L’idrogeno è (davvero) il nuovo diesel?

Aspettando Godot? Non ce ne voglia Samuel Beckett ma l’idrogeno avrebbe potuto tranquillamente indossare i panni del convitato di pietra di Vladimir ed Estragon. Così futuribile da essere costantemente coniugato al futuro. Eppure… i tempi sembrano maturi per una proiezione della serializzazione delle celle a combustibile. Evaso dal ghetto dei demo stilosi e della retorica massmediatica, l’idrogeno si affaccia come una prospettiva concreta. Non ce ne vogliano gli apologeti dell’elettrico a tutti i costi, ma le batterie pesano (in tutti i sensi…) e la sensazione è che l’elettrificazione sarà tecnologia di transizione o non sarà. A meno che si inserisca in un’architettura che arruoli l’idrogeno come vettore della decarbonizzazione.

Per addentrarci nel futuro svilupperemo un primo approccio ‘hardware’ e uno più orientato al ‘software’. In prima istanza ci siamo rivolti a Fpt Industrial. L’accordo tra Iveco e Nikola dischiude scenari suggestivi, e il Cursor X non appare più un mero esercizio di stile. E se il Gnl fosse l’anticamera della diffusione infrastrutturale dell’idrogeno? Sospendiamo le nostre ruminazioni e passiamo alla narrazione del reale. Esegeta dell’idrogeno visto da Torino è Lodovico Sinchetto, Head of Innovation di Fpt Industrial.

Idrogeno e sostenibilità

Immaginiamo l’idrogeno applicato ai camion per le lunghe distanze. Lo possiamo considerare un passo concreto sulla strada della transizione verso un trasporto più sostenibile e meno impattante sull’ambiente?

Le fuel cell sono la soluzione più efficace per l’utilizzo dell’idrogeno come carburante per mezzi industriali. L’idrogeno non produce sostanze inquinanti e, rispetto ai veicoli elettrici a batteria, offre una maggiore autonomia e tempi di rifornimento più rapidi. Consente inoltre un’eccellente sostenibilità ambientale, poiché può essere facilmente ottenuto da fonti rinnovabili con processi a impatto zero.

Ed è un’opzione realisticamente praticabile su larga scala?

L’idrogeno sta diventando industrialmente praticabile poiché i costi della sua produzione stanno rapidamente diminuendo e la produzione di idrogeno da fonti rinnovabili sta diventando competitiva rispetto a quello ottenuto da combustibili fossili. Possiamo prevedere che l’idrogeno prenderà piede su larga scala entro il 2025.

Quali sono le caratteristiche e come funziona un motore alimentato a idrogeno?

La cella a combustibile è composta da due elettrodi: un anodo e un catodo. Il primo (anodo) è carico positivamente ed è saturo di ossigeno, mentre il secondo (catodo) è caricato negativamente e ossida l’idrogeno. All’interno della cella a combustibile si verifica una reazione chimica che produce elettricità attraverso la combinazione di ossigeno e idrogeno. Le celle a combustibile non emettono inquinanti (zero emissioni di NOx, PM e CO2), lo scarico è formato solo da vapore acqueo puro.

I veicoli alimentati a fuel cell a idrogeno sono composti dal sistema a celle a combustibile e dai serbatoi di gas (resistenti a pressioni fino a 700 bar). Il propulsore è completamente elettrico con motori elettrici ad alta tensione.

E quali sono, laddove esistano, le criticità e i limiti, di un propulsore alimentato a idrogeno per applicazioni camionistiche?

Oggi, i veicoli a celle a combustibile a idrogeno, a livello economico, sono ancora meno competitivi rispetto ai motori diesel. Dal 2025 prevediamo che il Tco (Total cost of ownership) sarà paragonabile ai veicoli diesel, grazie alla riduzione dei costi dei sistemi di celle a combustibile e dell’idrogeno. Il modello di trasporto sarà sostenuto dallo sviluppo dell’infrastruttura per la distribuzione e delle stazioni di rifornimento.

In termini di efficienza operativa e rendimento, quali sono vantaggi e svantaggi dell’idrogeno rispetto a un motore termico convenzionale?

A livello di efficienza, le fuel cell a idrogeno sono migliori dei motori diesel di ultima generazione, perché possono raggiungere efficienze fino al 60 percento quando utilizzate per trasporti in autostrada.

La joint-venture Fpt Industrial – Iveco – Nikola apre le porte all’idrogeno in casa Iveco. A che punto è lo sviluppo del motore elettrico a celle a combustibile alimentato a idrogeno il cui lancio, come annunciato lo scorso dicembre a Torino, è previsto per il 2023?

Come dichiarato durante il Capital Markets Day di Cnh Industrial a settembre 2019, Fpt Industrial e Iveco stanno lavorando per lanciare veicoli commerciali pesanti completamente elettrici nel 2021 e Hcv alimentati da celle a combustibile a idrogeno nel 2023.

Ripartiamo dalla triangolazione Fpt Industrial – Iveco –  Nikola. La leva del Gnl potrebbe essere la pietra filosofale per anticipare i tempi di diffusione dell’idrogeno nelle stazioni di servizio?

Il gas naturale è una soluzione ponte verso il trasporto elettrico a emissioni zero per soddisfare gli obiettivi di riduzione della CO2. Il business del gas naturale rimane per noi una tecnologia chiave, che contribuisce a offrire ai clienti la più ampia gamma di soluzioni. Fpt Industrial – con più di 50 mila motori a gas naturale prodotti fino ad oggi – propone infatti l’offerta di motori a gas naturale più completa sul mercato per applicazioni industriali. La tecnologia delle celle a combustibile è il prossimo passo per i motori alimentati a Gnl in quanto si basa su reti di rifornimento esistenti, consentendo la produzione locale di idrogeno in loco.

E ora attraversiamo l’Atlantico. Cummins e Hydrogenics

Cummins ha concluso l’acquisizione di Hydrogenics Corporation, incorporando le competenze per lo stoccaggio dell’energia, per i generatori a idrogeno e le celle a combustibile. Ha oltretutto investito in Loop Energy e sottoscritto un memorandum con Hyundai (protagonista assoluta, come si evince dai due box che trovate in questo articolo). La direzione è quella dell’autostrada. Le applicazioni sulle quali è stata innestata questa tecnologia sono infatti i camion. Tuffiamoci ad Atlanta, al North America Commercial Vehicle Show 2019, dove Cummins espose un veicolo pesante con celle a combustibile e batterie. Thad Ewald, Vice President, Corporate Strategy di Cummins osò guardare decisamente avanti: «Lo sviluppo di questo dimostratore tecnologico a celle a combustibile è un passo importante per prepararsi ai prossimi 100 anni». Ewald ha proseguito: «Alcune aziende fanno notizia parlando del futuro, ma noi siamo impegnati a costruire per il futuro».

A questo punto fa capolino il nome di Scania. Non è la prima volta che succede (è il caso dello sviluppo congiunto del common rail, l’Hpi prima, l’Xpi successivamente). In questo caso Cummins e Scania hanno duettato per equipaggiare quattro camion elettrici del Grifone con fuel cell. Destinazione Trondheim, in Norvegia, per Asko, il più grande grossista norvegese di generi alimentari. I moduli di alimentazione a celle a combustibile sono gli HyPM Hd di Cummins. I motori a combustione interna dei camion da 27 tonnellate sono stati sostituiti con un motore elettrico, alimentato da celle a combustibile alimentate a idrogeno e gestito con batterie ricaricabili. Il sistema di stoccaggio dell’idrogeno, che pesa 33 chili, fornisce ai camion un’autonomia di 400-500 chilometri utilizzando un singolo modulo di alimentazione a celle a combustibile ad alta densità da 90 kW.

Struttura e infrastruttura dell’idrogeno: la parola a Nuvera

E adesso giriamo pagina, e passiamo alla parte che abbiamo definito software. Abbiamo chiesto a Nuvera di introdurci a struttura e infrastruttura dell’idrogeno. Con un occhio di riguardo per il driver della svolta a idrogeno: le celle a combustibile. Cominciamo dall’inizio: chi è Nuvera? Ci ha risposto Gus Block, Director of Marketing and Corporate Development.

Nuvera è stata fondata nel 2000 e da allora abbiamo creato prodotti pionieristici fuel cell basati su una vasta gamma di tecnologie proprietarie. Il nostro obiettivo è quello di fornire sistemi di alimentazione ad alte prestazioni per veicoli elettrici su strada e fuoristrada, dai carrelli elevatori ai furgoni, autobus, camion e grandi attrezzature industriali. In qualità di filiale del gruppo Hyster-Yale, un produttore globale di veicoli industriali, abbiamo accesso al canale dei fornitori, alla produzione, alla garanzia di qualità e alle capacità di distribuzione che pochi altri nel settore possono eguagliare.

Elettrico vs idrogeno: relazione conflittuale o dimensione sinergica?

L’idrogeno consente l’elettrificazione pratica dei veicoli, in particolare delle piattaforme per impieghi medi e pesanti. Le celle a combustibile possono fornire a molti veicoli elettrici sia l’autonomia che i tempi di rifornimento di autobus e camion diesel e senza la necessità di un’infrastruttura di ricarica della batteria che in scala per flotte di mezzi può essere molto più costosa e richiedere molto più spazio di una stazione di rifornimento di idrogeno.

Idrogeno Blu, verde o…?

L’idrogeno prodotto da fonti a zero emissioni di carbonio è chiaramente il punto d’approdo finale, ma molti fattori entrano oggi in gioco quando si fanno scelte politiche e nell’identificare soluzioni appropriate per circostanze specifiche. Questi includono costi, l’accesso a diverse materie prime, nonché regolamenti governativi e considerazioni ambientali. Il costo dell’idrogeno rinnovabile prodotto attraverso l’elettrolisi dovrebbe essere competitivo con i combustibili fossili entro il decennio, secondo McKinsey (ndr: ricordiamo lo studio congiunto di Snam e McKinsey risalente all’ottobre dell’anno scorso). Pianificare in anticipo in modo che le scelte odierne forniscano una transizione graduale allo stato desiderato finale contribuirà a evitare attività incagliate e spese inutili.

Perché avete fatto così tanti sforzi e investito risorse nello sviluppo di un’applicazione per i sollevatori portuali (è il caso del porto di Los Angeles)?

I porti di spedizione sono fonti concentrate di gas a effetto serra ed emissioni di particolato provenienti da molti tipi di attrezzature per la movimentazione di container (come reach stacker, caricatori dall’alto, trattori terminali, carrelli elevatori e gru), oltre ad essere ambienti industriali che funzionano intensamente, spesso tutto il giorno. Questi due fattori li rendono candidati eccezionali per le celle a combustibile, che offrono un’alternativa a zero emissioni al diesel superando i limiti delle batterie (inclusi dimensioni, peso e funzionamento in ambienti freddi) e l’infrastruttura di ricarica delle batterie (inclusi costi e ingombro). Consideriamo i porti come uno dei mercati a breve termine più promettenti per le celle a combustibile con le nostre capacità e la nostra gamma di potenza.

Quali sono le potenze e i cicli di lavoro congeniali a un motore a idrogeno?

Le celle a combustibile funzionano molto bene nei porti e per altre applicazioni che richiedono cicli di lavoro intensivi, poiché possono essere rifornite rapidamente e consentono alle attrezzature di rimanere in funzione, come avviene oggi per le apparecchiature diesel. In un sistema di alimentazione ibrido con cella a combustibile/batteria, la cella a combustibile è normalmente dimensionata per soddisfare il fabbisogno medio di potenza del veicolo, con le batterie dimensionate per i carichi di picco. Abbiamo scoperto che non è possibile progettare un propulsore elettrico ‘one size fits all’. È importante capire le esigenze dell’applicazione e il monitoraggio degli specifici cicli di lavoro al fine di progettare correttamente il sistema e ottenere le prestazioni attese dei veicoli.

Celle a combustibile: quale futuro possiamo quindi aspettarci?

Nel corso del prossimo decennio ci aspettiamo di vedere le celle a combustibile diventare più ‘mainstream’ nel trasporto, soprattutto per le flotte e le aree geografiche in cui è presente una infrastruttura di stazioni per il rifornimento. Ci sono mercati emergenti nell’attuale decennio in cui l’idrogeno dovrebbe competere o superare le applicazioni diesel puramente in base ai costi. Ci aspettiamo anche una penetrazione diffusa di veicoli destinati ad applicazioni passeggeri leggere, ma i benefici di elettrificazione dei veicoli per le applicazioni medie e pesanti, in combinazione con gli imperativi sociali e normativi per ridurre le emissioni, porteranno probabilmente ad una adozione a breve termine sempre più in contesti commerciali e industriali.

Per quanto riguarda la transizione energetica, gli attori della catena cinematica affermano che l’idrogeno è indicato come una prospettiva remota, forse dal 2040 in poi. Il potenziamento della rete di infrastrutture del Gnl potrebbe anticipare l’esame finale?

Riteniamo che le celle a combustibile avranno un ruolo importante nell’elettrificazione dei trasporti nel corso dell’attuale decennio. L’aggiornamento dell’infrastruttura di Gnl e i continui bassi costi del gas naturale consentiranno un uso più diffuso del gas naturale come materia prima per la produzione di idrogeno. L’ampliamento dell’uso di gas naturale può favorire in molti modi un maggiore utilizzo dell’idrogeno: come materia prima per la produzione di idrogeno (attraverso il reforming del metano a vapore, il metodo più comune per produrre idrogeno oggi) e attraverso l’aggiunta di idrogeno ai gasdotti del gas naturale per decarbonizzare il sistema di alimentazione.

‘L’idrogeno è il nuovo diesel’: cosa significa?

Questa espressione si riferisce al ruolo promettente che le celle a combustibile a idrogeno possono svolgere nelle applicazioni in cui predominano i motori a combustione interna con ciclo diesel. Ad un prezzo di 7 dollari al chilo, l’idrogeno compete direttamente con il diesel. All’utilizzo su scala della flotta, quel prezzo dell’idrogeno è già disponibile. Entro la fine del decennio, potremmo vedere costi di produzione dell’idrogeno ‘verdi’ pari a 1 o 2 dollari al chilo, secondo McKinsey. Una prospettiva molto promettente per il passaggio dal diesel all’idrogeno, perché il costo totale di proprietà dei veicoli a celle a combustibile – di cui il costo del carburante è una parte importante – deve essere competitivo con il diesel perché questa sia una soluzione veramente sostenibile.

L’idrogeno sembrerebbe il vettore energetico su misura per il Tpl, anche in ragione del rifornimento rapido. Quanto velocemente e, soprattutto, come e da quali fonti dovrebbero rifornire gli autobus?

Il tempo necessario per il rifornimento di idrogeno è simile a quello richiesto per il diesel e ovviamente molto più breve di quello per la ricarica delle batterie. Nel passaggio dal gasolio e dal metano agli autobus a emissioni zero, per gli operatori di flotte per il trasporto ha senso acquisire veicoli in grado di soddisfare i requisiti di tutte le loro rotte, in tutte le stagioni, non solo le rotte più brevi con favorevoli condizioni climatiche, e questo potrebbe essere il caso dei bus elettrici a batteria. Esistono diverse opzioni per il rifornimento di idrogeno, incluso l’idrogeno erogato (liquido o gas compresso) e la produzione in loco (reforming del metano a vapore, elettrolisi, ecc.). La fonte da utilizzare dipenderà dall’ubicazione e dai requisiti di volume richiesti dal particolare distretto di transito. Se il terminal degli autobus si trova lontano da una fonte di produzione di idrogeno esistente o se si desidera l’idrogeno generato da una fonte rinnovabile, la produzione in loco potrebbe essere l’opzione migliore.

Che dire del solito refrain sulla sicurezza dell’idrogeno?

L’idrogeno è stato usato per decenni in molti settori industriali. Dieci milioni di tonnellate vengono prodotte ogni anno negli Stati Uniti per l’uso nell’industria chimica, della raffinazione, dell’elettronica e farmaceutica.