In tutto il mondo, la domanda di energia continua a crescere a un ritmo frenetico. La preoccupazione nei confronti delle emissioni di anidride carbonica - e sugli gli effetti che queste producono nel clima, l'inquinamento atmosferico che ne risulta e la continua diminuzione delle riserve di petrolio - fa sì che la richiesta di fonti energetiche alternative e più rispettose dell'ambiente sia oggi più alta che mai. L'utilizzo di celle a combustibile con alimentazione a idrogeno può alleviare il problema, soddisfacendo gran parte delle nostre richieste di energia senza generare emissioni nell'atmosfera. Solo in Europa, si prevede che nel 2018 il mercato delle celle a combustibile raggiungerà un fatturato di 800 milioni di Euro. Fondi consistenti della Commissione Europea vengono oggi devoluti per la ricerca in questo settore (è stato annunciato all'inizio dell'estate che sarebbero stati destinati a questo progetto oltre 3 milioni di euro, da oggi sino alla fine del decennio, derivanti da finanziamenti EC e di investitori privati).
La cella a combustibile
La cella a combustibile si basa su un processo elettrochimico diretto in cui l'idrogeno, venendo a contatto con una coppia di elettrodi, genera corrente elettrica (e acqua). È un metodo per generare energia elettrica senza prodotti di scarto dannosi. Anche se richiede una spesa iniziale piuttosto elevata, la migrazione verso questa tecnologia e i costi connessi diventano un po' più facili da giustificare se si guarda su una prospettiva a lungo termine. Non essendoci parti in movimento negli impianti fuel-cell, in linea di principio l'affidabilità e la durata di questi prodotti (con l'introduzione di batterie via via più durevoli) potrebbero diventare superiori rispetto ai motori a combustione, in cui vi è un numero consistente di componenti suscettibili di guasto. Sono state recentemente sviluppate celle a combustibile con una durata pari a 10.000 ore (equivalenti a 480.000 km su strada). Il lancio industriale di vetture a idrogeno, come la Hyundai ix35 (a cui l'azienda ha commissionato la fabbricazione di 1000 unità nei prossimi 18 mesi) è il primo indizio che questa potrebbe essere una strada percorribile nell'industria dell'autoveicolo. Anche se nell'immediato futuro non si prevede un aumento significativo di popolarità dei veicoli fuel-cell, ci si aspetta una maggiore espansione nel medio/lungo termine. Man mano che la diffusione di questa tecnologia aumenta, le economie di scala permetteranno di abbattere i costi, generando così il classico effetto a valanga. Se le previsioni della Lux Research si riveleranno corrette, potremo assistere a un tasso di crescita globale composito degli autoveicoli a idrogeno superiore al 22%, da oggi al 2030. Per questa data, si sarà raggiunto un fatturato annuo di 1,8 miliardi di euro, con più di 60.000 veicoli venduti all'anno. Ma anche se i costruttori di automobili e gli integratori di sistema raggiungeranno questi risultati, andranno comunque affrontati diversi problemi tecnici nel progetto esecutivo dell'impianto di alimentazione:
- l'efficienza complessiva del sistema deve essere la più elevata possibile, riducendo al minimo l'idrogeno consumato e aumentando al massimo l'autonomia chilometrica, soprattutto perché in futuro il numero delle stazioni di rifornimento potrebbe essere limitato;
- il costo dei componenti deve essere basso affinché le auto a idrogeno possano competere commercialmente con le vetture ibride e con le vetture tradizionali a benzina o a gasolio; poiché già la batteria da sola ha un costo non indifferente, gli altri componenti devono essere estremamente costo-efficienti per controbilanciare la spesa.
Il ruolo dell'unità di alimentazione
L'unità di conversione Dc-Dc o Psu (Power Supply Unit) cuore del sistema di alimentazione ha un effetto profondo sull'efficienza economica e operativa dell'impianto. Essa permette di:
- bilanciare il carico;
- controllare lo stato di carica della batteria del veicolo;
- regolare la tensione di uscita del sistema di alimentazione.
Nella scelta di un'unità di alimentazione vi sono diversi fattori importanti di cui tenere conto. Innanzitutto, è chiaro che deve sopportare le ampie variazioni della tensione di uscita della cella a combustibile. Occorre poi considerare la reattività delle celle: poiché una pila a combustibile richiede un periodo di riscaldamento che va dai 10 ai 20 secondi, l'avviamento del veicolo presenta dei problemi che l'impianto di alimentazione deve essere in grado di gestire, nel frattempo che la pila si prepara al funzionamento a regime. Anche l'efficienza di conversione e le dimensioni avranno la loro importanza. La natura altamente competitiva dell'industria automobilistica impone inoltre un prezzo di vendita accettabile per ciascun componente di sistema.
Grazie alla sua comprovata tecnologia di moduli in formato brick, Powerstax ha sviluppato una gamma di moduli di conversione Dc-Dc compatti e ad alta efficienza, ottimizzati in modo specifico per alimentatori con celle a combustibile. Con un'uscita stabilizzata fino a 500 W, i moduli ad alta densità della serie FC offrono una dinamica di ingresso da 40 V a 120 V, in linea con la maggioranza delle pile a combustibile in commercio. Disponibili nel formato standard 11,68 x 6,10 x 1,27 cm, questi moduli hanno una densità di potenza che raggiunge i 5,53 W/cm3, il che permette di massimizzare le prestazioni del sistema con un ingombro minimo e di raggiungere un'efficienza del 91%. Per una progettazione altamente versatile, i moduli della serie FC sono disponibili con tensioni di uscita a 12, 24, 28 e 48 Vdc: ciò significa che possono essere utilizzati in una vasta gamma di veicoli a idrogeno (carrelli elevatori, carrozzine elettriche, mezzi di trasporto pubblico nonché navi e imbarcazioni). L'elevata affidabilità di questi alimentatori li rende particolarmente adatti alle condizioni critiche degli ambienti interni ai veicoli. Ciascun modulo possiede un range termico operativo che va da -20 a +100 °C. I moduli comprendono diversi meccanismi di protezione (ad esempio per sovratensioni, sottotensioni e cortocircuiti) nonché sistemi di arresto termico. I dissipatori a piastra possono essere agevolmente connessi ai sistemi di raffreddamento secondari del veicolo, il che rende questi moduli facili da integrare nel progetto del sistema di alimentazione. Un tempo medio tra i guasti pari a 1,1 milioni di ore allevia le preoccupazioni relative all'affidabilità del sistema. Un sistema di monitoraggio proprietario consente di prevenire le condizioni di guasto. La funzione inclusa di condivisione attiva del carico permette di massimizzare l'uscita complessiva proveniente da un array di moduli.
Prestazioni e qualità per l'e-mobility
L'esigenza di creare una società a bassa emissione di CO2 sta portando a una proliferazione crescente di impianti fuel-cell a idrogeno nel settore della e-mobility. Ciò richiede lo sviluppo di circuiti elettronici altamente integrati in grado di soddisfare adeguatamente i requisiti specifici del veicolo sfruttando al massimo la pila a combustibile. Come abbiamo visto, la componentistica di supporto non deve essere solo energeticamente efficiente, ma anche economicamente conveniente, robusta e semplice da integrare. I progressi nella progettazione delle unità di conversione di potenza permettono di realizzare sistemi di alimentazione più adatti a questo tipo di applicazione. La serie Powerstax FC introduce sul mercato un prodotto di serie dotato di un interessante mix di caratteristiche prestazionali di qualità, con costi unitari relativamente bassi, e permette ai costruttori di autoveicoli di evitare di spendere tempo e denaro per sviluppare sistemi di alimentazione personalizzati.
