Le celle a combustibile a idrogeno riducono le emissioni CO₂

Elettrificazione dei veicoli commerciali con celle a combustibile a idrogeno

Le infrastrutture marittime e di spedizione sono fonti significative di emissioni di gas serra (GHG). Secondo International Maritime Organization, il trasporto marittimo crea oltre 900 milioni di tonnellate di CO₂ annualmente. Le economie globali si affidano al trasporto marittimo per portare i propri prodotti al consumatore, con fino al 90% di tutte le merci straniere che transitano attraverso i porti su navi portacontainer, ma il tributo sull’ambiente è notevole. Coloro che vivono vicino a porti marittimi trafficati sono esposti a livelli pericolosi di inquinamento atmosferico causati dalle emissioni dei motori diesel dei veicoli commerciali nel porto.

Ad esempio, i grandi veicoli industriali chiamati movimentatori di container caricano e scaricano i container dalle navi portacontainer. Ciascun movimentatore di container emette fino a 144 tonnellate di CO2₂ all’anno e un grande porto può avere centinaia di queste macchine in loco. Sostituire il motore diesel di un solo trasportatore di container con un’alternativa ecologica avrebbe lo stesso effetto che rimuovere 32 autovetture a gas dalle nostre strade.

Dalle autovetture ai camion a lungo raggio, alle locomotive e alle attrezzature pesanti, i motori a combustione interna (ICE) vengono sostituiti con alternative più ecologiche. I veicoli elettrici alimentati a batteria hanno catturato gran parte dell’attenzione, con un numero crescente di opzioni a disposizione dei consumatori sia in termini di modelli di auto che di punti di ricarica. Ma nei porti, gli ICE sono motori diesel di veicoli industriali pesanti come camion, carrelli elevatori e movimentatori di container. Per molte di queste operazioni le batterie e le necessarie infrastrutture di ricarica non funzionano.

È qui che le celle a combustibile possono aiutare.

Un tipico porto emette oltre 110.000 tonnellate di anidride carbonica all’anno.

Abilitazione dell'elettrificazione

Le celle a combustibile sono particolarmente adatte per luoghi con attrezzature pesanti che devono funzionare per lunghi turni con tempi di inattività minimi per il rifornimento. Ricaricare una cella a combustibile a idrogeno richiede circa lo stesso tempo necessario per riempire un serbatoio di gas di dimensioni simili, mentre ricaricare una batteria per veicoli elettrici pesanti richiederebbe ore. Le celle a combustibile offrono la densità di potenza e l'autonomia necessarie affinché il veicolo possa affrontare un turno di 8 ore. Una società che si concentra sulla tecnologia delle celle a combustibile per veicoli commerciali è Nuvera.

‘Le celle a combustibile sono migliori delle batterie ogni volta che è richiesta una lunga autonomia o quando la ricarica della batteria richiede troppo tempo, il che le rende adatte per barche, aerei, camion, autobus e veicoli di risposta alle emergenze”, afferma Gus Block, dipendente fondatore e direttore di Nuvera Fuel Cells.

“Sono necessari anche quando le batterie sono troppo grandi per essere installate su un veicolo o così pesanti da compromettere il carico utile”, afferma Block. “Ad esempio, la batteria necessaria per il movimentatore elettrico di container avrebbe le dimensioni di un piccolo elefante”.

Uno dei motori a celle a combustibile della serie E di Nuvera. Credito immagine: celle a combustibile Nuvera.

Un'alternativa elettrica che non richiede ricarica

Una cella a combustibile non produce alcun tipo di scarico oltre a calore e acqua. Senza parti mobili, il suo design è semplice in linea di principio: una membrana è inserita tra due elettrodi. Quando l'idrogeno incontra l'anodo, viene diviso in un protone e un elettrone. Il protone attraversa la membrana fino al catodo, dove incontra l'ossigeno. L'elettrone compie un percorso più lungo tra gli elettrodi, viaggiando attraverso un circuito elettrico. Il flusso di elettroni crea la potenza per il motore. Al catodo, i protoni, gli elettroni e l'ossigeno si combinano per formare acqua.

L'utilizzo della modellazione e della simulazione in tempo reale consente agli ingegneri di Nuvera di ripetere rapidamente la progettazione e consente la sperimentazione senza mettere a rischio un motore reale.

La scienza è semplice, ma perfezionare la ricetta per una fonte di energia ad alte prestazioni è difficile. Molti fattori governano le molteplici reazioni all’interno di una cella a combustibile e un sistema di controllo software deve tenerne conto tutti per ottenere la massima potenza ed efficienza dal dispositivo. Il sistema di controllo apporta correzioni costanti in base al feedback.

“Una delle maggiori sfide progettuali è mantenere la corretta idratazione delle cellule”, afferma Pierre-François Quet, ingegnere capo di Nuvera. “Non c'è abbastanza acqua e i protoni non passano; troppo grandi e le cellule si allagano”.

Il loro sistema gestisce l'idratazione modificando la temperatura del liquido di raffreddamento e manipolando il flusso d'aria per aumentare o diminuire l'evaporazione. Per progettare il software che controlla il motore a celle a combustibile, che in genere comprende centinaia di celle a combustibile impilate insieme con il refrigerante che scorre tra di loro, oltre a una pompa del liquido di raffreddamento e un compressore d'aria, Nuvera utilizza MATLAB^® e Simulink^®. In Simulink è implementato anche un modello di impianto del motore a celle a combustibile, che comprende equazioni che governano le reazioni elettriche e chimiche, nonché le temperature e le pressioni di acqua, gas e refrigerante, afferma Quet. Con questa simulazione in atto, Nuvera scrive algoritmi per perfezionare aspetti come il flusso del refrigerante al fine di ottenere le migliori prestazioni. Una volta finalizzato l'algoritmo, Simulink lo traduce in codice che verrà eseguito su un processore incorporato nel vero motore a celle a combustibile.

Movimentatore di container con caricamento dall'alto in una banchina che rimuove due container di spedizione molto grandi da una pila di container.

Movimentatore di container con caricamento dall’alto di Hyster®. Credito immagine: gruppo Hyster-Yale.

Gli algoritmi di controllo tengono conto anche di molte condizioni operative. Nella simulazione, Nuvera testa il sistema a temperature ambiente basse e elevate e in ambienti con umidità bassa e elevata.

Per sperimentare i propri algoritmi in un ambiente più realistico, Nuvera esegue test Hardware-in-the-loop: Si caricano il modello del motore su un computer personalizzato realizzato da Speedgoat che è progettato per avere gli stessi input e output del motore fisico e può simularne il funzionamento in tempo reale. Lo stesso computer integrato che fa funzionare il motore a celle a combustibile è collegato alla scatola Speedgoat ed è programmato dal codice C generato da Simulink.

Questa configurazione aggiunge rigore consentendo agli ingegneri di Nuvera di ripetere rapidamente il loro progetto. Consente inoltre di sperimentare senza mettere a rischio un motore reale.

Un diverso tipo di ibrido

Praticamente tutti i veicoli a celle a combustibile sono elettricamente ibridi, alimentati sia da celle a combustibile che da batterie. In alcuni casi, le celle a combustibile forniscono una carica di mantenimento per mantenere carica la batteria, mentre in altre configurazioni sia la cella a combustibile che la batteria alimentano i motori attraverso un bus elettrico. Le batterie vengono utilizzate anche per assorbire l'energia rigenerata di un veicolo, ad esempio quando un carrello elevatore frena o abbassa un carico.

Il team di Quet ha dovuto innanzitutto costruire un modello della batteria agli ioni di litio in Simulink, sulla base dei dati forniti dal produttore e raccolti internamente. Hanno anche scritto algoritmi in grado di stimare lo stato di carica della batteria in base a elementi che potevano misurare: tensione e corrente. Hanno quindi utilizzato Simulink per programmare l'algoritmo di controllo. Il sistema deve mantenere un livello ideale di carica della batteria, in modo che ci sia sempre energia sufficiente per il carico di picco e capacità sufficiente per riassorbire energia. Il team Nuvera ha inoltre progettato la dimensione ottimale per vari componenti del sistema testando gli algoritmi in una serie di scenari simulati di carrelli elevatori e carichi.

Il meglio di entrambi i mondi

Le celle a combustibile condividono i punti di forza sia delle batterie che degli ICE. Come le batterie, sono scalabili e silenziose e non producono emissioni nocive. Ma i veicoli a celle a combustibile offrono anche la lunga autonomia e i tempi di rifornimento rapidi tipici dei veicoli ICE alimentati a benzina e diesel. L'idrogeno può essere immagazzinato sotto pressione in un serbatoio del carburante che gli consente di contenere molta più energia di una batteria delle stesse dimensioni, quindi invece di fermarsi per ricaricare o sostituire una batteria, è possibile utilizzare il veicolo per un tempo pari o superiore a un veicolo equvalente alimentato da batteria e dedicare alcuni minuti a riempire il serbatoio del carburante.

Un utilizzo dei motori a celle a combustibile di Nuvera è nei carrelli elevatori realizzati dalla società madre, Hyster-Yale Group. Nuvera ha anche integrato due dei suoi motori a celle a combustibile E-45 in un movimentatore di container Hyster^® che verrà utilizzato nel porto di Los Angeles, simile al modello mostrato nella fotografia. Sostituendo il motore diesel con una trasmissione elettrica alimentata da celle a combustibile solo in questo veicolo, si potrebbe evitare l’emissione di 128 tonnellate di CO₂ ogni anno. I motori diesel dei veicoli commerciali e industriali sono una fonte di emissioni di carbonio e di inquinanti che riducono la qualità dell’aria. Nuvera collabora con altri produttori per utilizzare le celle a combustibile per elettrificare autobus, treni e veicoli speciali per contribuire a ridurre significativamente le loro emissioni.

Uomo che guida il carrello elevatore e preleva il carico presso una banchina di carico.

Carrello elevatore Hyster®alimentato a celle a combustibile. Credito immagine: gruppo Hyster-Yale.

Le celle a combustibile sono scalabili e silenziose, non producono emissioni nocive e offrono la lunga autonomia e i brevi tempi di inattività tipici dei veicoli ICE alimentati a benzina e diesel.