Green Economy e Trasporti
Veicoli
Trazione a Batterie Ricaricabili
o Fuell Cell ad Idrogeno
saranno questi i veicoli del futuro ?
o Fuell Cell ad Idrogeno
saranno questi i veicoli del futuro ?
I progressi scientifici e tecnici in materia di trazione ad idrogeno, lasciano intravedere le due seguenti possibili linee di sviluppo:
1) Impiego dell'idrogeno come elemento in grado di produrre elettricità attraverso un processo elettrochimico prodotto all'interno di dispositivi catalitici denominati "Celle a Combustibile" o " Fuel Cells", le quali possiedono potenzialità di erogazione di quantitativi di energia superiori a tutti gli altri dispositivi elettrochimici, come mostrato in fig.4;
2) Utilizzando l'idrogeno come combustibile in un adattato motore a ciclo termico.
Stante l'elevatissima infiammabilità dell'idrogeno, allo stato attuale, la linea di sviluppo di cui al punto 1) sembra prevalente su quella di cui al punto 2), almeno per quanto riguarda la trazione di tipo automobilistico e di tipo ferroviario.
1) Impiego dell'idrogeno come elemento in grado di produrre elettricità attraverso un processo elettrochimico prodotto all'interno di dispositivi catalitici denominati "Celle a Combustibile" o " Fuel Cells", le quali possiedono potenzialità di erogazione di quantitativi di energia superiori a tutti gli altri dispositivi elettrochimici, come mostrato in fig.4;
2) Utilizzando l'idrogeno come combustibile in un adattato motore a ciclo termico.
Stante l'elevatissima infiammabilità dell'idrogeno, allo stato attuale, la linea di sviluppo di cui al punto 1) sembra prevalente su quella di cui al punto 2), almeno per quanto riguarda la trazione di tipo automobilistico e di tipo ferroviario.
Batterie elettriche ricaricabili
La storia delle auto a batterie ricaricabili risale a molti decenni fa. Infatti, già nel 1907 la fabbrica "Anderson Carriage Company" produceva un'automobile elettrica alimentata da una batteria al piombo-acido ricaricabile. Queste auto potevano percorrere 130 km con una singola carica, sebbene un test con una Detroit Electric del 1911 (fig.2) sembra avesse consentito un percorso di 340,1 km . La velocità massima era solo di circa 32 km/h, ma all'epoca era considerata adeguata per la guida entro la città.
La storia delle auto a batterie ricaricabili risale a molti decenni fa. Infatti, già nel 1907 la fabbrica "Anderson Carriage Company" produceva un'automobile elettrica alimentata da una batteria al piombo-acido ricaricabile. Queste auto potevano percorrere 130 km con una singola carica, sebbene un test con una Detroit Electric del 1911 (fig.2) sembra avesse consentito un percorso di 340,1 km . La velocità massima era solo di circa 32 km/h, ma all'epoca era considerata adeguata per la guida entro la città.
Fig.1
Fig.2 - California Automobile Museum:
Electric Car 1911 modello "Detroit Electric".
Electric Car 1911 modello "Detroit Electric".
Come già sopra accennato, in quelle epoche, per le applicazioni di trazione di cui trattasi, erano utilizzate le batterie al piombo. Tuttavia, nel corso del tempo i limiti delle batterie al piombo-acido congiuntamente all'elevato costo delle alternative, hanno impedito fortemente le potenziali applicazioni per trazione automobilistica.
Si consideri infatti che una moderna auto di tipo familiare per impiego autostradale avrebbe bisogno di una capacità della batteria di circa 40 KWh per coprire un'autonomia di circa 320 km, cosa che appare assai problematica stante il peso di una batteria al piombo di detta capacità che verrebbe a pesare oggi circa 800kg.
Il progresso compiuto in questi anni nei campi dell'elettrochimica delle batterie e delle tecnologie di supporto per la loro ricarica, hanno portato vantaggi tecnici ed economici che rendono oggi le batterie utilizzabili per applicazioni di trazione che prima risultavano antieconomiche o poco pratiche. In particolare, l'uso di batterie leggere al litio al posto delle pesanti e ingombranti batterie al piombo ha reso per la prima volta possibili veicoli all eletric e veicoli elettrici ibridi.
Tuttavia, occorre anche osservare che un grosso ostacolo alla diffusione dei veicoli elettrici è costituito sia dai lunghi tempi di ricarica richiesti se confrontati ai tempi di rifornimento di un tradizionale veicolo con motore a ciclo termico, sia dall'attuale assenza di una estesa e sufficientemente diffusa rete di punti di ricarica delle batterie, in analogia alla rete di distribuzione del carburante per i veicoli a motore termico.
Stazioni di ricarica che, sebbene siano in continua crescita, sono ancora largamente insufficienti (alla data il numero di colonnine di ricarica sparse per il territorio italiano, secondo una importante società specializzata nella prenotazione di parcheggi online, risulterebbero pari a circa 19.300, distribuite complessivamente su circa 9.700 stazioni).
Si consideri infatti che una moderna auto di tipo familiare per impiego autostradale avrebbe bisogno di una capacità della batteria di circa 40 KWh per coprire un'autonomia di circa 320 km, cosa che appare assai problematica stante il peso di una batteria al piombo di detta capacità che verrebbe a pesare oggi circa 800kg.
Il progresso compiuto in questi anni nei campi dell'elettrochimica delle batterie e delle tecnologie di supporto per la loro ricarica, hanno portato vantaggi tecnici ed economici che rendono oggi le batterie utilizzabili per applicazioni di trazione che prima risultavano antieconomiche o poco pratiche. In particolare, l'uso di batterie leggere al litio al posto delle pesanti e ingombranti batterie al piombo ha reso per la prima volta possibili veicoli all eletric e veicoli elettrici ibridi.
Tuttavia, occorre anche osservare che un grosso ostacolo alla diffusione dei veicoli elettrici è costituito sia dai lunghi tempi di ricarica richiesti se confrontati ai tempi di rifornimento di un tradizionale veicolo con motore a ciclo termico, sia dall'attuale assenza di una estesa e sufficientemente diffusa rete di punti di ricarica delle batterie, in analogia alla rete di distribuzione del carburante per i veicoli a motore termico.
Stazioni di ricarica che, sebbene siano in continua crescita, sono ancora largamente insufficienti (alla data il numero di colonnine di ricarica sparse per il territorio italiano, secondo una importante società specializzata nella prenotazione di parcheggi online, risulterebbero pari a circa 19.300, distribuite complessivamente su circa 9.700 stazioni).
Il processo di ricarica delle batterie dipende molto dalle caratteristiche dei dispositivi elettrici adibiti a detta funzione, nonché dalla temperatura ambientale in cui la ricarica viene operata.
In particolare, sono stati compiuti progressi notevoli per aumentare la capacità di erogazione dell'energia da parte dei dispositivi di ricarica, attivando meccanismi di regolazione della corrente elettrica, allo scopo di non danneggiare la batteria stessa con conseguente riduzione della sua durata di vita attesa.
In particolare, le velocità di ricarica possibili risultano notevolmente ridotte a basse temperature ambientali: secondo i manuali di alcuni costruttori, caricare fino all'80% del massimo SOC (State of Charge) della batteria con un caricabatterie da 50 kW può richiedere da 30 minuti a oltre 90 min in funzione della temperatura ambiente.
Molto più tempo è richiesto utilizzando le colonnine da 7,4 Kw che consentono oggi tempi compresi tra le 10 e le 5 ore, secondo il modello del veicolo e la capacità energivora delle batterie di dotazione, generalmente compresa fra i 75 KWh e 40kWh .
Infatti, per motivi di sicurezza, le ricariche rapide sono attuabili solo fino a circa l'80% del massimo SOC della batteria. Questo, in quanto nel processo di ricarica, pervenuti ai più alti livelli percentuali del SOC, la corrente deve essere gradualmente ridotta per evitare di superare i limiti di temperatura sopportabili dalla batteria.
I progressi conseguibili dalle nuove tecnologie elettrochimiche vengono annunciati riguardo i seguenti aspetti:
- Batterie al litio che consentono di erogare punte di potenza quasi 100 volte più elevate rispetto alle batterie piombo-acido e che possiedono una capacità di accumulo 8-10 volte superiore;
- Aspettativa di vita utile che supera i canonici 1000 cicli, con l'obiettivo di raggiungere i 3.000 cicli ed una vita a calendario estesa a 1o anni;
- Contenimento del tasso di autoscarica (meno del 5% al mese);
- Riduzione dei tempi di ricarica a soli 5 minuti. Miglioramento che sembrerebbe possibile modificando la struttura delle comuni batterie agli ioni di litio (Le cui qualità potenziali rispetto agli altri dispositivi elettrochimici sono sintetizzate in fig.3) utilizzando elettrodi in nanoparticelle al germanio che consentirebbero correnti di ricarica molto più elevate senza provocare eccessivi surriscaldamenti delle batterie stesse.
In particolare, sono stati compiuti progressi notevoli per aumentare la capacità di erogazione dell'energia da parte dei dispositivi di ricarica, attivando meccanismi di regolazione della corrente elettrica, allo scopo di non danneggiare la batteria stessa con conseguente riduzione della sua durata di vita attesa.
In particolare, le velocità di ricarica possibili risultano notevolmente ridotte a basse temperature ambientali: secondo i manuali di alcuni costruttori, caricare fino all'80% del massimo SOC (State of Charge) della batteria con un caricabatterie da 50 kW può richiedere da 30 minuti a oltre 90 min in funzione della temperatura ambiente.
Molto più tempo è richiesto utilizzando le colonnine da 7,4 Kw che consentono oggi tempi compresi tra le 10 e le 5 ore, secondo il modello del veicolo e la capacità energivora delle batterie di dotazione, generalmente compresa fra i 75 KWh e 40kWh .
Infatti, per motivi di sicurezza, le ricariche rapide sono attuabili solo fino a circa l'80% del massimo SOC della batteria. Questo, in quanto nel processo di ricarica, pervenuti ai più alti livelli percentuali del SOC, la corrente deve essere gradualmente ridotta per evitare di superare i limiti di temperatura sopportabili dalla batteria.
I progressi conseguibili dalle nuove tecnologie elettrochimiche vengono annunciati riguardo i seguenti aspetti:
- Batterie al litio che consentono di erogare punte di potenza quasi 100 volte più elevate rispetto alle batterie piombo-acido e che possiedono una capacità di accumulo 8-10 volte superiore;
- Aspettativa di vita utile che supera i canonici 1000 cicli, con l'obiettivo di raggiungere i 3.000 cicli ed una vita a calendario estesa a 1o anni;
- Contenimento del tasso di autoscarica (meno del 5% al mese);
- Riduzione dei tempi di ricarica a soli 5 minuti. Miglioramento che sembrerebbe possibile modificando la struttura delle comuni batterie agli ioni di litio (Le cui qualità potenziali rispetto agli altri dispositivi elettrochimici sono sintetizzate in fig.3) utilizzando elettrodi in nanoparticelle al germanio che consentirebbero correnti di ricarica molto più elevate senza provocare eccessivi surriscaldamenti delle batterie stesse.
Fig.3-Grafici di confronto delle potenzialità delle diverse tipologie di batterie in termini di energia accumulabile e potenza erogabile.
Fuel Cell ad Idrogeno
Fig.4
Fig.5
In fig.5 è rappresentato figurativamente il principio di funzionamento di una
Fuel-Cell che alimenta un ipotetico circuito (in colore giallo) per fornire corrente elettrica ad un motore elettrico. Come si può osservare, all'interno del contenitore del dispositivo vengono immessi a compressione da un lato idrogeno e dall'altro aria ambientale contenente naturalmente ossigeno.
L'idrogeno viene quindi sospinto all'interno di una soluzione elettrolitica e, in presenza delle piastre catalitiche che ne favoriscono la ionizzazione, si dissocia nello ione idrogeno con carica elettrica positiva e nel relativo elettrone avente pari carica elettrica negativa.
La polarizzazione elettrochimica della cella raccoglie gli elettroni su una piastra che assume la funzione di anodo e l'altra, dove confluiscono gli ioni positivi di idrogeno, quella di catodo. All'atto della chiusura di un circuito elettrico esterno facente capo ai due poli della cella, si stabilisce un flusso di elettroni tra le due piastre e quindi una corrente elettrica utilizzabile da qualsiasi dispositivo elettromeccanico e quindi anche da un motore. Questo flusso di elettroni, convergendo verso il catodo si ricombina con gli ioni di idrogeno dando luogo ad atomi di idrogeno neutro altamente reattivo con l'ossigeno compresso sul lato catodico della cella, dando luogo alla formazione di vapore d'acqua che costituirà in conclusione il prodotto di scarto e quindi di scarico verso l'atmosfera dell'intero processo elettrochimico.
In buona sostanza, l'energia proveniente dalla trasformazione delle molecole di idrogeno e di ossigeno in molecole di acqua (H2O) dà luogo ad un quantitativo di energia elettrica utile al funzionamento di un circuito elettrico su cui sia inserito un dispositivo utilizzatore (nell' esempio di fig.5 un motore elettrico) più un prodotto di scarico costituito da calore ed acqua. Scarico evidentemente neutro rispetto all'ambiente e che pertanto evita i danni che invece provocano i tradizionali motori a ciclo termico.
Di fatto, alla data, non risultano molte case costruttrici disposte a produrre automobili ad idrogeno che, si segnala, dal 2019 potrebbero essere vendute anche in Italia con una pressione di stoccaggio dell'idrogeno tra 350 e 700 bar (1 bar=0,9869 atmosfere). La diffusione di questa nuova tecnologia è anche fortemente penalizzata dalla mancanza di una rete di distribuzione di idrogeno per auto che rispetto alle batterie, avrebbe il vantaggio di consentire una ricarica molto più rapida, contenuta in soli 3-5 minuti.
Incidono sulla scarsa diffusione delle auto ad idrogeno anche considerazioni che riguardano l'efficienza energetica complessiva dell'intero ciclo produzione-distribuzione-utilizzazione e che sembrerebbe molto inferiore a quello di un'auto elettrica a batteria (cfr.fig.6).
Fuel-Cell che alimenta un ipotetico circuito (in colore giallo) per fornire corrente elettrica ad un motore elettrico. Come si può osservare, all'interno del contenitore del dispositivo vengono immessi a compressione da un lato idrogeno e dall'altro aria ambientale contenente naturalmente ossigeno.
L'idrogeno viene quindi sospinto all'interno di una soluzione elettrolitica e, in presenza delle piastre catalitiche che ne favoriscono la ionizzazione, si dissocia nello ione idrogeno con carica elettrica positiva e nel relativo elettrone avente pari carica elettrica negativa.
La polarizzazione elettrochimica della cella raccoglie gli elettroni su una piastra che assume la funzione di anodo e l'altra, dove confluiscono gli ioni positivi di idrogeno, quella di catodo. All'atto della chiusura di un circuito elettrico esterno facente capo ai due poli della cella, si stabilisce un flusso di elettroni tra le due piastre e quindi una corrente elettrica utilizzabile da qualsiasi dispositivo elettromeccanico e quindi anche da un motore. Questo flusso di elettroni, convergendo verso il catodo si ricombina con gli ioni di idrogeno dando luogo ad atomi di idrogeno neutro altamente reattivo con l'ossigeno compresso sul lato catodico della cella, dando luogo alla formazione di vapore d'acqua che costituirà in conclusione il prodotto di scarto e quindi di scarico verso l'atmosfera dell'intero processo elettrochimico.
In buona sostanza, l'energia proveniente dalla trasformazione delle molecole di idrogeno e di ossigeno in molecole di acqua (H2O) dà luogo ad un quantitativo di energia elettrica utile al funzionamento di un circuito elettrico su cui sia inserito un dispositivo utilizzatore (nell' esempio di fig.5 un motore elettrico) più un prodotto di scarico costituito da calore ed acqua. Scarico evidentemente neutro rispetto all'ambiente e che pertanto evita i danni che invece provocano i tradizionali motori a ciclo termico.
Di fatto, alla data, non risultano molte case costruttrici disposte a produrre automobili ad idrogeno che, si segnala, dal 2019 potrebbero essere vendute anche in Italia con una pressione di stoccaggio dell'idrogeno tra 350 e 700 bar (1 bar=0,9869 atmosfere). La diffusione di questa nuova tecnologia è anche fortemente penalizzata dalla mancanza di una rete di distribuzione di idrogeno per auto che rispetto alle batterie, avrebbe il vantaggio di consentire una ricarica molto più rapida, contenuta in soli 3-5 minuti.
Incidono sulla scarsa diffusione delle auto ad idrogeno anche considerazioni che riguardano l'efficienza energetica complessiva dell'intero ciclo produzione-distribuzione-utilizzazione e che sembrerebbe molto inferiore a quello di un'auto elettrica a batteria (cfr.fig.6).
Fig.6
( fonte : https://it.wikipedia.org/wiki/Economia_dell%27idrogeno#Produzione_di_idrogeno)
( fonte : https://it.wikipedia.org/wiki/Economia_dell%27idrogeno#Produzione_di_idrogeno)
Per tutto quanto sopra esposto, nel settore automobilistico, la tecnologia delle auto elettriche a batteria al momento sembrerebbe decisamente più promettente di quella all'idrogeno.
Nel settore del trasporto pesante su gomma, la situazione invece appare piuttosto controversa ed alla data alcuni importanti produttori di veicoli di trasporto pesante sembrerebbero preferire anche per questo settore la tecnologia delle batterie ricaricabili, ritenuta complessivamente meno costosa rispetto a quella dell'idrogeno.
In proposito, si segnala che importanti marche americane, all'avanguardia nel settore delle auto a batteria, allo stato delle attuali tecnologie sembrerebbero non avere dubbi sul fatto che le batterie al litio rappresentino una soluzione migliore rispetto all’idrogeno. Quanto detto, soprattutto nella prospettiva di disporre di estese reti di ricarica in grado anche di contenere i tempi di questo processo entro i 5 minuti. In ogni caso, è ritenuto che per i camion rimorchio il ricorso all’idrogeno non sarebbe ancora sufficientemente maturo, soprattutto per veicoli di dimensioni importanti e con necessità di autonomia molto elevate.
In conclusione, su questo argomento si registrano gli annunci di molte aziende specializzate nella costruzione di camion riguardo la messa sul mercato di modelli a batteria con autonomia fino a 500km. Mentre per i camion ad idrogeno, per i quali vengono ipotizzati percorsi fino a 1000 km, si registrano annunci che rinviano i primi modelli nell'arco dei prossimi tre anni.
Diversa la situazione nel trasporto ferroviario, soprattutto per le linee regionali tuttora sprovviste di linea di contatto. In questo caso, la necessità di trasformare in senso ecologico le linee attualmente percorse da treni diesel, evitando la costruzione e manutenzione delle costose linee di contatto, trova nella scelta dei treni alimentati ad idrogeno quella più economica.
Il 17 settembre 2018 infatti, segna l’inizio dell’era dell’idrogeno sui treni regionali con l'entrata in esercizio in Germania del primo treno in assoluto alimentato ad idrogeno. Si tratta di un treno costruito da Alstom, denominato Coradia iLint (fig.7).
Nel settore del trasporto pesante su gomma, la situazione invece appare piuttosto controversa ed alla data alcuni importanti produttori di veicoli di trasporto pesante sembrerebbero preferire anche per questo settore la tecnologia delle batterie ricaricabili, ritenuta complessivamente meno costosa rispetto a quella dell'idrogeno.
In proposito, si segnala che importanti marche americane, all'avanguardia nel settore delle auto a batteria, allo stato delle attuali tecnologie sembrerebbero non avere dubbi sul fatto che le batterie al litio rappresentino una soluzione migliore rispetto all’idrogeno. Quanto detto, soprattutto nella prospettiva di disporre di estese reti di ricarica in grado anche di contenere i tempi di questo processo entro i 5 minuti. In ogni caso, è ritenuto che per i camion rimorchio il ricorso all’idrogeno non sarebbe ancora sufficientemente maturo, soprattutto per veicoli di dimensioni importanti e con necessità di autonomia molto elevate.
In conclusione, su questo argomento si registrano gli annunci di molte aziende specializzate nella costruzione di camion riguardo la messa sul mercato di modelli a batteria con autonomia fino a 500km. Mentre per i camion ad idrogeno, per i quali vengono ipotizzati percorsi fino a 1000 km, si registrano annunci che rinviano i primi modelli nell'arco dei prossimi tre anni.
Diversa la situazione nel trasporto ferroviario, soprattutto per le linee regionali tuttora sprovviste di linea di contatto. In questo caso, la necessità di trasformare in senso ecologico le linee attualmente percorse da treni diesel, evitando la costruzione e manutenzione delle costose linee di contatto, trova nella scelta dei treni alimentati ad idrogeno quella più economica.
Il 17 settembre 2018 infatti, segna l’inizio dell’era dell’idrogeno sui treni regionali con l'entrata in esercizio in Germania del primo treno in assoluto alimentato ad idrogeno. Si tratta di un treno costruito da Alstom, denominato Coradia iLint (fig.7).
Fig.7- Treno ad idrogeno Coradia iLint. Velocità massima 140 chilometri orari. Autonomia 1.000 chilometri. Capienza complessiva 300 passeggeri.
E' anche del tutto evidente che per un treno il problema logistico del rifornimento di idrogeno non si pone, in quanto i depositi di materiale rotabile verrebbero attrezzati per questa necessità. Di conseguenza, il treno ad idrogeno si candida potentemente a sostituire gli attuali treni a trazione diesel.
Di più, se queste prime applicazioni avranno il successo che ci si attende, si aprirebbe una prospettiva addirittura rivoluzionaria per il trasporto tranviario e filoviario nelle città, in particolare nelle città storiche e d'arte, come ad esempio Roma, dove i sistemi di alimentazione elettrica aerei sono sempre stati osteggiati dalle Sovrintendenze ai Beni Ambientali. Finalmente, si potrebbero realizzare reti di tram senza fili, secondo lo schema sistemistico rappresentato nelle precedenti figg. 8 e 9.
A quest'ultimo proposito si segnala quanto già realizzato in Cina con la presentazione nel 2016 del primo prototipo al Mondo di tram ad idrogeno (fig. 10). Un rotabile posto in esercizio nella inquinatissima città di Tangshan ed avente la capienza di 320 passeggeri, una velocità fino a 70 km/h, un'autonomia di 100 km e con la possibilità di ricarica dei serbatoi di idrogeno ai capilinea in soli tre minuti.
Di più, se queste prime applicazioni avranno il successo che ci si attende, si aprirebbe una prospettiva addirittura rivoluzionaria per il trasporto tranviario e filoviario nelle città, in particolare nelle città storiche e d'arte, come ad esempio Roma, dove i sistemi di alimentazione elettrica aerei sono sempre stati osteggiati dalle Sovrintendenze ai Beni Ambientali. Finalmente, si potrebbero realizzare reti di tram senza fili, secondo lo schema sistemistico rappresentato nelle precedenti figg. 8 e 9.
A quest'ultimo proposito si segnala quanto già realizzato in Cina con la presentazione nel 2016 del primo prototipo al Mondo di tram ad idrogeno (fig. 10). Un rotabile posto in esercizio nella inquinatissima città di Tangshan ed avente la capienza di 320 passeggeri, una velocità fino a 70 km/h, un'autonomia di 100 km e con la possibilità di ricarica dei serbatoi di idrogeno ai capilinea in soli tre minuti.
Fig.8-Schema treno ad idrogeno ipotizzato su un rotabile ferroviario e mutuabile su un rotabile o veicolo per il trasporto urbano in città
Fig.9-Schema funzionale circuito elettrico di trazione per veicolo alimentato da Fuel Cell ad idrogeno.
Fig. 10.Il primo tram ad idrogeno presentato in Cina nella città di Tsingtao già nel 2016
Renzo Emili
