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Prognostica delle prestazioni di un sistema fuel cell per la propulsione di traghetti
Gianmarco Saponaro - Politecnico di Bari
Marco Torresi, Politecnico di Bari
Sergio Mario Camporeale, Politecnico di Bari
Sergio Mario Camporeale, Politecnico di Bari
L'industria dei traghetti in Europa sta affrontando le sfide presentate dalla transizione energetica insieme alla necessità di rinnovare la maggior parte delle imbarcazioni della flotta. L'utilizzo dei sistemi fuel cell rappresenta un'ottima alternativa alle batterie per l'alimentazione della propulsione elettrica per le rotte più lunghe. Questo studio analizza la prognostica delle prestazioni di un sistema fuel cell a bordo di un traghetto a lunga percorrenza, simulando 200 missioni annuali. I risultati mostrano come il sistema fuel cell progettato, nonostante il significativo degrado, riesca a portare a termine la propria missione per tutte le 4800 ore di navigazione previste.
INTRODUZIONE
L'industria dei traghetti svolge un ruolo importante nel panorama dei trasporti globali, collegando le isole alla terraferma, anche tra Paesi diversi.
È stato stimato che l'industria mondiale dei traghetti ha trasportato circa 4,3 miliardi di passeggeri nel 2019 [1].
In Norvegia i traghetti svolgono un ruolo cruciale nel sistema di trasporto nazionale, collegando le comunità delle isole lungo la costa.
Anche l'Italia fa grande affidamento sui traghetti per via delle sue coste e delle sue numerose isole.
La flotta italiana di traghetti è la seconda più grande d'Europa, dopo la Norvegia.
Quasi il 70% delle emissioni globali di gas serra avviene entro 400 km dalle coste, influenzando così la qualità dell'aria delle aree
costiere abitate (circa il 40% della popolazione mondiale vive entro 100 km dalle coste [2, 3]).
È quindi necessario ridurre le emissioni delle navi, soprattutto di quelle che operano nelle acque costiere.
Secondo la classificazione del sistema europeo obbligatorio di monitoraggio, comunicazione e verifica (EU-MRV), i traghetti per il
trasporto passeggeri appartengono alla categoria delle navi Ro-Pax (passeggeri/auto).
Nel 2020, questa categoria è stata responsabile del 9,3% delle emissioni di CO2 del trasporto marittimo europeo (livello ridotto del 21% rispetto alle emissioni del 2019, a causa dell'impatto del COVID-19 [4]).
L'elettrificazione della propulsione dei traghetti in Italia, insieme a Grecia, Germania e Regno Unito, ridurrebbe potenzialmente le emissioni fino a 800.000 tonnellate di CO2, pari a una diminuzione del 50% delle emissioni legate ai traghetti in questi Paesi [5]. Inoltre, l'età media della flotta europea di traghetti è di 35 anni, con circa il 25% delle navi che supera i 40 anni di servizio.
Ciò implica che oltre la metà della flotta sarà probabilmente sostituita entro questo decennio [5].
Pertanto, per far fronte ai vincoli legislativi, l'industria marittima dovrà proporre diverse soluzioni a zero emissioni per i nuovi traghetti e per l'adeguamento di quelli esistenti.
Nel trasporto marittimo l'utilizzo delle sole batterie per coprire distanze medio-lunghe è limitato a causa della loro bassa densità energetica (riferita alla massa della batteria), pari a circa 0,2 kWh/ kg a seconda del tipo.
In confronto, il sistema di fuel cell a membrana a scambio protonico (PEMFC) mostra una densità energetica di 39,7 kWh/kg (riferita alla massa dello stack FC) [6].
Un approccio più efficace ed economico sarebbe quello di integrare le batterie nei sistemi ibridi, migliorando l'efficienza e bilanciando la richiesta di potenza con altre fonti di energia.
Di conseguenza, è fondamentale studiare soluzioni alternative che offrano maggiori capacità di accumulo di energia migliori performance di ricarica o rifornimento.
Negli ultimi anni sono state sviluppate diverse alternative alle batterie convenzionali di tipo elettrochimico per fornitura di energia a bordo, tra cui sistemi elettromeccanici con accumulo di energia cinetica (Flywheel Energy Storage), sistemi fotovoltaici e celle a combustibile alimentate a idrogeno.
L'idrogeno gioca attualmente un ruolo chiave nel futuro panorama energetico globale e la tecnologia PEMFC sembra essere
la più adatta per la propulsione e le richieste di potenza ausiliarie delle navi traghetto [2, 7].
Le Fuel Cell (FC) trasformano direttamente l'energia chimica del combustibile in energia elettrica in corrente continua, evitando la conversione intermedia in calore tipica dei motori a combustione.
Ciò si traduce in una riduzione delle emissioni di NOX, del rumore e delle vibrazioni, abbattendo le emissioni di CO2 e mantenendo alti livelli di efficienza.
Grazie al loro design modulare, le fuel cell possono essere distribuite a bordo della nave, riducendo l'ingombro e migliorando la ridondanza.
I sistemi FC hanno buone prestazioni a carico parziale e una densità energetica volumetrica superiore a quella delle batterie. Le prestazioni termodinamiche attraverso l'analisi energetica ed exergetica di diversi sistemi di fuel cell sono esaminate in [8], dove vengono riassunti e classificati i parametri che influenzano le prestazioni termodinamiche del sistema.
Le PEMFC, negli ultimi anni, sono diventate sempre più compatte e hanno raggiunto elevate prestazioni anche nei transitori.
Questa tipologia di fuel cell è costituita da uno stack di più celle. L'elemento base della cella è la MEA, ovvero il Membrane Electrode Assembly (MEA) costituito dalla membrana a scambio protonico PEM con gli strati catalitici (solitamente in Platino) a cui accedono i gas attraverso i gas diffusion layer.
Ciascuna MEA all'interno dello stack è separata da quelle affianco mediante piastre bipolari. Mantenere la membrana umida lasciando i pori dei gas diffusion layer asciutti impone un intervallo di temperatura operativa tra 65-85 °C. A temperature inferiori, è necessario utilizzare il platino come catalizzatore per favorire le reazioni elettrochimiche. Inoltre, la bassa temperatura di esercizio limita la tolleranza del sistema alle impurità del combustibile, in particolare il monossido di carbonio (CO) a queste temperature viene adsorbito dalla superficie del catalizzatore disattivandolo [9].
Inoltre, le fuel cell sono molto sensibili al cloro e quindi l'ambiante marino è particolarmente critico.
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L'industria dei traghetti svolge un ruolo importante nel panorama dei trasporti globali, collegando le isole alla terraferma, anche tra Paesi diversi.
È stato stimato che l'industria mondiale dei traghetti ha trasportato circa 4,3 miliardi di passeggeri nel 2019 [1].
In Norvegia i traghetti svolgono un ruolo cruciale nel sistema di trasporto nazionale, collegando le comunità delle isole lungo la costa.
Anche l'Italia fa grande affidamento sui traghetti per via delle sue coste e delle sue numerose isole.
La flotta italiana di traghetti è la seconda più grande d'Europa, dopo la Norvegia.
Quasi il 70% delle emissioni globali di gas serra avviene entro 400 km dalle coste, influenzando così la qualità dell'aria delle aree
costiere abitate (circa il 40% della popolazione mondiale vive entro 100 km dalle coste [2, 3]).
È quindi necessario ridurre le emissioni delle navi, soprattutto di quelle che operano nelle acque costiere.
Secondo la classificazione del sistema europeo obbligatorio di monitoraggio, comunicazione e verifica (EU-MRV), i traghetti per il
trasporto passeggeri appartengono alla categoria delle navi Ro-Pax (passeggeri/auto).
Nel 2020, questa categoria è stata responsabile del 9,3% delle emissioni di CO2 del trasporto marittimo europeo (livello ridotto del 21% rispetto alle emissioni del 2019, a causa dell'impatto del COVID-19 [4]).
L'elettrificazione della propulsione dei traghetti in Italia, insieme a Grecia, Germania e Regno Unito, ridurrebbe potenzialmente le emissioni fino a 800.000 tonnellate di CO2, pari a una diminuzione del 50% delle emissioni legate ai traghetti in questi Paesi [5]. Inoltre, l'età media della flotta europea di traghetti è di 35 anni, con circa il 25% delle navi che supera i 40 anni di servizio.
Ciò implica che oltre la metà della flotta sarà probabilmente sostituita entro questo decennio [5].
Pertanto, per far fronte ai vincoli legislativi, l'industria marittima dovrà proporre diverse soluzioni a zero emissioni per i nuovi traghetti e per l'adeguamento di quelli esistenti.
Nel trasporto marittimo l'utilizzo delle sole batterie per coprire distanze medio-lunghe è limitato a causa della loro bassa densità energetica (riferita alla massa della batteria), pari a circa 0,2 kWh/ kg a seconda del tipo.
In confronto, il sistema di fuel cell a membrana a scambio protonico (PEMFC) mostra una densità energetica di 39,7 kWh/kg (riferita alla massa dello stack FC) [6].
Un approccio più efficace ed economico sarebbe quello di integrare le batterie nei sistemi ibridi, migliorando l'efficienza e bilanciando la richiesta di potenza con altre fonti di energia.
Di conseguenza, è fondamentale studiare soluzioni alternative che offrano maggiori capacità di accumulo di energia migliori performance di ricarica o rifornimento.
Negli ultimi anni sono state sviluppate diverse alternative alle batterie convenzionali di tipo elettrochimico per fornitura di energia a bordo, tra cui sistemi elettromeccanici con accumulo di energia cinetica (Flywheel Energy Storage), sistemi fotovoltaici e celle a combustibile alimentate a idrogeno.
L'idrogeno gioca attualmente un ruolo chiave nel futuro panorama energetico globale e la tecnologia PEMFC sembra essere
la più adatta per la propulsione e le richieste di potenza ausiliarie delle navi traghetto [2, 7].
Le Fuel Cell (FC) trasformano direttamente l'energia chimica del combustibile in energia elettrica in corrente continua, evitando la conversione intermedia in calore tipica dei motori a combustione.
Ciò si traduce in una riduzione delle emissioni di NOX, del rumore e delle vibrazioni, abbattendo le emissioni di CO2 e mantenendo alti livelli di efficienza.
Grazie al loro design modulare, le fuel cell possono essere distribuite a bordo della nave, riducendo l'ingombro e migliorando la ridondanza.
I sistemi FC hanno buone prestazioni a carico parziale e una densità energetica volumetrica superiore a quella delle batterie. Le prestazioni termodinamiche attraverso l'analisi energetica ed exergetica di diversi sistemi di fuel cell sono esaminate in [8], dove vengono riassunti e classificati i parametri che influenzano le prestazioni termodinamiche del sistema.
Le PEMFC, negli ultimi anni, sono diventate sempre più compatte e hanno raggiunto elevate prestazioni anche nei transitori.
Questa tipologia di fuel cell è costituita da uno stack di più celle. L'elemento base della cella è la MEA, ovvero il Membrane Electrode Assembly (MEA) costituito dalla membrana a scambio protonico PEM con gli strati catalitici (solitamente in Platino) a cui accedono i gas attraverso i gas diffusion layer.
Ciascuna MEA all'interno dello stack è separata da quelle affianco mediante piastre bipolari. Mantenere la membrana umida lasciando i pori dei gas diffusion layer asciutti impone un intervallo di temperatura operativa tra 65-85 °C. A temperature inferiori, è necessario utilizzare il platino come catalizzatore per favorire le reazioni elettrochimiche. Inoltre, la bassa temperatura di esercizio limita la tolleranza del sistema alle impurità del combustibile, in particolare il monossido di carbonio (CO) a queste temperature viene adsorbito dalla superficie del catalizzatore disattivandolo [9].
Inoltre, le fuel cell sono molto sensibili al cloro e quindi l'ambiante marino è particolarmente critico.
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Fonte: La Termotecnica giugno 2024
Settori: Idrogeno, Rinnovabili
Parole chiave: Celle a combustibile
