La nuova tecnologia, progettata da un team di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology guidato dal Professor Daniel Nocera, consentirebbe di effettuare il processo elettrolitico che porta alla separazione dell’ossigeno e dell’idrogeno, componenti dell’acqua, direttamente a bordo della vettura. Il processo permetterebbe di usare l’idrogeno, vettore di energia, come combustibile evitando così lo sviluppo di reti di distribuzione del “nuovo carburante”, in quanto queste potrebbero essere rappresentate, banalmente, dai rubinetti di casa. Resta la difficoltà di immagazzinare in tutta sicurezza l’idrogeno a bordo della vettura, in quanto, se sollecitato nella maniera scorretta potrebbe generare pericolose esplosioni. I rischi maggiori nell’utilizzo dell’idrogeno riguardano la possibilità che si verifichi un incendio o un’esplosione. Anche se, perchè si verifichi la prima ipotesi, deve essere presente la miscela di idrogeno e ossigeno in quantità infiammabile e deve essere fornita l’energia minima di accensione.

Fuel cell
Alcuni importanti costruttori hanno puntano, negli ultimi anni, sulle vetture a fuel cell. La cella o pila a combustibile, Fuel Cell in inglese, è un dispositivo elettrochimico che permette di ottenere elettricità direttamente da certe sostanze, tipicamente da idrogeno ed ossigeno, senza che avvenga alcun processo di combustione termica. Il sistema funziona ricongiungendo elettro-chimicamente l’idrogeno (che rappresenta il combustibile) con l’ossigeno (l’ossidante). Dalla reazione di questi due elementi si possono ottenere quelle quantità di potenziale elettrico (corrente) necessarie alla marcia.

Un problema molto forte che riguarda l’utilizzo dell’idrogeno nelle pile a combustibile è il fatto che lo stesso idrogeno, essendo un combustibile artificiale e più precisamente un vettore energetico, deve essere prodotto somministrando energia al sistema (energia in entrata che può essere ad esempio l’energia chimica contenuta in un combustibile fossile che serve per produrre energia elettrica da utilizzare poi per ottenere idrogeno dall’acqua), la stessa energia che, a meno delle inevitabili perdite energetiche durante il processo di fabbricazione dell’idrogeno, è quella immagazzinata nell’idrogeno stesso così ottenuto, con la conseguenza che nel bilancio energetico finale (quindi tenendo conto dei vari rendimenti della filiera energetica come impianto produzione energia → impianto fabbricazione idrogeno → pila a combustibile), una cospicua parte dell’energia in entrata viene inevitabilmente persa (si può arrivare a perdere oltre il 70% dell’energia in entrata a seconda dei metodi di produzione dell’idrogeno). Questa è una delle principali cause che a tutt’oggi impedisce l’utilizzo su vasta scala dell’idrogeno ottenuto per elettrolisi dell’acqua, soprattutto nel campo della locomozione.

L’UE esplora il futuro
Secondo uno studio dell’Unione Europea, nel 2050 il mercato sarà composto per il 25% da auto elettriche fuel cell alimentate a idrogeno, per il 35% da elettriche a batteria, per il 35% da ibride plug-in e solo per il 5% da vetture con motore a scoppio. Questi numeri, tutti da verificare, stanno spingendo i costruttori a sviluppare modelli elettrici, ibridi e a idrogeno.

Da BlogMotori.com

I termini della dichiarazione d’intenti tra le Case automobilistiche interessate determinano che a partire dal 2015 sarà possibile introdurre sul mercato un numero rilevante di vetture con sistema di trazione a celle combustibili. Le stime attuali indicano una produzione di alcune centinaia di migliaia di vetture a livello mondiale nell’arco dei relativi cicli di vita. Le strategie di produzione, introduzione sul mercato e pianificazione delle scadenze verranno stabilite da ogni singolo costruttore, di conseguenza non è escluso che la commercializzazione di vetture elettriche con propulsione a celle combustibili possa iniziare prima della data prevista.

Il traffico cittadino è in continuo e costante aumento e ci si aspetta un’ulteriore crescita del numero di immatricolazioni nei prossimi anni. Di conseguenza, la produzione si concentrerà sempre più su veicoli a basse emissioni ed emissioni zero e si punterà al raggiungimento di obiettivi sempre più ambiziosi sul fronte della riduzione delle emissioni di CO2.

Nel corso dell’ultimo decennio, governi, Case automobilistiche ed il settore dell’energia hanno dedicato particolare attenzione all’utilizzo dell’idrogeno come fonte di energia per il settore dei trasporti, ritenendolo uno dei metodi migliori per il raggiungimento di diversi obiettivi relativi al controllo delle emissioni ed alla riduzione delle emissioni di CO2. Gli attuali progetti dimostrativi, con la partecipazione di compagnie di distribuzione di carburante, società di rifornimento ed ingegneristiche, hanno confermato la fattibilità tecnica di costruzione, stoccaggio, trasporto ed impiego di impianti più efficienti per lo sfruttamento dell’idrogeno come fonte di energia.

L’accoglienza positiva da parte del mercato delle vetture a celle combustibili presuppone la creazione di una fitta rete di distributori di idrogeno. Questa rete dovrà essere operativa entro il 2015 e, attraverso corridoi di distribuzione, dovrebbe partire dai centri ad alta concentrazione come, ad esempio, le aree metropolitane, per trasformarsi in un’infrastruttura capillare. La Case automobilistiche interessate sostengono ampiamente il piano di costruzione di un’infrastruttura di distribuzione dell’idrogeno a livello europeo, con la Germania come mercato pilota, e sulle stesse basi creare parallelamente una rete di distribuzione dell’idrogeno in altri Paesi, includendo Stati Uniti, Giappone e Corea come ulteriori mercati strategici.

Questo processo è stato possibile grazie all’impegno ed alla collaborazione dei giovani di diversi settori universitari: meccatronica automobilistica, modellistica, elettronica, tecnica di rivestimento e meccanica di lavorazione, design industriale e di interni. Integrare il tema dei motori alternativi nell’ambito dei diversi corsi di formazione era l’obiettivo centrale del progetto.

“Il progetto conferma come il tema della mobilità sostenibile sia diventato parte integrante della nostra formazione professionale“, ha dichiarato Günther Fleig, Head of Human Resources e Membro del Board of Management di Daimler AG. “Sono rimasto affascinato nel vedere lo spirito di iniziativa e la creatività con cui i giovani si sono dedicati a questo compito“.

La tradizione incontra il futuro
La “F-CELL Roadster” coniuga al meglio le più moderne tecnologie con la storia dell’industria automobilistica. In omaggio alla Benz-Patent Motorwagen del 1886, il veicolo è dotato di grandi ruote a raggi. Inoltre, sul prototipo F-CELL Roadster si ritrovano elementi stilistici delle diverse epoche automobilistiche, come, ad esempio, sedili a guscio in carbonio con rivestimenti in pelle cuciti a mano, frontale in fibra di vetro ispirato ai bolidi di Formula 1.

La vettura, dotata di tecnologia drive-by-wire, presenta un innovativo joystick di comando al posto del tradizionale volante. Alla propulsione provvede il sistema di pile a combustibile ad emissioni zero, integrato nella sezione posteriore del veicolo. Con una potenza di 1,2 kW, il prototipo F-CELL Roadster raggiunge una velocità massima di 25 km/h e consente un’autonomia pari a 350 chilometri.

La partnership riguarda anche la ricerca e lo sviluppo nel settore delle batterie agli ioni di litio, ovvero ad alta densità di energia, che in un futuro, neanche troppo lontano, saranno montate sulle auto del gruppo tedesco.

HydroGen4 dispone del più avanzato sistema GM di pile a combustibile, che presenta importanti migliorie rispetto alla generazione precedente in fatto di fruibilità quotidiana, anche dal punto di vista delle prestazioni, dell’affidabilità nel tempo e della capacità di avviarsi e di funzionare in presenza di temperature ambientali inferiori a zero gradi centigradi. “Le fuel cell alimentate ad idrogeno sottolineano l’impegno di General Motors per togliere l’automobile dalle questioni ambientali” dice Carl-Peter Forster, presidente di GM Europe.

HydroGen4 è il risultato di dieci anni di ricerche e di sviluppi nel campo dell’idrogeno e delle fuel cell per i quali il gruppo GM ha investito oltre un miliardo di Dollari. Dieci veicoli di questo tipo saranno utilizzati a Berlino nell’ambito del programma CEP (Clean Energy Partnership), che rappresenta l’espressione europea di GM Project Driveway, la più grande prova valutativa mondiale di veicoli fuel cell in condizioni di uso reale dove sono impegnati più di 100 veicoli HydroGen4. Le informazioni raccolte negli Stati Uniti ed in Germania con Project Driveway non forniranno agli ingegneri GM solo fondamentali conferme, ma rappresenteranno anche un’importante panoramica delle esperienze di utilizzo e di guida dei futuri clienti.

I veicoli utilizzati nel programma CEP saranno equipaggiati con un sistema senza cavi in grado di raccogliere informazioni sul comportamento dei veicoli e di trasferirle nel server GM/Opel. La manutenzione dei veicoli sarà effettuata presso una concessionaria Opel di Berlino.

Come funziona HydroGen4
Il cuore di HydroGen4 è rappresentato dalle sue pile a combustibile che trasformano l’energia chimica immagazzinata in elettricità senza alcuna combustione od emissione di CO2. Il procedimento elettrochimico che avviene all’interno delle fuel cell combina idrogeno ed ossigeno per produrre elettricità con l’unico sottoprodotto del vapore acqueo.

All’interno di ciascuna cella, l’idrogeno sull’anodo si divide in protoni ed elettroni. I protoni caricati positivamente passano attraverso una membrana al catodo catalizzatore, mentre gli elettroni caricati negativamente vanno su un circuito esterno e producono corrente elettrica. Sul catodo catalizzatore, l’ossigeno reagisce con gli elettroni ed i protoni formando vapore acqueo. Un solo blocco di pile a combustibile, che collega molte singole celle, è pertanto in grado di produrre abbastanza energia per azionare un motore elettrico.

Il blocco delle pile a combustibile di HydroGen4 comprende 440 celle collegate in serie che producono l’elettricità necessaria per azionare un motore elettrico sincrono da 73 kW e per consentire al veicolo di raggiungere i 100 km/h con partenza da fermo in circa 12 secondi. HydroGen4 è un veicolo a trazione anteriore che raggiunge una velocità di 160 km/h e che, grazie all’immediata disponibilità una coppia motrice di 320 Nm, dispone di ottime doti di ripresa alle basse velocità.

A differenza di quando avveniva nel precedente veicolo sperimentale HydroGen3, in questo caso le singole celle sono disposte orizzontalmente anziché verticalmente per lasciare maggiore spazio all’interno dell’abitacolo e per abbassare il baricentro del veicolo. Sul catodo c’è un turbocompressore elettrico, anziché a vite, che invia aria e quindi ossigeno alle pile a combustibile. Una soluzione più efficace e silenziosa.

HydroGen4 è in grado di mettersi in moto e di funzionare anche in presenza di temperature ambientali inferiori a zero gradi centigradi. Questo risultato, che rappresenta un importante passo avanti rispetto al modello precedente ed è molto importante ai fini dell’utilizzo quotidiano, è stato ottenuto adottando numerose soluzioni, come l’isolamento termico, la gestione dell’acqua ed una diversa strategia operativa.

HydroGen4 funziona ad idrogeno compresso
HydroGen4 ha tre serbatoi ad alta pressione (700 bar), realizzati in compositi di fibra di carbonio, che possono contenere complessivamente 4,2 kg di idrogeno garantendo al veicolo un’autonomia di 320 chilometri. Le esperienze raccolte utilizzando idrogeno liquido criogenico in parecchi esemplari di HydroGen3 hanno suggerito a GM di utilizzare serbatoi in grado di contenere idrogeno compresso a 700 bar.

La principale controindicazione dell’idrogeno liquido è rappresentata dal fatto che tende inevitabilmente a surriscaldarsi. Pur adottando un isolamento ottimale, l’idrogeno liquido contenuto nei serbatoi del veicolo tende a riscaldarsi e, di conseguenza, ad evaporare. Dopo pochi giorni l’idrogeno deve essere fatto sfiatare dal serbatoio per fare in modo che non aumenti di pressione, cosa che si traduce in una inevitabile e significativa perdita di carburante.

La batteria di compensazione permette di recuperare l’energia che si sviluppa nelle frenate
Le pile a combustibile di HydroGen4 sono supportate da una batteria di compensazione al nichel-idruro da 1,8 kWh che migliora il comportamento del veicolo, compensando eventuali picchi di elettricità richiesti dal suo funzionamento.

Viene inoltre migliorata l’efficienza dell’intero sistema di propulsione, poiché questa batteria di compensazione sfrutta l’energia rigenerata delle frenate. Quando si preme il pedale del freno o si procede in discesa, il motore elettrico funziona infatti da generatore e carica la batteria. Se il guidatore deve frenare con decisione, HydroGen4 viene rallentata idraulicamente come una vettura convenzionale. Questa combinazione di frenate rigenerative ed idrauliche è chiamata frenata combinata ed avviene quando entra in funzione il controllo elettronico della tenuta di strada (ESP) oppure quando la decelerazione richiesta va oltre la capacità massima della frenata rigenerativa.

Le tecnologie inerenti batterie e frenata sono un importante sviluppo che HydroGen4 condivide con veicoli elettrici GM ad autonomia estesa (E-REV) come la recentissima Chevrolet Volt che nel 2010 sarà commercializzata negli Stati Uniti.

HydroGen4 è realizzata sulla base di una compatta crossover GM ed offre le stesse doti di comfort, abitabilità e sicurezza delle odierne vetture convenzionali. Le fuel cell sono inserite nel normale vano motore, mentre le batteria al nichel-idruro sono alloggiate sotto al pianale al centro della vettura.

Rispetto al veicolo prodotto in serie, HydroGen4 presenta, nella parte anteriore, alcune prese d’aria aggiuntive poste agli angoli inferiori, che servono al funzionamento delle fuel cell, mentre in quella parte posteriore, al posto del terminale di scarico, ha quattro sottili fessure verticali dalle quali esce il vapore acqueo. Questa soluzione brevettata permette all’osservatore di capire immediatamente che non si trova di fronte ad un normale veicolo a combustione interna.

Il veicolo ha poi una lunga lista di dotazioni di sicurezza come i doppi airbag frontali anteriori, gli airbag laterali a tendina ed i sistemi elettronici anti-bloccaggio delle ruote in frenata (ABS) e di controllo della tenuta di strada (ESP).

Impegno del gruppo GM per lo sviluppo delle fuel cell
All’interno del gruppo General Motors lo sviluppo delle fuel cell procede passo passo verso la commercializzazione. Una specifica divisione ricerche presso la quale lavorano oltre 600 persone è stata integrata nella struttura delle attività di sviluppo in vista di un’eventuale produzione in serie di veicoli fuel cell.

Sulla base della tecnologia agli ioni di litio di Evonik e con il know-how di Daimler, le due grandi aziende porteranno avanti le attività di ricerca, sviluppo e produzione di celle e sistemi a batteria in Germania.

In un prossimo futuro, le celle Li-Tec verranno utilizzate a bordo delle vetture elettriche di Mercedes-Benz Cars. Questo passo rappresenta un’importante pietra miliare nella produzione in serie dei veicoli elettrici. Sulla strada verso la leadership tecnologica in questo settore, negli anni passati Evonik ha investito circa 80 milioni di Euro. Il risultato sono celle di batterie high-tech pronte per la produzione in serie, superiori ai prodotti della concorrenza sotto diversi aspetti fondamentali.

Il 15 dicembre 2008, Daimler AG ha acquisito il 49,9 percento della Li-Tec Vermogensverwaltung GmbH (Li-Tec), di cui Evonik Industries AG detiene già il 50,1 percento. I due partner mirano alla partecipazione di un terzo azionista a Li-Tec con esperienza nell’integrazione di sistemi elettrici ed elettronici. Inoltre, le aziende fonderanno insieme una joint-venture chiaramente focalizzata allo sviluppo ed alla produzione di batterie e sistemi a batteria per applicazioni automobilistiche. Di questa joint-venture, Daimler deterrà il 90% ed Evonik il 10%.

Le batterie a ioni di litio prodotte dalla joint-venture verranno utilizzate nel settore delle autovetture ed in quello dei veicoli industriali. Le capacità produttive disponibili di Li-Tec e della joint-venture saranno inizialmente concentrate sul fabbisogno di Daimler AG, ma in seguito si prevede anche la vendita di celle e di sistemi di batterie a terzi.