Economia circolare celle a combustibile: una vita non basta

Molte componenti delle celle a combustibile sono riutilizzabili o riciclabili — se la cella a combustibile è stata progettata per questo e sono disponibili processi di smontaggio automatizzati. © Fraunhofer IWU

Il sistema combinato H2GO Stack2P (Stack to Piece) esamina quali macchine, impianti e processi sono necessari per assemblare automaticamente sistemi a celle a combustibile e smontarli senza danni al termine del loro ciclo di vita. I partner del progetto sono gli istituti Fraunhofer IST, IWU, IKTS e IFAM. © Fraunhofer IWU

Come devono essere realizzati i stack di celle a combustibile (Stack) nei veicoli affinché i materiali impiegati alla fine del ciclo di vita del prodotto possano essere smontati, riciclati o, meglio ancora, riutilizzati in processi automatizzati? Questa domanda è al centro di un progetto congiunto di quattro istituti Fraunhofer, Stack to Piece (Stack2P), nell'ambito del Piano d'Azione Nazionale per la Produzione di Celle a Combustibile (H2GO). L'obiettivo: influenzare il design del prodotto già prima dell'inizio della produzione industriale di massa dei Stack, in modo da facilitare un smontaggio senza danni. Infatti, un design intelligente del prodotto e processi di smontaggio efficienti sono condizioni fondamentali affinché molte parti dei Stack dismessi possano essere riutilizzate in una seconda vita del prodotto. Nell'ambito del progetto, presso il campus di ricerca Open Hybrid LabFactory a Wolfsburg, entra in funzione il primo impianto di ricerca al mondo per la disassemblaggio completamente automatizzato dei Stack.

Il Fraunhofer IWU coordina complessivamente 19 istituti Fraunhofer nell'ambito di H2GO, per definire le basi di una produzione in serie efficiente di sistemi a celle a combustibile. Il focus principale è sulla mobilità pesante, cioè sulle celle a combustibile che convertono idrogeno in energia elettrica a bordo di veicoli commerciali.

Una parte importante di questo piano d'azione è il consorzio Stack2P (Stack to Piece), che mira a garantire la circolarità di questi concetti di produzione. Gli istituti Fraunhofer IWU (a Wolfsburg), IFAM e IKTS uniscono le forze sotto la guida del Fraunhofer IST. L'obiettivo del progetto è sviluppare un concetto completo di riutilizzo (Reuse), ristrutturazione (Refurbishment), riparazione (Repair) o, quando inevitabile, riciclo di tutte le parti e componenti del Stack. Un esempio: le custodie dovrebbero essere progettate in modo da poter essere riutilizzate più volte. Anche le guarnizioni saranno in futuro ampiamente riciclabili.

Selezione meccanica complessa dei componenti

I processi di smontaggio devono tener conto della struttura complessa dei sistemi a celle a combustibile. Il cuore di una cella a combustibile è l'unità membrana-elettrodo (MEA), con la membrana a scambio protonico, dove avviene la conversione di energia chimica in energia elettrica. La MEA è racchiusa da due piastre bipolari. Diverse celle a combustibile collegate in serie formano uno Stack. Per smontare senza danni uno Stack, è necessario sciogliere numerosi collegamenti di fissaggio senza danneggiare le piastre bipolari, che hanno uno spessore massimo di 0,10 mm.

Gli attuali processi di smontaggio sono in gran parte manuali e non adatti a un futuro recupero efficiente di parti e componenti su scala industriale. Per questo motivo, in Stack2P si considera l'intera catena di processo, dalla raccolta dei dati (tipo di Stack), allo smontaggio (rimozione) e al distacco automatizzato di tutte le componenti, fino all'estrazione della MEA. Il Fraunhofer IKTS verifica lo stato delle celle a combustibile al termine del loro utilizzo; il Fraunhofer IST sviluppa in ST2P una linea di riciclo e concetti sostenibili di riciclo per le celle PEM. Un focus è sui processi chimici di disassemblaggio della MEA, per recuperare il costoso metallo prezioso platino.

Le aree di lavoro principali per il Fraunhofer IWU sono i metodi di separazione meccanica delle componenti, cioè processi di smontaggio automatizzato comprensivi di riconoscimento e scioglimento dei collegamenti di fissaggio, e infine lo sviluppo di linee guida e processi per il prodotto e la produzione. A Wolfsburg, il Fraunhofer IWU sta costruendo, in collaborazione con il partner industriale Aumann Limbach-Oberfrohnau GmbH, un impianto di ricerca per lo smontaggio completamente automatizzato di Stack di celle a combustibile; contemporaneamente, il Fraunhofer IFAM sta realizzando a Brema un modulo di disassemblaggio per ottenere informazioni sui collegamenti adesivi.

Impianto di produzione in serie derivabile da un impianto di ricerca su scala industriale

Grazie all'impianto di ricerca unico al mondo progettato dal Fraunhofer IWU e Aumann, al termine del progetto sarà possibile sviluppare impianti di produzione in serie per la separazione accurata di tutte le parti di un sistema a celle a combustibile su scala industriale. Per una successiva scalabilità dell'impianto, sono particolarmente importanti le conoscenze sui tempi di ciclo. In fase pilota, si parte con un ciclo di 10 secondi per lo smontaggio; per l'uso industriale successivo, si mira a ridurre il ciclo a circa 1 secondo. Tuttavia, il team di ricerca guidato da Dennis Weintraut M. Sc. valuta altrettanto importante ciò che si può imparare nel progetto per un'ottimizzazione del design dei sistemi a celle a combustibile nel loro primo ciclo di vita — affinché possano seguire molte altre vite del prodotto: »Con l'impianto pilota sviluppato nel progetto, possiamo smontare in modo automatizzato i sistemi a celle a combustibile per la prima volta. Vogliamo mantenere in circolo le materie prime più importanti, per risparmiare risorse e ridurre la dipendenza dalle importazioni.«