I veicoli a idrogeno potrebbero rappresentare il futuro dei trasporti – Ci sono motivi di preoccupazione per la sicurezza?

I veicoli a idrogeno o i veicoli a celle a combustibile alimentati a idrogeno sono emersi come un fenomeno dal 2015. Sebbene sia troppo presto per prevedere il futuro dei veicoli a idrogeno, non si può negare che l’interesse verso di essi sia stato percepibile ma variabile. 

Tra il 2022 e il 2023, il numero di veicoli elettrici a celle a combustibile alimentati a idrogeno ha registrato un calo, passando da 20.704 a 14.451 unità. Un calo annuale non è sufficiente a stabilire una tendenza nell’interesse dei consumatori verso i veicoli a idrogeno. Tuttavia, le opinioni sono contrastanti. Mentre esistono molti vantaggi di un veicolo a idrogeno, le discussioni su quanto sia sicuro un veicolo a idrogeno sono altrettanto numerose. Nei segmenti seguenti, esamineremo entrambi gli aspetti dei veicoli a idrogeno. 

L’unicità dei veicoli a idrogeno

Nonostante siano veicoli elettrici, i veicoli a idrogeno non necessitano di batterie integrate. Possiedono una centrale a bordo, capace di convertire l’idrogeno presente nel serbatoio in elettricità. Le auto a idrogeno viaggiano con zero emissioni locali. 

Tuttavia, il più grande vantaggio che offre – finora – è il breve tempo di rifornimento. A differenza di altri veicoli elettrici, la ricarica dei veicoli a idrogeno non dipende dal modello del veicolo né dall’infrastruttura. Ha una lunga capacità di stoccaggio della batteria e la sua autonomia non è influenzata dalla temperatura esterna, eliminando il rischio di deterioramento in condizioni di freddo. 

L’idrogeno è anche un modo altamente efficiente per immagazzinare e trasportare energia rinnovabile, e la sua adozione aiuta a ridurre i costi a lungo termine. 

Mentre i benefici sono evidenti per tutti, alcuni studi evidenziano anche il suo potenziale di rischio e danno. Esamineremo oggi un caso specifico in cui un team della TU Graz ha analizzato il potenziale di rischio e danno dei veicoli a idrogeno nei tunnel. Lo studio ha anche formulato alcune raccomandazioni. 

Il potenziale di rischio e danno dei veicoli a idrogeno: come minimizzare i rischi

Under its HyTRA project, the Graz University of Technology has investigated several aspects that could prove risky. The study assessed possible incident types, dangers to people, and the tunnel structure and recommended measures that could be taken to minimize these risks.

While researchers have determined that the probability of accidents involving hydrogen-powered vehicles in a tunnel is low, the high energy density of hydrogen and its substantial storage pressure render these FCEVs powered by hydrogen a significant risk for extensive damage.

The storage of hydrogen in car tanks at a pressure of 700 bar could lead to the rapid release of a great deal of energy. If ignited, the hydrogen might burn at temperatures over 2000 degrees Celsius. Manufacturers design the fuel tanks to be sturdy and well-protected against mechanical impact; however, they fall short in situations such as rear-end collisions with large trucks.

There are broadly three hazardous scenarios that might evolve as the outcome of such a collision.

In the first case, the thermal pressure relief device (TPRD) might activate when pressure increases due to a thermal impact, releasing hydrogen from the tank in a controlled jet. This mechanism helps sustain the pressure at a safe level, preventing the tank from rupturing. However, this can still pose a danger if the discharged hydrogen mixes with air and ignites. Nonetheless, the danger zone would remain confined.

This scenario worsens if the Thermal Pressure Relief Device fails, potentially leading to the tank exploding. The resulting blast wave could spread throughout the entire channel. The risk of death would extend up to approximately 30 meters, while the likelihood of serious internal injuries extends up to 300 meters. Further away, there still exists the risk of ruptured eardrums.

In the third scenario, the least likely of all, hydrogen is first released without igniting. Being the lightest element in the periodic table, the gas rises and accumulates as a cloud under the tunnel ceiling. If an ignition source, such as hot lamps or an electrical impulse, is present, it might trigger a hydrogen cloud explosion, generating a significant blast wave.

The risk scenario investigators proposed a host of mitigating strategies. The team suggested implementing stricter speed limits, monitored through section control. They also advised precise distance control strategies, supported by a robust signaling mechanism to alert drivers when they were following too closely.

While discussing the risks and damage potential of hydrogen vehicles, the TU Graz team did not forget to mention the context in which they operate and how their risk and damage potential are measured.

“I moderni serbatoi di idrogeno sono costruiti così in modo sicuro che deve accadere molto per far fuoriuscire l’idrogeno.”

– Daniel Fruhwirt, Istituto di Termodinamica e Sistemi di Propulsione Sostenibile presso la TU Graz

La spinta verso i veicoli a idrogeno

Researchers predict a significant uptick in adoption of Hydrogen Vehicles in the coming years. Industry researchers and analysts estimate that the number of hydrogen vehicles in service globally will exceed one million in 2027, up from just over 60,000 in 2022, representing a surge of more than 1,500%. The consumer market is expected to be the leading segment in the Hydrogen Vehicles space, accounting for more than 60% by 2027.

There are government initiatives in place that promote fuel-cell vehicles. For instance, the Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, a unit under the Department of Energy, launched H2USA in 2013. In their official statement, the government authorities had the following to say about H2USA’s mission: 

“La missione di H2USA è promuovere l’introduzione e l’adozione diffusa di veicoli elettrici a celle a combustibile negli Stati Uniti. I membri includono agenzie federali, l’associazione del settore delle celle a combustibile, case automobilistiche, fornitori di idrogeno, sviluppatori di celle a combustibile, laboratori nazionali e altri stakeholder. La collaborazione fornisce una piattaforma per gli Stati Uniti simile alle collaborazioni pubblico‑private in altri paesi focalizzate sull’idrogeno, in particolare Germania, Giappone e Regno Unito.”

Secondo le fonti, H2USA conta ora più di 30 partecipanti. 

Oltre alle iniziative governative, sono in corso numerose ricerche per migliorare le prestazioni che aiutano a suscitare interesse e fiducia tra i potenziali consumatori dei veicoli a celle a combustibile a idrogeno. 

Ad esempio, uno studio recente condotto da un team di ricercatori di Harvard e dell’Università Nazionale di Incheon ha ideato un approccio per costruire celle a combustibile che ottengono punteggi elevati sia in termini di durata che di vita utile. Lo studio si è concentrato sullo sviluppo di una categoria di membrane elettrolitiche resistenti alla fatica, costituite da una rete interpenetrante di Nafion e perfluoropolieter (PFPE). Il team ha osservato una leggera degradazione delle prestazioni della cella a combustibile in cambio di un ‘miglioramento sbalorditivo in termini di durata/vitalità.’

Un altro sviluppo entusiasmante, particolarmente incoraggiante per i produttori, è l’introduzione di enzimi specializzati nei pozzi di petrolio esauriti. Questi enzimi scompongono gli idrocarburi residui in vari componenti, incluso l’idrogeno. Questo progresso potrebbe trasformare numerosi pozzi di petrolio esauriti e abbandonati in tutto il mondo in fonti di un combustibile più sostenibile proveniente dalle loro profondità: l’idrogeno.

La spinta verso i veicoli a idrogeno è in linea con la visione di creare alternative di trasporto più sostenibili per il futuro, potenzialmente anche più sostenibili rispetto ai veicoli elettrici (EV). Questo perché gli EV non raggiungono pienamente la sostenibilità; il loro potenziale di emissione dipende da come viene generata l’elettricità.

Many companies are developing hydrogen vehicle solutions, anticipating that governments and transport authorities will increasingly favor hydrogen vehicles over EVs in the future. In the following segments, we discuss a couple of such companies.

#1. Piattaforma Ultium e Cubi di potenza a celle a combustibile HYDROTEC di General Motors

La tecnologia GM Hydrotec Fuel Cell afferma di essere una soluzione di potenza a celle a combustibile accessibile per applicazioni terrestri, aeree e marine. Nel 2021, Wabtec Corporation (NYSE: WAB) e General Motors (GM ) (NYSE: GM) hanno annunciato una collaborazione per sviluppare e commercializzare la tecnologia delle batterie Ultium di GM e i sistemi a celle a combustibile HYDROTEC per le locomotive Wabtec.

While speaking about the value-add GM’s solutions were to bring for Wabtec, the CEO and President of Wabtec, Rafael Santana, had the following to say:

“La nostra locomotiva FLXdrive, la prima locomotiva al 100 % alimentata a batteria al mondo, ha dimostrato il suo potenziale nel ridurre le emissioni di carbonio fino al 30 % quando opera a 6 MWh. Ma non possiamo fermarci qui. Lavorando con GM sulle tecnologie delle batterie Ultium e delle celle a combustibile HYDROTEC, possiamo accelerare il percorso dell’industria ferroviaria verso la decarbonizzazione e verso locomotive a zero emissioni sfruttando queste due importanti tecnologie di propulsione.”

La soluzione Hydrotec di GM offre cubi di potenza a celle a combustibile compatti e facili da integrare per una vasta gamma di applicazioni, incluse le locomotive. Ultium è la tecnologia della batteria che aggiunge flessibilità, efficienza, potenza e affidabilità di cui le ferrovie hanno bisogno.

Nel 2021, General Motors ha anche stretto una collaborazione con Liebherr‑Aerospace per sviluppare un dimostratore di generazione di energia a celle a combustibile per aeromobili. L’anno successivo, GM ha deciso di andare oltre il settore dei veicoli e dei trasporti automobilistici con la sua soluzione Hydrotec.

L’azienda ha dichiarato i suoi piani di sviluppare più generatori di potenza basati su HYDROTEC alimentati dai cubi di potenza a celle a combustibile Generation 2 di GM. Questi includono:

• Un Generatore di Energia Mobile (MPG) che offre capacità di ricarica rapida per i veicoli elettrici senza installare punti di ricarica permanenti.
• Il caricatore rapido EMPOWER che consente alle stazioni di servizio al dettaglio di aggiungere una ricarica DC veloce a prezzi accessibili senza espandere la rete.
• Un MPG palletizzato per alimentare silenziosamente ed efficientemente campi e installazioni militari.

Per l’anno finanziario 2023, GM ha registrato un fatturato di 171,8 miliardi di dollari, con un utile netto attribuibile agli azionisti superiore a 10 miliardi di dollari e un EBIT aggiustato di 12 miliardi di dollari.

#2. Cellcentric: una collaborazione 50 : 50 tra Daimler e Volvo

Cellcentric, una joint venture 50 : 50 tra Volvo Group e Daimler Truck (DTG.DE ) AG, mira a diventare un produttore globale leader di celle a combustibile per aiutare il mondo a raggiungere l’obiettivo di introdurre trasporti neutri e sostenibili entro il 2050.

Nel maggio 2024, Cellcentric ha annunciato il suo sistema di celle a combustibile NextGen, una soluzione personalizzata per camion a lunga percorrenza in Europa e Nord America. Il sistema è una soluzione altamente integrata, compatta e a basso peso, in grado di fornire potenza superiore a 350 kW nelle sue prestazioni di picco.

Secondo le stime di Cellcentric, la soluzione è prevista per offrire un risparmio di consumo del 20 % rispetto alla generazione BZA150. Il sistema NextGen vanta anche un aumento della densità di potenza del 30 % rispetto alla generazione attuale e una riduzione del 40 % del calore di scarto al carico di picco, grazie al suo design sofisticato e alle prestazioni ottimali. Inoltre, la soluzione riduce i requisiti di raffreddamento, migliorando i livelli di idoneità del prodotto. 

Per l’anno intero 2023, Volvo ha aumentato le sue vendite nette di quasi 80 miliardi di SEK, raggiungendo 553 miliardi di SEK, e il reddito operativo aggiustato a 77,6 miliardi di SEK (50,5), con un margine operativo aggiustato del 14,0 % (10,7). Il fatturato del Gruppo Daimler è aumentato del 10 % raggiungendo un livello record di 55,9 miliardi di euro nel 2023.

Il futuro dei veicoli a celle a combustibile a idrogeno

Nel complesso, il futuro dei veicoli a idrogeno appare promettente poiché c’è una crescente domanda globale di soluzioni di trasporto sostenibili. Tuttavia, per diventare più efficienti e sicuri, i produttori e i ricercatori tecnologici dovranno lavorare su tutti gli aspetti di un’auto elettrica a celle a combustibile a idrogeno, inclusi lo stack della cella, il riempitore di carburante, il serbatoio di carburante, il controller e il sistema termico. 

Questi veicoli offrono diversi vantaggi, tra cui coppia istantanea e prestazioni di potenza fluide e costanti, requisiti di manutenzione ridotti, vantaggi di rifornimento rapido, zero emissioni e altro ancora. Tuttavia, i produttori dovranno lavorare di più sui costi. 

L’acquisto di un’auto a celle a combustibile può costare più di un’auto convenzionale di dimensioni comparabili. Tuttavia, sono disponibili diversi incentivi nelle economie sviluppate, come un rimborso di $4.500 ($7.500 per gli acquirenti con reddito qualificato) dal Clean Vehicle Rebate Project della California e altri. Mentre questi incentivi aumenterebbero l’adozione e la visibilità nel breve termine, il successo a lungo termine sarebbe guidato solo dagli standard di sicurezza e prestazioni offerti.

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