Come fa una bicicletta alimentata a idrogeno a mantenere la durata della batteria?

Il segreto della gamma estesa di biciclette alimentate a idrogeno risiede nella loro capacità di aggirare i limiti di densità energetica delle tradizionali batterie al litio utilizzando l'idrogeno, un vettore leggero ma ad alta densità energetica. La loro autonomia non è determinata da un singolo componente, ma piuttosto dal funzionamento sinergico dell'intero sistema di alimentazione a idrogeno, che comprende lo stoccaggio dell'idrogeno, la conversione dell'energia elettrica e la gestione intelligente dell'energia.

Al centro di questo sistema c'è un'architettura "ibrida". Invece di bruciare direttamente l'idrogeno, utilizza un "generatore" silenzioso, la cella a combustibile a idrogeno, per convertire in modo efficiente l'energia chimica in energia elettrica. Il primo e più rivoluzionario passo verso il raggiungimento di una lunga autonomia risiede nello stoccaggio dell'idrogeno. Attualmente, la tecnologia più diffusa utilizza serbatoi di idrogeno ad alta pressione, realizzati in compositi in fibra di carbonio e che combinano leggerezza e resistenza eccezionali, resistendo in sicurezza a pressioni da 25 a 30 megapascal (MPa). Ciò significa che un serbatoio di idrogeno del peso di appena uno o due chilogrammi può immagazzinare un'energia chimica di gran lunga superiore a quella di una batteria al litio di fascia alta dello stesso peso. Questa è la base fisica fondamentale per la lunga autonomia delle biciclette alimentate a idrogeno, poiché risolve sostanzialmente il problema dell'aumento lineare del peso della batteria con l'autonomia. Quando la bicicletta inizia a muoversi, l'idrogeno ad alta pressione proveniente dal serbatoio passa prima attraverso un regolatore di pressione, regolandolo alla pressione ottimale richiesta dalla pila di celle a combustibile. L'idrogeno entra quindi nell'anodo della cella a combustibile, dove si decompone in protoni ed elettroni sotto l'azione di un catalizzatore.

I protoni attraversano la membrana a scambio protonico per raggiungere il catodo, mentre gli elettroni sono costretti a fluire attraverso un circuito esterno, generando una corrente elettrica che alimenta il motore. Al catodo, i protoni, gli elettroni e l'ossigeno dell'aria si combinano per formare l'unico sottoprodotto: il vapore acqueo. L'autonomia è determinata direttamente dalla quantità di idrogeno immagazzinata nel serbatoio e dall'efficienza di generazione di energia della cella a combustibile. Tuttavia, le celle a combustibile a idrogeno eccellono nel fornire energia costante, ma rispondono relativamente lentamente a improvvise richieste di potenza elevata. Per risolvere questo problema, le biciclette alimentate a idrogeno sono in genere dotate di una piccola batteria tampone al litio o di un supercondensatore. Questa batteria ausiliaria non domina l'autonomia, ma funge da "amplificatore di potenza" e "cuscinetto di energia": durante la guida costante, viene caricata dalla cella a combustibile; quando è necessaria l'accelerazione, lavora in tandem con la cella a combustibile per soddisfare i picchi di potenza richiesti. Questa strategia intelligente di gestione ibrida dell'energia non solo protegge la cella a combustibile, prolungandone la durata, ma garantisce anche un'erogazione fluida della potenza, un fattore chiave per offrire un'esperienza di guida soddisfacente nel mondo reale.

Durante la guida costante, l'elettricità generata dalla cella a combustibile alimenta contemporaneamente il motore e ricarica questa piccola batteria. Quando il ciclista accelera, sia la cella a combustibile che la batteria tampone forniscono energia congiunta per soddisfare il picco di richiesta. Questo approccio intelligente di gestione ibrida dell'energia protegge la cella a combustibile da sollecitazioni improvvise, ne prolunga la durata e garantisce prestazioni di guida fluide, il vero pilastro di un'autonomia affidabile nel mondo reale. In definitiva, l'autonomia completa di una bicicletta alimentata a idrogeno è il risultato dell'interazione tra la capacità del serbatoio di idrogeno (tipicamente misurata in grammi), l'efficienza del sistema di celle a combustibile e le condizioni di guida. In condizioni operative ideali, gli attuali modelli commerciali possono percorrere oltre 50 chilometri con circa 20 grammi di idrogeno. Il rifornimento è ancora più vantaggioso: quando l'idrogeno è esaurito, i ciclisti non devono attendere ore per una ricarica, ma possono semplicemente sostituire il serbatoio di idrogeno vuoto in pochi secondi, "ricaricando" istantaneamente la bicicletta per un utilizzo continuativo, proprio come si fa con un tradizionale veicolo a benzina.

Questa capacità di rifornimento rapido rende le biciclette a idrogeno particolarmente promettenti per applicazioni ad alta frequenza come i servizi di mobilità condivisa e le consegne logistiche. In sintesi, l'autonomia di una bicicletta a idrogeno è il risultato di un sofisticato lavoro di ingegneria di sistema. Sfrutta la tecnologia di stoccaggio dell'idrogeno ad alta pressione per superare i limiti della capacità energetica, si basa su efficienti principi elettrochimici per la conversione dell'energia e ottimizza la potenza erogata attraverso un'architettura "ibrida". Questo non solo offre un'autonomia maggiore, ma introduce anche un modello di rifornimento energetico rapido e conveniente, offrendo una nuova soluzione all'ansia da autonomia che da tempo affligge la mobilità urbana verde.