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Toyota: fuel cell a idrogeno per la rete ferroviaria

Quasi la metà delle linee ferroviarie dell'Unione Europea sono elettrificate, consentendo il trasporto ferroviario locale a emissioni zero. Per le restanti linee vengono utilizzati treni alimentati a diesel.

Nell'ambito del progetto europeo FCH2RAIL (Fuel Cell Hybrid Power Pack for Rail Applications), un consorzio con partner provenienti da Belgio, Germania, Spagna e Portogallo sta sviluppando e testando un nuovo prototipo di treno a zero emissioni, attraverso l’utilizzo di un sistema di azionamento ibrido bi-modale, che combina l'alimentazione elettrica della rete aerea con una centralina ibrida a celle a combustibile (costituita da celle a combustibile a idrogeno e batterie), che funziona in maniera indipendente rispetto alla rete aerea.

Il progetto FCH2RAIL era già stato lanciato a gennaio e ora sono state definite le modalità operative.

Rete aerea e sistema ibrido: viaggi bi-modali e senza emissioni

Quando disponibile, il treno si alimenta attraverso l'energia fornita dalla rete aerea. Quando questo non è possibile, l'energia proviene dalla centralina a celle a combustibile (Fuel Cell Hybrid Power Pack).

"Vogliamo dimostrare che questo tipo di treno bi-modale rappresenta un'alternativa competitiva e sostenibile rispetto al treno alimentato a diesel", afferma il capo progetto e ricercatore Holger Dittus del German Aerospace Center - Institute of Vehicle Concepts (DLR).

Oggi molte linee ferroviarie in Europa vengono alimentate attraverso reti aeree, un progetto molto costoso e a lungo termine, che dipende dalle condizioni geografiche locali. Un'alternativa è rappresentata dai treni alimentati a batteria, che però hanno un funzionamento limitato (da 30 a 70 chilometri), a seconda delle caratteristiche del percorso e delle temperature esterne. Gli attuali treni diesel hanno prestazioni inferiori in termini di velocità massima e accelerazione rispetto ai veicoli alimentati da motori elettrici attraverso le reti aeree.

"Il nostro sistema di batterie a celle a combustibile ibrido bi-modale combina i vantaggi di entrambe le tecnologie: energia proveniente dalle reti aeree o da bordo. Questo ci consente di rendere il trasporto ferroviario ancora più sostenibile ed efficiente dal punto di vista energetico", afferma Sergio Gascon, Technical Project Manager di Construcciones y Auxiliar de Ferrocarriles (CAF), riassumendo l'obiettivo principale del progetto.

Il sistema di alimentazione dell'energia deve essere progettato in modo tale che la potenza e la portata possano essere ampliate in base ad un principio modulare: il numero di celle a combustibile e i moduli della batteria influiscono sulla potenza di azionamento; il numero di serbatoi ad idrogeno determinano l'intervallo di funzionamento su linee non elettrificate. Pertanto, l'unità di azionamento può essere progettata sia per il trasporto passeggeri che per il trasporto merci.

Con un budget di 14 milioni di euro, il progetto mira a sviluppare, dimostrare e collaudare questo sistema entro i prossimi quattro anni. Il progetto è finanziato per 10 milioni di euro dalla Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking (FCH 2 JU).

"Il nostro studio sull'idrogeno e sulle celle a combustibile nell'ambito ferroviario ha dimostrato che esiste un potenziale importante per le tecnologie a celle a combustibile alimentate a idrogeno in questo settore e che i treni alimentati a idrogeno costituiranno una parte importante della costruzione di un sistema sostenibile di trasporto europeo", afferma Bart Biebuyck, direttore esecutivo di FCH 2 JU. "La Commissione Europea ha chiarito nella sua strategia per l'idrogeno che esso rappresenta una soluzione valida rispetto ai limiti di elettrificazione in alcuni tratti della rete ferroviaria. Il progetto FCH2RAIL dimostrerà che la tecnologia a celle a combustibile alimentate a idrogeno è una soluzione flessibile e sostenibile (a emissioni zero), nella sostituzione dei treni diesel in questi tratti e sono impaziente di vederne i risultati ".

Messa in campo: test funzionali con un treno pendolare convertito

Per comprendere gli impatti ambientali di tale sistema, dalla produzione, all’utilizzo e al suo smaltimento e per valutare le prestazioni in condizioni reali, è stata pianificata la conversione di un treno pendolare elettrico CIVIA (del produttore spagnolo CAF) e l’integrazione di un gruppo di alimentazione ibrido a celle a combustibile. L'operatore ferroviario statale spagnolo Renfe metterà a disposizione il treno. Toyota Motor Europe (TME) fornirà il modulo compatto del sistema di celle a combustibile per l’alimentazione di bordo, mentre le batterie e i convertitori di potenza saranno forniti da CAF. I primi test si svolgeranno sulle reti ferroviarie spagnole e portoghesi con il supporto dei gestori dell'infrastruttura Administrador de Infrastructuras Ferroviarias (ADIF) e Infraestruturas de Portugal (IP). Al centro di ricerca spagnolo sull'idrogeno Centro National de Hidrogeno (CNH2) è stata affidata la costruzione di una stazione di rifornimento di idrogeno per rifornire il prototipo e della certificazione, prima dell'integrazione nei treni.

“Cogliamo questa opportunità di lavorare all'interno del consorzio per ampliare l’applicazione in un ulteriore campo della nostra tecnologia delle celle a combustibile. L'idrogeno ha un ruolo importante nel processo di decarbonizzazione della rete ferroviaria europea e siamo entusiasti di poter integrare i nostri moduli delle celle a combustibile nel "Fuel Cell Hybrid Power Pack", ha dichiarato Thiebault Paquet, Direttore della Business Unit Fuel Cell Business di Toyota Motor Europe.

Progettazione e controllo del sistema, gestione dell'energia e omologazione

Prima della prova tecnica, il team di progetto ha ancora diverse sfide tecnologiche da affrontare: nella fase di progettazione, è necessario assicurare che i moduli a celle a combustibile e le batterie siano combinati e controllati in modo tale che il sistema soddisfi tutti i requisiti e al tempo stesso possa essere implementato in modo economico. Inoltre, dovrebbe essere possibile utilizzare in modo efficiente il calore di scarto dei moduli a celle a combustibile, per riscaldare e condizionare l'aria all’interno del treno. Il produttore di sistemi di condizionamento dell’aria Faiveley / Stemmann Technik (STT) e il German Aerospace Center - Institute of Vehicle Concepts  stanno studiando, nell’ambito di questo progetto, soluzioni innovative per ridurre l’energia necessaria per il riscaldamento, la ventilazione e il condizionamento dell'aria.

Il progetto prevede anche l’attento esame delle norme e degli standard nel campo dell’idrogeno e del trasporto ferroviario per garantire l’applicazione sicura della tecnologia a celle a combustibile in questo ambito e per presentare proposte concrete alle autorità competenti e facilitare l’approvazione del progetto e l’applicazione di tutta la Comunità Europea nel prossimo futuro.


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Fonti: Toyota

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