DaimlerChrysler sviluppa le auto a celle a combustibile

 di Ferdinand Panik *

Sommario

Con la tecnologia delle pile a combustibile sarà possibile costruire dei veicoli più rispettosi dell’ambiente, senza sacrificare il confort al quale gli automobilisti sono abituati. I veicoli a pile a combustibile realizzati dalla DaimlerChrysler avranno un livello d’inquinamento dell’aria e del rumore molto basso, quasi nullo. I loro motori avranno un rendimento nettamente superiore a quello dei motori elettrici o a combustione.

I principali vantaggi delle celle a combustibile come sistema motore per auto, possono così essere riassunti: in rapporto al tipo di combustibile usato, la generazione dell’energia necessaria per la propulsione produce emissioni molto basse o nulle. Per di più questo processo è molto efficiente. Il motore a celle a combustibile perciò risponde alla domanda di una sostanziale riduzione di emissioni di CO₂ nel settore del trasporto. Tutto questo perché viene generata energia elettrica direttamente dalla reazione controllata di idrogeno con ossigeno atmosferico. Il sotto-prodotto è chimicamente acqua pura. Questo tipo di conversione energetica è di gran lunga più efficiente di quella associata al motore a combustione interna, che crea calore in eccesso che deve essere conseguentemente rimosso.
 Le celle a combustibile soddisfano anche un altro importante requisito di un veicolo del futuro: riducono la rumorosità del traffico. Con il loro sistema elettrico di propulsione, i veicoli a celle a combustibile sono estremamente silenziosi se raffrontati al motore a combustione, specie a basse velocità e quando si accelera per sorpassare; quando ci si ferma ai semafori, i veicoli a celle a combustibile non emettono quasi alcun rumore. Queste caratteristiche ne fanno una scelta reale per l’uso futuro nelle aree urbane.
 Negli ultimi anni molti esempi hanno rivelato che i consumatori non sono disposti a pagare la protezione dell’ambiente con la rinuncia alle comodità o con acquistando a prezzi più elevati. E’ difficile trovare un cliente che voglia sacrificare il confort per un prodotto valido dal punto di vista ambientale. Ciò è specialmente vero nella produzione dell’auto di massa, dove le richieste di confort individuale e di buon equipaggiamento sono egualmente divise con la sicurezza e le prestazioni.
 Con l’arrivo del sistema a celle a combustibile, è possibile produrre veicoli validi dal punto di vista ambientale e con buone qualità e caratteristiche di guida. Potenza, modello e prestazioni si sposano perfettamente con le auspicate caratteristiche di compatibilità ambientale.

. Le celle a combustibile hanno un altro importante vantaggio: la loro energia è generata in maniera molto più efficiente rispetto ai motori a combustione. Questo vantaggio diventerà sempre più rilevante in quanto i veicoli saranno dotati di equipaggiamenti standard, quali il condizionamento e il riscaldamento. Avendo presente le necessità del cliente, l’impegno a breve della DaimlerChrysler sarà diretto verso progressi tecnici e riduzione dei costi del sistema delle celle a combustibile.

Le celle a combustibile mobili della DaimlerChrysler

La DaimlerChrysler ha compiuto significativi progressi negli anni recenti nello sviluppo di un veicolo azionato da celle a combustibile. Convalidando le speranze riposte nella tecnologia delle celle a combustibile, questi progressi dimostrano la fattibilità tecnica del progetto. DaimlerChrysler è la prima casa automobilistica ad avere sviluppato il motore a celle a combustibile azionato ad idrogeno e l’alternativa azionata a metanolo, dimostrando parallelamente il potenziale di questa tecnologia nelle auto passeggeri e nei bus. Proprio cinque anni fa la NECAR 1 (New Electric Car) - il primo veicolo al mondo a celle a combustibile- è stato messo su strada. Nel contempo , gl’ingegneri della DaimlerChrysler hanno sviluppato soluzioni alla maggior parte dei problemi tecnici da superare. Ad esempio, essi hanno:

* ridotto il volume del sistema completo dell’80% ;

* raddoppiato il potenziale energetico delle celle riducendo il suo peso della metà;

* modificata la dimensione del reformer del metanolo in modo da poterlo inserire in un’auto passeggeri;

* accresciuto il raggio operativo, così che la “NECAR 4” oggi percorre cinque volte di più del primo modello sperimentale.

 DaimlerChrysler sta operando a pieno regime per migliorare l’efficienza dei suoi veicoli a celle a combustibile, e per ridurre il loro peso e il loro costo totale. Lavoro intenso viene compiuto altresì per accertare che il combustibile sia il più appropriato per motori a celle a combustibile. Data la natura limitata delle riserve petrolifere, l’importanza delle celle a combustibile si accrescerà quasi certamente dal 2020 circa. Mentre la domanda di mobilità mondiale continua a crescere rapidamente, vengono scoperti sempre meno depositi di petrolio greggio. La mobilità di persone e beni (una delle più grandi conquiste della nostra era e motore chiave dell’economia mondiale) non deve dipendere esclusivamente dal greggio. Ecco perché abbiamo bisogno di combustibili alternativi per il futuro.

 A questo fine, “Verkehrswirtschaftliche Energiesstrategie” (VES, Energy Strategy for Trasport Sector) nell’ottica di una collaborazione tra le imprese dell’auto e dell’energia, sta esplorando nuove strade in Germania. Ad esempio, in collaborazione col governo tedesco, VES prova e valuta combustibili alternativi per determinare la loro potenziale utilità. L’obiettivo è di concentrare gli sforzi per lo sviluppo futuro di uno, o al massimo due, combustibili promettenti e di gettare le basi della loro introduzione sul mercato. I risultati di questo progetto sono programmati per essere disponibili a breve. Essi saranno utilizzati dalla DaimlerChrysler come la base per successive attività nei test sui veicoli e per altri programmi esperimentali in Germania.

Tre combustibili alternativi a confronto

Per azionare i veicoli a celle a combustibile possono essere impiegati combustibili generati da una varietà di metodi produttivi. Nell’ottica presente della DaimlerChrysler, comunque, l’idrogeno e il metanolo sembrano mantenere le maggiori promesse, anche perché sono di facile manipolazione da un punto di vista tecnico. Essi hanno anche il più basso livello di emissioni ed aprono la possibilità di aprire nuove fonti di energie rinnovabili alle applicazioni del trasporto.

Idrogeno

La generazione di energia dall’idrogeno è relativamente semplice ed altamente efficiente. L’efficienza totale dell’idrogeno nell’azionare le celle a combustibile è molto più grande che quella basata sulla benzina o anche sul metanolo. In ogni caso, il vantaggio di base dell’impiego dell’idrogeno nelle celle a combustibile è che esso non produce assolutamente alcuna emissione inquinante.

L’idrogeno è prodotto principalmente attraverso l’elettrolisi dell’acqua, e dal metano e da sottoprodotti dell’industria chimica. L’elettrolisi, cioè la scomposizione dell’acqua in idrogeno e ossigeno attraverso l’applicazione di elettricità, è il più semplice metodo di produzione dell’idrogeno ma richiede una grande quantità di elettricità. Per compensare questo consumo di energia, un veicolo a celle a combustibile azionato da idrogeno deve essere più efficiente di un veicolo con motore a combustione. NECAR 4 realizza quasi il 37% di efficienza valutato usando il metodo di misurazione “New European Driving Cycle”.

  Per sfruttare pienamente il potenziale di compatibilità ambientale nel lungo termine, l’energia elettrica richiesta per la sua produzione dovrebbe venire da fonti energetiche rinnovabili come l’idroelettrica, il vento o l’energia solare. Secondo la dislocazione geografica, possono essere anche utilizzate le fonti di energia termica. Il bilancio energetico associato a tutti questi metodi, dalla generazione di combustibile al suo uso nel veicolo, dovrebbe essere privo di emissioni.

 C’è un problema, tuttavia: l’infrastruttura esistente delle stazioni di rifornimento per i combustibili convenzionali non può essere usata per l’idrogeno. A medio termine i veicoli a celle a combustibile con l’immagazzinamento dell’idrogeno a bordo sono utilizzabili solo in aree geograficamente limitate in modo da poter far ritorno alle stazioni di rifornimento centralizzate. Un approccio alternativo - l’uso dell’idrogeno liquido- è in fase di sperimentazione in una stazione automatica di rifornimento presso l’aeroporto di Monaco. L’idrogeno liquido incrementa il raggio di operatività del veicolo, ma richiede maggiore energia per il processo di liquefazione.

 Nel futuro, tutti veicoli usati dal servizio postale e da altri servizi di distribuzione, taxi, ecc potrebbero essere privi di emissioni in quanto capaci di operare senza produrre gas di scarico e con bassi livelli di rumore. Le celle a combustibile funzionanti ad idrogeno sembrano essere la migliore opzione disponibile, specie per mercati dove la legislazione esigerà in un futuro prevedibile veicoli a zero-emissioni .

Metanolo

 La DaimlerChrysler impiega anche il metanolo come fonte energetica alternativa sui suoi veicoli a celle a combustibile. Ha sviluppato un processo che consente la produzione dell’idrogeno direttamente dal metanolo a bordo del veicolo con l’aiuto di un reformer. La realizzazione di un’unità di reforming valida per l’uso quotidiano significa il primo superamento di una serie di ostacoli rilevanti. Il reformer può ora risolvere le esigenze funzionali associate ad un veicolo in movimento. Ad esempio, benché la velocità di crociera di 20 miglia l’ora richiede solo una piccola quantità di idrogeno, il consumo cresce immediatamente quando aumenti la velocità.

 Uno dei principali vantaggi del metodo di reforming del metanolo è la sua convenienza nella mobilità individuale. Giacché il metanolo è liquido a temperatura ambiente, esso potrebbe essere pompato in ogni stazione comune di rifornimento, in parallelo con i combustibili convenzionali come benzina e gasolio. Perciò l’introduzione del metanolo come combustibile richiederebbe solo minimi mutamenti nell’equipaggiamento delle stazioni di servizio attuali.

 Il metanolo è la sostanza più conveniente per stoccare l’idrogeno in forma liquida, e perciò per azionare veicoli efficienti a celle a combustibili, a basse emissioni. A differenza dell’impiego dell’idrogeno a bordo, la generazione di energia in un veicolo azionato da metanolo non sarebbe del tutto priva di emissioni. Comunque, non vengono prodotti ossidi d’azoto (NO_x), ossidi di zolfo (SO_x) o particelle di nerofumo. Le emissioni di anidride carbonica (CO₂) sono sostanzialmente più basse che nel caso dei motori a combustione interna. Una cella a combustibile che opera con metanolo emette fino al 30% meno CO₂ di un motore che opera con benzina o con gasolio.

 La maggior parte del metanolo attualmente prodotto dall’industria (circa il 70%) viene dal metano. A differenza della benzina, questo combustibile ha il vantaggio di non essere dipendente dal petrolio. Il metano continua ad essere disponibile in grandi quantità e in varie dislocazioni. Una grande quantità viene anche combusta in quanto rifiuto inutilizzabile prodotto durante le perforazioni petrolifere. La conversione del metano in metanolo liquido facilmente trasportabile non sarebbe solo lo sfruttamento di una nuova fonte di energia, ma anche presenterebbe nuove opportunità di business per le compagnie energetiche. Inoltre l’uso del metanolo come combustibile ridurrebbe la dipendenza dalle aree politicamente instabili. La capacità di produzione mondiale di metanolo supera i 34 milioni di tonnellate annue. Questa capacità è attualmente sotto utilizzata. Anche usando solo gl’impianti esistenti, sarebbe possibile produrre il combustibile richiesto da 3 - 5 milioni di auto a celle a combustibile.

 Le celle a combustibile azionate a metanolo rassomigliano a quelle ad idrogeno per un importante aspetto: l’energia consumata nella produzione di metanolo potrebbe essere compensata dall’alta efficienza del veicolo. Questa è ora al 24% secondo il metodo di misurazione del New European Driving Cycle, ma ci si aspetta che raggiunga un valore fino al 38% per il 2010. Riguardo al processo usato per produrre industrialmente metanolo c’è ancora abbastanza spazio per migliorarlo. Nell’ottica della DaimlerChrysler, un altro vantaggio chiave che favorisce l’uso del metanolo è la possibilità nel medio e lungo periodo di produrre il combustibile da fonti di energia rinnovabili tipo le biomasse, residui di legno o rifiuti. L’uso di tali fonti per produrre metanolo si tradurrebbe in un bilancio energetico equilibrato: la CO₂ liberata dai veicoli sarebbe pari a quella assorbita precedentemente dalle piante durante la loro crescita.

Benzina

Con un approccio completamente diverso, la dbb Fuel Cell Engines GmbH, una sussidiaria della DaimlerChrysler, sta collaborando con la Shell per esplorare l’uso della benzina per azionare le celle a combustibile. I primi risultati iniziali saranno disponibili entro un anno. Un sistema di celle a combustibile operante a benzina ha due vantaggi principali: coinvolgendo meno cambiamenti, si potrebbero utilizzare le attuali infrastrutture, senza modifiche ai serbatoi del veicolo. Tuttavia, a confronto con il metanolo, la benzina, con le sue elevate temperature di processo, riduce l’efficienza delle celle a combustibile nel veicolo. Essa genera anche maggiori emissioni durante il processo di reforming. Mentre il reforming di una miscela di acqua-metanolo ha luogo a temperature basse di 540°F( circa 280°C), il reforming della benzina richiede una temperatura di processo di circa 1500-1800°F (800 - 1000°C).

 Inoltre, i tipi di benzina comunemente usati non sono validi per il sistema a celle a combustibile. Viene infatti richiesto uno speciale tipo di benzina pura che può contenere solo uno specifico segmento delle serie di idrocarburi presenti nei combustibili attuali e deve essere completamente desolfurizzata. Essa ha però un vantaggio importante: la sua preparazione richiede meno energia rispetto a quella dell’idrogeno e del metanolo. Di conseguenza può attualmente mostrare più elevata efficienza in relazione al processo complessivo.

 Quando confrontiamo direttamente i vari combustibili, è importante considerare tutti i fattori significativi se si vuole che gli aspetti ambientali e di mercato siano bilanciati.

L’idrogeno chiaramente merita il voto più elevato rispetto ai valori di emissione e al processo di reforming, ma la sua distribuzione è meno economica. Anche se si è d’accordo sul atto che l’idrogeno è la migliore alternativa da un punto di vista tecnico, il suo uso richiederebbe una pianificazione di lungo termine rispetto a quanto necessario nell’attuale situazione ambientale e tenuto conto della disponibilità delle risorse.

Per quanto riguarda le celle a combustibile a benzina, nessun particolare mutamento dovrebbe essere compiuto nell’infrastruttura di vendita. Il problema è che la tecnologia per le applicazioni mobili non è ancora disponibile.

Fermo restando che una decisione finale richiederà discussioni intense fra fornitori energetici, industria dell’auto e governi,la DimerCRysler considera il metanolo il migliore candidato attualmente disponibile. Considerando tutti gli aspetti, i dati tecnici a favore delle celle a combustibile azionate a metanolo si collocano in mezzo tra quelli pertinenti rispettivamente all’idrogeno e alla benzina. Inoltre la fattibilità tecnica del reforming è stata dimostrata in modo convincente. Considerando la sua disponibilità, la facilità di manipolazione e le sue proprietà di emissioni, il metanolo potrebbe rappresentare la via più avanzata per realizzare l’affermazione sul mercato da parte delle celle a combustibile mobili. In più, il metanolo sarà riconosciuto come una risorsa di lungo termine quando si apriranno le prospettive per un uso di celle a combustibile direttamente a metanolo, cosa che la DaimlerChrysler sta attualmente ricercando.

 Chiaramente le celle a combustibile non aiuteranno la Germania a raggiungere i suoi target di breve periodo che prevedono entro il 2005 una riduzione di circa il 25% delle emissioni di CO₂ rispetto ai livelli del 1990. Tuttavia, ciò non è un valido argomento contro la tecnologia delle celle a combustibile. Per raggiungere gli obiettivi di breve termine posti dalle esigenze climatiche, la DaimlerChrysler lavora per migliorare il motori a combustione interna da essa prodotti.

Le celle a combustibile come risorsa ambientale ed economica

La mobilità è una risorsa chiave nella salvaguardia del futuro delle nostre economie. Ciò dà senso alla domanda se è giusto nel lungo periodo far assegnamento su un sistema monoculturale di combustibile. Con le nostre attività di ricerca e sviluppo sull’idrogeno e metanolo, stiamo creando alternative mentre allo stesso tempo spianando la strada per l’integrazione delle energie rinnovabili nelle infrastrutture dei combustibili. La diversificazione di combustibili disponibili dovrebbe essere vista come un’opportunità per aprire nuove aree di business, caratterizzate da un più sicuro futuro rispetto a quello che possiamo aspettarci dal petrolio.

 Questo è il momento di investigare fortemente su quale combustibile sarà usato in definitiva nel mercato di massa, in quanto i risultati influenzeranno certamente la progettazione dei futuri sistemi di trasporto. Per aiutare a risolvere questo problema dei combustibili, la DaimlerChrysler sta sperimentando parchi di veicoli a celle a combustibile in tutti i mercati principali. E ciò sta avvenendo in collaborazione con compagnie energetiche e autorità di governo. Gli esperimenti sono rivolti non solo a creare consenso presso i potenziali clienti, ma anche ad accumulare esperienze relativa alle celle a combustibile mobili e ad identificare il combustibile che meglio si adatti a un dato mercato. La collaborazione coinvolge attualmente:

* California Fuel Cell Partnership: Come risultato dell’iniziativa della DailmerChrysler, compagnie di combustibili, case automobilistiche e pubbliche istituzioni si stanno unendo insieme in questa unica partnership pubblico - privata per verificare i veicoli a celle combustibile in condizioni realistiche di trasporto quotidiano. La collaborazione tende anche a promuovere l’infrastruttura di rifornimento richiesta per l’introduzione su vasta scala dei veicoli a celle a combustibile.

* Icelandic Hydrogen and Fuel Cell Company Ltd: Questa joint venture, che comprende DaimlerChrysler, Norsk Hydro ( un consorzio islandese) e Royal Dutch/Shell, sta provando varie applicazioni dell’idrogeno o di vettori di idrogeno in combinazione con le celle a combustibile. La compagnia sta anche investigando qual è l’approccio più adatto alla produzione industriale dell’idrogeno: elettrolisi dell’acqua mediante passaggio di elettricità o conversione del metano.

* Attività in Giappone: nell’ottobre del 1999, la DaimlerChrysler Japan Holding Ltd e la Nippon Mitsubishi Oil Co., il fornitore più grande di combustibili del Giappone, si sono messi d’accordo di promuovere insieme i veicoli a celle a combustibile e chiarire i problemi delle infrastrutture. Ambedue le compagnie stanno attualmente lavorando su progetto utilizza veicoli-test secondo una tabella di marcia programmata.

* Uno studio sull’etanolo in Brasile: L’etanolo è ampiamente diffuso in Brasile come un combustibile alternativo. Uno studio iniziale esaminerà l’uso dell’etanolo per le celle a combustibile.

 Tali attività congiunte devono essere sostanzialmente intensificate ed estese se i problemi delle infrastrutture dovranno essere ulteriormente perseguiti, e quelli del combustibile risolti in modo da tener conto delle esigenze del mercato. Si è certi che tali progetti dimostreranno le caratteristiche positive e il potenziale della tecnologia delle celle a combustibile, e convinceranno le compagnie del petrolio e i governi ad investire in una infrastruttura di rifornimento per i veicoli a celle a combustibile. Le Case automobilistiche, da parte loro, hanno già chiaramente dimostrato il loro convincimento che le celle a combustibile dovrebbero essere seriamente considerate come un sistema di trasporto alternativo; le loro realizzazioni tecniche e gli impegni finanziari ne sono un chiaro segnale.

 L’importante è rimuovere gli ostacoli politici che si frappongono sulla strada delle celle a combustibili quando esse si approssimano alla produzione su vasta scala. Indipendentemente da ciò che si dice l Nord America, Giappone ed Europa, lo sviluppo della tecnologia delle celle a combustibile aprirà nuovi campi al business, ma richiederà nuova formazione e nuovi metodi produttivi. Per aver successo di fronte alla forte competizione internazionale, bisogna iniziare al più presto il processo di trasformazione.

 Le celle a combustibile sono un caso esemplare per l’impegno sia del governo che dell’industria ad assumere rischi imprenditoriali e per l’innovazione . Quest’impegno rappresenta un fattore chiave per stabilire nuove tecnologie che aiuteranno a proteggere l’ambiente, rafforzare l’economia ed aumentare l’occupazione.

 La situazione competitiva richiede che si continui lo sviluppo intensivo delle celle a combustibile, se DaimlerChrysler vuole mantenere la sua posizione avanzata nella ricerca di produrre veicoli ad alte prestazioni, a basse o zero emissioni e che siano anche piacevoli a guidare. Oltre 60 compagnie sul piano internazionale stanno lavorando sulla tecnologia delle celle a combustibile, comprese otto delle dieci che realizzano il maggiore fatturato nel mondo.

E’ ormai parecchio tempo che il lavoro di ricerca sulle celle a combustibile non è motivato esclusivamente da considerazioni tecnologiche e ambientali, ma è divenuto un fattore genuino di competizione. Esso determinerà il numero dei posti di alta tecnologia disponibili nel futuro, il grado di successo goduto dalle economie sul piano mondiale, e il volto della mobilità del futuro. Questo perché la Casa considera le celle a combustibile come un’opportunità economica. Per la stessa ragione, sta lavorando sodo per ottenere che le compagnie del petrolio, i fornitori energetici, le case automobilistiche e le autorità di governo continuino il buon lavoro iniziato nel VES e nei progetti dimostrativi. E’ di primaria importanza che tutti persistano negli sforzi dir creare il giusto contesto infrastrutturale per il successo dell’introduzione nel mercato dei veicoli a celle a combustibile. Dopo il completamento della sperimentazione del parco auto, sarà necessario arrivare ad un accordo per quanto riguarda i combustibili . Quest’ultimo richiederà anche l’intervento del governo

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* Ferdinand Panik è capo progetto di Fuell Cell Project Group.

 24/07/01