Le celle a combustibile stanno prepotentemente entrando nelle soluzioni di elettrificazione dei trasporti a vari livelli. In particolare nei mezzi di più alta potenza, come autobus, furgoni, camion e grandi muletti portuali. Tutte queste applicazioni richiedono l’utilizzo di componenti che sappiano abbinare affidabilità e capacità di funzionare in qualunque condizione ambientale, anche quelle più difficili.
La ricerca della massima affidabilità ed efficienza ha spinto Nuvera Fuel Cells a sviluppare un laboratorio sperimentale. Lo scopo è di mettere a dura prova le celle a combustibile di sua produzione destinate al mercato della mobilità.
Nuvera Fuel Cells è un’azienda del gruppo Hyster-Yale. La società è specializzata nella produzione di moduli di alimentazione completi basati su celle a combustibile di tipo PEM (Proton Exchange Membrane) con piatti bipolari metallici, non grafitici.
Le applicazioni delle celle a combustibile prodotte da Nuvera Fuel Cells sono svariate. Spiccano quelle destinate alla sostituzione dei pacchi batterie utilizzati nei muletti elettrici, la conversione dei grandi muletti portuali diesel e quelle destinate all’elettrificazione della mobilità. Un mercato attualmente in forte espansione è quello degli autobus.
“In Nuvera abbiamo sviluppato delle soluzioni complete per l’alimentazione elettrica basata sulle celle a combustibile con moduli dalla potenza di 45 kW e 60 kW molto compatti. Quindi molto interessanti per le applicazioni nel settore dei trasporti”, spiega Paolo Zucchi, Engineering Manager di Nuvera Fuel Cells.
“Per ottimizzare i prodotti e garantirne il massimo livello di affidabilità, abbiamo deciso di sottoporre a prove di lunga durata le nostre celle a combustibile in un laboratorio sperimentale che abbiamo realizzato all’interno del sito industriale di SIAD, nei pressi di Bergamo, dove avviene la produzione di idrogeno”, prosegue Zucchi. “Il nuovo laboratorio sperimentale ci permetterà, inoltre. di ottimizzare ancor di più i nostri prodotti in base ai cicli di utilizzo previsti dalle applicazioni dei nostri clienti.”
Un laboratorio in container
Per realizzare un laboratorio sperimentale direttamente collegato all’impianto di produzione di idrogeno di Siad, Nuvera Fuel Cells ha scelto di ingegnerizzare un container capace di ospitare contemporaneamente fino a otto dei suoi moduli generatori in prova.
“Non è stato semplice inserire tutto quanto ci serviva all’interno di un container”, racconta Zucchi. “Avevamo bisogno di otto postazioni di test indipendenti e flessibili, che potessero lavorare in sicurezza 24 ore al giorno 7 giorni su 7 con qualunque condizione ambientale esterna. L’idrogeno necessario viene prelevato tramite una conduttura dedicata direttamente dall’impianto di produzione attiguo e all’interno del container viene opportunamente smistato e regolato, seguendo tutte le consolidate procedure di sicurezza".
"La parte più impegnativa del progetto era quella legata alle apparecchiature elettroniche di potenza", osserva Zucchi. "Avevamo bisogno di inverter che non solo fossero compatti, per riuscire ad essere inseriti all’interno di uno spazio disponibile piuttosto limitato, ma che fossero anche flessibili e, soprattutto, di classe industriale. Infatti, dovendo noi sperimentare a fondo il comportamento dei nostri prodotti, non volevamo dover gestire ulteriori incertezze o problemi dovuti ai sistemi elettronici necessari per effettuare le prove. La soluzione l’abbiamo trovata nella famiglia di inverter Vacon Nxp di Danfoss, già utilizzati con grande soddisfazione anche dai nostri colleghi olandesi che si erano occupati dello sviluppo di una soluzione per l’elettrificazione dei muletti.”
Procedure di test sostenibili grazie al recupero dell’energia
Il compito dell’elettronica di potenza all’interno del laboratorio sperimentale di Nuvera Fuel Cell è duplice. Da un lato deve adattare il livello di tensione erogato dalle celle a combustibile, che varia in funzione della potenza del carico e dell’intensità di corrente erogata. Dall’altro garantire il pieno recupero energetico dell’energia elettrica generata durante i cicli di prova, reimmettendola in rete.
“La sostenibilità energetica era un altro dei requisiti imprescindibili del progetto,” sottolinea Fabio Nassi, l’ingegnere elettrico che ha seguito il progetto per Nuvera. “Pertanto, con il prezioso contributo dei tecnici Danfoss Drives Italia, abbiamo messo a punto una configurazione che garantisse contemporaneamente la massima flessibilità nella definizione dei cicli di prova a cui vengono sottoposti i nostri moduli generatori e il completo recupero in rete dell’energia generata.”
“Il sistema è altamente flessibile e basa l’architettura di sviluppo sulla piattaforma di drives Danfoss Vacon Nxp, sfruttandola nella sua interezza,” aggiunge Dario Rudellin, Business developer per l’area Energy di Danfoss. “È stato concepito un DC bus per lo scambio energetico fra le utenze di potenza. L’uscita di ciascun modulo generatore a celle a combustibile è collegata a un inverter DC/DC Danfoss della famiglia Vacon Nxp, che riporta sul bus DC di uscita la tensione a 670 V, indipendentemente dal livello di tensione d’uscita istantaneo della cella a combustibile. Allo stesso bus DC è collegato un Vacon Grid Converter con lo scopo di rigenerare verso la rete elettrica nazionale, secondo il codice di rete italiano CEI 0-16. Un terzo inverter Vacon Nxp DC/DC Converter provvede, invece, ad alimentare il compressore abbinato alla cella a combustibile”.
Lo stesso schema è replicato per otto volte, una per ogni cella a combustibile. Ciascuna postazione di test è indipendente dalle altre e la flessibilità delle apparecchiature installate consente di provare sia i moduli generatori da 45 kW, sia quelli da 60 kW, così come altri eventuali modelli delle stessa classe che Nuvera Fuel Cells dovesse sviluppare in futuro.
Fornitura completa pronta all’uso
Gli armadi elettrici completi che ospitano l’elettronica di potenza sono stati forniti direttamente da Danfoss, che insieme ai suoi partner ne ha curato la realizzazione e la messa in servizio.
“La disponibilità di un referente unico per la realizzazione dei quadri elettrici è stata di grande vantaggio. Non solo la struttura italiana di Danfoss si è rivelata di grande aiuto durante la fase di ottimizzazione del progetto, ma ne ha anche curato la realizzazione pratica, consegnandoci in cantiere degli armadi elettrici già collaudati e installabili in modalità plug and play,” commenta Zucchi. “Inoltre, essendo tutti gli inverter della stessa gamma, per la loro configurazione e monitoraggio abbiamo potuto utilizzare lo stesso ambiente di programmazione e gestione, con un evidente risparmio nei tempi di apprendimento.”
Una partnership di valore
Il laboratorio sperimentale di Nuvera Fuel Cells è stato messo in esercizio e sta già funzionando ininterrottamente per effettuare le prove sui moduli a celle combustibile che vengono stimolati con i cicli di lavoro tipici degli autobus, per caratterizzarne le prestazioni a lungo termine in condizioni reali.
La struttura a container rende questo laboratorio sperimentale molto pratico e potenzialmente utilizzabile anche per altri scopi. La stessa tipologia di soluzione, infatti, può prestarsi alla sperimentazione di un sistema di accumulo energetico basato sul vettore idrogeno, che potrebbe essere abbinato a un sistema di produzione mediante elettrolisi alimentato a energia rinnovabile, in uno scenario di ottimizzazione degli impianti di generazione e distribuzione dell’energia elettrica a impatto zero sulle emissioni.
“Gli inverter Danfoss Vacon Nxp, che sapevamo essere ben robusti vista la loro storia di successo nell’elettrificazione del settore navale, hanno confermato le nostre aspettative. Ma, soprattutto, il progetto del laboratorio sperimentale è la testimonianza concreta che l’ottima collaborazione, anche a livello umano, instaurata tra tutti i fornitori partner coinvolti, ci ha permesso di ottenere i risultati attesi nei tempi e modi previsti. Grazie al laboratorio, possiamo dimostrare ai nostri clienti in modo quantitativo e documentato le eccellenti prestazioni e affidabilità dei moduli a celle combustibile realizzati con le nostre tecnologie brevettate più all’avanguardia”, conclude Zucchi.
