La produzione di piastre bipolari richiede presse che garantiscano un processo estremamente preciso. Foto: ©AIDA Engineering Ltd.
Realizzare le piastre bipolari necessarie per generare elettricità combinando idrogeno e ossigeno all’interno delle pile a combustibile o cella a combustibile è una sfida tecnologica che AIDA ha vinto sviluppando una linea di presse ad alta rigidità.
di Andrea Pagani
L’idrogeno presenta caratteristiche estremamente interessanti, come la sua ampia disponibilità e le numerose applicazioni pratiche. Ad esempio, è un ottimo vettore energetico: ciò significa che può accumulare energia proveniente da una fonte esterna, mantenerla per periodi più o meno lunghi e rilasciarla all’occorrenza. Una peculiarità che lo rende ideale per affrontare le sfide della transizione energetica verso una maggiore sostenibilità e il contenimento delle emissioni di CO2, in particolare nel settore dei trasporti.
Ci sono però ancora diverse questioni che ne complicano l’impiego, come la sua elevata reattività e, di conseguenza, la necessità di ricavare la molecola di idrogeno (H2) dalle sue forme più comuni quali l’acqua (H2O) o il metano (CH4).
In questo scenario entrano in gioco gli elettrolizzatori per ottenere l’idrogeno biatomico, tramite l’elettrolisi dell’acqua, e le celle a combustibile per ottenerne energia attraverso la sua ossidazione.
A questo servono le celle a combustibile e gli elettrolizzatori, che consentono rispettivamente di passare dalla molecola alla forma ossidata e viceversa, ottenendo (o immettendo) energia.
Esempio di piastra bipolare. Foto: ©AIDA Engineering Ltd.
REALIZZARE LE FUEL CELLS
Le celle a combustibile utilizzano l’idrogeno, immagazzinato in appositi serbatoi, e l’ossigeno presente in atmosfera per produrre elettricità e, come sottoprodotto di scarto, della semplice acqua.
Il processo prevede l’utilizzo di componenti chiamati piastre bipolari (bipolar plate) composte da fogli di acciaio rivestiti con vari tipi di elementi per migliorarne le qualità di resistenza alla corrosione. Di dimensioni contenute (quelle per il settore automotive hanno dimensioni inferiori o pari a quelle di un foglio A4) e dotate di una rete di nervature molto complessa, si caratterizzano per lo spessore contenuto: generalmente inferiore ai 75 micron.
La loro realizzazione impone dunque una serie di criticità da affrontare e risolvere. “Per deformare plasticamente un materiale così sottile sono necessarie forze elevate, nello specifico, si tratta di lamine di piccole dimensioni, distribuite su superfici molto limitate. Le presse destinate a queste applicazioni devono pertanto assicurare elevata rigidezza e grande precisione”, spiega Alessandro Galli, Sales Engineering Manager di AIDA. “Una tecnologia che AIDA ha sviluppato circa 20 anni fa e che oggi si rivela indispensabile per ottenere un processo ottimale sotto tutti i punti di vista”.
L’idrogeno può contribuire in maniera determinante alla transizione energetica, in particolare per quanto riguarda la mobilità.
RIGIDEZZA E PRECISIONE
L’elevata rigidezza è necessaria per ottenere il risultato voluto e contemporaneamente preservare gli stampi da una usura precoce. Viste le dimensioni in gioco di pochi micron, una chiusura non perfetta tra matrice e punzone ridurrebbe la vita utile degli stampi. “Il primo nemico in una simile attività sono le dilatazioni termiche dei vari componenti della macchina che, senza le adeguate contromisure, non sono compatibili con le tolleranze di movimento richieste. Un esempio su tutti, la variazione della posizione della slitta al punto morto inferiore”, prosegue Galli.
Una regola empirica prevede che il gioco tra punzone e matrice non debba eccedere il 10% dello spessore della lamiera stessa; dovendo gestire in questo caso un foglio da 75 micron, si tratta di meno di un centesimo, dunque, vi è la necessità di avere tolleranze sulle dimensioni degli organi coinvolti che si avvicinano al micron. Se consideriamo il coefficiente di dilatazione termica dell’acciaio, pari a 11x10-6 o, in termini più colloquiali, un millimetro ogni metro per ogni 100 gradi di variazione termica, alterazioni termiche ambientali anche di pochi gradi su macchine che hanno dimensioni nell’ordine di metri generano spostamenti non compatibili con il processo. Nel progetto della serie BEX, specificatamente dedicata a queste produzioni, sono state adottate soluzioni mutuate dalla serie ULX, quali, ad esempio, l’eliminazione delle bielle, sostituite con un cinematismo conosciuto con il nome di scotch yoke mechanism. A questo cinematismo si affianca inoltre un sistema attivo di regolazione della slitta, a garanzia del raggiungimento della massima ripetibilità di posizionamento al punto morto inferiore che, a sua volta, mantiene l’accoppiamento tra matrice e punzone entro le tolleranze richieste.
Le elevate forze richieste (fino a 18.000 kN) e le superfici relativamente ridotte impongono l’uso di presse molto rigide. Foto: ©AIDA Engineering Ltd.
La serie BEX di AIDA, la cui meccanica è stata progettata in Giappone mentre la parte elettrica e impiantistica è stata perfezionata in Italia, è composta da più versioni che si distinguono per tonnellaggio e livello di rigidezza. Ai modelli della serie BEX-HR (High Rigidity), ad esempio, AIDA ha applicato tutte le soluzioni idonee a massimizzare la precisione ottenibile nel processo di stampaggio, pur con forze fino a 18.000 kN.
I modelli della serie BEX-SR (Standard Rigidity) sono invece i più adatti alla produzione di piastre bipolari destinate agli elettrolizzatori: l’architettura è la stessa, ma poiché in questo caso sono richieste precisioni e forze meno estreme si ha un evidente beneficio in termini di valore della macchina.
Le piastre bipolari presentano dimensioni contenute, uno spessore di soli 75 micron e una complessa rete di nervature. Foto: ©AIDA Engineering Ltd.
L’IMPORTANZA DI INVESTIRE
Come accennato, le presse serie BEX nascono nel 2021 nell’ambito di un progetto che ha coinvolto alcuni tra i più grandi protagonisti del settore dello stampaggio, alla ricerca di mercati alternativi rispetto ai componenti relativi ai sistemi di trasmissione, in fase di netto declino, ma la base di partenza è un percorso iniziato molti anni prima con la progettazione e la realizzazione di una serie di presse, quelle della serie ULX aventi caratteristiche tecniche superiori a quelle comunemente disponibili sul mercato. Un approccio che mostra la visione a medio e lungo termine della multinazionale giapponese, che vanta un’importante sede produttiva a Pavone Mella (BS) nella quale vengono progettati e costruiti diversi modelli del gruppo.
“Se da un lato il mondo della costruzione delle presse ha tempistiche e inerzie importanti, tanto che molti progetti nascono e si sviluppano nel corso di diversi anni, dall’altro è anche vero che spesso le aziende preferiscono affrontare le sfide solo quando ci sono evidenti opportunità di business”, ha concluso Alessandro Galli. “AIDA invece ha la forza, tecnica ed economica, per procedere con un approccio più lungimirante: si valutano i potenziali sviluppi futuri e ci si impegna in una determinata direzione, sviluppando tecnologie che ne soddisfino i requisiti. La serie BEX è un esempio concreto di come studi e applicazioni nati anche un paio di decenni fa possano contribuire oggi alla nascita di soluzioni innovative. Nel frattempo, le applicazioni legate all’utilizzo dell’idrogeno nel settore automobilistico hanno subito un rallentamento, ma gli sviluppi nel settore del trasporto pesante proseguono e ne dimostrano la fattibilità pratica”.
“A nostro parere non è da escludere un futuro nel quale la mobilità elettrica potrà trarre grande beneficio da un approccio ibrido, con veicoli elettrici alimentati da batterie relativamente piccole a loro volta caricate da pile a combustibile dotate di serbatoi di idrogeno nei quali ‘fare il pieno’ sarà facile e veloce. Le applicazioni possono anche spaziare al di fuori di questo specifico settore, ma resta il fatto che già oggi sono disponibili macchine capaci di realizzare in maniera precisa e produttiva componenti critici come le piastre bipolari”.
Ad evidenziare l’impegno di AIDA in questo settore è il fatto che attualmente è in costruzione, presso lo stabilimento di Pavone del Mella, una macchina da 16.000 kN della serie HR, che verrà prevalentemente destinata a prove di precisione e affidabilità da svolgere congiuntamente con clienti e centri di ricerca al fine di giungere alla definizione delle soluzioni ottimali per la produzione di massa delle piastre bipolari in fatto di pressa, stampi e sistemi di automazione ausiliari. In quest’ottica, è in corso una collaborazione con Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie di Aachen per la validazione di macchina, stampi e processo per la produzione delle fuel cells. ©TECN’È
L’idrogeno viene già oggi utilizzato per alimentare le batterie presenti su treni operativi in tutto il mondo.
