Tecnologia innovativa per il controllo di qualità delle celle a combustibile

© Campus Schwarzwald

Idrogeno prodotto con energie rinnovabili è un importante vettore energetico per la mobilità del futuro. La domanda di stack di celle a combustibile, che convertono l'idrogeno in energia elettrica, crescerà rapidamente nei prossimi anni. Ricercatori dell'IPA di Fraunhofer e del Campus Schwarzwald stanno ora sviluppando insieme a diversi partner industriali un innovativo sistema di controllo qualità che risparmia tempo e denaro nella produzione.

»L'automazione nella produzione di celle a combustibile è ancora agli inizi. Finora, la produzione ha un carattere più artigianale«, riferisce il Dr. Friedrich-Wilhelm Speckmann, responsabile del gruppo di tecnologia dell'idrogeno all'IPA di Fraunhofer. »Se la svolta energetica avrà successo e soprattutto nel trasporto pesante si vorrà utilizzare l'idrogeno verde come vettore energetico, avremo bisogno il prima possibile di linee di produzione efficienti e di controlli qualità rapidi e a basso costo per gli stack di celle a combustibile.«

Ma proprio il controllo qualità è finora il collo di bottiglia nella produzione. I robot possono impilare rapidamente e con precisione le celle, ma poi ogni pila, chiamata stack, deve essere collegata a diversi strumenti di misura e controllata. Nel progetto FastPeM – l'acronimo sta per »Procedura di verifica accelerata per la produzione di massa di stack di celle a combustibile« – Speckmann vuole sviluppare, insieme a ricercatori del Campus Schwarzwald e partner industriali, un demonstratore di banco di prova che consenta di determinare rapidamente ed efficacemente le proprietà elettrochimiche di uno stack utilizzando tecnologie innovative.

»Il Campus Schwarzwald è il luogo ideale per questo progetto, poiché qui si sta costruendo un impianto di impilamento completamente automatico«, sottolinea il ricercatore. E Stefan Bogenrieder, amministratore delegato del Campus Schwarzwald, aggiunge: »Il centro di ricerca per l’economia circolare dell’idrogeno intelligente nel Nord Schwarzwald fornirà vantaggi e competenze alle aziende e alle comunità locali e regionali in materia di produzione di massa di celle a combustibile.« È con piacere che annunciamo anche l’avvio del sotto-progetto FastPEM.

Test di fine linea accelerati

Nella piantina pilota, un braccio robotico impila gli strati: ogni cella a combustibile è composta da due sottili elettrodi con una membrana tra loro e da una piastra bipolare, attraverso cui verranno successivamente forniti idrogeno e ossigeno dell’aria. In 15 minuti si forma così un pacchetto di circa 400 celle, che può essere compattato e teso. »Dato che in questo demonstratore ogni fase di produzione viene documentata digitalmente, abbiamo a disposizione un ricco patrimonio di dati che possiamo utilizzare per il controllo qualità«, spiega Speckmann.

Il controllo di uno stack finito richiede finora molto tempo: prima bisogna verificare se il pacchetto è stagno o se il gas, che entra sotto pressione nelle celle, fuoriesce. Successivamente, bisogna determinare la curva di prestazione, da cui si evince a quali tensioni si verifica quale densità di corrente. »Nel progetto FastPeM vogliamo ora studiare come ottimizzare questi processi, ad esempio combinando entrambi i passaggi«, spiega l’ingegnere.

Risparmiare tempo con i Gemelli Digitali

Un ruolo chiave sarà svolto da tecniche virtuali: l’impianto di produzione e il sistema di verifica saranno dotati di sensori che trasmettono i dati in tempo reale a un modello di simulazione. Il Gemello Digitale così creato non rappresenta solo i processi, ma anche ogni singolo componente in dettaglio. Sulla base di questo vasto insieme di dati, è possibile prevedere le proprietà elettrochimiche di singole celle e di interi stack. »Le curve di prestazione calcolate virtualmente devono poi essere verificate solo tramite misurazioni puntuali. In questo modo si evitano lunghe serie di misurazioni; probabilmente basta effettuare singole misurazioni. Se queste corrispondono alle previsioni, non sono necessari ulteriori test«, spiega Speckmann. Il risparmio di tempo può essere notevole se il processo viene eseguito con successo.

Per le aziende che producono celle a combustibile, questo risparmio di tempo rappresenterebbe un vero vantaggio. Tuttavia, ci vorrà ancora del tempo prima che i risultati siano disponibili: il progetto FastPeM, iniziato il 1° giugno, durerà fino al 2027. Alla fine, anche il banco di prova per la produzione di massa di stack di celle a combustibile sarà completato.

Profilo

H2BlackForest finanziato con circa 7,2 milioni di euro in totale

Per rafforzare la capacità innovativa regionale e promuovere uno sviluppo urbano e regionale sostenibile, la politica regionale dell’Unione Europea mette a disposizione complessivamente 80 milioni di euro dal Fondo europeo di sviluppo regionale (FESR) nel concorso »RegioWIN 2030«. Il centro di ricerca per l’economia circolare dell’idrogeno intelligente »H2BlackForest« del Fraunhofer IPA, dell’IFF dell’Università di Stoccarda e del Campus Schwarzwald è stato riconosciuto come progetto di punta della regione Nord Schwarzwald. Complessivamente, sono stati approvati 4,8 milioni di euro per il progetto nel periodo di finanziamento 2021–2027. Altri 2,4 milioni di euro provengono da fondi statali. Insieme alle risorse proprie dei partner coinvolti, l’intero volume di ricerca ammonta a 12 milioni di euro. L’autorità di gestione del concorso è il Ministero dell’alimentazione, delle aree rurali e della tutela dei consumatori (MLR).