Fonte: H2 International

 

Londra, Gran Bretagna. 2 marzo 2017. Gli autobus a celle di combustibile non emettono sostanze inquinanti o di gas nocivi per l’ambiente. Possono circolare un’intera giornata senza la necessità di rifornimento e offrono la stessa flessibilità dei veicoli diesel.

Cinquantaquattro autobus a celle a combustibile e nove stazioni di rifornimento di idrogeno sono stati testati in operazioni giornaliere durante il Clean Hydrogen in European Cities dal 2010 al 2016.

I risultati sono stati presentati a Londra, in occasione della Bus Zero Emission Conference il 30 novembre 2016.

Il progetto CHIC (vedi anche HZwei da Gennaio 2014) è stato il primo ad impiegare autobus ibridi a celle a combustibile in piccole flotte nel normale esercizio. I veicoli sono in possesso di una batteria o un supercondensatore che rende possibile l’uso delle celle a combustibile a bassa potenza e rendono la guida più efficiente, ad esempio attraverso i sistemi di frenatura rigenerativa.

La quantità di energia che può essere immagazzinata è molto inferiore alla capacità dei serbatoi di idrogeno.

I modelli sono provenienti da cinque diversi produttori

Gli autobus erano principalmente piccoli da 12 o 13,2 metri oppure 39 a 43 piedi di lunghezza – i secondi con tre assi – ma ci sono stati anche alcuni autobus articolati (18 metri o 59 piedi).

La loro autonomia è stata di fino a 400 Km (quasi 249 miglia) e sono stati utilizzati fino a 20 ore al giorno. La maggior parte dei luoghi sono stati sovvenzionati da Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking.

I risultati del progetto sono stati documentati e pubblicati come parte di varie relazioni di valutazione dei diversi aspetti del progetto ^[1].

Questi report includono le raccomandazioni per i progetti futuri, uno studio sulla accettazione degli autobus a celle a combustibile tra gli utenti del trasporto pubblico e una valutazione della loro sostenibilità. Inoltre, il progetto ha portato alla creazione di un dialogo con i critici dell’idrogeno e della tecnologia delle celle a combustibile. Tutte le figure citate in seguito sono basati sui progressi del progetto alla fine di Giugno 2016.

Stazioni di rifornimento H2

Gli autobus sono stati riforniti 61,750 volte, consumando più di 1.220 tonnellate di idrogeno. E’ stato possibile accelerare rifornimento: la maggior parte delle volte è avvenuto in meno di 10 minuti per riempire un serbatoio con in media 20 kg di idrogeno dopo un giorno di funzionamento regolare.

Le stazioni di rifornimento di idrogeno avevano una disponibilità media del 97 per cento. Il valore più basso in una posizione era leggermente al di sopra del 94 per cento ed il migliore è stato del 99,8 per cento. L’obiettivo del progetto è stato raggiungere valori del 98 per cento in ogni postazione. Questi valori sono un notevole miglioramento rispetto a quelli del precedente progetto, HyFLEET: CUTE (vedi problema HZwei del Gennaio 2010), quando la disponibilità media era del 90 per cento e il valore più basso è stato del 61 per cento.

Come nei progetti precedenti, più della metà del tempo morto può essere attribuito a problemi con i compressori dell’idrogeno.

Il loro impatto varia in tutte le città che partecipano al CHIC: una posizione, che ha ricevuto il suo approvvigionamento di idrogeno in serbatoi ad alta pressione da 500 bar da una fonte esterna, non ha richiesto un compressore e potrebbe evitare del tutto le difficoltà. In altre città, c’era inattività nonostante gli esuberi, cioè anche se due compressori sono stati usati contemporaneamente. Una ragione è la contaminazione dell’idrogeno nel compressore ed i componenti successivi (in parte anche i serbatoi dei bus), che ha portato al fermo macchina per la pulizia.

Gli autobus a celle a combustibile

I veicoli hanno collezionato più di 9,3 milioni di chilometri o circa 5,8 milioni di miglia. La loro efficienza era notevolmente superiore a quella dell’ultima generazione, ad esempio, a causa del disegno ibrido.

Gli autobus da 12 metri hanno utilizzato il 26 per cento in meno di energia rispetto ai modelli diesel paragonabili. Mentre gli autobus da 12 metri a celle a combustibile CHIC hanno richiesto in media 9 kg di H2 su 100 chilometri o 62 miglia (300 kWh/100 km), i veicoli utilizzati durante HyFLEET:CUTE avevano bisogno di più di due volte tanto con circa 18 kg.

La disponibilità media era di circa il 70 per cento, mancando il bersaglio nell’85 per cento con un margine piuttosto ampio.

Una varietà di componenti ha causato problemi durante il funzionamento, ma la cella a combustibile ha giocato solo una piccola parte in esso. Inoltre, le squadre di manutenzione e riparazione sul posto non sono sempre state sufficientemente addestrate fin dall’inizio e non avevano abbastanza familiarità con le proprietà dei veicoli ibridi o completamente elettrici. Un altro problema – che ha inciso in tutti i produttori – è stata la catena di fornitura inadeguata dei pezzi di ricambio.

La sfida della fornitura di parti di ricambio

Nel complesso, i veicoli e le stazioni di rifornimento hanno passato con successo la fase di test. Ma se ci sono stati dei tempi di inattività è dovuto a che le riparazioni hanno richiesto più tempo del previsto, in quanto la sostituzione richiede dei componenti speciali per i quali la domanda deve ancora imparare dei particolari ed i fornitori, spesso non hanno in magazzino. Alcuni esempi sono i convertitori DC-DC e le valvole degli autobus, i compressori ed i sensori dell’idrogeno delle stazioni di rifornimento.

A volte, c’era un solo un produttore a disposizione ed in molti casi questo aveva la sede fuori dall’Europa, causando ulteriori ritardi a causa dei controlli doganali, ecc. Tutto sommato, le catene di fornitura per i componenti essenziali sono ancora insufficienti.

Così come nel caso delle stazioni di servizio (senza auto non ci sono stazioni di rifornimento e senza le stazioni di rifornimento non ci sono le auto), la situazione può portare al proverbiale dilemma del pollo e le uova: i lunghi tempi di attesa per i pezzi di ricambio causeranno ritardi nell’introduzione della nuova tecnologia nel mercato, e la bassa domanda significa che la produzione e la disponibilità non aumenteranno.

Sustainability

L’analisi della sostenibilità ha dimostrato che gli autobus a celle a combustibile da 12 metri permettono di ridurre le emissioni di CO2 del 85 per cento rispetto alle unità diesel durante il loro intero ciclo di vita (produzione, utilizzo inclusa la generazione H2 / fornitura, manutenzione e riciclaggio).

Per raggiungere questo livello di efficienza, è essenziale che l’idrogeno sia generato interamente da fonti rinnovabili stimando i costi diretti del ciclo di vita di un autobus a celle a combustibile al di sopra di quelli per una versione diesel analoga anche nel 2030 ^{[2, 3 ].}

Tuttavia, l’uso di un autobus diesel è associato con costi indiretti della salute a causa delle emissioni inquinanti.

Considerando questi, entrambi i tipi di veicoli sono a circa lo stesso costo per chilometro sulla base di una stima che è parte dell’analisi della sostenibilità.

I costi indiretti, invece, saranno a carico di tutta la società e non solo dalla compagnia di autobus o dei suoi passeggeri.

Outlook

CHIC ha dimostrato la fattibilità degli autobus ibridi a celle a combustibile per i servizi di transito e l’adeguatezza dell’attuale generazione di stazioni di rifornimento di idrogeno.

Gli ostacoli alla fattibilità commerciale dei veicoli e le stazioni di servizio sono stati identificati e sono state prese misure per rimuoverli. Questo offre la possibilità di emissioni zero nel trasporto pubblico sui bus stradali.

Si prevede che i bus del progetto CHIC rimangano in uso nel corso di un nuovo progetto chiamato JIVE o “iniziativa comune per i veicoli a idrogeno in Europa” (vedi Diesel Exit – Advance globale Electric Bus) , che è stato lanciato nel Gennaio 2017. Inoltre, metterà oltre 100 nuovi veicoli sulla strada, 50 dei quali in Germania.

Una strategia di acquisto congiunto delle compagnie di autobus è pensata per contribuire a diminuire ulteriormente il costo per veicolo.

Un invito di offerta per un altro progetto di dimensioni simili è previsto in una conferenza nei primi mesi del 2017.

CHIC a Londra, © conferenza EE / CTE

Le indicazioni fornite segnalano come il futuro della tecnologia potrebbe essere ancora una volta non in Europa, ma nella parte orientale dell’Asia.

Un rappresentante di Hyundai Motor Group ha presentato i piani 2020 per creare da solo una flotta di diverse centinaia di autobus a celle a combustibile nella regione intorno al capitale della Corea, Seoul.

In confronto, alcuni partecipanti sono stati piuttosto delusi dalle comunicazioni legate alle celle a combustibile, a volte molto prudenti, che i produttori europei hanno fatto. Almeno, c’è stata la vetrina di un prototipo di cella a combustibile a due piani di fronte al luogo dell’evento, il City Hall Project.

Acknowledgements

Il progetto della città di Londra che si è svolto a partire da Aprile 2010 fino a Dicembre 2016 ha portato ai risultati presentati in questo articolo ed è stato sostenuto dai fondi dal Settimo programma quadro dell’UE (7° PQ / 2007-2013) per le celle a combustibile e idrogeno – convenzione di sovvenzione n. 256848.

Referenze

^[1] http://chic-project.eu/info-centre/publications

^[2] FCH JU: Autobus urbani, propulsori alternativi per l’Europa, Bruxelles, 2012

^[3] Roland Berger GmbH: autobus elettrici a celle a combustibile – potenziale per un’energia sostenibile dei trasporti pubblici in Europa, München, 2015. Author: Klaus Stolzenburg, Ingenieurbüro PLANET GbR, Oldenburg, k.stolzenburg@planet-energie.de

In English

Fuel Cell Buses Speed Ahead

Source: H2-international

March 2, 2017. Fuel cell buses emit no air pollutants or environmentally harmful gases. They can run an entire day without the need for refueling and offer operators the same flexibility as diesel vehicles.

Fifty-four fuel cell buses and nine hydrogen filling stations were tested in day-to-day operation during the Clean Hydrogen in European Cities project from 2010 to 2016.

The results were presented in London at the Zero Emission Bus Conference on Nov. 30, 2016.

The CHIC project (see also HZwei issue from January 2014) was the first to employ fuel cell hybrid buses in small fleets in regular operation. The vehicles possess a battery or a supercapacitor that makes it possible to use the fuel cell at low output and make the ride more efficient, e.g., by through regenerative braking systems.

The energy amount that can be stored from it is much smaller than the capacity of the hydrogen tanks.

Models came from five different manufacturers. They were primarily smaller buses of 12 or 13.2 meters or around 39 to 43 feet in length – the latter with three axles – but there were also some articulated buses (18 meters or 59 feet).

Their range was up to 400 kilometers (almost 249 miles) and they were used up to 20 hours a day. Most locations were subsidized by the Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking.

The project results have been documented and published as part of various reports evaluating different aspects of the project ^[1].

These reports include recommendations for future projects, a study on the acceptance of fuel cell buses among public transportation users and a rating of their sustainability. Additionally, the project led to the establishment of a dialog with critics of hydrogen and fuel cell technology. All figures mentioned in the following are based on project progress at the end of June 2016.

H2 filling stations

The buses were refueled around 61,750 times, which consumed more than 1,220 tons of hydrogen. It was possible to speed up refueling: Most of the time, it took fewer than 10 minutes to fill up a tank with on average 20 kilograms of hydrogen after one day of regular operation.

The hydrogen filling stations had an average availability of 97 percent. The lowest value at a location was slightly above 94 percent and the best was at 99.8 percent. The target of the project was 98 percent at each location. These values are a considerable improvement over the ones of the previous project, HyFLEET:CUTE (see HZwei issue from January 2010), when mean availability was at 90 percent and the lowest value was 61 percent.

As in previous projects, more than half of the downtime could be attributed to problems with the hydrogen compressors.

Their impact varied throughout the cities taking part in CHIC: One location, which received its hydrogen supply in 500-bar high-pressure tanks from an external source, did not require a compressor and could avoid difficulties altogether. In other cities, there was downtime despite redundancies in place, meaning although two compressors were used at the same time. One reason was the contamination of hydrogen in the compressor and the subsequent components (partly even the bus tanks), which led to downtime for cleaning.

Fuel cell buses

The vehicles racked up more than 9.3 million kilometers or around 5.8 million miles. Their efficiency was notably greater than in the last generation, for example, because of the hybrid design.

The 12-meter buses used 26 percent less energy than comparable diesel models. Whereas the 12-meter CHIC fuel cell buses required on average 9 kilograms of H2 on 100 kilometers or 62 miles (300 kWh/100 km), the vehicles employed during HyFLEET:CUTE had needed more than twice as much with around 18 kilograms.

Mean availability was at about 70 percent, missing the 85 percent mark by a pretty wide margin.

A variety of components caused difficulties during operation, but the fuel cell only played a minor part in it. Additionally, the on-site maintenance and repair crews had not always been sufficiently trained from the beginning and were not familiar enough with the properties of hybrid and fully electric vehicles. Another problem – which impacted all manufacturers – was the inadequate supply chain for spare parts.

The challenge of spare part supply

Overall, the vehicles and filling stations have successfully mastered the test stage. But if there was downtime, repairs took longer than expected, as replacement required special components for which demand has yet to pick up and which suppliers often have not in stock. A few examples are the DC-to-DC converters and the valves in buses, filling stations and compressor heads, and the H2 sensors.

Sometimes, there was only one manufacturer available and this one was based outside Europe no less, which caused further delays because of customs checks, etc. All in all, the supply chains for essential components are still insufficient.

As with vehicles and filling stations (without cars no filling station and without a filling station, no cars), the situation may lead to the proverbial chicken-and-egg dilemma: Long waiting times for spare parts will cause delays in introducing new technology to the market, and low demand means that production and availability will not pick up.

Sustainability

A sustainability analysis has shown that the 12-meter fuel cell buses make it possible to reduce CO2 emissions by 85 percent compared to diesel units during their entire life cycle (manufacturing, operation incl. H2 generation / supply, maintenance and recycling). To achieve this degree of efficiency, it is essential that the hydrogen is generated entirely based on renewable sources.

Studies estimate the direct life cycle costs of a fuel cell bus to remain above the ones for a comparable diesel version even in 2030 ^{[2, 3].} However, the use of a diesel bus is associated with indirect health costs because of the emitted pollutants. Considering those, both vehicle types are at about the same cost per kilometer based on an estimate that was part of the sustainability analysis. The indirect costs, however, will be borne by all of society and not only by the bus company or its passengers.

Outlook

CHIC has shown the feasibility of fuel cell hybrid buses for transit services and the suitability of the current generation of hydrogen filling stations. The barriers to the commercial viability of vehicles and filling stations have been identified and measures are being taken to remove them. This offers the opportunity of zero-emission public transportation on the road.

The CHIC buses are planned to remain in use during a new project called JIVE or “Joint Initiative for Hydrogen Vehicles across Europe” (see Diesel Exit – Global Advance of Electric Buses), which was launched in January 2017. Additionally, it will put more than100 new vehicles on the road, 50 of them in Germany. A joint purchase strategy of the bus companies is thought to contribute to decreasing the cost per vehicle further. A bid invitation for another project of similar size is expected in early 2017 too.

CHIC conference in London, © EE/CTE

The conference provided indications of how the future of the technology could again be not in Europe but in the east of Asia. A representative of Hyundai Motor Group unveiled 2020 plans to create a fleet of several hundred fuel cell buses in the region around Korea’s capital Seoul alone. In comparison, some attendees were rather disappointed by the sometimes very cautious fuel cell-related announcements that European manufacturers made. At least, there was the showcase of a fuel cell double-decker prototype in front of the event location, London’s City Hall.

Acknowledgements

The project that ran from April 2010 through December 2016 and has led to the results presented in this article was supported with funds from the EU’s Seventh Framework Program (FP7/2007-2013) for the Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking – grant agreement no. 256848.

References

^[1] http://chic-project.eu/info-centre/publications

^[2] FCH JU: Urban Buses, Alternative Powertrains for Europe, Brussels, 2012

^[3] Roland Berger GmbH: Fuel Cell Electric Buses – Potential for Sustainable Public Transport in Europe, München, 2015

Author: Klaus Stolzenburg, Ingenieurbüro PLANET GbR, Oldenburg, k.stolzenburg@planet-energie.de

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