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PILE A COMBUSTIBILE

Il passaggio alla propulsione elettrica automotive è un obiettivo che è giusto perseguire, ma senza nevrosi, senza massacrare l’industria automobilistica e, soprattutto, preparando una piattaforma energetica planetaria completa, funzionale, pienamente integrata e coerentemente lungimirante. La propulsione automotive alimentata da batterie è solo un passaggio. L’obiettivo finale deve essere una propulsione elettrica che offra tutte le qualità pratiche e prestazionali che qualsiasi vettura a propulsione termica della attuale generazione è in grado di garantire con una routine impeccabile.

FUEL CELL

Al momento attuale la risposta a queste esigenze può venire solo dalla adozione di sistemi a pile a combustibile alimentate a idrogeno. Il principio di reazione elettro-chimica su cui si basa la pila a combustibile è stato ipotizzato già nel 1801 e nel 1839 è stata definita la struttura della “batteria a gas”, ma solo negli anni ’50 del ventesimo secolo prendono forma i componenti funzionali che ne rendono possibile la realizzazione. In particolare, la General Electric crea la membrana di scambio protonico, fondamentale per arrivare alla ossidazione fredda dell’idrogeno e alla cattura degli elettroni liberati e alla loro veicolazione come energia elettrica.

Da allora l’evoluzione della pila a combustibile non si è mai arrestata, Già negli anni ’60 la NASA utilizzava pile a combustibile per l’alimentazione energetica di molti suoi satelliti e negli anni ’80 la US Navy ha adottato pile a combustibile a bordo dei suoi sommergibili nucleari. Pile a combustibile sono state utilizzate sui veicoli spaziali Gemini e Apollo, dove, oltre all’energia elettrica, fornivano anche acqua per l’equipaggio. La pila a combustibile ha una struttura relativamente semplice.

Da un lato viene introdotto idrogeno a circa 2 bar di pressione e dall’altro aria atmosferica alla stessa pressione. Gli atomi di idrogeno passano attraverso una membrana catalitica che, grazie alla loro ossidazione a freddo da parte dell’ossigeno dell’aria, rilasciano elettroni che vengono catturati da un elettrolito e che li “consegna” agli elettrodi, un anodo ed un catodo, per alimentare il circuito elettrico, mentre i protoni dell’idrogeno si combinano con l’ossigeno e producono acqua, più una quantità di calore che varia a seconda delle caratteristiche della membrana catalitica e dell’elettrolito.

FUEL CELL ENERGY GENERATION PROCESS

La pila a combustibile produce energia elettrica attraverso una reazione elettrochimica analoga a quella che avviene in una batteria, ma, al contrario di questa, la riserva energetica non è contenuta in un “circuito chiuso” che, una volta esauritosi, richiede la sostituzione della batteria o la sua ricarica. Alla pila a combustibile basta fornire una nuova carica di combustibile, il resto rimane perfettamente efficiente “a vita”, o quasi. In questa ottica è ovvio che l’idrogeno è il combustibile fondamentale per realizzare sistemi di propulsione elettrica a pile a combustibile, funzionali e con una efficienza e una densità energetica immensamente superiori a quelle delle batterie agli ioni di litio.

Sono state realizzate pile a combustibile alimentate a metanolo, ma questo richiede anche una azione di reforming dello stesso, a costo di una aliquota di efficienza energetica e con produzione di CO₂. I vantaggi delle pile a combustibile vanno oltre alla efficienza ed alla densità energetica. Non sottopongono il veicolo ad alcun aggravio di peso, rispetto ad un propulsore termico, e i tempi di rifornimento sono gli stessi di una vettura con motore alimentato a metano.

GM SEQUEL

Circa 15 anni fa ho guidato il prototipo General Motors Sequel, un poderoso SUV di 5 metri e dotato di tre motori elettrici. Uno da 60 kW operante sulle ruote anteriori e due da 25 kW ciascuno, operanti sulle ruote posteriori. La coppia globale era di 500 Nm. La pila a combustibile sviluppava una energia di 73 kW. Il sistema elettrico operava a tre livelli di voltaggio: 380 V per i gruppi propulsivi, 48 V per alimentare il sistema di guida e controllo dinamico by-wire e 12 V per gli accessori. Era presente anche una piccola batteria agli ioni di litio che veniva ricaricata sia dalla pila a combustibile, sia dal sistema di frenatura rigenerativa.

GM SEQUEL TRANSPARENT VIEW

Tre serbatoi cilindrici in fibra di carbonio contenevano idrogeno gassoso, compresso a 700 bar per un totale di 8 kg, per una autonomia effettiva di 480km. Il prototipo Sequel aveva doti di accelerazione molto brillanti in relazione alle dimensioni e al peso, 2100 kg, con un tempo di accelerazione 0-100 kmh nettamente inferiore a 10” e una velocità massima indicata in 150kmh, ma nel corso della prova, condotta a Palm Springs, CA., ho registrato punte di almeno 160 kmh. Palm Springs è all’interno della California e il clima è molto secco e molto caldo, per cui si è viaggiato costantemente con il climatizzatore a manetta.

GM SEQUEL POWER SYSTEM LAYOUT

GM Sequel aveva tutta le qualità e le funzionalità per essere messo in produzione il giorno dopo. Ma non è successo perché manca un rubinetto da cui tirare idrogeno. Il discorso è complesso perché, per disporre di idrogeno in quantitativi e a prezzi competitivi con quelli del petrolio, c’è bisogno di investire massicciamente in nuove centrali elettro-nucleari che hanno la capacità di fornire, assieme all’energia elettrica, volumi di idrogeno enormi e a costo quasi zero. La materia è impegnativa e riservo alla prossima puntata il discorso, fondamentale, sul nucleare. Chiunque parli di ricavare idrogeno dagli idrocarburi, metano in testa, sembra ignorare che questi processi comportano costi rilevanti e la generazione di CO₂, e poi il metano lasciamolo lì com’è perché è il più gran combustibile per i nostri meravigliosi motori a pistoni.

Resta fondamentale il fatto oggettivo che la pila a combustibile è la risposta finale alla ricerca di un sistema di propulsione elettrica automotive che non abbia grossolani limiti funzionali e effetti collaterali, ma anzi innesca un circolo virtuoso ”acqua-idrogeno+ossigeno-acqua”, assolutamente naturale e infinito Dopo una serie di prototipi Sequel, la ricerca GM si è fermata a causa della grande crisi del 2008, ma dagli anni 2010 la propulsione elettrica con pila a combustibile ha conquistato nuovo interesse presso molte Case che hanno contribuito a raffinarne ulteriormente la tecnologia in termini di rapporto peso/densità energetica.  

HONDA CLARITY

HYUN DAI IX 35 FCEV

Honda, Hyundai, Toyota, Mercedes, BMW e ovviamente la stessa GM hanno continuato  a portare avanti studi di fattibilità e progetti. Honda e Hyundai hanno avviato la produzione in piccola serie di vetture disponibili per il mercato. Ma ci vuole il famoso rubinetto che butti idrogeno e sia ben accessibile a tutti, compresso o liquefatto, non importa. Recentemente GM ha realizzato per l’US Army una serie di pick-up Chevrolet Silverado con propulsione elettrica a pila a combustibile e sia in Europa che in USA e in Giappone sono in servizio autobus a pila a combustibile.

Ci arriveremo se lasceremo che la scienza lavori indisturbata, senza nevrosi e senza strilli di marmocchie psicotiche pilotate da madri furbe e da ricchi signori, Mr. Soros, che intendono alterare l’equilibrio della nostra civiltà.

BMW FUEL CELL CONCEPT

CHEVROLET COLORADO PICK-UP FUEL CELL US ARMY

FUEL CELL CHEVROLET COLORADO US ARMY

MERCEDES A CLASS E CELL

TOYOTA MIRAI