Propulsione con celle a combustibile, i progressi

Un totale di 60 vetture Classe A F-Cell circolano attualmente sulle strade di tutto il mondo. Questi veicoli sperimentali F-Cell vengono utilizzati da diversi Clienti in sei diversi Paesi in Europa, Stati Uniti ed Asia. Questa sperimentazione su vasta scala, la più grande mai effettuata con veicoli dotati di celle a combustibile, ha lo scopo di rilevare giorno dopo giorno tutti i dati necessari allo studio di questa tecnologia, inviati successivamente via radio e grazie a Internet ai ricercatori e progettisti DaimlerChrysler di Nabern ed Ulm. In questi laboratori, si procede alla valutazione dei dati al fine di ottenere preziose indicazioni sullo sviluppo della prossima generazione di veicoli F-Cell.

Gli esperti stanno lavorando intensamente a questi veicoli del futuro. Nei prossimi anni, DaimlerChrysler introdurrà sul mercato ulteriori veicoli F-Cell basati su Classe B. Si stima infatti che tra il 2012 ed il 2015, i motori con celle a combustibile saranno pronti per il lancio sul mercato. Nell'arco di un decennio dalla presentazione della prima vettura F-Cell (1994), il prototipo Necar 1, sono stati realizzati circa 100 veicoli circolanti con questo sistema di propulsione alternativo. Oltre alle 60 vetture Classe A F-Cell messe a disposizione dei Clienti, ci sono anche diversi veicoli sperimentali e prototipi, tre veicoli commerciali Sprinter e 36 autobus Citaro con propulsione a celle a combustibile, alcuni dei quali svolgono con successo il proprio servizio di linea presso diverse aziende comunali dal 2003.

La complessità della tecnologia richiede un approccio graduale "La tecnologia delle celle a combustibile è estremamente complessa", spiega il Dr. Christian Mohrdieck, Direttore del Fuel Cell Drive System Development. "Si tratta di un concetto di propulsione totalmente nuovo, le cui basi non risiedono nella termodinamica, come per i motori a combustione interna, bensì nell'elettrochimica." Con Necar 1, dodici anni fa, ricercatori e progettisti DaimlerChrysler sono entrati in un territorio poco noto, in cui anche gli ingegneri più esperti hanno avuto l'opportunità di imparare qualcosa di nuovo. I circa 100 veicoli F-Cell costruiti da DaimlerChrysler dimostrano che nel tempo gli ingegneri hanno acquisito un'elevata competenza su questo sistema di propulsione alternativo e conoscono gli aspetti sui quali intervenire per far raggiungere gradualmente a questa tecnologia la maturità necessaria alla produzione di serie. Infatti, appena conclusa l'attuale sperimentazione su strada delle vetture Classe A F-Cell, in un prossimo futuro subentrerà la seconda generazione di vetture con celle a combustibile, basata su Classe B. Al centro di questa futura sperimentazione su vasta scala ci saranno altre sfide di carattere tecnico ed economico, oltre naturalmente al perfezionamento della tecnologia. Con la terza generazione di veicoli F-Cell DaimlerChrysler mira ad ottenere nuovi miglioramenti tecnologici e soprattutto una sensibile riduzione dei costi del sistema.

Semplificare i componenti e ridurre i costi Gli obiettivi degli ingegneri sono stati formulati con estrema chiarezza. L'intero sistema di celle a combustibile deve diventare più semplice e robusto, attraverso la riduzione dei componenti, che significa anche minori possibilità di avarie e costi più contenuti. Inoltre, i ricercatori mirano a rendere i componenti esistenti ancora più compatti, per limitare gli spazi d'ingombro ed il peso del sistema. Infine, prima di introdurre questa tecnologia nella produzione di serie bisogna anche aumentare ulteriormente la durata ed il rendimento delle pile a combustibile. A tale scopo sono stati elaborati specifici programmi e progetti tecnici. Tuttavia, la sfida fondamentale in questo ambito consiste nel ridurre sensibilmente i costi per le Case automobilistiche ed i fornitori da cui provengono i principali componenti. Anche per questi ultimi, l'introduzione della tecnologia delle pile a combustibile nel campo della mobilità rappresenta nella maggior parte dei casi una dimensione del tutto nuova.

La prima generazione: F-Cell e Citaro laureati a pieni voti Per l'attuale progetto F-Cell, DaimlerChrysler ha stipulato con diverse aziende e autorità municipali una serie di contratti di comodato d'uso dei veicoli per la durata di 1-2 anni. In questo periodo, a turno, i collaboratori di questi Clienti in California, Michigan, Berlino, Tokio e Singapore hanno potuto provare 60 Classe A F-Cell nelle più diverse condizioni d'uso quotidiano. Fino a giugno 2006, questi veicoli hanno percorso circa 800.000 chilometri, durante i quali gli stack di pile a combustibile hanno totalizzato più di 24.000 ore di esercizio. Le vetture F-Cell sono dotate di una "scatola nera" che registra tutti i parametri rilevanti: velocità di marcia, tensione nelle pile a combustibile e pressione nei serbatoi di idrogeno. I risultati raccolti finora nella sperimentazione pratica mondiale inducono gli ingegneri all'ottimismo in quanto, dai numerosi valori di misurazione, è emerso chiaramente soprattutto un dato: l'insorgere di eventi critici nel sistema F-Cell è molto meno frequente di quanto supposto all'inizio del progetto. Analoghi risultati sono stati forniti anche dai 36 autobus F-Cell che DaimlerChrysler ha consegnato a partire da maggio 2003 in dieci grandi città europee, a Pechino (Cina) e Perth (Australia). Alla fine di giugno 2006, questi veicoli avevano percorso circa 1,4 milioni di chilometri, mentre alcune pile a combustibile hanno superato già la soglia di 3.000 ore di esercizio: anche questo è un risultato eccellente che nessuno avrebbe mai pronosticato. I due progetti promossi dall'Unione Europea (EU), denominati CUTE (Clean Urban Transport for Europe) ed ECTOS (Ecological City Transport System), hanno dimostrato che la propulsione con celle a combustibile sul Citaro funziona in modo estremamente affidabile anche in condizioni di utilizzo estreme. Pertanto, l'Unione Europea ha deciso di avviare un successivo progetto partito a gennaio 2006 con il nome di HyFLEET:CUTE. Infatti, per quanto siano stati soddisfacenti i risultati dei programmi di sperimentazione sotto l'aspetto della durata e dell'affidabilità degli autobus F-Cell, anche in questa tipologia di veicoli vi sono ancora alcune grandi sfide tecnologiche da superare, come, ad esempio, ottenere maggiore efficienza, miglior comportamento di marcia ed una sensibile riduzione dei costi.

La seconda generazione: Classe B con migliori capacità di avviamento a freddo e maggiore autonomia Nella prossima generazione di veicoli F-Cell, DaimlerChrysler prevede di installare le celle a combustibile su Classe B. Rispetto alle attuali Classe A F-Cell, queste vetture offriranno notevoli vantaggi, indispensabili per arrivare alla produzione di serie, e già realizzati sulla vettura sperimentale F 600 HYGENIUS sotto forma di prototipo (vedi comunicato stampa sulla vettura sperimentale F600 HYGENIUS). Tra questi figurano la capacità di avviamento a freddo, che garantisce un utilizzo del veicolo senza problemi anche in presenza di temperature estremamente rigide, un incremento dell'autonomia a più di 400 chilometri, reso possibile dai serbatoi a pressione con tecnologia a 700 bar. Inoltre, le pile a combustibile di nuova concezione offrono un incremento di potenza del 40%, oltre ad un migliore rapporto peso-prestazioni. Nei test sulle vetture Classe B F-Cell, gli ingegneri prevedono di perfezionare tutti i componenti del sistema per aumentare ulteriormente la durata delle pile. Al tempo stesso, il loro obiettivo consiste nel semplificare il sistema e renderlo ancora più affidabile e robusto. Le nuove pile a combustibile, che migliorano l'avviamento a freddo, verranno utilizzate su Classe B e saranno anche installate in versione doppia su un prototipo della prossima generazione di autobus F-Cell. Anche qui, come in un "sistema modulare" si prevedono ulteriori stadi di sviluppo, per ottenere diversi gradi di rendimento.

Le future generazioni: netta riduzione dei costi per poter realizzare flotte ancora più numerose Soltanto dopo avere ottenuto notevoli riduzioni dei costi si può pensare ad aumentare il numero di veicoli prodotti oltre il minimo necessario per lo sviluppo tecnico. In questa fase, tra l'altro, si applicano le tecnologie di produzione più idonee. In tal senso, gli specialisti di Nabern ed Ulm stanno già lavorando a stretto contatto con i loro colleghi del reparto Produzione e Tecnica dei Materiali della fabbrica di Sindelfingen. Tutti i nuovi progetti tecnici devono essere infatti improntati fin dal principio ad una successiva fattibilità di lavorazione. E proprio per le pile a combustibile bisogna compiere alcuni passi avanti e passare dalla lavorazione manifatturiera ad una struttura idonea per la produzione di serie. "La propulsione con celle a combustibile a costi accettabili è una visione ipotizzabile a lungo termine", sottolinea il Dr. Christian Mohrdieck, esprimendo l'opinione del gruppo DaimlerChrysler. "Raggiungere questo obiettivo richiede determinati passi da compiere ed un programma a lungo termine, che noi abbiamo definito in una sorta di roadmap." Per la commercializzazione della propulsione con celle a combustibile, ad ogni nuova generazione tecnologica le quantità prodotte ed i costi unitari possono rimanere costanti, ma in nessun caso devono aumentare.

Sulla strada verso la mobilità sostenibile Necar 1, il primo veicolo con pile a combustibile realizzato da DaimlerChrysler, era un prototipo dotato di un sistema di propulsione che occupava tutto il vano di carico di un Transporter Mercedes-Benz e pesava 800 chilogrammi. Dieci anni dopo, nella prima vettura F-Cell, il sistema di propulsione è stato integrato in una Classe A lasciando libero l'intero vano passeggeri e il bagagliaio del modello di serie. Prima che questa nuova tecnologia di propulsione possa essere introdotta sul mercato, tra il 2012 ed il 2015, saranno passati ben 18 anni dal Necar 1. Il Centro Ricerche DaimlerChrysler ha riconosciuto le potenzialità di questa tecnologia con largo anticipo, iniziando già nel 1991 a lavorare sui veicoli con pile a combustibile. Alla presentazione del Necar 1 nel 1994 sono seguiti altri prototipi e veicoli sperimentali: Necar 2 (1996), Necar 3 (1997), l'autobus Nebus (1997), Necar 4 (1999), Jeep Commander (1999), Necar 5 (2000), Jeep Commander 2 (2000), il Transporter Sprinter (2001), Van Town & Country Natrium (2001) e l'autobus urbano Citaro (2002). Su questi veicoli, ricercatori e progettisti hanno sperimentato diverse fonti energetiche che avrebbero potuto rappresentare il "carburante" necessario per le pile a combustibile: oltre all'idrogeno in forma liquida e gassosa, anche benzina, metanolo e idruro di sodio, tutte sostanze in grado di liberare idrogeno attraverso processi chimici. Con la stessa tenacia, DaimlerChrysler si appresta oggi a sviluppare anche la prossima generazione degli attuali veicoli F-Cell, fornendo così un contributo determinante alla realizzazione di una mobilità sostenibile.