Perché il futuro del trasporto pesante a lungo raggio probabilmente include molto idrogeno
La sfida climatica richiede la decarbonizzazione dei nostri sistemi di trasporto globali. Per soddisfare questo requisito, da qualche tempo la soluzione presunta è "elettrificare tutto". Gli esperti tecnici e l'opinione pubblica preoccupata per il clima hanno da tempo sostenuto l'idea che il futuro sarà caratterizzato da un'elettricità pulita che alimenterà praticamente tutti gli aspetti della nostra vita. E io ho accettato... almeno per un certo periodo. Solo quando ho iniziato a studiare i dettagli relativi alle sfide che comporta l'installazione di una batteria in un'auto, in un camion o in una nave container, mi sono reso conto che le cose sono molto più complicate rispetto all'adesione a questo motto aspirazionale.
Per essere chiari, le batterie avranno probabilmente un grande senso per alcuni settori dell'autotrasporto. In effetti, aziende ben note nel settore dei veicoli elettrici, come Tesla, hanno all'orizzonte un prodotto che si rivolge alle percorrenze di medio raggio (300-500 miglia). Tuttavia, per quanto riguarda le tratte a lungo raggio, esiste una tecnologia più adatta al compito: le celle a combustibile a idrogeno. Gli autocarri a celle a combustibile utilizzano la stessa trasmissione elettrica di base degli autocarri a batteria (e hanno anche una batteria), ma grazie allo stoccaggio di idrogeno a bordo, gli autocarri a celle a combustibile hanno un'autonomia molto più lunga, richiedono meno soste sui lunghi percorsi, possono essere riforniti molto più velocemente e possono trasportare più carico. Un'altra grande azienda, Daimler, sta lavorando attivamente con questa tecnologia di trasmissione e sta attualmente testando un nuovo prodotto con un'autonomia di 1000 km (625 miglia) o più. In breve, i camion a celle a combustibile presentano molti dei vantaggi dei mezzi a motore diesel, senza le emissioni nocive.
Prima di discutere la nostra analisi dei meriti tecnici e operativi delle celle a combustibile a idrogeno rispetto alle configurazioni di trasmissione elettrica a batteria, va notato che, sebbene non sia stato uno degli obiettivi della nostra modellazione, il costo totale di proprietà (TCO) è un parametro importante da considerare. Si tratta di un'area di discussione attiva e non tutte le analisi recenti giungono alla stessa conclusione. Ad esempio, l'ICCT ha esaminato alcuni elementi del TCO, principalmente i costi dei componenti e del carburante, e ha stabilito che il costo operativo dei veicoli a celle a combustibile a idrogeno rimarrà abbastanza elevato da influire negativamente sulla penetrazione del mercato rispetto ai camion elettrici a batteria. D'altro canto, un recente documento del NREL ha concluso il contrario, ovvero che un autocarro pesante a batteria per il trasporto a lungo raggio (autonomia di 750 miglia, turni multipli, classe 8 con peso limitato) avrà un TCO più elevato rispetto alla sua controparte a idrogeno, anche se il prezzo dell'idrogeno rimane elevato e le celle a combustibile hanno un'efficienza leggermente inferiore rispetto alle batterie. Ciò è dovuto principalmente alla spesa di capitale di una batteria più grande e a un tempo di permanenza medio più lungo, che ha un costo. Riconosciamo che si tratta di un dibattito irrisolto. In questo lavoro abbiamo analizzato un'altra dimensione della tecnologia, le prestazioni operative, che non sono state esaminate con la stessa attenzione del TCO, e abbiamo scoperto che i veicoli a celle a combustibile a idrogeno presentano alcuni vantaggi decisivi rispetto alle configurazioni elettriche a batteria per il trasporto pesante a lungo raggio.
Il vecchio aforisma secondo cui il tempo è denaro è particolarmente vero nel settore del trasporto merci. Dopo il carburante, la manodopera è la parte più costosa del bilancio di un'azienda di autotrasporti. Il mancato rispetto delle date di consegna può anche comportare delle penali per l'azienda, a seconda del linguaggio contrattuale specifico. Pertanto, la prima ragione per cui gran parte del settore del trasporto pesante a lungo raggio sarà probabilmente basato sulle celle a combustibile a idrogeno è il tempo. Un autocarro di Classe 8 a lungo raggio con un serbatoio di idrogeno da 100 kg può essere rifornito di carburante circa 15 volte più velocemente rispetto alla ricarica di una batteria da 1-2 MWh necessaria per l'equivalente elettrico a batteria. I tempi di percorrenza di un paese possono ridursi fino al 35% grazie alla riduzione dei tempi di sosta e al minor numero di fermate necessarie. Questo dovrebbe rendere gli autocarri pesanti a idrogeno a celle combustibili l'opzione più attraente per le aziende che si basano sulla movimentazione efficiente delle merci in tutto il Paese.
Il secondo motivo è che i camion a celle a combustibile alimentati a idrogeno sono in vantaggio rispetto a quelli elettrici anche per quanto riguarda la capacità di carico. La batteria da 1-2MWh necessaria per un camion a lungo raggio sarà molto più pesante di un serbatoio pieno di gasolio o di una configurazione a celle a combustibile, che in genere necessita solo di una piccola batteria da 20-100kWh per accompagnare l'idrogeno. La mia analisi mostra che se si parte da un autocarro di Classe 8 con peso massimo di 80.000 libbre e si ipotizza una massa della batteria di 4 kg/kWh (cosa che è stata raggiunta nei veicoli passeggeri, ma che non è ancora stata provata per le grandi batterie necessarie nei camion pesanti e per i sistemi di raffreddamento che le accompagnano). Un veicolo a celle a combustibile a idrogeno perde circa 500 libbre di capacità di carico, mentre un veicolo elettrico a batteria perderebbe potenzialmente circa 4.000 libbre, rispetto ai camion diesel di oggi. Inoltre, se non riusciamo a raggiungere una batteria da 4 kg/kWh in tempi relativamente brevi, possiamo aspettarci una perdita di capacità di carico maggiore, pari a 8.000-15.000 libbre nel breve termine con la configurazione elettrica a batteria. Anche la batteria più piccola utilizzata nella configurazione a celle a combustibile a idrogeno peserebbe di più in questo caso, ma anche nello scenario peggiore perderebbe solo circa 1.000 libbre di capacità di carico. In definitiva, in media, le aziende che utilizzano camion a celle a combustibile a idrogeno godranno della maggior parte dei vantaggi derivanti dalla riduzione delle emissioni, senza sacrificare gran parte dello spazio di carico necessario. Infatti, la loro capacità di carico sarebbe paragonabile a quella delle attuali flotte diesel.
Il terzo motivo per cui le celle a combustibile a idrogeno possono avere più senso per il settore degli autotrasporti a lungo raggio è la flessibilità. I veicoli a celle a combustibile a idrogeno hanno un'autonomia maggiore rispetto alle loro controparti elettriche, che dovrebbero raggiungere il doppio dei chilometri per carica completa/serbatoio. Una flotta interamente elettrica potrebbe gestire molti carichi regionali, percorrendo un raggio da e verso un hub, ma un veicolo a celle a combustibile a idrogeno potrebbe gestire consegne regionali e coprire percorsi più lunghi con poco tempo necessario per il rifornimento. Una flotta più flessibile è quella che può far guadagnare di più all'azienda.
Infine, vale la pena notare che i potenziali vantaggi degli autocarri pesanti a celle a combustibile a idrogeno non si limitano ai meriti delle prestazioni o dei costi dei singoli autocarri. La nostra analisi, che ipotizza una penetrazione del mercato dei veicoli a zero emissioni al 100% (sia a celle a combustibile che elettrici a batteria) e autocarri attivi 24 ore su 24, sette giorni su sette, ha dimostrato che l'infrastruttura necessaria per lo scenario elettrico a batteria dovrebbe essere molto robusta in termini di dimensioni delle stazioni di ricarica e requisiti di potenza. In particolare, l'infrastruttura elettrica necessaria per le grandi stazioni di ricarica per i camion a lungo raggio è compresa tra i 22 e i 28 MW e, rispetto al diesel, queste stazioni di ricarica dovrebbero essere circa 10 volte più grandi per avere lo spazio necessario per i camion che passano ore a ricaricare. D'altra parte, l'infrastruttura equivalente per lo scenario di celle a combustibile interamente a idrogeno è comparativamente più simile, con dimensioni circa 3 volte superiori a quelle di una tipica stazione diesel, anche se una stazione a idrogeno che eroga 20-25 tonnellate di idrogeno al giorno sarebbe più costosa e complessa. La maggior parte dell'ingombro sarebbe necessaria per ospitare i serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno e i compressori a una distanza di sicurezza dalle pompe di carburante e da altri servizi. Per essere chiari, questi numeri non sono una proiezione dei requisiti infrastrutturali da qui a pochi anni; piuttosto, servono a stimare il limite superiore del carico sulle infrastrutture di trasporto di metà secolo se tutti i camion diesel in circolazione fossero sostituiti da veicoli a celle a combustibile a idrogeno o elettrici a batteria.
Ora, ci sono applicazioni in cui ha senso utilizzare camion elettrici a batteria rispetto alle loro controparti a celle a combustibile a idrogeno. Per i viaggi più brevi, ad esempio per le consegne regionali di 400 miglia andata e ritorno, o per gli autocarri più piccoli, un autocarro elettrico a batteria è più adatto di un veicolo a celle a combustibile a idrogeno. Inoltre, le infrastrutture di ricarica sono più sviluppate, più economiche e meno complesse rispetto alle stazioni di rifornimento di idrogeno e il TRL, o livello di preparazione tecnologica, è più alto per le trasmissioni elettriche, poiché la tecnologia è sul mercato da più tempo. Tuttavia, in particolare per gli autocarri pesanti a lungo raggio - che consumano il 49% di tutto il carburante diesel utilizzato dal settore del trasporto merci negli Stati Uniti e sono responsabili di circa il 13% delle emissioni di gas serra dei trasporti, ovvero 211 milioni di tonnellate diCO2eall'anno - il futuro probabilmente include molto idrogeno.
A mio avviso, non è il momento di scegliere un'unica fonte di energia per i trasporti. Per gli autotrasporti, sembra che l'idrogeno possa offrire alcuni vantaggi significativi, quindi diamoci da fare per costruire queste infrastrutture nelle regioni chiave e lungo le rotte principali. Allo stesso tempo, sviluppiamo stazioni di ricarica ad alta potenza in grado di supportare gli autocarri pesanti elettrici a batteria e di consentire la ricarica ad alta velocità per ridurre i tempi di sosta. In breve, invece di costringere tutto all'elettrificazione o all'uso di un particolare carburante, sviluppiamo la tecnologia e l'infrastruttura necessarie e utilizziamole per le applicazioni più adatte, anche sfruttando i vantaggi dell'idrogeno per le operazioni di trasporto pesante a lungo raggio. In questo modo, possiamo accelerare la proliferazione dell'energia pulita nel settore dei trasporti, contribuendo a raggiungere i nostri obiettivi climatici e a garantire il nostro futuro.
