Progettare 463

77 progettare 463 • giugno / luglio 2024 ‘Elettrificare tutto’. Tra coloro che cercano di ridurre la dipendenza del mondo dai combustibili fossili, questa frase è diven- tata un grido di battaglia. Possiamo vedere l’imperativo dell’elettrificazione in azione intorno a noi, dato che i veicoli elettrici ibri- di (Hybrid ElectricVehicles, HEV) e i veicoli elettrici a batteria (Battery–ElectricVehicles, BEV) sono ormai una presenza familiare sulle strade. Molte case automobilistiche stanno incrementando la produzione di HEV e BEV, ma un’azienda in particolare si sta dedicando allo sviluppo di automobili elettriche che non si affidano principalmen- te alle batterie per l’accumulo di energia. Al contrario, queste automobili trasportano idrogeno, che fornisce elettricità quando viene combinato con l’ossigeno dell’aria all’interno di una cella a combustibile. L’azienda che sta seguendo questa strada alternativa èToyota. La commercializzazio- ne dei veicoli a idrogeno deve affrontare molti ostacoli, ma se qualcuno può riuscire amuovere il mondo su ruote alimentate da celle a combustibile non può che trattarsi della più grande casa automobilistica del mondo.Toyota sta destinando grandi risor- se finanziarie, fisiche e umane alla ricerca sulle celle a combustibile per autoveicoli, ma considera lo sviluppo dei veicoli solo come l’iniziodi un lungo viaggio. La visione dell’azienda va ben oltre le automobili e punta alla nascita di una “società dell’idro- geno” globale. In questa società, i motori a combustibile fossile, i sistemi di riscalda- mento e i generatori verrebbero sostituiti da celle a combustibile che estraggono corrente elettrica dall’idrogeno. Gli sforzi diToyota per raggiungere questo obiettivo sono lungimiranti, per esempio l’adozione della cittàgiapponesedi Susono comeban- co di prova per la tecnologia dell’idrogeno, e mirati, come il perfezionamento di una metodologia di progettazione generativa per ottimizzare le prestazioni delle celle a combustibile. Progettazione generativa Il Toyota Research Institute of North A- merica (Trina) ha sviluppato un metodo di progettazione generativa guidato dalla simulazione e lo ha applicato alla proget- tazione di piastre a microcanali con campo di flusso; queste dirigono il movimento dei reagenti fluidi in microreattori come le celle a combustibile a idrogeno e ossigeno. Sebbene granparte delle attività di ricerca e sviluppo sulle celle a combustibile diToyota sianonecessariamente riservate, il teamTri- na ha pubblicato un articolo sul ‘Chemical Engineering Journal’ in merito al processo di “progettazione inversa” basato sulla simulazione. Applicando questo processo alle piastre del campo di flusso, il team ha ottenuto quattro distinti progetti per i microcanali, come mostrato nella Figura 1. Ognuno dei quattro progetti ha dei meriti particolari; tutti superano i progetti di ri- ferimento esistenti rispetto alle metriche chiave. E, cosa altrettanto importante, e- semplificano la potenza del processo.Trina ha dimostrato come la progettazione ge- nerativa abilitata dalla simulazione possa accelerare l’innovazione, anche quando il traguardo finale di un progetto può essere molto lontano nel tempo. “Pensiamo che l’approccio inverso possa rivoluzionare l’attuale pratica di progetta- zione - afferma Yuqing Zhou, ricercatore presso Trina -. Stiamo costruendo il pros- simo passo di un lungo viaggio, anche se non possiamo sapere esattamente dove porterà questo viaggio”. Opzioni di propulsione più pulite Considerando questo spirito di esplorazio- ne aperta, diventa più facile comprendere perchéToyota stia portando avanti questa ricerca decennale sulle celle a combu- stibile, anche se la maggior parte delle case automobilistiche si concentra esclu- sivamente sull’alimentazione a batteria dei veicoli elettrici. Nel novembre 2022 il presidente AkioToyoda in un’intervista ha dichiarato: “Pensate a Toyota come a un grande magazzino che offre ogni tipo di propulsione disponibile”. Sebbene una cella a combustibile a idro- geno e ossigeno possa sembrare unmodo insolito di fornire energia a un’automobile (Figura 2), la tecnologia in sé non è nuova e il suo funzionamento è estremamente Figura 2. Schema dei principali componenti di un veicolo alimentato da celle a combustibile a idrogeno. Immagine di pubblico dominio, tramite il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Nella pagina accanto, la Figura 1. Risultati della simulazione del modello realizzato dal team Trina con il software Comsol Multiphysics. Il modello mostra le dis- tribuzioni di pressione risultanti da quattro diversi progetti di campi di flusso a microcanali. Figura 3. Schema di un progetto generico di cella a combustibile. Una piastra del campo di flusso distribuisce l’idrogeno gassoso verso lo stack anodo-elettrolita-catodo, mentre l’altra piastra dis- tribuisce l’ossigeno allo stack e incanala l’acqua. Nota: sebbene questa illustrazione mostri la piastra di combustibile lato ossigeno in cima al gruppo di stack e la piastra lato idrogeno in basso, l’orientamento effettivo di una cella a combustibile può variare.