Le celle a combustibile a idrogeno sono il futuro dei veicoli elettrici?

L’adozione dei veicoli elettrici a batteria (BEV) in Nord America sembra aver incontrato un ostacolo. Con valori di rivendita scarsi, costosi costi di riparazionee infrastrutture in ritardo, le vendite sono rallentate – marcatamente. Ci sono state anche inversioni di decisione da parte di grandi società di noleggio come Hertz che hanno deciso di farlo scaricare una parte enorme di veicoli elettrici nella sua flotta, tornando alle loro controparti con motore a combustione interna (ICE).

Anche se questo può essere il caso, sarebbe folle pensare che la transizione da qualcosa di così onnipresente come l’ICE possa avvenire senza soluzione di continuità. Ci sarebbero sempre stati degli insuccessi e ci sarebbero sempre state domande valide poste lungo il percorso riguardo ai meriti dei veicoli elettrici.

In conclusione, il passaggio ai veicoli elettrici non è solo un desiderio di pochi; è una necessità di molti nella lotta contro il cambiamento climatico. Tuttavia, se l'attuale generazione di veicoli elettrici non è all'altezza del compito, quali altre opzioni abbiamo? Per molti, la risposta è una cosa su cui si riflette da molti anni e che ha recentemente visto progressi significativi: i veicoli elettrici a idrogeno (HEV).

Migliorare la durata delle celle a combustibile a idrogeno

In un recente studio¹, un gruppo di ricerca congiunto composto da scienziati delle università nazionali di Harvard e di Incheon ha dettagliato un nuovo approccio alla costruzione di celle a combustibile a idrogeno che si tradurrebbe in una maggiore durabilità e durata di vita.

Più nello specifico, lo studio ha visto lo sviluppo di a “categoria di membrane elettrolitiche resistenti alla fatica, costituite da una rete compenetrante di Nafion e perfluoropolietere (PFPE).” Una volta utilizzate, è stato notato che la tipica fatica, che si presenta come fratture da stress che si verificano durante l'uso regolare delle celle a combustibile, potrebbe essere notevolmente ridotta.

Incorporando il materiale nelle membrane elettrolitiche all'interno di una cella a combustibile, lo studio ha dimostrato che aumentava la “…soglia di fatica del 175% e prolunga la durata della cella a combustibile di 1.7 volte. Inoltre, la membrana Nafion non modificata presenta una durata di vita di 242 ore, mentre è stato osservato che la membrana composita ha una durata di 410 ore.

Sebbene il team abbia osservato che l'introduzione di questo materiale ha leggermente peggiorato le prestazioni delle celle a combustibile, il sorprendente miglioramento in termini di durata/longevità rappresenta chiaramente un compromesso valido. In futuro, se si prevede che le celle a combustibile a idrogeno sostituiranno le loro controparti a batteria nel settore dei veicoli elettrici, questi sono i tipi di progressi che dovranno essere compiuti. Tuttavia, è importante ricordare che la tecnologia migliore non sempre vince. Il vantaggio del pioniere è reale e i veicoli elettrici a batteria sono chiaramente in testa, nonostante il recente crollo del mercato.

Cosa sono i veicoli elettrici a idrogeno (HEV)?

Un veicolo elettrico è un veicolo che si basa su motori alimentati dall’elettricità piuttosto che su un motore alimentato dalla combustione del carburante. Allo stato attuale, la stragrande maggioranza dei veicoli elettrici utilizza pesanti pacchi batteria per immagazzinare e fornire l’elettricità necessaria ad alimentare questi motori. Come accennato, esiste un altro approccio ai veicoli elettrici che sembra prendere piede: le celle a combustibile a idrogeno.

Nei veicoli elettrici a idrogeno (HEV), a volte chiamati veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV), l'elettricità necessaria per alimentare i motori viene fornita attraverso una reazione elettrochimica che vede l'idrogeno, immagazzinato come liquido o gas compresso, diviso in protoni ed elettroni. L'intero processo funziona come segue:

1. L'idrogeno immagazzinato in un serbatoio ad alta pressione viene rilasciato su richiesta in una cella a combustibile.
2. L'idrogeno introdotto nella cella a combustibile viene suddiviso in protoni ed elettroni.
3. Gli elettroni vengono utilizzati per alimentare i motori, che poi azionano le ruote.
4. I protoni si combinano con l'ossigeno presente nell'aria, producendo due sottoprodotti: calore e vapore acqueo.

È interessante notare che alcuni HEV ibridi selezionati utilizzano un pacco batteria più piccolo per catturare l’energia persa attraverso la frenata rigenerativa, combinando il meglio di entrambi i mondi.

Qual è il fascino dell'idrogeno?

Le attrattive dei veicoli ibridi sono varie ma sostanziali, ma lo sono anche i veicoli elettrici alimentati a batteria. Quindi, anche se le varianti alimentate a batteria attualmente dominano il mercato, non sono state in alcun modo dichiarate l’approccio vincente. In effetti, ciascuno dei seguenti fattori indica che gli HEV sono in qualche modo superiori.

Generazione e archiviazione: I pacchi batteria in genere comprendono materiali raccolti da operazioni minerarie di grandi dimensioni e invasive che provocano il caos sulla Terra, minando la premessa che il loro utilizzo sia positivo per l’ambiente. L’idrogeno, d’altra parte, può essere catturato attraverso mezzi come l’elettrolisi sostenibile e potenzialmente riserve naturali.

Inoltre, l’idrogeno può essere facilmente compresso in un liquido e trasportato senza problemi in grandi quantità. Non richiede linee di trasmissione dal punto di creazione, rendendo il processo più flessibile.

Performance: Dal punto di vista delle prestazioni, non c’è una grande differenza tra HEV e BEV. Entrambi i tipi di veicoli utilizzano motori per azionare le ruote motrici, il che significa che entrambi beneficeranno della coppia e della potenza istantanee sinonimo di questa tecnologia.

Emissioni: Sul fronte delle emissioni, l’idrogeno è probabilmente migliore. Sebbene tecnicamente sia un emettitore secondario, ciò comporta che dal tubo di scappamento esca solo vapore acqueo. Nel frattempo, i BEV non hanno alcuna emissione. Il punto in cui l’idrogeno si distingue è nel processo di produzione, poiché i pacchi batteria a cui rinuncia richiedono un’intensa attività mineraria per essere creati, danneggiando la Terra nel processo.

Rifornimento: Il rifornimento di carburante è uno degli aspetti più attraenti per l’idrogeno, poiché è un fattore con cui gli utenti finali dovranno confrontarsi regolarmente in prima persona. Mentre i BEV in genere richiedono lunghi tempi di ricarica e infrastrutture specializzate, gli HEV possono fare rifornimento con la stessa rapidità di un normale veicolo a benzina/diesel.

Range: Sebbene la tecnologia delle batterie stia migliorando, affinché un BEV possa vantare la stessa autonomia di un ICE più tradizionale, è necessario un pacco batterie enorme. Ciò si traduce in tempi di ricarica più lunghi, maggiore impatto ambientale e perdite di efficienza dovute al peso. L’idrogeno, d’altro canto, vanta valori di autonomia tipicamente alla pari con l’ICE, eliminando completamente l’ansia da autonomia dall’equazione.

Climi freddi: Parte dell’ansia da autonomia che affligge i proprietari di veicoli BEV riguarda la regione. Sono pochissimi i luoghi che vantano condizioni climatiche ideali per un BEV, il che si traduce in un’autonomia drasticamente ridotta per molti clienti. Sebbene l’idrogeno perda una certa autonomia quando fa freddo, non è affatto così drammatico, rendendolo un’opzione più attraente per molti.

Come puoi vedere, ci sono varie aree critiche in cui i veicoli HEV possono superare le loro varianti di pacco batteria. Il punto in cui iniziano a rallentare è la complessità, la necessità di aggiornare le infrastrutture di rifornimento esistenti e il potenziale avvento delle batterie allo stato solido.

Operatori del settore che sviluppano soluzioni a idrogeno

Il settore dei veicoli elettrici potrebbe attraversare qualche ostacolo in questo momento, ma resta chiaro che rappresentano il futuro dei trasporti. Ciò che non è altrettanto chiaro è quale forma assumeranno i veicoli elettrici. Saranno alimentati a batteria? O si baseranno sulle celle a combustibile a idrogeno? Le due aziende che seguono puntano su quest'ultima opzione e hanno già iniziato a pianificare un futuro simile.

*I dati forniti di seguito erano accurati al momento della redazione e sono soggetti a modifiche. Qualsiasi potenziale investitore dovrebbe verificare i parametri*

1. Toyota

Essendo la più grande casa automobilistica al mondo, non dovrebbe sorprendere che Toyota si sia avventurata nel mondo dei veicoli ibridi ibridi (HEV). È interessante notare che, pur sviluppando attivamente soluzioni per batterie allo stato solido, Toyota si è opposta agli attuali veicoli elettrici a batteria. Al contrario, Toyota ha dichiarato di credere che un futuro più luminoso sia riservato ai veicoli ibridi ibridi e persino ai motori a combustione interna a idrogeno.

In particolare, Toyota ha iniziato a sviluppare la tecnologia HEV nel 1992, arrivando al lancio della "Mirai", una berlina con un rifornimento di carburante in 5 minuti, un'autonomia di 650 km e zero emissioni nocive.

2. Spina di alimentazione

(PLUG )

Plug Power Inc., fondata nel 1997 e con sede a Latham, New York, rimane un attore chiave nel progresso della tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno. In particolare, Plug Power non si concentra esclusivamente su automobili e camion; l'azienda progetta e produce tali sistemi per installazioni più piccole che utilizzano motori elettrici.

Negli ultimi anni, Plug Power ha ampliato la sua attenzione oltre le celle a combustibile per la movimentazione dei materiali e ha iniziato a rivolgersi a mercati più ampi. Tra questi rientrano i sistemi di alimentazione stazionari, le flotte di veicoli per le consegne e persino potenziali applicazioni nel settore aeronautico. Le acquisizioni strategiche dell'azienda, come quella di United Hydrogen e Giner ELX, hanno ulteriormente rafforzato la sua posizione nell'economia dell'idrogeno, potenziando le sue capacità nella generazione, liquefazione e distribuzione dell'idrogeno.

Una Parola Finale

Con l’inciampo dei veicoli elettrici a batteria, si sta prestando maggiore attenzione alle potenziali alternative. Allo stato attuale, le soluzioni a base di idrogeno sono in prima linea e, sebbene possa essere facile ignorare la tecnologia a prima vista, ricordate che non è solo Toyota a spingere per l’idrogeno. Esistono già partnership e sviluppo di soluzioni a idrogeno che coinvolgono aziende come Honda, GM, Hyundai e altre.

Con il crescente accesso all’idrogeno proveniente da fonti sostenibili che cresce ogni giorno, il futuro dei veicoli elettrici potrebbe apparire leggermente diverso da quanto molti pensano.

Studi citati:

^{1. Kim, Y., Zhang, J., Lim, H., Jang, W., Kim, DY, Lee, WY, Choi, W., Kim, DJ, Lee, SH, Jeong, SK, Park, JH, Park, S. e Kim, JY (2024). Membrane elettrolitiche resistenti alla fatica per celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica durevoli. Materiali avanzati, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}