Gli esperti del settore parlano dell'idrogeno per le ferrovie

Le applicazioni ferroviarie sono tra le numerose allo studio per l'alimentazione a celle a combustibile a idrogeno. L'idrogeno (H₂) è stato al centro dell'attenzione della recente Smart Rail Innovation Conference, organizzata dall'organizzazione no-profit Canadian Urban Transit Research & Innovation Consortium (CUTRIC). In una sessione, diversi esperti del settore hanno discusso la fattibilità delle celle a combustibile per la sostenibilità ferroviaria in Canada.

"Le ferrovie alimentate a idrogeno si stanno rivelando una soluzione molto promettente per decarbonizzare non solo il settore dei trasporti canadese, ma anche quello globale, in particolare per le regioni in cui l'elettrificazione non è fattibile o economicamente vantaggiosa", ha affermato Maike Althaus, direttore esecutivo di Hydrogen Ontario e moderatore della sessione.

Decarbonizzazione in Canada

Alexandre Lampron è direttore strategie e sviluppo di Hydrogène Québec, un'organizzazione no-profit impegnata nello sviluppo dell'ecosistema dell'idrogeno nella provincia canadese. Ha gettato le basi affrontando gli obiettivi di decarbonizzazione del Québec.

Il Coradia iLint di Alstom, che l'azienda ha definito il primo treno passeggeri alimentato a idrogeno in Nord America. (Foto: Alstom)

"Il Québec sta lavorando a diversi obiettivi di decarbonizzazione", ha affermato. "Una riduzione delle emissioni di gas serra (GHG) – obiettivo del -37,5% entro il 2030 e la neutralità carbonica entro il 2050. È domani."

L'obiettivo di riduzione dei gas serra si riferisce ai livelli del 1990. Lampron ha affermato che all'epoca i trasporti rappresentavano quasi il 44% delle emissioni di gas serra in Québec. I dati governativi attuali indicano che tale percentuale si attesta oggi al 39%.

Gli obiettivi del Québec rispecchiano quelli del Canada nel suo complesso, tra cui l'obiettivo di raggiungere zero emissioni nette entro il 2050, come previsto dal Net-Zero Emissions Accountability Act del Paese.

Lampron ha affermato che gli obiettivi di decarbonizzazione del Québec sono supportati dalla Strategia provinciale per l'idrogeno verde e le bioenergie 2030, presentata nel 2022. La strategia mira a ridurre l'uso di combustibili fossili in diversi settori, tra cui quello ferroviario, sostituendoli in parte con idrogeno verde.

“La strategia, ambiziosa ma realistica, diciamo la verità, definisce le nostre linee guida per incoraggiare la produzione e l'uso dell'idrogeno verde in sostituzione dei combustibili fossili.”

L'obiettivo specifico di riduzione dei combustibili fossili è di 1 miliardo di litri entro il 2030, il che equivale al 16 percento dell'obiettivo di riduzione delle emissioni di gas serra per il 2030, ha affermato Lampron.

Progetti ferroviari a idrogeno

Lampron ha parlato di un recente progetto ferroviario a idrogeno in Québec, in linea con gli obiettivi di riduzione dei gas serra della provincia: un treno a idrogeno Coradia iLint prodotto dal fornitore di mobilità verde Alstom e lanciato nel 2023 a Charlevoix, una regione del Québec.

Nell'agosto 2023, Power Progress ha riferito che il Coradia iLint aveva trasportato i suoi primi passeggeri nel giugno precedente e che era alimentato da celle a combustibile fornite da Accelera di Cummins. Alstom ha affermato che il modello Coradia iLint è stato lanciato a InnoTrans 2016.

Il treno passeggeri Stadler FLIRT H2, che entrerà in servizio a San Bernardino, in California, con la sigla ZEMU (Zero-Emission Multiple Unit). (Foto: Stadler)

Lampron ha affermato che il treno ha insegnato molto al Québec sulla rete ferroviaria elettrica a celle a combustibile. Non solo i passeggeri hanno espresso curiosità sull'H₂ come fonte di energia, ma Lampron ha anche affermato che molti hanno parlato positivamente della silenziosità del treno, "perché rappresenta un vantaggio significativo rispetto ai treni diesel".

Stadler Rail sta anche esplorando l'idrogeno nelle applicazioni ferroviarie in tutto il mondo. Uno dei suoi più recenti successi è il FLIRT, treno elettrico a celle a combustibile, acronimo di Fast Light Innovative Regional Train. Il treno è arrivato a San Bernardino, in California, lo scorso anno , in attesa di essere messo in servizio dalla San Bernardino County Transportation Authority (SBCTA).

"Il FLIRT H2 della SBCTA, o ZEMU come lo chiamano - Zero Emission Multiple Unit - ha appena terminato il periodo di prova", ha dichiarato Kaden Killpack, responsabile dei prodotti commerciali di Stadler Rail. "Ora è pronto per entrare in servizio e stiamo aspettando l'autorizzazione definitiva dalla Federal Railroad Administration di Washington DC".

Killpack ha spiegato il design del FLIRT.

"Il FLIRT è un veicolo altamente modulare", ha spiegato Killpack. "Lo costruiamo con un pacco batterie centrale, che può essere alimentato a idrogeno, a batteria o a gasolio rinnovabile, nel caso di alcuni dei nostri clienti."

Lampron ha osservato che, per quanto riguarda il Coradia iLint, pochi passeggeri hanno espresso preoccupazione per la sicurezza dell'idrogeno come fonte di carburante. Killpack ha ribadito questo punto di vista.

"Un aspetto molto entusiasmante del nostro progetto è stata la gestione della sicurezza", ha affermato. "I veicoli sono estremamente sicuri.

Killpack ha continuato: "Lavoriamo attraverso misure di mitigazione per tutti i tipi di rischi utilizzando lo standard militare statunitense 882B, che esamina la probabilità e la gravità del pericolo e come mitigare sia la probabilità che la gravità per riportare le cose a rischi accettabili, e cosa possiamo cambiare nelle nostre condizioni applicative relative alla sicurezza per garantire la massima sicurezza sul veicolo".

Sfide infrastrutturali

Althaus ha osservato che, nonostante i vari progetti che indagano la fattibilità dell'H2 per le ferrovie, permangono sfide significative.

"La filiera dell'idrogeno non è ancora del tutto sviluppata, cosa che sarebbe necessaria per supportare operazioni su larga scala", ha affermato.

In particolare, il treno a idrogeno Coradia iLint ha messo a nudo alcune di queste sfide.

"Quindi, stiamo affrontando una carenza di infrastrutture per l'idrogeno", ha detto Lampron. "Stiamo anche considerando i costi economici ed energetici. Costa molto in questo momento [rispetto] al diesel al chilometro."

Linde Engineering, tramite la divisione Linde Hydrogen FuelTech, si occupa di rifornimento di idrogeno per la mobilità. Nel 2022, il progetto dell'azienda a Bremervörde, in Germania, ha portato alla realizzazione della prima stazione di rifornimento di H₂ per treni al mondo, che utilizza idrogeno gassoso compresso (cGH₂).

"Si è trattato di una novità mondiale in quanto è stata la prima stazione di rifornimento di idrogeno specificamente dedicata al rifornimento di carburante per il trasporto ferroviario", ha affermato Thomas Acher, responsabile della progettazione e dello sviluppo dei processi per Linde.

Con un fabbisogno giornaliero di idrogeno di 1.600 kg (1,57 tonnellate), Acher ha affermato: "Stiamo rifornindo di carburante 14 treni passeggeri a idrogeno in servizio nello stato della Bassa Sassonia, nella parte settentrionale della Germania".

Come in Québec, i treni elettrici a celle a combustibile che utilizzano la stazione sono i Coradia iLints.

La stazione ha una capacità di stoccaggio massima di 4.590 kg (4,5 tonnellate) di idrogeno, che viene fornito tramite rimorchio.

"Ma nella fase successiva di questo progetto, si prevede di avere una produzione di idrogeno nelle vicinanze che possa alimentare il rifornimento di idrogeno da lì", ha affermato Acher.

Secondo Acher, l'allestimento della stazione di rifornimento è stata un'esperienza istruttiva.

"Naturalmente, abbiamo avuto l'opportunità di trarre insegnamento da questi insegnamenti e di utilizzarli per tutti gli altri progetti di rifornimento di idrogeno per veicoli pesanti che abbiamo avviato in seguito", ha affermato.

Rifornimento di idrogeno liquido

Tra questi progetti rientra l'ultimo approccio di Linde al rifornimento di H2: la tecnologia dell'idrogeno liquido sottoraffreddato, o sLH2.

"Al momento, questa tecnologia è pensata per il trasporto su camion", ha affermato Acher in merito all'approccio sviluppato in collaborazione con Daimler Truck. "Ma abbiamo già ricevuto la nostra prima richiesta di adattarla ad altre forme di mobilità, in particolare treni, aviazione e trasporto marittimo".

Un camion elettrico Mercedes-Benz a celle a combustibile si rifornisce con tecnologia sLH2. (Foto: Daimler Truck)

L'approccio sLH2 consiste nel riempire il serbatoio di un veicolo con idrogeno sottoraffreddato a una temperatura di circa -247ºC (-413ºF) a pressioni fino a 1,6 MPa (232 psi).

"Si tratta di una tecnologia di rifornimento molto semplice che, con la configurazione che abbiamo già sviluppato e commercializzato, offre una portata di oltre 400 kg all'ora", ha affermato Acher. "È significativamente vantaggiosa in termini di costi di investimento e di gestione."

Secondo Acher, la tecnologia sLH2 risolve i problemi inerenti al rifornimento con H2 gassoso nelle applicazioni pesanti.

"Quando si basa tutto questo su una fornitura di idrogeno gassoso e su una tecnologia di rifornimento gassosa, si incontrano dei problemi", ha affermato. "Dal punto di vista logistico, bisogna innanzitutto trasferire l'idrogeno alla stazione di servizio. E a un certo punto, farlo con l'idrogeno gassoso diventa logisticamente impraticabile, quindi bisogna comunque passare all'idrogeno liquido".

Acher ha aggiunto che, sebbene sia possibile convertire l'H2 liquefatto nella sua controparte gassosa per il rifornimento, ci sono applicazioni in cui il rifornimento con H2 liquido ha più senso.

"Con l'utilizzo del liquido direttamente nel serbatoio del veicolo, è possibile evitare molte attrezzature e molta complessità di processo in centrale", ha affermato. "E questo si collega ai notevoli costi di investimento. Non è più necessario disporre di apparecchiature di raffreddamento in centrale. Non è più necessario disporre di serbatoi di stoccaggio ad alta pressione. Questo influisce anche sulle considerazioni relative all'ingombro."

Infine, Acher ha osservato che il rifornimento di cGH2 richiede una specifica finestra di temperatura e pressione al di fuori della quale il serbatoio del veicolo potrebbe danneggiarsi.

"Questo è molto più affidabile e stabile se si passa all'idrogeno liquido, perché il processo è molto più simile al rifornimento di gasolio o benzina convenzionale", ha affermato. "Basta premere un pulsante, il liquido inizia a essere trasportato dalla stazione al veicolo e, una volta riempito il serbatoio, il processo si interrompe."

Linde e Daimler hanno raggiunto un traguardo importante nel febbraio 2024 con l'apertura della prima stazione di rifornimento sLH2. Eroga 400-500 kg all'ora, con rifornimenti automatizzati che durano dai 12 ai 15 minuti.