Reportage

 

Chi muove il futuro?

Parlando di elettro-mobilità, si pensa per lo più all’alimentazione a batteria. Ma quando si tratta di veicoli elettrici c’è anche una seconda tecnologia in ballo: le celle a combustibile. Siamo andati a visitare due laboratori per conoscere meglio entrambe.  

Testo  Susanne Theisen  Foto Norman Konrad

Non si sente praticamente alcun rumore. È la prima cosa che si nota salendo su un’auto elettrica. Brio è la parola giusta per descrivere la sensazione che si prova alla guida di un veicolo elettrico.

Per Mareike Wolter e Thomas von Unwerth, da tempo questa sensazione non è più una novità, ma continuano ancora a divertirsi. Entrambi gli scienziati sono grandi sostenitori dell’elettromobilità, pur appartenendo a due diversi schieramenti. La Wolter, ingegnere elettrochimico, dirige la divisione Accumulatori mobili di energia ed Elettrochimica presso l’Istituto Fraunhofer per le tecnologie e i sistemi ceramici (IKTS) di Dresda, in Germania, e intende con il suo lavoro di ricerca far progredire l’elettromobilità basata sull’uso di batterie. Thomas von Unwerth invece, è l’uomo delle celle a combustibile, titolare della cattedra di Alimentazioni alternative per veicoli presso la Facoltà di Ingegneria Meccanica dell’Università Tecnica di Chemnitz e sviluppa sistemi di propulsione a base di idrogeno.

Sebbene abbiano approcci differenti, la Wolter e von Unwerth concordano su un punto: l’elettromobilità in Germania ha urgentemente bisogno di essere supportata per decollare. In effetti, il governo federale è ben lungi dal realizzare l’obiettivo iniziale di mettere in strada un milione di veicoli elettrici entro il 2020. Secondo il Kraftfahrt-Bundesamt, l’Autorità federale tedesca per il trasporto a motore, a gennaio 2018 in Germania risultavano omologati 98.280 vetture elettriche e 209 e-bus. Una maggiore presenza di veicoli elettrici sulle strade tedesche sarebbe buona cosa, visti gli obiettivi del governo. Se le emissioni di gas a effetto serra scenderanno veramente entro il 2050 tra l’80 e il 95% rispetto al 1990, sarà in gran parte grazie al ruolo chiave del settore dei trasporti, in particolare di quello su strada, attualmente responsabile in Germania del 20% delle emissioni totali di gas GHG. L’elettromobilità, idealmente basata su energia verde, consentirebbe di ridurre considerevolmente le emissioni. Mareike Wolter e Thomas von Unwerth lavorano attivamente alle rispettive visioni di elettromobilità. Quello che serve sono idee elettrizzanti. Da qui la domanda: chi presenta le migliori?


“Con la nostra batteria si risparmia peso, spazio e costi.”

Mareike Wolter entra nel laboratorio dell’IKTS e si dirige verso la cappa con il miscelatore. Tra poco verrà mescolato e testato un nuovo slurry – il materiale che ricopre le pellicole degli elettrodi delle batterie. La bilancia è già pronta, i componenti vengono prelevati dall’armadio di sicurezza poco più in là. La responsabile di reparto indossa occhiali e guanti di protezione e il camice da laboratorio, e il processo prende avvio. La cappa al di sopra del marchingegno color argento sibila, mentre un collaboratore dosa gli ingredienti e li versa nel gruppo miscelatore. Imposta tempo e velocità di rotazione, e qualche minuto dopo lo slurry è pronto. Gocciola dal miscelatore come miele dalla consistenza fluida. “Il nostro reparto sviluppa materiali e processi per la produzione di celle per batterie. Ciò che ci tormenta è la domanda: come possiamo migliorare la performance e la durata delle celle delle batterie?”, afferma Mareike Wolter. Un aspetto critico continuamente citato quando si parla di elettromobilità a batterie elettriche è proprio questo: l’autonomia. I clienti sono spaventati dall’acquisto di un’auto elettrica a batteria perché temono di non avere sufficiente autonomia per fare abbastanza strada. Ad oggi, i sistemi a batteria a base di ioni di litio raggiungono al massimo un’autonomia di 500 chilometri con una carica, ma solo se materiali e lavorazione sono di primo livello e perfettamente armonizzati tra loro. Mareike Wolter è soddisfatta della viscosità dello slurry ottenuto. Ora può essere applicato sull’elettrodo e valutato, motivo per cui viene subito inviato all’impianto di colata nell’essiccatoio, un laboratorio riadattato privo di finestre.

Un importante obiettivo perseguito da Mareike Wolter e dal suo team consiste nel rendere più economica la produzione di batterie. Sia per quanto riguarda le materie prime, sia in termini di energia richiesta ai fini produttivi. “Oggi le sostanze di norma contenute in una batteria sono il cobalto e il nichel. Entrambi vengono spesso estratti in condizioni poco sicure, in special modo sotto il profilo ambientale. Inoltre, la loro trasformazione richiede un ingente dispendio energetico. Stiamo cercando opportunità migliori.”

Tra i momenti chiave della sua ricerca, la scienziata cita il 2014, quando in reparto venne sviluppato il progetto EMBATT. “L’idea nacque in maniera del tutto casuale. Eravamo seduti tutti insieme con il team, stavamo mangiando girelle dolci al ribes e osservando lo spazio costruttivo di una Tesla, ci chiedemmo: come possiamo migliorarlo? Come possiamo migliorare performance e autonomia?”, racconta. EMBATT consentirà alle auto di percorrere 1.000 chilometri con una sola carica di batteria. Un traguardo piuttosto ambizioso. Come ci riuscirà? “Costruiamo la batteria in maniera completamente diversa, secondo il cosiddetto principio bipolare. In sostanza, utilizziamo i medesimi materiali, ma le singole celle non sono impacchettate in un alloggiamento bensì impilate l’una sull’altra senza alloggiamento. Così facendo, si risparmia peso, spazio e costi – aumentando enormemente la densità di energia”, prosegue Mareike Wolter. Infatti, grazie al contatto diretto tra le varie celle nella pila, la corrente fluisce sull’intera superficie della batteria, riducendo la resistenza elettrica e incrementando la potenza.

L’idea è decisamente stuzzicante per gli esperti. Il principio bipolare regola anche il funzionamento delle celle a combustibile. Gli scienziati di Dresda hanno quindi scopiazzato la concorrenza? Mareike Wolter se la ride: “Sono ingegnere elettrochimico e conosco pertanto perfettamente il principio. Lo abbiamo semplicemente adattato per la batteria agli ioni di litio. Per di più, all’inizio siamo stati addirittura considerati dei pazzi, mentre ora l’idea è stata accettata.”

La responsabile di reparto è tornata nel suo ufficio. Si siede al tavolo insieme agli altri responsabili coinvolti come lei nel progetto EMBATT. Vengono presentati i risultati delle ultime serie di esperimenti. Sullo schermo posto a capotavola scorrono cifre e diagrammi. La Wolter e il suo team analizzano il grado di uniformità degli elettrodi e valutano se lo slurry venga applicato sulla superficie in modo sufficientemente omogeneo. “La sfida insita nell’applicazione del principio bipolare sta nel produrre e impilare con grande precisione le celle e i componenti singoli, di modo che la corrente risulti distribuita in maniera uniforme”, illustra Mareike Wolter.

Per ottimizzare i processi, l’IKTS collabora per il progetto EMBATT con due partner. Mentre il reparto della Wolter sviluppa elettrodi e relativi materiali, ThyssenKrupp progetta soluzioni di processo e d’impianto. Il terzo partner, IAV Automotive Engineering, mette a punto i progetti che consentiranno di integrare le batterie nelle auto elettriche. I primi test sui veicoli sono previsti per il 2020. Se il rapporto prezzo/prestazioni sarà accettabile e il numero delle colonnine di carica in Germania sarà aumentato a sufficienza, per Mareike Wolter non ci sono dubbi su quale tecnologia risulterà vincitrice nell’accanita corsa verso la leadership nell’elettromobilità:

 

 

“I combustibili fossili sono risorse esauribili – l’idrogeno no.”

C’è un gran borbottio accanto a Thomas von Unwerth, 51 anni, seduto alla scrivania del suo ufficio. Sul bordo del tavolo, una piccola cella elettrolitica scompone grazie alla corrente l’acqua nei suoi componenti. In uno dei due tubi, salgono bollicine prodotte dalla sostanza che affolla i sogni dell’ingegnere: idrogeno molecolare. H2.

“I combustibili fossili sono risorse esauribili, mentre le nostre riserve di idrogeno sono pressoché inesauribili”, dichiara il professore. “Nei mari di tutto il mondo ce n’è abbastanza per coprire il fabbisogno energetico dell’umanità per i prossimi 50 milioni di anni”. Per correttezza, aggiunge direttamente anche l’ostacolo spesso legato a questo scenario: “l’idrogeno è presente solo in molecole legate, e questo significa che dobbiamo sempre prima separarlo. Se vogliamo farlo con basso impatto climatico, dobbiamo usare energie rinnovabili. Dopodiché, l’accumulo e il trasporto risultano meravigliosamente facili. Molto meglio della corrente.” In alternativa, si starebbe sperimentando l’uso dell’idrogeno generato come prodotto di scarto dell’industria. Per von Unwerth, un altro vantaggio da questa tecnologia consiste nel fatto che, al bisogno, dall’idrogeno è possibile riottenere energia. Alla critica che afferma che procedendo in questo modo si andrebbe a perdere la metà della quantità di energia iniziale – nel caso delle batterie siamo solo nell’ordine del 10% circa – reagisce con pacatezza: “È vero, ma prima di lasciare eventuale energia in eccesso, soprattutto se verde, semplicemente inutilizzata, sarebbe meglio accumularla sotto forma di idrogeno per riutilizzarla in seguito, anche se solo per metà.”

Nella cella elettrolitica si accumulano sempre più bollicine, mentre Thomas von Unwerth prosegue: “Le auto ad idrogeno, così come anche grandi veicoli come bus o camion, si ricaricano nel giro di pochi minuti. Il rifornimento è molto più rapido rispetto ai veicoli a batteria elettrica – e con 500 chilometri, l’autonomia è decisamente maggiore. Ciononostante, l’infrastruttura delle stazioni di servizio è ancora insufficiente. Ad oggi, la Germania conta circa 50 stazioni attrezzate per il rifornimento di idrogeno, ma secondo stime di esperti ne servirebbero 1.000”. Tutto ciò non basta per garantire una presenza capillare, e anche il ricercatore lo sa: “Qualcosa si sta smuovendo. Già nel 2019, le stazioni di servizio dovrebbero diventare 100 crescendo di numero negli anni.”

Si alza dalla scrivania e si dirige verso il laboratorio al pian terreno per effettuare un test di performance su nuove celle a combustibile. Oltre al miglioramento delle prestazioni, l’ingegnere e il suo team lavorano per ridurre la complessità della cella. “Attualmente, è formata da circa 600 componenti, molti di più di quelli presenti in una batteria”, ammette mentre scende le scale. “Per questo, la cella a combustibile è al momento ancora troppo costosa. Stiamo cercando strade per rendere possibile la produzione in serie. Abbiamo bisogno di questo effetto serie per affermare la tecnologia delle celle a combustibile.”

A tale scopo, occorre ottimizzare anche i costi delle materie prime. In questo senso, stando al professore siamo già a buon punto. Se in passato ad esempio per una cella a combustibile servivano circa 100 grammi di platino, oggi ne bastano solo dieci grammi. “E quelli non dovrebbero essere proprio un problema, visto che è la stessa quantità presente nel catalizzatore di un motore a combustione interna. Bisognerebbe solo ripartire semplicemente la materia prima in maniera diversa”, sostiene l’ingegnere. Apre la pesante porta metallica dietro la quale si cela il laboratorio. Le due stanze sono stipate di banchi di prova. Attraverso sottili tubi di ottone che si rincorrono paralleli su pareti e soffitto fluiscono i gas coinvolti nella ricerca sulle celle a combustibile. Che sono, oltre all’idrogeno e all’idrogeno ultrapuro, l’ossigeno e l’argon. Oggi, presso il laboratorio dedicato ai sistemi con celle a combustibile, è in programma un test. Le 400 celle sono già tutte allineate, fra poco le loro prestazioni nel sistema completo del veicolo verranno passate ai raggi X. “Non appena forniamo idrogeno, sul monitor saliranno 400 colonnine, che chiamiamo “la staccionata”. Ciascuna colonna rappresenta la tensione all’interno di una cella”, spiega Thomas von Unwerth. L’esperimento prende il via e le celle vengono caricate. “Il momento in cui il carico delle celle sale e scende è per me sempre quello più eccitante. Poi si vede se c’è stabilità e se la reazione è uniforme.” Oggi ci sono poche oscillazioni. Il boss è contento.

Thomas von Unwerth ne è convinto: ben presto la tecnologia delle celle a combustibile compirà grandi progressi nell’elettromobilità. “I primi costruttori di auto tedeschi hanno annunciato che, all’inizio del prossimo decennio, avvieranno la produzione in serie di veicoli a idrogeno con numeri rilevanti. L’argomento sembra di interesse anche presso il mondo politico. Nell’ultimo accordo di coalizione, le celle a combustibile non erano neppure menzionate. La versione attuale le cita perlomeno sette volte”, dice ridendo. Guardando al futuro, l’esperto in celle a combustibile non ha dubbi di fronte al quesito su quale tecnologia detterà legge nell’elettromobilità:


“Entrambe”. Su questo Mareike Wolter e Thomas von Unwerth sono d’accordo, anche se con motivazioni differenti. “Batterie e celle a combustibile si completano. Le batterie rendono subito disponibile la potenza, mentre le celle a combustibile impiegano qualche secondo in più quando si schiaccia l’acceleratore. Anche le automobili a idrogeno necessitano pertanto di una batteria per raggiungere rapidamente il picco di potenza. Per contro, le auto a batteria potrebbero sfruttare le celle a combustibile sotto l’aspetto dell’autonomia. Secondo il mio parere, celle a combustibile e batterie si integrano in un sistema di propulsione completo. Servono batterie ad elevata efficienza più piccole, durature, potenti e rispettose dell’ambiente” afferma von Unwerth. Per la massa, la batteria da sola non è considerabile come un’opzione: “In tutto il mondo si contano attualmente oltre 1,3 miliardi di veicoli, con un trend in crescita. Ritengo che sia impossibile costruire un’infrastruttura di colonnine di carica per così tanti veicoli.” Puntualizza l’esperta in batterie: “Installare un’infrastruttura di ricarica di queste proporzioni è sicuramente una sfida. Dal mio punto di vista, ci si dovrebbe pertanto concentrare piuttosto su concetti di mobilità più efficienti, come potrebbero essere ad esempio il car sharing o un potenziamento dei mezzi pubblici.”

Per Mareike Wolter, il proprio lavoro non è in concorrenza con la ricerca sulle celle a combustibile anche per un altro motivo: “Esistono scenari in cui i veicoli elettrici a batteria funzionano bene, come nel contesto urbano, e altri dove funzionano meglio, ed è il caso del traffico pesante.” Gli scienziati concordano: per portare a regime l’elettromobilità in Germania, occorre una maggiore pressione politica. “Perché i costruttori di automobili dovrebbero darsi tanto da fare se le loro auto dotate di motori a combustione interna continuano a vedersi? A molti consumatori le auto elettriche attualmente disponibili sul mercato semplicemente non piacciono, oppure vengono considerate troppo costose. Qui deve intervenire il legislatore”, esige von Unwerth. La Wolter auspica un maggior impegno dello Stato in materia di finanziamenti: “In Cina, dove la legge lo impone, i costruttori tedeschi di automobili stanno già realizzando grandi progetti nel campo dell’elettromobilità, mentre in Germania c’è scarso entusiasmo verso una partecipazione finanziaria in una ricerca che è appena all’inizio. Stanziamenti a favore della ricerca aiuterebbero l’evoluzione”. E così entrambi i ricercatori confidano nella politica e intravedono un avvenire di pacifica coesistenza: “Ognuno troverà il proprio spazio”, dicono.