Applicazioni Pratiche delle Celle a Combustibile a Membrana a Scambio Protonico

Sin dalla nascita delle celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) negli anni ’50, gli scienziati di tutto il mondo non hanno mai cessato le loro ricerche approfondite su queste tecnologie. Ciò ha portato a significativi progressi in termini di prestazioni, durata e costo, risultando nella loro vasta applicazione nei settori dei trasporti, delle fonti di energia portatili e della generazione di energia distribuita, promuovendo gradualmente la commercializzazione delle PEMFC.

A partire dal 9 gennaio 2024, GLOBE NEWSWIRE (Market.us) ha riportato che il mercato della produzione di idrogeno ha raggiunto i 177 miliardi di dollari nel 2023 e si prevede che cresca significativamente, raggiungendo i 489,2 miliardi di dollari entro il 2033. Dal 2024 al 2033, questo mercato dovrebbe sperimentare il più alto tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 10,7%. Il mercato dell’idrogeno qui si riferisce alle industrie coinvolte nella produzione, stoccaggio e distribuzione dell’idrogeno.

L’idrogeno ha un potenziale nell’energia pulita, specialmente quando viene utilizzato come combustibile per le celle a combustibile e come materia prima nei processi industriali, il che può ridurre le emissioni di gas serra. Pertanto, la domanda di idrogeno è in aumento. Nelle celle a combustibile, le celle a combustibile a membrana a scambio protonico hanno molte caratteristiche che le rendono ampiamente utilizzate nei veicoli elettrici, nelle navette spaziali, nei sottomarini, nei sistemi di comunicazione, nelle centrali elettriche di piccole e medie dimensioni, negli alimentatori domestici e in altri luoghi che richiedono fonti di energia mobili. Successivamente, introdurremo le applicazioni pratiche delle celle a combustibile a membrana a scambio protonico nei campi dei veicoli a celle a combustibile, dei tram a celle a combustibile e delle navi a celle a combustibile.

Veicoli Elettrici a Celle a Combustibile (FCEV)

Già nel 1966, General Motors sviluppò il primo veicolo stradale a celle a combustibile al mondo, chiamato Chevrolet Electrovan. Questo veicolo utilizzava una cella a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) come fonte di energia, con una potenza di uscita di 5 kW, un’autonomia di 193 km e una velocità massima di 113 km/h.

Successivamente, paesi come gli Stati Uniti, l’Unione Europea, il Giappone, la Corea del Sud e la Cina hanno investito notevoli fondi e risorse umane per promuovere la ricerca sui veicoli a celle a combustibile. Aziende come General Motors, Ford, Toyota, Honda e Mercedes-Benz hanno sviluppato successivamente veicoli a celle a combustibile. Ad esempio:

General Motors (GM): Ha sviluppato un veicolo a celle a combustibile basato sulla piattaforma del SUV Equinox, presentato nel 2007 e utilizzato principalmente per progetti dimostrativi e di test.

Ford: Ha sviluppato un veicolo a celle a combustibile basato sulla Ford Focus, testato e utilizzato in progetti dimostrativi nei primi anni 2000.

Toyota: Ha lanciato il primo veicolo a celle a combustibile prodotto in serie e disponibile commercialmente nel 2014. La seconda generazione di Mirai, rilasciata nel 2021, presenta prestazioni superiori e un’autonomia maggiore.

Honda: Ha rilasciato un veicolo a celle a combustibile nel 2008, diventando il primo ad essere offerto ai consumatori ordinari con un contratto di leasing. Il modello di terza generazione, rilasciato nel 2015, ha visto miglioramenti nell’autonomia e nella tecnologia.

I principali produttori di automobili hanno compiuto significativi progressi nel campo dei veicoli a celle a combustibile, introducendo una serie di modelli innovativi. Questi modelli non solo rappresentano la traiettoria di sviluppo della tecnologia delle celle a combustibile, ma pongono anche le basi per la promozione del mercato.

Per comprendere meglio lo stato attuale di questo settore, possiamo esaminare i dati più recenti per avere un quadro più chiaro. Alla fine del 2023, il numero totale di veicoli a celle a combustibile ha superato gli 82.000, con un aumento del 21,4% rispetto all’anno precedente. La Corea del Sud continua a essere in testa con un totale cumulativo di 34.000 veicoli a celle a combustibile. La Cina si classifica seconda a livello globale, con più di 18.000 veicoli a celle a combustibile, superando gli Stati Uniti. Solo nel 2023, la Cina ha aggiunto quasi 6.000 veicoli, il più alto aumento a livello globale. Il Giappone e la Germania hanno rispettivamente oltre 8.500 e 2.900 veicoli a celle a combustibile. Per quanto riguarda le infrastrutture essenziali, la costruzione di stazioni di rifornimento di idrogeno nei principali paesi e regioni del mondo è progredita costantemente. Alla fine del 2023, c’erano 930 stazioni di rifornimento di idrogeno operative a livello globale, con un aumento del 12,2% rispetto all’anno precedente. L’Europa e il Nord America avevano rispettivamente 188 e 65 stazioni, mentre il Sud-Est asiatico ne aveva 650. (Questi dati sono tratti da statistiche ufficiali pubblicate dai vari paesi e si accettano correzioni in caso di errori).

I dati indicano che il numero di veicoli a celle a combustibile e le stazioni di rifornimento di idrogeno a livello mondiale continuano a crescere, riflettendo l’importanza e gli investimenti che vari paesi attribuiscono a questo settore. Sebbene la domanda attuale di veicoli a celle a combustibile a idrogeno sia limitata, si prevede che il mercato vedrà uno sviluppo maggiore in futuro con l’aumento della produzione e il continuo miglioramento della rete di stazioni di rifornimento di idrogeno.

Trasporto Ferroviario a Celle a Combustibile a Idrogeno

Oltre ai veicoli a celle a combustibile, l’applicazione della tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno nel trasporto ferroviario ha fatto significativi progressi. Nel 2017, Alstom in Francia ha promosso il treno a celle a combustibile a idrogeno, che ha aumentato la velocità fino a 140 km/h e ha raggiunto un’autonomia di 600-800 km. Da metà giugno fino alla fine di settembre 2023, Alstom ha trasportato oltre 10.000 passeggeri, effettuato più di 130 viaggi e coperto una distanza di 10.660 chilometri in un progetto dimostrativo. Questo progetto ha utilizzato treni alimentati a idrogeno verde, risparmiando circa 8.400 litri di diesel ed evitando 22 tonnellate di emissioni di CO2 durante il periodo di prova.

Recentemente, nel luglio 2024, il tram intelligente a idrogeno sviluppato autonomamente dal CRRC Zhuzhou Institute in Cina è stato messo in produzione a Yibin, Sichuan, e si prevede che entrerà in uso ad agosto. Questo tram è il primo nuovo tipo di apparecchiatura di trasporto ferroviario verde sviluppata indipendentemente al mondo che combina i vantaggi del trasporto ferroviario e stradale. Il tram intelligente utilizza tecnologie innovative di guida autonoma e di seguimento dei binari, caratterizzandosi per un basso investimento infrastrutturale, cicli di costruzione brevi, pianificazione flessibile, basse emissioni di carbonio, rispetto dell’ambiente e convenienza intelligente. In termini di efficienza operativa, utilizza un sistema di stoccaggio dell’idrogeno da 35 MPa e un sistema di celle a combustibile ad alta potenza, caratterizzati da un’elevata efficienza di conversione energetica e un rapido rifornimento di idrogeno, migliorando significativamente l’efficienza operativa del veicolo. Per quanto riguarda l’autonomia, il tram intelligente a idrogeno ha un’autonomia più lunga. Un singolo rifornimento di idrogeno può garantire che il tram percorra oltre 200 chilometri, soddisfacendo le esigenze operative a lunga distanza del trasporto pubblico urbano. Fornisce una soluzione innovativa di sistema di trasporto ferroviario di media e bassa capacità che bilancia i vantaggi di capacità e costo per il trasporto urbano.

Inoltre, l’applicazione della tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno nei tram sta diventando sempre più matura negli Stati Uniti, in Giappone, in Spagna e in Francia. Nel 2022, il mercato globale dei treni a celle a combustibile a idrogeno è stato valutato a 1,45098 miliardi di dollari. Gli esperti sottolineano che entro il 2030, questo valore di mercato dovrebbe superare i 3,4 miliardi di dollari, crescendo a un tasso di crescita annuale composto dell’11,5%.

Energia per Navi a Celle a Combustibile

In risposta alle crescenti pressioni ambientali e alla visione del picco di carbonio e della neutralità carbonica, l’industria navale sta accelerando la sua esplorazione di combustibili alternativi per le navi. Secondo un recente white paper dell’American Bureau of Shipping (ABS), il gas naturale liquefatto (GNL), come combustibile a basso contenuto di carbonio relativamente maturo, è stato promosso e applicato nel settore marittimo. Energie pulite come metanolo, idrogeno e ammoniaca stanno emergendo come “combustibili marini” e le navi alimentate principalmente da questi combustibili stanno gradualmente diventando importanti mezzi per raggiungere gli obiettivi di zero emissioni di carbonio nell’industria dello shipping.

Paesi e regioni come l’Europa, gli Stati Uniti, il Giappone e la Corea del Sud hanno preso un vantaggio precoce nella ricerca e nel design delle celle a combustibile marine. Attualmente, sono all’avanguardia nelle applicazioni e promozioni ingegneristiche, con molte applicazioni e progetti dimostrativi che coinvolgono sistemi di propulsione a celle a combustibile per uso marino.

Nel 2008, l’Alsterwasser, una nave passeggeri con una cella a combustibile a membrana a scambio protonico da 48kW lanciata dal progetto Zemships della Germania, ha ufficialmente iniziato le operazioni sul fiume Alster, diventando la prima nave passeggeri a propulsione elettrica con celle a combustibile al mondo in operazione.

Il progetto dimostrativo del sistema marino a celle a combustibile “FellowSHIP”, finanziato dalla Norvegia, ha introdotto nel 2009 la Viking Lady, una nave di rifornimento offshore dotata di un sistema di alimentazione a celle a combustibile da 320kW. Questa nave, sviluppata in collaborazione con diverse società di classificazione e aziende europee, è stata la prima nave operativa al mondo a utilizzare la tecnologia delle celle a combustibile per la generazione di energia a bordo.

Nel 2017, l’Energy Observer, sviluppato in Francia, è stato lanciato e ha iniziato il suo viaggio globale. La cella a combustibile di questa nave utilizza idrogeno prodotto da un sistema di elettrolisi alimentato da energia solare ed eolica, immagazzinato in serbatoi. Il sistema a celle a combustibile a idrogeno alimenta la nave durante il tempo nuvoloso, la notte e le fasi iniziali di lunghi viaggi, rendendola la prima nave al mondo in grado di produrre il proprio idrogeno.

Nel 2018, la canadese Ballard Power Systems ha annunciato lo sviluppo di sistemi a celle a combustibile a membrana a scambio protonico di classe megawatt (MW) per applicazioni marine, concentrandosi sulle navi da crociera. Il piano è fornire energia quando le navi da crociera sono attraccate nei porti o servire come principale fonte di propulsione quando operano in mare.

Nel 2024, Advent Technologies e Siemens Energy hanno firmato un accordo di sviluppo congiunto (JDA) per integrare il modulo a membrana a scambio protonico ad alta temperatura (HT-PEM) da 50kW di Advent, basato sulla tecnologia dell’assemblaggio di elettrodi a coppia ionica (MEA), con le soluzioni di elettrificazione e automazione marine ibride ed elettriche di Siemens Energy. L’obiettivo è sviluppare una soluzione integrata di classe 500kW per applicazioni marittime, che vanno dagli yacht a motore e mega yacht ai traghetti e alle navi portacontainer/commerciali.

Riepilogo

Le sezioni sopra riportate dettagliano le applicazioni commerciali pratiche delle celle a combustibile a membrana a scambio protonico in tre aree principali: veicoli a celle a combustibile, treni a celle a combustibile e energia per navi a celle a combustibile. Man mano che la tecnologia delle celle a combustibile a membrana a scambio protonico continua a svilupparsi, si prevede che raggiungerà una commercializzazione su larga scala e realizzerà la visione della neutralità carbonica in futuro.