I veicoli elettrici a celle di combustibile (FCEV) rappresentano una tecnologia avanzata che potrebbe ridurre l'impatto ambientale del settore dei trasporti. Essi utilizzano l'idrogeno per produrre energia elettrica, risultando in emissioni di solo vapore acqueo, offrendo così una soluzione ecologica per la mobilità. Nonostante il loro impatto ambientale positivo, le FCEV affrontano sfide che ne limitano l'adozione, tra cui l'alto costo iniziale, una rete di infrastrutture di rifornimento insufficiente e alcune questioni di sicurezza legate all'utilizzo dell'idrogeno. Tuttavia, grazie agli sviluppi tecnologici, agli incentivi governativi e all'aumento della consapevolezza ambientale, questi ostacoli vengono gradualmente superati. L'articolo discute come, in linea con gli obiettivi dell'Accordo di Parigi e gli sforzi globali per un futuro sostenibile, le FCEV potrebbero diventare un componente essenziale nel futuro panorama dei trasporti ecosostenibili.
Introduzione
Il riscaldamento globale e l'inquinamento ambientale non sono più solo avvertimenti scientifici; sono ormai una realtà quotidiana nel XXI secolo. Le previsioni meteorologiche in molti paesi segnalano temperature record e precipitazioni estreme, con siccità che si verificano in ogni stagione. Inoltre, le città altamente industrializzate continuano a soffrire per la qualità dell'aria in peggioramento e i relativi problemi di salute. Anche se il dibattito è ancora aperto riguardo a queste anomalie ambientali come risultato diretto delle attività umane, è innegabile l'effetto delle sostanze chimiche altamente concentrate emesse dai veicoli e dagli impianti di produzione, raramente osservate in natura.
Il principio morale che la Terra dovrebbe essere lasciata così come è stata ricevuta è spesso sopraffatto dal desiderio egoistico di ottenere profitti immediati bruciando combustibili fossili. Di conseguenza, la transizione da combustibili fossili a fonti di energia rinnovabile è lenta e talvolta richiede l'intervento governativo per accelerare. Un'iniziativa notevole in questo senso è l'Accordo di Parigi del 2015, firmato da 196 paesi, inclusi quelli più responsabili delle emissioni di gas serra. Questo accordo è un passo nella giusta direzione verso la riduzione del cambiamento climatico. Secondo l'accordo, le parti devono ridurre le emissioni di gas serra per mantenere il riscaldamento globale al di sotto dei 2°C rispetto ai livelli preindustriali. Per raggiungere questo obiettivo, molti paesi hanno approvato regolamenti per i veicoli al fine di soddisfare certi standard di emissione di anidride carbonica, vale a dire l'economia di carburante, i cui metodi dettagliati variano a seconda del paese. Tuttavia, l'idea di base è identica per tutti i paesi: imporre sanzioni per l'uso dei combustibili fossili e incoraggiare l'uso delle energie rinnovabili.
Veicoli Elettrici con Celle a Combustibile (FCEV)
Un'altra opzione per i costruttori di automobili è la produzione di veicoli a zero emissioni, che includono FCEV e altri EV (veicoli elettrici, dall'inglese Electric Vehicle). Quando un EV è in funzione, utilizza l'energia immagazzinata nelle sue batterie ed emette solo calore, come fa uno smartphone. Questo meccanismo è perfetto per l'ambiente, e l'unico possibile inconveniente è che il conducente deve attendere molto tempo per ricaricare le batterie. Un FCEV utilizza un motore elettrico per funzionare, ma la fonte di energia sono le celle a combustibile (Figura 1), che sono notevolmente diverse dalle batterie. Una cella a combustibile è un dispositivo di conversione dell'energia elettrochimica, ovvero estrae energia elettrica dalle reazioni chimiche tra combustibili e ossidanti. A seconda della combinazione di combustibili e ossidanti, possono essere ideati vari tipi di celle a combustibile. Quando vengono selezionati idrogeno e ossigeno come combustibile e come ossidante, il prodotto finale della loro reazione elettrochimica è l'elettricità, calore e acqua. Pertanto, le FCEV con carburante a idrogeno sono altrettanto ecologiche quanto le EV (le celle a combustibile ad idrogeno e le semplici celle a combustibile sono praticamente sinonimi nell'industria automobilistica). Un vantaggio distintivo delle FCEV rispetto alle EV deriva dal processo di rifornimento. Quando un FCEV viene rifornito, l'idrogeno viene fisicamente iniettato nel sistema di stoccaggio dell'idrogeno di un FCEV, mentre le batterie di un EV devono essere caricate elettrochimicamente. Come si può immaginare, un processo di iniezione fisica è molto più veloce di un processo di carica elettrochimica, il che indica che le FCEV possono avere un modello di utilizzo simile ai veicoli convenzionali familiari. Il rifornimento di idrogeno richiede tipicamente pochi minuti e l'autonomia di guida di un FCEV può facilmente raggiungere alcune centinaia di miglia.
Figura 1
Anche con i vantaggi sopra menzionati delle FCEV, il successo delle FCEV nel mercato automobilistico emergente, consapevole dell'ambiente, è ancora considerato incerto. Gli svantaggi delle FCEV includono prestazioni e durata insufficienti, costi non accessibili, incertezza sulla sicurezza dell'idrogeno e scarsa infrastruttura per il rifornimento di idrogeno. Questi ostacoli sono davvero impossibili da superare? L'avanzamento di questa tecnologia con il tempo e lo sforzo può risolvere questi problemi, come osservato molte volte prima nella storia della scienza e dell'ingegneria? Nessuno può prevedere il futuro con certezza al 100%, ma alcuni fatti e cifre in questo articolo possono aiutare a rispondere a queste domande.
Prestazioni
La prestazione di guida di un FCEV è direttamente correlata alla densità di potenza dello stack di celle a combustibile composte da celle unitarie collegate in serie. Poiché la reazione elettrochimica tra idrogeno e ossigeno tipicamente genera meno di 1 volt, è necessaria una connessione in serie tra le celle individuali per ottenere il voltaggio richiesto per il motore di guida, che è tipicamente di alcuni centinaia di volt. Una cella unitaria ha una struttura stratificata, dove un'assemblea di elettrodi a membrana (MEA, dall'inglese Membrane Electrode Assembly) si trova tra una coppia di piastre bipolari. Le piastre bipolari collegano elettricamente le celle a combustibile adiacenti e formano canali di flusso su entrambi i lati di una MEA, attraverso i quali l'idrogeno e l'ossigeno vengono distribuiti e l'acqua prodotta viene rimossa.
Figura 2
Per aumentare la densità di potenza di uno stack di celle a combustibile, è necessario sviluppare MEA che generano più watt per unità di superficie, e piastre bipolari e strati di diffusione di gas (GDL) più sottili senza ridurre le loro capacità di conduzione elettronica e di trasferimento dei fluidi. Il grafite è stato usato come materiale per le piastre bipolari nella maggior parte delle celle a combustibile prototipo per la sua lavorabilità, conducibilità e resistenza alla corrosione. Tuttavia, la fragilità del grafite stabilisce un limite inferiore per lo spessore delle piastre bipolari di grafite e le rende inadatte per applicazioni ad alta densità di potenza. Le piastre bipolari in metallo, realizzate in lamine di metallo sottili stampate per formare un modello di flusso, sono state ampiamente utilizzate per questa applicazione. Il problema della corrosione in ambienti duri (calore e sostanze chimiche acide) all'interno delle celle a combustibile è stato gestito mediante una selezione accurata del materiale e trattamenti di rivestimento adeguati. Recentemente, l'uso di piastre porose invece di piastre con pattern di flusso ha ulteriormente aumentato la densità di potenza. Infatti, le piastre con pattern di flusso possono anche essere considerate come strati porosi, in senso lato, con una dimensione dei pori nell'ordine del millimetro, mentre le piastre porose hanno pori nell'ordine del submillimetro.
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