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

Nell’ambito del progetto HyTRA, l’Università di tecnologia di Graz ha esaminato diversi aspetti potenzialmente rischiosi. Lo studio ha valutato i possibili tipi di incidente, i pericoli per le persone e per la struttura della galleria, raccomandando misure per ridurre al minimo tali rischi.

Sebbene i ricercatori abbiano stabilito che la probabilità di incidenti con veicoli a idrogeno in una galleria è bassa, l’elevata densità energetica dell’idrogeno e la sua notevole pressione di stoccaggio fanno sì che questi veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV) presentino un rischio significativo di danni estesi.

Lo stoccaggio dell’idrogeno nei serbatoi delle auto a una pressione di 700 bar potrebbe causare il rapido rilascio di una grande quantità di energia. Se innescato, l’idrogeno può bruciare a temperature superiori a 2.000 gradi Celsius. I produttori progettano serbatoi robusti e ben protetti dagli urti meccanici, ma tali protezioni non sono sufficienti in situazioni come un tamponamento da parte di un grande camion.

Da una collisione di questo tipo possono derivare, in linea generale, tre scenari pericolosi.

Nel primo caso, il dispositivo di scarico della pressione ad attivazione termica (TPRD) potrebbe attivarsi quando la pressione aumenta a causa dell’esposizione al calore, rilasciando l’idrogeno dal serbatoio con un getto controllato. Questo meccanismo mantiene la pressione a un livello sicuro, evitando la rottura del serbatoio. Tuttavia, il pericolo persiste se l’idrogeno rilasciato si mescola con l’aria e prende fuoco. La zona di pericolo resterebbe comunque circoscritta.

Lo scenario peggiora se il dispositivo di scarico della pressione ad attivazione termica non funziona, causando potenzialmente l’esplosione del serbatoio. L’onda d’urto potrebbe propagarsi lungo l’intera galleria. Il rischio di morte si estenderebbe fino a circa 30 metri, mentre quello di gravi lesioni interne arriverebbe a 300 metri. A distanze maggiori rimarrebbe comunque il rischio di rottura dei timpani.

Nel terzo scenario, il meno probabile, l’idrogeno viene inizialmente rilasciato senza incendiarsi. Essendo l’elemento più leggero della tavola periodica, il gas sale e si accumula formando una nube sotto il soffitto della galleria. La presenza di una fonte di innesco, come lampade calde o un impulso elettrico, potrebbe far esplodere la nube di idrogeno, generando una forte onda d’urto.

I ricercatori che hanno analizzato gli scenari di rischio hanno proposto varie strategie di mitigazione. Il gruppo ha suggerito limiti di velocità più rigorosi, controllati mediante sistemi di rilevamento della velocità media lungo un tratto. Ha inoltre raccomandato un controllo preciso delle distanze fra i veicoli, sostenuto da un efficace sistema di segnalazione che avvisi i conducenti quando seguono troppo da vicino il veicolo che li precede.

Nell’esaminare i rischi e i possibili danni dei veicoli a idrogeno, il gruppo della TU Graz ha anche ricordato il contesto in cui questi veicoli operano e le modalità di valutazione di tali rischi e danni.

“I moderni serbatoi di idrogeno sono costruiti in modo tanto sicuro che occorrono circostanze eccezionali perché l’idrogeno fuoriesca.”

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

La spinta verso i veicoli a idrogeno

I ricercatori prevedono un aumento significativo dell’adozione dei veicoli a idrogeno nei prossimi anni. Secondo le stime di ricercatori e analisti del settore, il numero di veicoli a idrogeno in circolazione nel mondo supererà il milione nel 2027, rispetto ai poco più di 60.000 del 2022, con una crescita superiore al 1.500%. Il mercato dei consumatori dovrebbe essere il segmento principale, rappresentando oltre il 60% del settore entro il 2027.

Sono in corso iniziative governative per promuovere i veicoli a celle a combustibile. Ad esempio, l’Ufficio per l’efficienza energetica e le energie rinnovabili, che fa parte del Dipartimento dell’Energia statunitense, ha lanciato H2USA nel 2013. Nella dichiarazione ufficiale, le autorità hanno descritto così la missione di H2USA: 

“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.

Molte aziende stanno sviluppando soluzioni per i veicoli a idrogeno, prevedendo che in futuro i governi e le autorità dei trasporti li favoriranno sempre più rispetto ai veicoli elettrici a batteria. Nei paragrafi seguenti ne esaminiamo due.

#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 energetica a celle a combustibile dal costo 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.

Illustrando il valore aggiunto che le soluzioni di GM avrebbero apportato a Wabtec, il presidente e amministratore delegato di Wabtec, Rafael Santana, ha dichiarato:

“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 rapida in corrente continua 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 climaticamente 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 bocchettone di rifornimento, 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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