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

La diffusione dei veicoli elettrici a batteria (BEV) in Nord America sembra aver incontrato un ostacolo.  Con valori di rivendita scarsi, costi di riparazione elevati, e infrastrutture carenti, le vendite sono rallentate – in modo marcato.  Ci sono stati anche ribaltamenti di decisione da parte di grandi società di noleggio come Hertz, che hanno deciso di svendere una grande parte dei veicoli elettrici della loro flotta, tornando ai loro equivalenti a motore a combustione interna (ICE).

Mentre questo può essere vero, sarebbe folle pensare che la transizione da qualcosa di così onnipresente come il motore a combustione interna (ICE) avverrà senza intoppi. Ci saranno sempre stati ostacoli e sempre saranno state poste domande valide lungo il percorso riguardo ai meriti dei veicoli elettrici.

La conclusione è che la transizione verso i 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, quali altre opzioni abbiamo? Per molti, la risposta è una che è stata considerata per molti anni e ha recentemente visto progressi critici: i veicoli elettrici a idrogeno (HEV).

Migliorare la Durabilità delle Celle a Combustibile a Idrogeno

Nella recente studio¹, un team di ricerca congiunto composto da scienziati di Harvard e dell’Università Nazionale di Incheon ha dettagliato un nuovo approccio alla costruzione di celle a combustibile a idrogeno che porterebbe sia a una maggiore durabilità sia a una vita più lunga.

Più specificamente, lo studio ha osservato lo sviluppo di una “categoria di membrane elettrolitiche resistenti alla fatica, costituite da una rete interpenetrazione di Nafion e perfluoropolieter (PFPE).” Quando utilizzata, è stato notato che la tipica fatica, che si manifesta come fratture da stress durante l’uso regolare delle celle a combustibile, può essere notevolmente ridotta.

Incorporando il materiale nelle membrane elettrolitiche all’interno di una cella a combustibile, lo studio ha dimostrato che ha elevato la “… soglia di fatica del 175% e prolungato la durata della cella a combustibile di 1,7 volte. Inoltre, la membrana Nafion non modificata presenta una durata di 242 ore, mentre la membrana composita è stata osservata avere una durata di 410 ore.”

Sebbene il team abbia osservato che l’introduzione di questo materiale ha leggermente degradato le prestazioni delle celle a combustibile, il miglioramento sorprendente in termini di durabilità/longevità è chiaramente un compromesso valido. Guardando al futuro, se le celle a combustibile a idrogeno dovessero sostituire le loro controparti a batteria nel settore dei veicoli elettrici, questi sono i tipi di progressi necessari. Tuttavia, è importante ricordare che la migliore tecnologia non sempre prevale. Il vantaggio del primo arrivato è reale, e i veicoli elettrici alimentati a batteria sono chiaramente in vantaggio, nonostante un recente calo del mercato.

Cosa sono i Veicoli Elettrici a Idrogeno (HEV)?

Un veicolo elettrico è quello che si affida a motori alimentati da elettricità anziché a un motore alimentato da combustione di carburante. Attualmente, la stragrande maggioranza dei veicoli elettrici utilizza pesanti pacchi batteria per immagazzinare e fornire l’elettricità necessaria a questi motori. Come accennato, esiste un altro approccio ai veicoli elettrici che sembra guadagnare terreno: le celle a combustibile a idrogeno.

Nei Veicoli Elettrici a Idrogeno (HEV), talvolta chiamati Veicoli Elettrici a Celle a Combustibile (FCEV), l’elettricità necessaria per alimentare il/i motore/i è fornita tramite una reazione elettrochimica che fa sì che l’idrogeno, immagazzinato come liquido o gas compresso, si separi in protoni ed elettroni. L’intero processo funziona come segue:

1. L’idrogeno immagazzinato in un serbatoio ad alta pressione viene rilasciato su richiesta verso una cella a combustibile.
2. L’idrogeno introdotto nella cella a combustibile viene separato in protoni ed elettroni.
3. Gli elettroni sono usati per alimentare i motori, che poi azionano le ruote.
4. I protoni si combinano con l’ossigeno dell’aria, producendo due sottoprodotti: calore & vapore acqueo.

Interessante notare che alcuni pochi HEV ibridi utilizzano un pacco batteria più piccolo per catturare l’energia persa tramite frenata rigenerativa, combinando il meglio di entrambi i mondi.

Qual è il fascino dell’idrogeno?

Generazione e Stoccaggio: I pacchi batteria tipicamente comprendono materiali estratti da grandi operazioni minerarie invasive che devastano la Terra, minando l’idea che il loro utilizzo sia benefico per l’ambiente. L’idrogeno, invece, può essere catturato tramite metodi come l’elettrolisi sostenibile e potenzialmente riserve naturali.

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

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

Emissioni: Per quanto riguarda le emissioni, l’idrogeno è probabilmente migliore. Sebbene sia tecnicamente un emettitore secondario, ciò comporta solo vapore acqueo che esce dal tubo di scarico. Nel frattempo, i BEV non hanno emissioni. Ciò che distingue l’idrogeno è il processo di produzione, poiché i pacchi batteria che evita richiedono un’estrazione estensiva, danneggiando la Terra.

Rifornimento: Il rifornimento è uno dei maggiori vantaggi dell’idrogeno, poiché è un fattore con cui gli utenti finali dovranno confrontarsi regolarmente. Mentre i BEV tipicamente richiedono lunghi tempi di ricarica e infrastrutture specializzate, gli HEV possono rifornirsi rapidamente come un veicolo a benzina/diesel tradizionale.

Autonomia: Sebbene la tecnologia delle batterie stia migliorando, per un BEV ottenere la stessa autonomia di un tradizionale ICE è necessario un pacco batteria enorme. Ciò comporta tempi di ricarica più lunghi, un’impronta ambientale maggiore e perdite di efficienza a causa del peso. L’idrogeno, invece, offre valori di autonomia tipicamente pari a quelli dell’ICE, eliminando completamente l’ansia da autonomia.

Climi Freddi: Una parte dell’ansia da autonomia che affligge i proprietari di BEV dipende dalla regione. Pochi luoghi offrono condizioni climatiche ideali per un BEV, risultando in una riduzione drastica dell’autonomia per molti clienti. Sebbene l’idrogeno perda un po’ di autonomia in condizioni fredde, non è così drammatico, rendendolo un’opzione più attraente per molti.

Come potete vedere, ci sono diverse aree critiche in cui gli HEV possono superare le loro varianti a pacco batteria. Dove invece iniziano a rimanere indietro è nella complessità, nella necessità di retrofittare le infrastrutture di rifornimento esistenti e nel potenziale arrivo delle batterie allo stato solido.

Attori del Settore che Sviluppano Soluzioni a Idrogeno

L’industria dei veicoli elettrici potrebbe attualmente incontrare qualche ostacolo, ma è chiaro che rappresentano il futuro dei trasporti. Ciò che non è altrettanto chiaro è quale forma prenderanno i veicoli elettrici. Saranno alimentati a batteria? O si baseranno su celle a combustibile a idrogeno? La coppia di aziende seguenti punta a quest’ultima opzione e ha già iniziato a pianificare un futuro del genere.

*I dati forniti di seguito erano accurati al momento della stesura e sono soggetti a variazioni. Qualsiasi potenziale investitore dovrebbe verificare le metriche*

1. Toyota

Essendo il più grande costruttore automobilistico al mondo, non sorprende che Toyota si sia avventurata nel settore degli HEV. Curiosamente, mentre l’azienda sta sviluppando attivamente soluzioni di batterie allo stato solido, Toyota ha respinto i veicoli elettrici a batteria odierni. Invece, Toyota ha dichiarato di credere che un futuro più luminoso risieda negli HEV e persino nei motori a combustione di idrogeno.

È degno di nota che Toyota abbia iniziato a sviluppare la tecnologia HEV nel 1992, culminando con il lancio della ‘Mirai’ – una berlina con rifornimento in 5 minuti, autonomia di 650 km e zero emissioni nocive.

2. Plug Power

(PLUG )

Plug Power Inc., fondata nel 1997 e con sede a Latham, New York, rimane un attore chiave nell’avanzamento della tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno. È importante notare che Plug Power non si concentra esclusivamente su auto e camion; l’azienda progetta e produce tali sistemi per installazioni più piccole che utilizzano motori elettrici.

Negli ultimi anni, Plug Power ha ampliato il suo focus oltre le celle a combustibile per la movimentazione dei materiali e ha iniziato a puntare a mercati più ampi. Ciò include sistemi di energia stazionaria, flotte di veicoli per consegne e persino potenziali applicazioni nell’aviazione. Le acquisizioni strategiche dell’azienda, come United Hydrogen e Giner ELX, hanno ulteriormente rafforzato la sua posizione nell’economia dell’idrogeno migliorando le capacità di generazione, liquefazione e distribuzione dell’idrogeno.

Parola Finale

Con i veicoli elettrici a batteria in difficoltà, si sta ponendo maggiore attenzione alle alternative potenziali. Al momento, le soluzioni a idrogeno sono in prima linea, e sebbene possa sembrare facile sminuire la tecnologia a prima vista, ricordate che non è solo Toyota a spingere per l’idrogeno. Esistono già partnership e sviluppi di soluzioni a idrogeno che coinvolgono aziende come Honda, GM, Hyundai e altre.

Con l’accesso crescente all’idrogeno prodotto in modo sostenibile che aumenta ogni giorno, il futuro dei veicoli elettrici potrebbe apparire leggermente diverso da quanto molti immaginano.

Studi Citati:

^{1. Kim, Y., Zhang, J., Lim, H., Jang, W., Kim, D. Y., Lee, W. Y., Choi, W., Kim, D. J., Lee, S. H., Jeong, S. K., Park, J. H., Park, S., & Kim, J. Y. (2024). Membrane Elettrolitiche Resistenti alla Fatica per Celle a Combustibile a Membrana Polimerica Duratura. Advanced Materials, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}