Nuovo Standard Cinese per Veicoli a Idrogeno
Il settore automobilistico globale è in piena trasformazione, con l’attenzione sempre più focalizzata sulle tecnologie di mobilità sostenibile. Tra queste, i veicoli a cella a combustibile (FCEV), alimentati da idrogeno, rappresentano una delle soluzioni più promettenti per decarbonizzare il trasporto, in particolare nei segmenti del trasporto pesante e del trasporto pubblico, dove autonomia e tempi di rifornimento sono fattori critici. In questo contesto, la Cina ha compiuto un passo fondamentale con l’introduzione della norma nazionale GB/T 43252-2023, intitolata Metodi di prova per il consumo energetico e l’autonomia dei veicoli elettrici a cella a combustibile. Questo documento tecnico, recentemente entrato in vigore, stabilisce per la prima volta un quadro metodologico completo e standardizzato per misurare due delle specifiche più importanti per consumatori, flotte e regolatori: il consumo di idrogeno e la distanza percorribile con un pieno.
L’adozione di questa norma non è un semplice aggiornamento tecnico, ma un elemento chiave di una strategia nazionale più ampia volta a posizionare la Cina come leader nella futura economia dell’idrogeno. Il governo cinese ha già lanciato diverse zone dimostrative per veicoli a idrogeno in regioni chiave come Shanghai, Guangdong e il triangolo Pechino-Tianjin-Hebei, con l’obiettivo di accelerare la commercializzazione della tecnologia e lo sviluppo della catena del valore. Tuttavia, la mancanza di standard uniformi per la valutazione delle prestazioni ha rappresentato un ostacolo significativo. I dati sul consumo e sull’autonomia forniti dai diversi costruttori erano spesso difficili da confrontare, a causa di metodologie di prova non armonizzate, generando incertezza e minando la fiducia del mercato. GB/T 43252-2023 risponde direttamente a questa esigenza, introducendo un protocollo rigoroso, scientificamente solido e applicabile in laboratorio che garantisce la riproducibilità e la comparabilità dei risultati.
La norma si applica ai veicoli delle classi M (passeggeri) e N (commerciali) alimentati da idrogeno gassoso compresso, testati su un banco a rulli. Questo approccio in condizioni controllate elimina le variabili esterne come meteo, stile di guida e traffico, fornendo un benchmark oggettivo. Uno degli aspetti più innovativi e distintivi della norma è la sua capacità di riconoscere e gestire la complessità intrinseca dei veicoli a cella a combustibile. A differenza dei veicoli a motore termico o dei veicoli elettrici puri, i FCEV utilizzano tipicamente un sistema ibrido che combina una cella a combustibile con una batteria ricaricabile (REESS). La cella a combustibile converte l’idrogeno in elettricità in modo continuo, mentre la batteria fornisce potenza aggiuntiva durante le accelerazioni, recupera energia in frenata e agisce da buffer. Questa interazione rende la misurazione del “consumo reale” un problema complesso: quanto della distanza percorsa è dovuta all’idrogeno consumato e quanto all’energia immagazzinata nella batteria?
Per affrontare questa sfida, GB/T 43252-2023 introduce un sistema di classificazione intelligente basato sul ruolo della batteria. I veicoli vengono divisi in due categorie principali: Tipo A e Tipo B. Questa classificazione dipende da un parametro chiave, indicato con α, che rappresenta il rapporto tra la variazione netta di energia della batteria (REESS) durante un ciclo di prova e l’energia totale derivata dal consumo di idrogeno. Se α è minore o uguale all’1%, il veicolo è classificato come Tipo A. Questo indica che la cella a combustibile è la fonte di energia dominante e la batteria svolge un ruolo secondario, contribuendo meno dell’1% all’autonomia totale. Al contrario, se α supera l’1%, il veicolo è classificato come Tipo B, il che significa che la batteria fornisce un contributo energetico significativo e deve essere considerata come una fonte di propulsione attiva.
Questa distinzione è cruciale perché determina completamente il metodo di prova da utilizzare. Per i veicoli Tipo A, dove il contributo della batteria è trascurabile, la norma consente un “metodo abbreviato” (shortened method). Questo approccio è progettato per massimizzare l’efficienza del laboratorio, specialmente per i grandi veicoli commerciali che possono trasportare centinaia di chilogrammi di idrogeno. Invece di dover svuotare completamente il serbatoio – un processo che potrebbe richiedere ore e risorse – il test prevede l’esecuzione di sei cicli di guida standardizzati consecutivi. Durante questi cicli, vengono misurati con precisione la massa di idrogeno consumata, la distanza percorsa e i parametri elettrici della batteria. Da questi dati, si calcola il consumo di idrogeno per 100 chilometri. L’autonomia totale del veicolo viene quindi determinata per estrapolazione proporzionale, utilizzando la massa totale di idrogeno utilizzabile nel serbatoio. Questo metodo è valido perché, nei veicoli Tipo A, il consumo energetico per ciclo è estremamente coerente, dato che la batteria non si carica né si scarica in modo significativo durante il test.
Il protocollo per i veicoli Tipo A è meticoloso. Inizia con una fase di preparazione che include un’importante fase di rodaggio: il veicolo deve essere guidato per almeno 300 km utilizzando il sistema a cella a combustibile per assicurare che tutti i componenti siano in uno stato di funzionamento stabile. Successivamente, il veicolo deve essere lasciato in riposo (soak) per almeno due ore a una temperatura controllata di 23±3 °C. Il banco a rulli viene quindi calibrato per simulare le forze di resistenza al rotolamento e aerodinamica del veicolo, utilizzando dati ottenuti secondo le norme GB/T 18352.6-2016 o GB/T 27840-2021. Dopo un ciclo di riscaldamento, iniziano i sei cicli di prova. Un passaggio critico successivo è la determinazione della “pressione di cut-off”. Dopo i sei cicli, il veicolo, utilizzando solo l’idrogeno rimanente nel serbatoio, deve essere guidato fino a quando non riesce più a mantenere il profilo di velocità del ciclo di prova. A quel punto, viene aggiunta una piccola quantità di idrogeno (non più di 0,05 kg) e viene registrata la pressione di equilibrio risultante. Questa pressione di cut-off è essenziale per calcolare con precisione la massa totale di idrogeno utilizzabile, che è la differenza tra la massa alla pressione nominale e la massa alla pressione di cut-off.
Per i veicoli Tipo B, che dipendono maggiormente dalla batteria, è richiesto un approccio più completo: il “metodo di esaurimento” (run-out method). Qui, l’obiettivo è consumare completamente tutte le fonti di energia del veicolo. La procedura inizia con una fase di preparazione ancora più rigorosa, in particolare per quanto riguarda il rifornimento di idrogeno. Viene utilizzato un processo in due fasi: prima un “rifornimento grossolano” fino a quando l’indicatore di livello del carburante (SOC) supera il 90%, seguito da un “rifornimento preciso”. Quest’ultimo implica il calcolo di una pressione obiettivo basata sulla temperatura ambiente, il rifornimento fino a raggiungerla, l’attesa di due ore per stabilizzare temperatura e pressione, e quindi la verifica se la pressione reale corrisponde all’obiettivo. Se non è così, il processo si ripete. Questo protocollo garantisce che il serbatoio sia veramente pieno, eliminando errori che potrebbero derivare dall’espansione termica del gas. Contemporaneamente, lo stato di carica (SOC) della batteria viene regolato a un valore iniziale specificato.
Una volta preparato, il veicolo viene sottoposto a un ciclo di guida standardizzato fino a quando non può più continuare, sia perché il sistema di propulsione non riesce a mantenere la velocità richiesta, sia perché viene attivato un avviso di bassa potenza. La distanza percorsa fino a quel punto è l’autonomia misurata. L’analisi dei dati per i veicoli Tipo B è più complessa, poiché richiede la separazione dei contributi della cella a combustibile e della batteria. L’energia proveniente dall’idrogeno viene calcolata direttamente dalla massa di idrogeno consumata e dal suo potere calorifico inferiore. L’energia fornita dalla batteria viene determinata in modo indiretto: dopo il test, la batteria viene ricaricata completamente dalla rete elettrica. L’energia elettrica consumata dalla rete durante questa ricarica è uguale all’energia netta che la batteria ha fornito al sistema di propulsione durante il test (aggiustata per piccole perdite). Con questi due valori, è possibile calcolare l’autonomia totale e la frazione di quell’autonomia attribuibile a ciascuna fonte di energia.
La norma fa inoltre una distinzione tra veicoli Tipo B che possono essere collegati a una fonte di energia esterna (Plug-in) e quelli che non possono. Per i veicoli non Plug-in, se il calcolo mostra che la batteria ha avuto una variazione netta di energia negativa (cioè si è caricata più di quanto si sia scaricata durante il test), si assume che tutta l’energia provenga dalla cella a combustibile e viene riportato solo il consumo di idrogeno. Questa logica assicura che la batteria non venga conteggiata come una fonte di energia primaria, ma come un sistema di stoccaggio secondario.
L’implementazione di GB/T 43252-2023 ha implicazioni profonde. Per i costruttori, fornisce chiarezza e prevedibilità, permettendo loro di progettare e calibrare i veicoli con un obiettivo di prova ben definito. Per i laboratori di certificazione, stabilisce un protocollo chiaro che migliora la coerenza e la credibilità dei risultati. Per i responsabili politici, offre dati affidabili per progettare incentivi e valutare il progresso verso gli obiettivi di sostenibilità. E per i consumatori e gli operatori di flotte, significa che le cifre di autonomia e consumo che vedono nei depliant o nelle stazioni di rifornimento si basano su uno standard rigoroso e trasparente, il che favorisce la fiducia nella tecnologia.
Wu Shiyu, Wang Guozhuo, Wang Zhijun e Guo Ting del China Automotive Technology Research Center Co., Ltd. e China Automotive Inspection Center (Tianjin) Co., Ltd. hanno analizzato l’applicazione di questa norma sulla rivista Standard Science 2024, numero 3, DOI: 10.3969/j.issn.1674-5698.2024.03.017. Il loro lavoro fornisce una guida essenziale per i tecnici del settore, sottolineando l’importanza della preparazione del veicolo, della calibrazione del banco a rulli e della gestione precisa dell’idrogeno, e sottolinea come questa norma sia un pilastro fondamentale per lo sviluppo futuro della tecnologia dei veicoli a cella a combustibile.