Dalla nascita delle celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) negli anni '1950, gli scienziati di tutto il mondo non hanno mai smesso di approfondire la ricerca su queste tecnologie. Ciò ha portato a significativi progressi in termini di prestazioni, durata e costi, favorendo la loro ampia applicazione nei trasporti, nelle fonti di energia portatili e nella generazione di energia distribuita, promuovendo gradualmente la commercializzazione delle PEMFC.
Secondo quanto riportato da GLOBE NEWSWIRE (Market.us) il 9 gennaio 2024, il mercato della produzione di idrogeno ha raggiunto i 177 miliardi di dollari nel 2023 e si prevede una crescita significativa, fino a raggiungere i 489.2 miliardi di dollari entro il 2033. Dal 2024 al 2033, si prevede che questo mercato registrerà il più alto tasso di crescita annuo composto (CAGR), pari al 10.7%. Il mercato dell'idrogeno qui descritto comprende le industrie coinvolte nella produzione, nello stoccaggio e nella distribuzione dell'idrogeno.
L'idrogeno ha un grande potenziale nel campo delle energie pulite, soprattutto se utilizzato come combustibile per le celle a combustibile e come materia prima nei processi industriali, contribuendo così a ridurre le emissioni di gas serra. Di conseguenza, la domanda di idrogeno è in costante aumento. Tra le celle a combustibile, le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PMEM) presentano numerose caratteristiche che ne facilitano l'impiego in veicoli elettrici, navette spaziali, sottomarini, sistemi di comunicazione, centrali elettriche di piccole e medie dimensioni, sistemi di alimentazione domestica e altri ambiti che richiedono fonti di energia mobili. Di seguito, illustreremo le applicazioni pratiche delle celle a combustibile a membrana a scambio protonico nei settori dei veicoli a celle a combustibile, dei tram a celle a combustibile e delle navi alimentate a celle a combustibile.
Veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV)
Già nel 1966, la General Motors sviluppò il primo veicolo stradale al mondo alimentato a celle a combustibile, denominato Chevrolet Electrovan. Questo veicolo utilizzava una cella a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) come fonte di energia, con una potenza 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 ingenti 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 nel tempo veicoli a celle a combustibile. Ad esempio:
Motori Generali (GM): Abbiamo sviluppato un veicolo a celle a combustibile basato sulla piattaforma del SUV Equinox, che ha debuttato nel 2007 ed è stato utilizzato principalmente per progetti dimostrativi e di collaudo.
Ford: Ho sviluppato un veicolo a celle a combustibile basato sulla Ford Focus, che è stato testato e utilizzato in progetti dimostrativi nei primi anni 2000.
Toyota: Nel 2014 ha lanciato il primo veicolo a celle a combustibile prodotto in serie e disponibile in commercio al mondo. La Mirai di seconda generazione, presentata nel 2021, offre prestazioni superiori e un'autonomia maggiore.
Honda: Nel 2008 ha lanciato un veicolo a celle a combustibile, diventando il primo ad essere offerto ai consumatori comuni con la formula del leasing. Il modello di terza generazione, presentato nel 2015, ha visto miglioramenti in termini di autonomia e tecnologia.
Le principali case automobilistiche hanno compiuto progressi significativi 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 sul 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 le 82,000 unità, con un aumento del 21.4% rispetto all'anno precedente. La Corea del Sud è ancora in testa con un totale cumulativo di 34,000 veicoli a celle a combustibile. La Cina si posiziona al secondo posto a livello globale, con oltre 18,000 veicoli a celle a combustibile, superando gli Stati Uniti. Solo nel 2023, la Cina ha aggiunto quasi 6,000 veicoli, l'aumento più elevato a livello mondiale. Giappone e Germania contano 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, erano operative a livello globale 930 stazioni di rifornimento di idrogeno, con un aumento del 12.2% rispetto all'anno precedente. In Europa e in Nord America si contavano rispettivamente 188 e 65 stazioni, mentre nel Sud-est asiatico se ne contavano 650. (Questi dati provengono da statistiche ufficiali pubblicate da diversi paesi e si accettano volentieri eventuali correzioni.)
I dati indicano che il numero di veicoli a celle a combustibile e di stazioni di rifornimento di idrogeno in tutto il mondo continua a crescere, a testimonianza dell'importanza e degli investimenti che diversi Paesi attribuiscono a questo settore. Sebbene l'attuale domanda di veicoli a celle a combustibile a idrogeno sia limitata, si prevede che il mercato registrerà un maggiore sviluppo in futuro, grazie all'aumento della produzione e al 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, anche l'applicazione della tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno nel trasporto ferroviario ha compiuto progressi significativi. Nel 2017, Alstom, azienda francese, ha lanciato un treno a celle a combustibile a idrogeno che ha raggiunto una velocità di 140 km/h e un'autonomia di 600-800 km. Da metà giugno a fine settembre 2023, Alstom ha trasportato oltre 10,000 passeggeri, effettuato più di 130 viaggi e percorso una distanza di 10,660 chilometri in un progetto dimostrativo. Questo progetto ha utilizzato treni a idrogeno, un combustibile ecologico, consentendo un risparmio di circa 8,400 litri di gasolio ed evitando l'emissione di 22 tonnellate di CO2 durante il periodo di prova.
Nel luglio 2024, il tram intelligente a idrogeno, sviluppato autonomamente dall'Istituto CRRC di Zhuzhou in Cina, è uscito dalla linea di produzione a Yibin, nella provincia del Sichuan, e si prevede che entrerà in servizio ad agosto. Questo tram è il primo mezzo di trasporto ferroviario ecologico al mondo sviluppato autonomamente, che combina i vantaggi del trasporto ferroviario e stradale. Il tram intelligente utilizza un'innovativa tecnologia di guida autonoma e di inseguimento dei binari, caratterizzata da bassi investimenti infrastrutturali, cicli di costruzione brevi, orari flessibili, basse emissioni di carbonio, rispetto per l'ambiente e praticità intelligente. In termini di efficienza operativa, utilizza un sistema di stoccaggio dell'idrogeno a 35 MPa e un sistema di celle a combustibile ad alta potenza, caratterizzato 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 una maggiore autonomia. Un singolo rifornimento di idrogeno può garantire al tram di percorrere oltre 200 chilometri, soddisfacendo le esigenze operative a lunga distanza del trasporto pubblico urbano. Fornisce una soluzione innovativa per il sistema di trasporto ferroviario a media e bassa capacità che bilancia capacità e vantaggi in termini di costi 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 aveva un valore di 1.45098 miliardi di dollari. Gli esperti sottolineano che entro il 2030, questo valore di mercato dovrebbe superare i 3.4 miliardi di dollari, con un tasso di crescita annuo composto dell'11.5%.
Alimentazione navale a celle a combustibile
In risposta alle crescenti pressioni ambientali e alla visione del picco di emissioni di carbonio e della neutralità carbonica, l'industria cantieristica sta accelerando la ricerca di combustibili alternativi per le navi. Secondo un recente white paper dell'American Bureau of Shipping (ABS), il gas naturale liquefatto (GNL), in quanto combustibile a basse emissioni di carbonio relativamente maturo, è stato promosso e applicato in ambito marittimo. Anche le energie pulite come il metanolo, l'idrogeno e l'ammoniaca si stanno affermando come "combustibili marini" e le navi alimentate principalmente con questi combustibili stanno gradualmente diventando un mezzo importante per raggiungere gli obiettivi di zero emissioni di carbonio nel settore del trasporto marittimo.
Paesi e regioni come l'Europa, gli Stati Uniti, il Giappone e la Corea del Sud hanno assunto un ruolo di primo piano nella ricerca e nella progettazione di celle a combustibile marine. Attualmente, sono all'avanguardia nelle applicazioni ingegneristiche e nella promozione, con numerosi progetti dimostrativi che coinvolgono sistemi di propulsione marina basati su celle a combustibile.
Nel 2008, l'Alsterwasser, una nave passeggeri a celle a combustibile a membrana a scambio protonico da 48 kW varata dal progetto tedesco Zemships, ha iniziato ufficialmente le operazioni sul fiume Alster, diventando la prima nave passeggeri al mondo a propulsione elettrica a celle a combustibile.
Il progetto dimostrativo "FellowSHIP" per sistemi marini a celle a combustibile, finanziato dalla Norvegia, ha presentato nel 2009 la Viking Lady, una nave di supporto offshore equipaggiata con un sistema di alimentazione a celle a combustibile da 320 kW. Questa nave, sviluppata in collaborazione con diverse società di classificazione e aziende europee, è stata la prima imbarcazione operativa al mondo a utilizzare la tecnologia delle celle a combustibile per la generazione di energia a bordo.
Nel 2017, la Energy Observer, sviluppata in Francia, è stata varata e ha iniziato il suo viaggio intorno al mondo. La cella a combustibile di questa nave utilizza idrogeno prodotto da un sistema di elettrolisi alimentato da energia solare ed eolica, e immagazzinato in serbatoi. Il sistema a celle a combustibile a idrogeno alimenta la nave durante le giornate nuvolose, di notte e nelle fasi iniziali dei lunghi viaggi, rendendola la prima nave al mondo in grado di produrre il proprio idrogeno.
Nel 2018, l'azienda canadese Ballard Power Systems ha annunciato lo sviluppo di sistemi di celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PFM) di classe megawatt (MW) per applicazioni marine, con particolare attenzione alle navi da crociera. L'obiettivo è fornire energia quando le navi da crociera sono ormeggiate in porto o fungere da principale sistema di propulsione durante la navigazione.
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 50 kW di Advent, basato sulla tecnologia MEA (Membrane Electrode Assembly) a coppie ioniche, con le soluzioni di elettrificazione e automazione navale ibride ed elettriche di Siemens Energy. L'obiettivo è sviluppare una soluzione integrata di classe 500 kW per applicazioni marittime, che spaziano da yacht a motore e megayacht a traghetti e navi portacontainer/commerciali.
Riassumere
Le sezioni precedenti descrivono in dettaglio 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 sistemi di alimentazione navale a celle a combustibile. Con il continuo sviluppo della tecnologia delle celle a combustibile a membrana a scambio protonico, si prevede che si raggiungerà una commercializzazione su larga scala e si concretizzerà in futuro l'obiettivo della neutralità carbonica.
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