Punti chiave
Le celle a combustibile PEM sono passate dalla ricerca all'impiego ingegneristico validato nei trasporti stradali, ferroviari e marittimi. I veicoli passeggeri e pesanti privilegiano la densità di potenza e il rifornimento rapido; il settore ferroviario si concentra su un'alimentazione modulare e affidabile su tratte non elettrificate; i sistemi marittimi puntano su basse emissioni locali e un'integrazione sicura.
Il caso d'uso ideale per le celle a combustibile PEMFC è definito dal ciclo di lavoro, non solo dall'efficienza. Applicazioni con autonomia elevata, utilizzo giornaliero intenso, brevi intervalli di rifornimento o limiti di ingombro/massa per le batterie sono più adatte alle PEMFC; scenari con brevi tragitti e frequenti ricariche sono invece più indicati per le batterie elettriche.
La diffusione dei veicoli segue lo sviluppo delle infrastrutture per l'idrogeno. Entro la fine del 2023, a livello globale, si contavano oltre 82,000 veicoli a celle a combustibile e 930 stazioni di rifornimento di idrogeno; la densità regionale delle stazioni influenza fortemente la fattibilità della flotta e l'economia operativa. Progresso +1
I progetti pilota in ambito ferroviario e marittimo sono ora operativi. I treni a idrogeno di Alstom hanno completato il servizio passeggeri e le prove su migliaia di chilometri; il tram intelligente a idrogeno di CRRC offre un'autonomia di oltre 200 km con un solo rifornimento. I progetti marittimi sono progrediti dalle navi passeggeri da 48 kW alle soluzioni integrate di classe MW attualmente in fase di sviluppo.
I limiti commerciali sono a livello di sistema, non a livello di singolo camino. La fattibilità è determinata dall'affidabilità della fornitura di idrogeno e dal suo costo, dalla complessità delle componenti ausiliarie dell'impianto, dalla durabilità in diverse condizioni di carico (catalizzatore, membrana, piastre bipolari, guarnizioni) e dai fattori ambientali (avviamento a freddo, corrosione).
Le piastre bipolari sono un elemento chiave per l'affidabilità delle cisterne. Poiché regolano la conduzione elettrica, la distribuzione dei gas, il trasferimento di calore, la gestione dell'acqua e la compressione della cisterna, il materiale delle piastre, la geometria del campo di flusso, le tolleranze e i rivestimenti influiscono direttamente sulle prestazioni a lungo termine.
Le architetture ibride bilanciano l'energia continua e la potenza transitoria. Una cella a combustibile PEM può fornire energia in modo continuativo, mentre una batteria gestisce i picchi di carico, la frenata rigenerativa e le variazioni di carico a breve termine; l'architettura ottimale dipende dal profilo operativo.
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 diverse tecnologie per le celle a combustibile, le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PMEM) combinano una temperatura di esercizio relativamente bassa, un'architettura compatta e un'elevata densità di potenza, caratteristiche che le rendono adatte a numerose applicazioni nel settore della mobilità e della generazione distribuita di energia. Di seguito, illustreremo le applicazioni pratiche delle celle a combustibile a membrana a scambio protonico nei veicoli a celle a combustibile, nel trasporto ferroviario e nell'alimentazione delle navi.
Perché le celle a combustibile PEM sono adatte a determinate applicazioni
Le celle a combustibile PEM non sono ugualmente adatte a tutti gli scenari di elettrificazione. Le loro applicazioni più efficaci si riscontrano solitamente in quelli in cui densità di potenza, autonomia, rapido rifornimento di energia, design compatto del sistema e basse emissioni locali sono contemporaneamente fattori importanti.
Rispetto ai sistemi di alimentazione basati sulla combustione, le celle a combustibile PEM generano elettricità per via elettrochimica e possono funzionare con basse emissioni locali se alimentate a idrogeno. Secondo il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, le celle a combustibile PEM operano a temperature relativamente basse e si avviano rapidamente , il che le rende particolarmente adatte ad applicazioni nel settore dei trasporti, come automobili, autobus e autocarri pesanti.
Il valore delle celle a combustibile PEM diventa più evidente quando si considerano i requisiti applicativi, anziché limitarsi a valutare la sola efficienza della cella a combustibile.
| Applicazione | Perché le celle a combustibile PEMF possono adattarsi | Principale priorità ingegneristica |
|---|---|---|
| Veicoli passeggeri | Rifornimento rapido e propulsore elettrico compatto | densità di potenza, avviamento a freddo, costo |
| Veicoli pesanti | Ampio raggio d'azione e alto utilizzo del veicolo | Durabilità, alimentazione continua, stoccaggio dell'idrogeno |
| Trasporto ferroviario | Alternativa al diesel su percorsi non elettrificati selezionati | Affidabilità, potenza modulare, rifornimento |
| Sistemi marini | Basse emissioni locali e integrazione ibrida flessibile | Durata, sicurezza, resistenza alla corrosione |
| Potenza di backup | Lunghi periodi di standby con rapida disponibilità di energia | Affidabilità, stoccaggio dell'idrogeno, bassa manutenzione |
| Potenza stazionaria | Generazione distribuita di energia elettrica | Durata, efficienza, costo del sistema |
| Sistemi portatili e autonomi | Funzionamento prolungato laddove l'accesso alla rete è limitato | Peso, compattezza, logistica del carburante |
Ciò significa che la selezione delle celle a combustibile PEM dovrebbe iniziare dal ciclo di lavoro operativo. Un veicolo passeggeri, un camion per il trasporto a lungo raggio, una nave e un sistema di alimentazione di emergenza possono tutti utilizzare celle a combustibile PEM, ma impongono requisiti molto diversi alla pila.
Queste differenze influenzano anche la progettazione dei componenti. I sistemi automobilistici tendono a privilegiare piastre bipolari per celle a combustibile sottili e leggere , ingombro ridotto, risposta transitoria rapida e bassa resistenza elettrica. I sistemi per impieghi gravosi e stazionari possono invece dare maggiore importanza alla durata nel tempo, alla resistenza alla corrosione, alla compressione stabile e alle prestazioni costanti per periodi di funzionamento prolungati.
Per questo motivo, le applicazioni delle celle a combustibile PEM dovrebbero essere valutate come casi d'uso ingegneristici piuttosto che come un semplice elenco di mercati.
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:
General Motors (GM): ha 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: Ha 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 commercializzato 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 la prima azienda a offrirlo 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 la diffusione dei veicoli a celle a combustibile è strettamente legata alla disponibilità di infrastrutture per il rifornimento di idrogeno. Per i lettori che desiderano valutare l'intero ciclo energetico del veicolo, la nostra guida su come le auto a idrogeno si riforniscono e su come funzionano le celle a combustibile nei veicoli spiega la relazione tra lo stoccaggio di idrogeno a bordo, il rifornimento e la generazione di energia tramite celle a combustibile.
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. L'industria marittima sta valutando diversi combustibili alternativi e tecnologie di propulsione, tra cui metanolo, ammoniaca, idrogeno, batterie e celle a combustibile. Per le navi a idrogeno in particolare, lo stoccaggio sicuro dell'idrogeno, l'integrazione del sistema, la gestione del rischio e l'approvazione normativa sono considerazioni ingegneristiche importanti.
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.
Celle a combustibile PEM vs batterie: quali applicazioni si adattano a ciascuna tecnologia?
Sia le celle a combustibile PEM che le batterie sono tecnologie elettrochimiche per la produzione di energia, ma risolvono problemi diversi di accumulo e funzionamento. La questione, quindi, non è se le celle a combustibile siano universalmente migliori delle batterie, ma quale tecnologia si adatti meglio al ciclo di lavoro di una specifica applicazione.
I sistemi a batteria immagazzinano direttamente l'energia elettrica e sono molto efficaci laddove sia disponibile un'infrastruttura di ricarica, l'autonomia sia moderata e i veicoli o le apparecchiature possano rimanere collegati a un caricabatterie per periodi di tempo sufficienti.
I sistemi a celle a combustibile PEM generano elettricità in modo continuo dall'idrogeno immagazzinato a bordo attraverso reazioni elettrochimiche all'interno della pila. Comprendere il funzionamento delle celle a combustibile PEM aiuta a spiegare perché si comportano in modo diverso dai sistemi a batteria in termini di accumulo di energia, rifornimento, autonomia e architettura del sistema.
| Requisito | Sistema batteria | Sistema a celle a combustibile PEM |
|---|---|---|
| Fonte di energia | Elettricità immagazzinata nella batteria | L'idrogeno viene convertito in elettricità. |
| Rifornimento energetico | ricarica | Rifornimento di idrogeno |
| servizio a breve distanza | Spesso adatto | Potrebbe aggiungere un'inutile complessità al sistema. |
| Lunga durata di funzionamento | Richiede una batteria di maggiore capacità | È possibile aumentare l'autonomia grazie allo stoccaggio dell'idrogeno. |
| Funzionamento ad alto utilizzo | È necessario gestire i tempi di inattività di ricarica | Il rifornimento rapido può supportare operazioni ripetute |
| Requisiti infrastrutturali | Rete elettrica e di ricarica | Produzione, trasporto e rifornimento di idrogeno |
| Complessità del sistema | Batterie, sistemi termici e di controllo | Pila di celle a combustibile, stoccaggio dell'idrogeno e impianti ausiliari. |
Per i veicoli passeggeri utilizzati principalmente per brevi tragitti giornalieri, i sistemi elettrici a batteria possono offrire un percorso energetico più semplice laddove la ricarica è facilmente disponibile.
Le celle a combustibile PEM diventano più interessanti quando i requisiti operativi si orientano verso una maggiore autonomia, un elevato utilizzo giornaliero, brevi intervalli di rifornimento o applicazioni in cui l'aggiunta di una maggiore capacità della batteria aumenta significativamente la massa del sistema o i requisiti di ingombro.
Questo è uno dei motivi per cui lo sviluppo delle celle a combustibile viene spesso discusso in relazione al trasporto pesante su strada, ferroviario, ai sistemi navali e ad altre applicazioni con programmi operativi impegnativi.
Sono possibili anche architetture ibride. Una cella a combustibile PEM può fornire energia in modo continuativo mentre una batteria gestisce le richieste di potenza transitorie, la frenata rigenerativa o le variazioni di carico a breve termine. L'architettura appropriata dipende dal profilo operativo piuttosto che da un singolo valore di efficienza o densità energetica.
La scelta tecnologica pratica dovrebbe quindi considerare l'intero sistema: fonte di energia, infrastruttura, ore di funzionamento, tempi di rifornimento o ricarica, ingombro, durata, costi e manutenzione.
Quali sono i limiti alla diffusione delle celle a combustibile PEM?
La capacità tecnica di utilizzare una cella a combustibile PEM non la rende automaticamente la soluzione migliore per una determinata applicazione. La diffusione commerciale dipende anche dalla disponibilità di idrogeno, dalle infrastrutture, dai costi di sistema, dalla durata e dalle condizioni operative.
Infrastruttura a idrogeno
Le celle a combustibile PEM richiedono un approvvigionamento affidabile di idrogeno. Per le applicazioni nel settore della mobilità, ciò significa anche avere accesso a un'infrastruttura di rifornimento adeguata.
Un veicolo a celle a combustibile o un sistema ferroviario tecnicamente valido hanno un valore pratico limitato se l'idrogeno non può essere fornito nel luogo, alla pressione, al volume e al costo richiesti. Pertanto, l'infrastruttura deve essere valutata insieme al sistema a celle a combustibile, anziché come un problema separato.
Costo del sistema
Il pacco di celle a combustibile è solo una parte del sistema complessivo.
Un sistema PEMFC completo potrebbe inoltre richiedere:
- stoccaggio dell'idrogeno,
- fornitura d'aria,
- umidificazione,
- gestione termica,
- pompe e valvole,
- sensori e controlli,
- elettronica di potenza.
La convenienza economica deve pertanto essere valutata a livello di sistema, piuttosto che confrontando unicamente i costi delle singole unità.
Durata e ciclo di lavoro
Le diverse applicazioni impongono requisiti molto diversi in termini di durata delle celle a combustibile PEM.
I veicoli passeggeri sono soggetti a frequenti variazioni di carico e a operazioni di avvio e arresto. Il trasporto pesante può richiedere lunghi periodi a carichi elevati. Le applicazioni marine e stazionarie possono funzionare per periodi prolungati con un minor numero di arresti.
Questi profili operativi influenzano il degrado del catalizzatore, la durata della membrana, le prestazioni delle piastre bipolari , le prestazioni di tenuta, i cicli termici e la gestione dell'acqua. Poiché le piastre bipolari influenzano simultaneamente la conduzione elettrica, la distribuzione dei gas, il trasferimento di calore, la gestione dell'acqua e la compressione dello stack, la loro progettazione può influire direttamente sull'affidabilità a lungo termine dello stack.
Condizioni ambientali
Temperatura, umidità, vibrazioni, contaminanti e condizioni di esposizione possono inoltre determinare la fattibilità di un'architettura PEMFC.
Le applicazioni in climi freddi, ad esempio, richiedono strategie specifiche per la rimozione dell'acqua, la prevenzione del congelamento e l'avviamento a freddo. Gli ambienti marini possono dare maggiore importanza alla protezione dalla corrosione e alla sicurezza del sistema.
La scelta dell'applicazione dovrebbe quindi tenere conto sia dei vantaggi delle celle a combustibile PEM sia dell'ambiente in cui il sistema dovrà operare.
Conclusione
Le sezioni precedenti descrivono in dettaglio le applicazioni pratiche delle celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) in diversi ambiti, tra cui veicoli, trasporto ferroviario, sistemi navali e altri scenari ad alta richiesta di energia. Con l'espansione delle applicazioni delle PEMFC, i progettisti di stack devono trovare un equilibrio tra densità di potenza, durata, distribuzione del flusso, resistenza alla corrosione, gestione termica e costi di produzione.
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Se state sviluppando uno stack di celle a combustibile PEMFC, inviate il disegno della piastra bipolare per la revisione da parte della produzione, specificando materiale, spessore, dimensioni della piastra, geometria del campo di flusso, requisiti di tolleranza, requisiti di rivestimento e volume di produzione previsto.
