Fai il pieno di idrogeno

Con un peso di quasi 2.600 chilogrammi, il muscoloso veicolo della fabbrica di puzzola suburbana di DaimlerChrysler a Detroit sembra un'auto improbabile del futuro. Le linee sono decisamente tardo 20 ° secolo. Salta al posto di guida e ti senti come il tuo SUV (Sport Utility Vehicle) standard. Ma apri il cofano e diventa subito chiaro che non si tratta di un normale divoratore di gas: al posto di un motore a combustione si trova una sofisticata raffineria di bordo, un sistema di elaborazione del carburante di linee del gas ad alta pressione, compressori e reattori chimici per trasformare il metanolo in idrogeno gassoso.

Questo laboratorio mobile multimilionario, la Jeep Commander II, alimenta l'idrogeno a due pile di celle a combustibile, che combinano silenziosamente idrogeno e ossigeno in una reazione chimica che genera abbastanza elettricità da far precipitare il SUV lungo l'autostrada. Il funzionamento dell'auto è pulito ed efficiente, generando solo acqua, anidride carbonica e un po' di calore di riserva. Mancano gli inquinanti atmosferici tossici e la fuliggine fine che fuoriescono dai tubi di scappamento della maggior parte dei veicoli.

Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2000

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DaimlerChrysler e i suoi partner, lo sviluppatore canadese di celle a combustibile Ballard Power Systems e la casa automobilistica rivale Ford Motor Co., credono che i veicoli a celle a combustibile possano fornire la potenza e le prestazioni a cui i conducenti di oggi sono abituati. Commander II mostra quanto sia difficile questa sfida. Sebbene il veicolo rappresenti lo stato dell'arte nella tecnologia delle celle a combustibile, il suo motore impiega mezz'ora per riscaldarsi e costerebbe molte volte di più per la produzione in serie rispetto a un V6 standard. Ma DaimlerChrysler sta colmando il divario. La sua prossima demo sulle celle a combustibile, una hatchback che sarà svelata già questo autunno, conterrà una cella a combustibile con il doppio della potenza di quella del Commander II. Non solo il suo processore di carburante peserà la metà, ma si avvierà in meno di un minuto.

È questo tipo di miglioramenti costanti e sostanziali nella tecnologia delle celle a combustibile che hanno convinto molte case automobilistiche e compagnie petrolifere che il motore a combustione interna ha finalmente trovato la sua corrispondenza. Di fronte a una regolamentazione più severa delle emissioni di scarico, diverse case automobilistiche stanno investendo pesantemente per guidare la transizione. DaimlerChrysler, Ford e Ballard hanno speso quasi 1 miliardo di dollari in celle a combustibile e prevedono di spendere almeno un miliardo in più entro il 2004 per iniziare la produzione di massa di veicoli. L'obiettivo è portare le celle a combustibile fuori dagli stabilimenti della puzzola e nello showroom. La grande maggioranza delle nostre persone che lavorano sulle celle a combustibile sta lavorando al programma di produzione, afferma Bruce Kopf, direttore di TH!NK Technologies, l'azienda di auto elettriche di Ford.

I concorrenti di Ford e DaimlerChrysler si sono uniti alla gara, insieme ai principali fornitori di componenti. I quattro maggiori produttori di automobili del Giappone hanno investito più di 850 milioni di dollari in celle a combustibile negli ultimi dieci anni e molti si sono impegnati a commercializzare la tecnologia, forse anche prima di DaimlerChrysler e Ford.

Queste aziende sono entusiaste delle celle a combustibile perché il motore a combustione interna sta diventando sempre più difficile da migliorare. Anche i design più sofisticati faranno fatica a soddisfare gli standard sulle emissioni più severi che verranno presto imposti in California e in diversi stati della costa orientale. E la pulizia del motore a combustione interna sta iniziando ad aumentare il suo costo. Dopo 100 anni di miglioramenti, la tecnologia della combustione sta raggiungendo i suoi limiti.

Le celle a combustibile sono anche attraenti perché libereranno le auto elettriche dall'alimentazione a batteria, che fornisce le auto più pulite sulla strada oggi, ma le condanna anche a un mercato di nicchia. Le auto a batteria sono scattanti e reattive e quasi silenziose senza il crepitio e il rombo dei pistoni. Ma queste caratteristiche sono state oscurate dalla gamma limitata dei veicoli. Le batterie semplicemente non sono migliorate molto da quando sono state spinte fuori strada dal motore a combustione interna quasi un secolo fa. I limiti intrinseci dell'auto elettrica la condannano essenzialmente a un raggio d'azione molto ridotto, e questa è la storia oggi, afferma lo storico Robert Casey, curatore per i trasporti presso l'Henry Ford Museum di Dearborn, nel Michigan. L'auto elettrica è stata l'auto del futuro per gli ultimi cento anni.

Magia della membrana

Un modo per estendere l'autonomia dell'auto elettrica è trasportare carburante e generare elettricità a bordo. Questo è l'approccio utilizzato dalle auto ibride benzina-elettriche come la Toyota Prius, che quest'estate ha colpito gli showroom statunitensi. La Prius impiega un piccolo ed efficiente motore a combustione, oltre a una pila di batterie che integrano il motore durante l'accelerazione e assorbono potenza dalle ruote durante la frenata. Il problema di questa soluzione è che è intrinsecamente complicata e costosa, poiché combina tecnologie di azionamento elettrico e meccanico. Robert Winters, un analista di tecnologie energetiche con Bear Stearns a New York, afferma che la Prius è fortemente sovvenzionata e si chiede se gli ibridi saranno mai accessibili. Hai un sistema motore ridondante lì dentro. Come farai a superarlo?

Entra nella cella a combustibile. A differenza delle batterie, che immagazzinano una carica, le celle a combustibile generano elettricità al volo. Trasporta abbastanza carburante e la cella a combustibile porterà il tuo veicolo elettrico ovunque tu voglia andare. Winters afferma che le celle a combustibile stanno rapidamente diventando una merce e i veicoli che le trasportano potrebbero facilmente rappresentare diverse percentuali dei circa 60 milioni di automobili che saranno prodotte in tutto il mondo entro il 2010.

Sebbene le celle a combustibile siano disponibili in una mezza dozzina di varietà, utilizzando diversi combustibili e materiali, una versione è emersa come la preferita per l'uso automobilistico: la cella a combustibile con membrana a scambio protonico (PEM). Una cella PEM è solida e compatta e funziona a una temperatura relativamente bassa di 80 C. Il cuore della cella PEM è una membrana di plastica gommosa rivestita con un catalizzatore al platino. Il catalizzatore scinde il gas idrogeno in protoni ed elettroni; solo i protoni possono passare attraverso la membrana. Gli elettroni viaggiano intorno alla membrana, generando la preziosa corrente elettrica, prima di ricombinarsi con i protoni e l'ossigeno dall'altra parte della membrana per generare acqua. L'impilamento di una serie di questi gruppi di catalizzatori a membrana, o celle, moltiplica la tensione.

Le pile PEM hanno acceso il veicolo spaziale Gemini che ha fatto il giro della Terra negli anni '60, ma ha generato un filo di elettricità troppo debole e costoso per le applicazioni commerciali, per non parlare dei motori delle automobili. Poi, alla fine degli anni '80, i ricercatori del Los Alamos National Laboratory fecero grandi progressi nei catalizzatori, riducendo del 90% la quantità di platino necessaria. Ballard ha moltiplicato la densità di potenza della pila, la potenza restituita per unità di prezioso spazio del veicolo che occupa, imparando a mantenere felici le membrane (umide ma non bagnate) e perfezionando l'impianto idraulico che sposta l'idrogeno, l'ossigeno e l'acqua attraverso le pile. Ballard, con sede a Burnaby, B.C., ha quasi 400 brevetti rilasciati o in attesa di proteggere il suo vantaggio nella tecnologia PEM.

Due anni fa Ballard ha superato la densità di potenza minima per le automobili - 1.000 watt per litro - con il suo stack Mark 700, due dei quali spingono il Commander II. Gli stack Mark 900 di Ballard, rilasciati all'inizio di quest'anno, emettono fino a 1.350 watt per litro. Questa è una densità di potenza pratica per i veicoli di oggi, afferma Paul Lancaster, vicepresidente finanziario di Ballard. In altre parole, un'auto che carica una tale pila dovrebbe accelerare la macchina da strada di famiglia, bagagli inclusi, con lo stesso entusiasmo di un motore a combustione interna.

Sterzare intorno agli ostacoli

Ma tieni il libretto degli assegni, perché resta ancora molto lavoro da fare per rendere pratico il veicolo a celle a combustibile. Tutti i suoi sistemi sono troppo costosi, persino più costosi di caricare un'auto con le batterie, e fornire idrogeno alle pile è ancora una lotta.

La sfida principale di Ballard è produrre pile più economiche. L'azienda sta lavorando con Ford e DaimlerChrysler per ottimizzare i suoi progetti di stack per una produzione automatizzata a basso costo. E per raggiungere una massa critica di produzione, Ballard sta commercializzando celle a combustibile in più mercati contemporaneamente, non solo veicoli ma generatori di energia portatili, generatori residenziali e centrali elettriche fisse. Lancaster fissa il punto di pareggio a circa 300.000 stack all'anno. Per quanto possibile, abbiamo utilizzato materiali comuni e processi di produzione comuni in tutte le linee di prodotti, quindi non dobbiamo produrre celle a combustibile per 300.000 auto per raggiungere quel volume.

DaimlerChrysler e Ford, nel frattempo, si stanno concentrando sulla realizzazione del resto della vettura. Il loro più grande mal di testa è stato mantenere le pile alimentate con idrogeno. Il problema con le celle a combustibile è diventato i combustibili. Non è più la cella a combustibile, afferma Mohsen Shabana, che in qualità di responsabile del programma per i veicoli a celle a combustibile presso l'operazione di tecnologie ingegneristiche di DaimlerChrysler a Rochester Hills, nel Michigan, è responsabile della messa in funzione di Commander II. Tutti e tre i combustibili che le case automobilistiche stanno prendendo in considerazione, benzina, metanolo e idrogeno, pongono serie sfide.

L'estrazione a bordo dell'idrogeno dalla benzina renderebbe il passaggio al veicolo a celle a combustibile senza soluzione di continuità, poiché la benzina è ovunque. Ma raffinare il gas in movimento è difficile. Le reazioni si verificano al di sopra di 800 C, rendendo i dispositivi lenti ad avviarsi e la chimica è capricciosa; mentre il processo viene normalmente utilizzato negli impianti di produzione chimica e nelle raffinerie di petrolio per produrre volumi industriali di idrogeno, spremerlo sotto il cofano è complicato. Un altro problema irrisolto è la protezione della cella a combustibile dallo zolfo che avvelena il catalizzatore nella benzina.

Nonostante le sfide tecnologiche, General Motors ed Exxon Mobil hanno recentemente annunciato lo sviluppo congiunto di un processore di carburante a benzina e affermano che un veicolo dimostrativo che utilizza celle a combustibile alimentate dal processore potrebbe essere pronto entro 18 mesi. La casa automobilistica sostiene che mentre l'idrogeno sarà probabilmente il carburante del futuro, la tecnologia di elaborazione della benzina fornirà una transizione fondamentale per rendere pratiche le auto a celle a combustibile.

Altri non sono disposti ad aspettare il processore a benzina. DaimlerChrysler sta sviluppando un sistema a metanolo. Alcune celle a combustibile funzionano direttamente a metanolo anziché a idrogeno, ma gli esperti di celle a combustibile affermano che questa tecnologia è lontana almeno sette anni dal livello di efficienza richiesto per alimentare un'auto. Quindi usare il metanolo come combustibile oggi significa estrarne l'idrogeno. Il metanolo è un bersaglio più facile della benzina perché è privo di zolfo e produce idrogeno a una temperatura relativamente mite di 300°C. Ma la raffinazione del metanolo è ancora un processo complesso che coinvolge molti passaggi, ognuno dei quali deve avvenire a una particolare temperatura.

Il processore di metanolo sotto il cofano del Commander II emette abbastanza idrogeno da portare il veicolo a meno di 200 chilometri tra i rifornimenti di metanolo. L'autonomia è limitata dalle dimensioni ridotte del serbatoio del carburante, una conseguenza dell'ingombrante processore del carburante. Il grande problema, tuttavia, è che il processore di carburante impiega mezz'ora per riscaldarsi, che è una mezz'ora in più di quanto i conducenti siano disposti ad aspettare. Il problema è che il processore usa il vapore per liberare l'idrogeno e alzare una testa di vapore richiede tempo, proprio come avveniva per le macchine a vapore dei primi anni del 1900.

DaimlerChrysler, Ford e Ballard affermano che stanno lavorando a una soluzione: un processore di carburante di nuova generazione che utilizza un catalizzatore, anziché vapore, per avviare la produzione di idrogeno. Il nuovo sistema è molto più piccolo, leggermente più grande di una scatola di file, e pesa la metà della bestia schiacciata sotto il cofano del Commander II. Ma questo sofisticato piccolo processore di carburante è arrivato da molto tempo. Ford e DaimlerChrysler avevano entrambe pianificato di mostrare la tecnologia in auto dimostrative questa primavera, ma solo la Ford è apparsa sul circuito del salone dell'auto e il suo processore del carburante non funzionava. Kopf di Ford afferma che le due società hanno deciso di unire le proprie risorse, compresi gli scarsi ingegneri automobilistici che si trovano a proprio agio con i sistemi di comunicazione del veicolo elettrico, per far funzionare il processore nella prossima concept car di DaimlerChrysler. Il sistema è così complicato e ci sono molti computer che parlano tra loro, afferma Kopf. Non ci sono molte persone al mondo in grado di far funzionare queste cose.

Mentre questi ingegneri d'élite si occupano di catalizzatori e controlli, crescono i dubbi sulla fattibilità del metanolo come prodotto di consumo. Il metanolo è una sostanza sgradevole: non solo può rivelarsi fatale se ingerito, ma anche spruzzarlo sulla pelle può causare cecità e insufficienza epatica e renale. E poiché il metanolo si dissolve in acqua, rappresenta una minaccia per le forniture di acqua potabile sotterranea. Ciò rende nervose le compagnie petrolifere; stanno già lottando per ottenere l'additivo per carburanti a base di metanolo MTBE (metil terziario butil etere) dalla loro benzina, dopo che la sostanza chimica dall'odore sgradevole ha iniziato a comparire nell'acqua potabile della California.

La soluzione più ovvia, ovviamente, è utilizzare direttamente l'idrogeno come combustibile. Ciò eliminerebbe la necessità di un riformatore e l'anidride carbonica che provoca il riscaldamento del clima che genera (sebbene una parte di CO2 verrebbe comunque rilasciata durante la produzione di idrogeno dai combustibili fossili, il metodo più comune oggi). Il problema è che mentre l'idrogeno racchiude più energia in peso rispetto a qualsiasi altro carburante (circa tre volte più della benzina), è difficile imbottire gran parte di questo gas energetico in un serbatoio di carburante. Riempi un serbatoio di gas compresso disponibile in commercio con idrogeno e il tuo veicolo impiegherà appena 150 chilometri, non più lontano delle migliori batterie per auto di oggi. L'idrogeno è anche la più piccola delle molecole e scivola attraverso i fori più piccoli, un aspetto preoccupante, data la sua caratteristica infiammabilità. (Ricordate l'Hindenburg?) DaimlerChrysler ha spinto un'auto dimostrativa per 450 chilometri utilizzando un serbatoio di idrogeno liquido, ma la tecnologia criogenica per immagazzinare il carburante a -253 C (appena 20 gradi sopra lo zero assoluto) non è matura per i mercati di massa. E buona fortuna a trovare una stazione di rifornimento di idrogeno: ce ne sono solo una mezza dozzina in tutto il mondo.

Tuttavia, la disponibilità di idrogeno potrebbe diventare meno problematica, poiché le principali compagnie petrolifere accettano la sfida della distribuzione del gas. Graham Batcheler, presidente di Texaco Energy Systems, la filiale di Houston per i combustibili avanzati del gigante petrolifero, afferma che la società ritiene che la cella a combustibile sostituirà il motore a combustione interna nel lungo periodo. Ritiene inevitabile che i conducenti facciano il pieno di idrogeno e vuole che lo facciano in una stazione della Texaco. Piuttosto che lottare per proteggere il suo franchising di benzina, Texaco sta investendo nella tecnologia chiave per rendere possibile il rifornimento di idrogeno: serbatoi di stoccaggio avanzati.

Una possibilità per risolvere il problema dell'impaccamento dell'idrogeno è semplicemente ripensare alla compressione. Serbatoi più robusti potrebbero comprimere l'idrogeno a pressioni maggiori, oppure i telai dei veicoli radicalmente ridisegnati potrebbero ospitare serbatoi massicci ma di forma strana. Un'altra opzione è quella di riempire serbatoi pieni di materiali che legano l'idrogeno, rallentando le molecole senza liquefare il gas. Le fibre di grafite con nanostrutture complesse, ad esempio, hanno dimostrato di assorbire più del 20 percento di idrogeno in peso, consentendo di immettere una quantità molto maggiore di gas in un serbatoio.

Visioni Consumanti

Date le sfide, Johannes Ebner, dirigente del programma di celle a combustibile di DaimlerChrysler responsabile dell'infrastruttura del carburante, riconosce che le stime precedenti dell'azienda che mettevano in circolazione da 20.000 a 40.000 auto nel 2004 ora sembrano irrealistiche: sarà una produzione molto limitata. Ballard, DaimlerChrysler e Ford inizieranno a testare le loro tecnologie sui consumatori il prossimo anno in California, dove i severi requisiti per i veicoli privi di inquinamento entreranno in vigore nel 2003. Il California Fuel Cell Program (formato da queste tre società insieme ad altre case automobilistiche, carburante produttori di celle e diverse grandi compagnie petrolifere) prevede di mettere 60 auto e autobus a celle a combustibile sui veicoli stradali a celle a combustibile dalle mani di ingegneri attenti e nelle mani di consumatori esigenti.

Queste auto californiane, come la Commander II, saranno realizzate su misura. Il vero test per le celle a combustibile arriverà quando le auto prodotte in serie entreranno in strada, cosa che sia Ford che DaimlerChrysler hanno promesso di fare nel 2004, pur sapendo che perderanno soldi su di loro. Abbiamo affermato che avremo veicoli nelle mani del pubblico e ci sono programmi in atto per farlo, ma ciò non significa che siano commercialmente fattibili, afferma Kopf di Ford. Ammette che le auto a celle a combustibile ora sono molto più costose delle auto a batteria, che di per sé non sono economiche. Ford dovrebbe addebitare almeno $ 35.000 per coprire i costi del suo pickup Ranger alimentato a batteria, quasi tre volte di più del prezzo che gli fa guadagnare un profitto per un Ranger senza fronzoli con motore a combustione.

Perché le case automobilistiche stanno pianificando di perdere denaro? Kopf afferma che c'è sempre la possibilità che la tecnologia ripaghi prima del previsto. L'instabilità in Medio Oriente, ad esempio, potrebbe portare la benzina a $ 5 al gallone, spingendo gli americani a cercare l'efficienza del carburante proprio come hanno fatto le crisi petrolifere negli anni '70. Vogliamo aver sviluppato una capacità ingegneristica di base: sapere dove sono i problemi, dove dobbiamo semplificare. Vogliamo essere preparati.

Ma dice che la motivazione ultima è a lungo raggio. La cella a combustibile promette di rendere l'automobile sostenibile, tagliando l'inquinamento e liberandola dalla politica del petrolio, e assicurando che Ford possa fare tanto successo in questo secolo quanto nell'ultimo. Il grande fascino delle celle a combustibile è la promessa di zero emissioni allo scarico, potenzialmente nessuna emissione di gas serra e indipendenza energetica, afferma Kopf. Questi sono il Santo Graal dell'industria automobilistica.

Guardando al futuro, Kopf immagina un mondo in cui l'elettricità da fonti rinnovabili come il vento e le celle solari genera idrogeno dall'acqua, l'inverso del processo delle celle a combustibile, per alimentare una flotta di veicoli a celle a combustibile. Potresti realizzare un sistema di alimentazione e un veicolo che producono zero gas serra e zero emissioni di scarico, un ciclo idrogeno-ossigeno-acqua sostenibile per sempre. Questo è l'obiettivo finale.

Ci si potrebbe aspettare che quel tipo di discorso snervasse i leader di DaimlerChrysler, che ha recentemente annunciato un programma di crash per tagliare $ 2 miliardi dalle operazioni per sedare l'ansia degli azionisti per il calo dei prezzi delle azioni e i deboli rendimenti. Ma Ebner afferma che il presidente di DaimlerChrysler, Juergen Schrempp, sta proteggendo personalmente la linea di credito da 1 miliardo di dollari del programma sulle celle a combustibile come gasdotto verso il futuro. La visione di Schrempp suona ancora più messianica di quella di Kopf.

In un recente discorso alla World Engineers Convention, l'ingegnere diventato leader aziendale ha implorato gli ingegneri di tutto il mondo di abbandonare i loro progetti e saltare sul carro delle celle a combustibile. La logica di Schrempp? Garantire che le generazioni future non siano sopraffatte dai cambiamenti climatici globali e dalle dislocazioni economiche dovute al calo delle forniture di petrolio. Tutti condividiamo la responsabilità di portare avanti questo progetto, la responsabilità di portare avanti questo progetto, l'assunzione di responsabilità fa parte della dignità dell'essere umano.

AZIENDE STRATEGIA PIANI DaimlerChrysler , Sistemi di alimentazione Ballard , e Ford Motor Partnership per la commercializzazione di celle a combustibile, processori di carburante e azionamenti elettrici. Ballard si sta concentrando sulla riduzione dei costi delle celle a combustibile, mentre DaimlerChrysler e Ford stanno dimostrando veicoli integrati funzionanti con idrogeno compresso, idrogeno liquido e metanolo. In programma per dimostrare 30-40 veicoli in California tra il 2001 e il 2003. Progettazione di modelli per una produzione limitata nel 2004. GM e Toyota Partnership sulle auto elettriche. Entrambe le società, leader nelle tecnologie ibride a batteria e benzina-elettriche, hanno sviluppato concept car a celle a combustibile, celle a combustibile e sistemi di stoccaggio dell'idrogeno completamente funzionali. Si prevede di avere auto a celle a combustibile pronte per la commercializzazione entro il 2004. Investimenti in corso nei processori di carburante a benzina. Honda Rialzista sulla sua tecnologia di combustione interna ultra-pulita, ma anche sugli investimenti nelle celle a combustibile. Honda ha costruito concept car a celle a combustibile con pile Ballard e pile proprietarie, ma l'attrezzatura occupa lo spazio dei passeggeri posteriori. Prevede di avere un pacchetto di tecnologie pronto per la commercializzazione di auto a celle a combustibile entro il 2003, ma non ha ancora annunciato piani di produzione. Nissan Ha adattato la sua station wagon alimentata a batteria per trasportare celle a combustibile Ballard e un processore a metanolo, ma l'attrezzatura occupa lo spazio del passeggero posteriore. Prossimo prototipo per riporre l'attrezzatura sotto il pavimento. Potrebbe produrre auto a celle a combustibile già nel 2003. BMW, International Fuel Cells e Delphi Automotive Systems Partnership per sostituire le batterie con unità di alimentazione ausiliarie (APU) a celle a combustibile nelle auto alimentate a combustione. Prevede di commercializzare APU a celle a combustibile entro il 2005.

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