle linee di distribuzione presenti nel veicolo e riproduce anche le condizioni di scambio termico per ciascun sottocomponente.
Per svolgere correttamente quest’ultimo compito, il banco è equipaggiato con un sistema che emula il circuito di raffreddamento di un motopropulsore a celle a combustibile.
Sono presenti tre circuiti: il primo, ad alta temperatura, è utilizzato per il raffreddamento della stack della cella a combustibile; il secondo, a media temperatura, è utilizzato per il raffreddamento delle elettroniche di potenza, dei motori e degli ausiliari della cella a combustibile; il terzo, a bassa temperatura, è utilizzato per il raffreddamento della batteria principale.
Questi circuiti possono essere gestiti in maniera attiva per realizzare una gestione ottima delle varie fonti e pozzi di calore, al fine di incrementare il rendimento dell’intero sistema.
Quest’ultima funzionalità risulta particolarmente efficace a basse temperature ambiente, quando grandi quantità di energia sono richieste per il riscaldamento di componenti hardware (batteria) e dell’abitacolo veicolo.
L’integrazione di un sistema di motopropulsione a cella a combustibile all’interno di un veicolo prevede l’alloggiamento dei componenti principali del sistema (cella a combustibile, motore elettrico, batteria, convertitori di tensione) e lo studio di un adeguato percorso dei cavi di alta tensione. Il sistema di raffreddamento viene poi integrato predisponendo radiatori dedicati ad ogni diverso circuito.
L’alimentazione di idrogeno infine è garantita da un sistema di serbatoi in alta pressione rinforzati con fibra di carbonio (attualmente lo standard sta convergendo a 700 bar per massimizzare la densità di energia) e regolata al livello richiesto dal modulo a cella a combustibile da apposite valvole regolatrici di pressione.
La sicurezza del sistema di stoccaggio e distribuzione dell’idrogeno è garantita mediante la verifica di stringenti requisiti di resistenza dei serbatoi, anche in caso di impatto, dalla presenza di valvole regolatrici e limitatrici di pressione, dal continuo monitoraggio della concentrazione di idrogeno nei diversi vani del veicolo mediante sensori dedicati e capace di individuare perdite anche di minima entità. La progettazione segue severi standard di regolamentazione, inclusa la norma UN R134 che disciplina i veicoli alimentati ad idrogeno.
Tornando all’ambito economico, per valutare il grado di accettazione nel mercato di questa tecnologia è necessario passare all’analisi del TCO ed in particolare al confronto economico tra il motopropulsore a celle a combustibile e quello solamente a batterie, includendo motori elettrici, batterie, cella a combustibile, serbatoi, elettroniche di potenza e sistemi di controllo.
Inoltre, è necessario valutare i costi variabili legati sia alle sorgenti di energia (elettricità per BEV e idrogeno per cella a combustibile), i costi variabili legati alle operazioni di manutenzione (ordinaria e straordinaria) e le tasse.
In aggiunta a questi elementi bisogna considerare anche la componente di “markup” del costruttore che, tra le altre cose, copre i costi di sviluppo e il guadagno.
Ovviamente bisogna tener presente che questi costi sono variabili nel tempo (per esempio, il costo di batterie, idrogeno e celle a combustibile diminuisce nel tempo).
Infine, bisognerebbe valutare anche il costo dell’istallazione dell’eventuale rete di distribuzione/rifornimento/ricarica (se non presente).
Nella figura 6 sono riportate le curve del TCO per un esempio di applicazione autobus urbano lungo 12 metri, considerando 10 anni di utilizzo del mezzo.
Per ognuno dei tre anni di riferimento, si considera la somma tra costi fissi, costi variabili, markup e costi di gestione.
Per il caso celle a combustibile (FC – curve verdi) si considerano due opzioni: costo H2 6.8 €/kg (curva piena) e 3.5 €/kg (curva tratteggiata).
Mentre per il caso a batteria (BEV – curve rosse) si considera l’opzione di costo elettricità di 0.4 €/kWh (curva piena) e di 0.17 €/kWh (curva tratteggiata).
La figura 6 mette in evidenza come, al variare del costo della sola sorgente energetica, il TCO di ognuna delle due applicazioni celle a combustibile e BEV si modifichi di conseguenza, muovendosi all’interno dell’aria spazzata tra le rispettive curve piene e tratteggiate.
Ad esempio, considerando il caso di costo H2 a 6.8 €/kg e costo energia elettrica a 0.4 €/kWh, le curve della soluzione a celle a combustibile e di quella BEV si incrociano a partire dal 2030, evidenziando come la soluzione a celle a combustibile potrebbe diventare più conveniente della soluzione BEV a partire da quell’anno.
Invece, se considerassimo il caso di 3.5 €/kg per costo H2 e 0.4 €/kWh per costo elettricità, l’anno di pareggio tra celle a combustibile e BEV si sposterebbe al 2024.
È inoltre da notare che a parità di TCO la soluzione con celle a combustibile offre ulteriori vantaggi (tempo di ricarica veloce, maggiore carico utile disponibile, ecc.) anch’essi a loro volta quantificatili in ulteriori benefici economici.
Di conseguenza, la migliore soluzione potrebbe essere il motopropulsore a cella a combustibile o quello a batteria, in funzione delle condizioni economiche a contorno dell’analisi effettuata.
Concludendo, l’analisi illustra che per rendere finanziariamente conveniente l’applicazione delle celle a combustibile in una determinata tipologia di autobus, così come in altri ambiti, potrebbe esser necessario attendere alcuni anni (in alcuni casi pochi).
Anche per questo motivo il motore a combustione interna ad idrogeno [2] può essere considerato un’ottima soluzione per soddisfare la richiesta di azzerare le emissioni carboniche in brevissimo tempo, nell’attesa che il costo delle celle a combustibile si riduca grazie all’aumento dei volumi di vendita.
Infine, questo ultimo aspetto rende evidente l’importanza di svolgere sia attività di R&D, finalizzata alla riduzione del costo del sistema cella a combustibile, sia attività di integrazione di celle a combustibili disponibili sul mercato in applicazioni differenti per poter aumentare i volumi produttivi e quindi realizzare economie di scala.
Bibliografia
[1] Eurorean Commission, Una strategia per l’idrogeno per un’Europa climaticamente neutra, Luglio 2020.
[2] Motori a combustione interna a idrogeno ed e-fuels, R. Golisano, A. Vassallo, Auto Tecnica, n. 462, Febbraio 2021, pag. 74-79.
[3] Toyota’s Strategy for Fuel Cell Technology and the Progress in the Second Generation Mirai, K. Yoshida, T. Takahashi, H. Imanishi, T. Paquet, K. Hioki, T. Hayashi, 30th Aachen Colloquium Sustainable Mobility, 2021.
[4] FCEV Development History at a Glance, HyundaiMotorGroup.com.
[5] Dimitrios Papageorgopoulos, Fuel Cell Technologies Overview, 2021 Annual Merit Review and Peer Evaluation Meeting, US Dept of Energy.
[6] Hydrogen Roadmap Europe, A Sustainable Pathway for the European Energy Transition, Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking, 2019.
[7] Electric Powertrain, J.G. Hayes, G.A. Goodarzi, Wiley, 2018.
