Le celle a combustibile potrebbero alimentare la robotica? / Could fuel cells power robotics?

Le celle a combustibile potrebbero alimentare la robotica? / Could fuel cells power robotics?

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Prima della recente rivoluzione dell'intelligenza artificiale (IA), i robot erano fortemente limitati dai loro algoritmi di base preimpostati. I robot autonomi non erano in grado di navigare in modo affidabile in ambienti complessi senza un significativo intervento umano. L'intelligenza è sempre stata il principale fattore limitante per i robot.

Oggi, però, si possono trovare video di robot che fanno break dance, salti mortali, kickboxing, corrono, piegano vestiti, imballano scatole e svolgono molte altre attività impressionanti, almeno per un robot. Il nuovo fattore limitante per i robot è ora l'hardware.

I meccanismi, così come sono progettati oggi, non sono più in grado di stare al passo con le nuove esigenze del software di intelligenza artificiale. Probabilmente, il fattore più limitante per i robot odierni è la fonte di alimentazione.

I droni commerciali hanno in genere un'autonomia della batteria di 20-30 minuti. I robot terrestri, anche quelli militari più costosi, hanno al massimo solo poche ore di funzionamento attivo.

Sebbene i piccoli motori a combustione alimentati a combustibili fossili offrano la più alta densità energetica, sono troppo rumorosi ed inquinanti per l'uso in ambienti chiusi e presentano una serie di problemi di affidabilità e manutenzione. Le batterie chimiche sono molto più affidabili, non producono gas di scarico, sono silenziose e non richiedono praticamente alcuna manutenzione. Tuttavia, hanno una bassa densità energetica, sono pesanti e impiegano molto tempo a ricaricarsi.

Alimentato da celle a combustibile?

A causa delle leggi di scala della fisica, unite alle considerazioni economiche sulle tecnologie concorrenti, la regola generale è che i sistemi elettrici funzionano meglio per qualsiasi cosa più piccola di una motocicletta, mentre i sistemi a combustione sono più performanti per qualsiasi cosa più grande. I robot, tuttavia, si trovano esattamente in una posizione intermedia un po' scomoda: necessitano di silenziosità elettrica, zero emissioni ed alta affidabilità, ma richiedono comunque una densità energetica simile a quella dei combustibili fossili per essere utili, leggeri e con una lunga autonomia.

È proprio in questo ambito che le celle a combustibile eccellono. Esistono diverse tecnologie per le celle a combustibile, ma probabilmente la più comune e sicura (in termini di temperatura) è quella a membrana a scambio protonico (PEM) alimentata ad idrogeno. Queste celle PEM aspirano ossigeno dall'ambiente, lo combinano con idrogeno proveniente da un serbatoio di combustibile e producono elettroni, acqua e calore di scarto. Per il resto di questo articolo, prenderemo in considerazione solo le celle PEM alimentate a idrogeno.

Un tipico motore a combustione interna per motociclette di piccola cilindrata raggiunge un'efficienza reale del 20-30%. Le celle a combustibile PEM raggiungono regolarmente il 50%, con picchi prossimi al 60% in condizioni ottimizzate.

Su scala industriale, l'idrogeno viene prodotto dagli idrocarburi (combustibili fossili) tramite reforming a vapore del metano. Poiché il carbonio viene rimosso, l'idrogeno liquido fornisce 2,6 volte più energia per unità di massa rispetto alla benzina, conferendo ai sistemi PEM un notevole vantaggio in termini di durata.

Considerando tutti gli aspetti, inclusi il serbatoio del carburante, il peso della batteria, il peso del carburante, l'efficienza del motore, il peso del motore e tutti gli altri componenti di supporto principali, calcolando per la stessa potenza totale in kilowattora, una fonte di energia a celle a combustibile PEM pesa circa il 64% di un motore a combustione interna equivalente e circa l'8% di un sistema equivalente alimentato a batteria. Il risparmio di peso è significativo!

La tecnologia di domani

Come recita la battuta, "le celle a combustibile sono la tecnologia del futuro... da oltre 60 anni".

Le problematiche che frenano lo sviluppo delle celle a combustibile possono essere ricondotte alle tre categorie seguenti. La più rilevante è l'elevato costo, dovuto principalmente ai materiali costosi ed esotici, come platino, iridio, rutenio e palladio. Negli anni 2010 si è assistito ad un forte impegno nello sviluppo di auto a celle a combustibile. Tuttavia, il solo motore a celle a combustibile è risultato avere un costo pari a quello di un'intera auto convenzionale. Da allora, sono stati compiuti molti progressi per ridurre o eliminare l'utilizzo di questi materiali costosi nelle celle a combustibile.

L'affidabilità delle celle a combustibile è mediocre e sono soggette a corrosione chimica, degrado del catalizzatore e formazione di microfori nella membrana. In questo senso, si comportano in modo simile alle batterie che invecchiano, dove il graduale deterioramento dei materiali porta infine al guasto.

In alcune applicazioni automobilistiche e di trasporto pubblico, i moderni sistemi a celle a combustibile PEM hanno dimostrato una durata operativa paragonabile a quella dei motori a combustione interna convenzionali e dei sistemi a batterie al litio, come evidenziato da periodi di garanzia comparabili e dati reali provenienti da flotte di veicoli.

Tuttavia, per le dimensioni ridotte richieste dalla maggior parte dei robot e dei droni, i produttori attualmente garantiscono le celle a combustibile solo per 1.000-2.000 ore di funzionamento prima che si verifichi un degrado significativo o che sia necessaria la sostituzione. Per i robot che devono funzionare quasi ininterrottamente, come ad esempio nell'automazione industriale 24 ore su 24, 7 giorni su 7, ciò si traduce in interventi di manutenzione importanti o nella sostituzione completa delle celle ogni pochi mesi.

Inoltre, le infrastrutture per l'idrogeno sono pressoché inesistenti, e questo rappresenta un vero e proprio dilemma del tipo "chi è nato prima, l'uovo o la gallina?". Pochi fornitori sono disposti a investire milioni in infrastrutture per un mercato incerto. È probabile che questo problema della catena di approvvigionamento dell'idrogeno non si risolva senza una domanda di mercato preesistente sufficiente.

Detto questo, questi tre svantaggi non sono sempre un problema. Ad esempio, nelle applicazioni militari, il costo è spesso secondario rispetto all'efficacia. I conflitti militari in genere durano solo pochi mesi e non è raro che droni ed altri robot vengano distrutti entro le prime missioni di combattimento. Pertanto, l'affidabilità pluriennale a volte non è un problema. Per i droni, il peso è un fattore cruciale. Sacrificare la durata e il costo per ottenere circa 1/13 del peso è un compromesso facilmente accettabile.

Le celle a combustibile possono offrire prestazioni superiori in molte altre applicazioni di nicchia, come l'esplorazione robotica lunare e planetaria, e in molte altre ancora, troppo numerose per essere elencate.

Quanto è sicuro l'idrogeno?

Abbiamo tutti visto il drammatico video dell'Hindenburg, il dirigibile che prese fuoco e che ha segnato per anni la percezione dell'idrogeno come una minaccia. Eppure, in quel video non erano visibili fiamme di idrogeno. Le fiamme "bianche e nere" del famoso filmato provenivano principalmente dal rivestimento in tessuto infiammabile e dalla struttura in legno del dirigibile.

La combustione dell'idrogeno produce una fiamma quasi invisibile, che emette luce principalmente nello spettro ultravioletto ed infrarosso. Al massimo, si può scorgere una debole fiamma blu, una fioca fiamma rossa di notte od un'ondulazione dell'aria simile al miraggio d'acqua che si osserva sulla superficie di un'autostrada rovente nel deserto.

Quindi, l'idrogeno è davvero così pericoloso? Nella maggior parte delle applicazioni robotiche non è più pericoloso, e per certi aspetti è persino più sicuro, della benzina o delle batterie al litio.

I vapori di benzina sono più pesanti dell'aria. Si accumulano e si diffondono orizzontalmente sul terreno, alimentando gli incendi con materiale vegetale ed intenso calore radiante. Le batterie al litio possono andare incontro ad instabilità termica e sono notoriamente difficili da estinguere, soprattutto perché l'acqua può esacerbare gli incendi di batterie al litio.

L'idrogeno, al contrario, è estremamente leggero (14 volte più leggero dell'aria). Sale e si disperde rapidamente, fuoriuscendo anche attraverso le più piccole fessure di qualsiasi struttura chiusa. Quando si innesca un incendio di idrogeno, questo tende a spegnersi rapidamente a causa del rapido esaurimento del combustibile e della dispersione verso l'alto, producendo al contempo una quantità relativamente bassa di calore radiante.

La differenza in termini di sicurezza è evidente. Cercando online, troverete innumerevoli video di pericolosi incendi causati da benzina e batterie al litio. Al contrario, la stragrande maggioranza dei video online sugli incendi di idrogeno sono dimostrazioni scientifiche controllate, non incidenti reali. Un noto test del 2001, che confrontava l'incendio di un'auto alimentata ad idrogeno con quello di un'auto alimentata a benzina, dimostra perché i timori legati all'idrogeno sono solitamente infondati.

Poiché le fiamme dell'idrogeno si innalzano rapidamente, i moderni serbatoi di idrogeno sono dotati di valvole di sicurezza rivolte verso l'alto. In caso di rottura dovuta a danni esterni, l'idrogeno espulso si disperde rapidamente con la colonna di gas.

L'idrogeno è inodore, incolore, insapore, atossico e non corrosivo. Da un lato, questo rappresenta un enorme vantaggio rispetto ai motori a combustione, in quanto gli ambienti di lavoro dei robot non finiranno per puzzare come un'officina meccanica. D'altro canto, però, è più difficile individuare casualmente una perdita di idrogeno.

Conclusione

Sebbene i robot abbiano superato la barriera dell'intelligenza, mancano ancora di una fonte di energia portatile affidabile e di lunga durata. Le celle a combustibile hanno un enorme potenziale per risolvere questo problema energetico, fornendo energia silenziosa, pulita, di lunga durata e ad alta densità laddove le batterie risultano insufficienti e la combustione impraticabile. I costi sono in calo, la durata sta migliorando e le applicazioni reali in droni, veicoli sottomarini autonomi e sistemi militari alimentati a celle a combustibile hanno ormai dimostrato la loro fattibilità.

Per i robot da interni, da occultamento, a lunga autonomia o spaziali, le celle a combustibile offrono un vantaggio tecnico davvero notevole. Con la maturazione delle infrastrutture per l'idrogeno e la diminuzione dei requisiti per i materiali speciali, le celle a combustibile potrebbero presto passare da "tecnologia del futuro" a fonte di energia standard per i robot, alimentando la prossima generazione di macchine autonome sulla Terra e nello spazio.

ENGLISH

Before the recent revolution in artificial intelligence (AI), robots were highly limited by their basic hard-coded algorithms. Autonomous robots could not reliably navigate in any complicated environment without significant human intervention. Intelligence was always the primary limiting factor for robots.

But today, you can now find videos of robots doing break dancing, back flips, kick boxing, running, folding clothes, packing boxes and many other impressive tasks — for a robot, that is. The new limiting factor for robots is now hardware.

The mechanics — as they are designed today — are no longer able to keep up with the new demands of AI software. Arguably, the most limiting factor for robots today is power source.

Commercial drones typically have a battery life of 20 to 30 minutes. Ground robots, even expensive military types, have only a few active runtime hours at best.

While small combustion engines using fossil fuels offer the highest energy density, they are too loud and polluting for indoor operation, and suffer a range of reliability and maintenance issues. Chemical batteries are much more reliable, have no exhaust, are quiet and require nearly no maintenance. However, they have poor energy density, are heavy and take a long time to recharge.

Powered by fuel cells?

Due to the scaling laws of physics, combined with the economics of the competing technologies, the rule of thumb is that electric systems work better for anything smaller than a motorcycle, whereas combustion performs better for anything larger. Robots, however, sit squarely in the awkward middle — they need electric quietness, zero exhaust and high reliability, yet still require fossil-fuel-like energy density for useful lightweight long endurance.

This is exactly where fuel cells excel. There are many types of fuel cell technologies, but perhaps the most common and safest (temperature wise) would be the hydrogen-fueled proton exchange membrane (PEM). These PEMs draw in oxygen from the environment, combine it with hydrogen from a fuel tank and output electrons, water and waste heat. For the rest of this article, we will only consider hydrogen PEMs.

A typical small motorcycle internal combustion engine achieves 20% to 30% real-world efficiency. PEM fuel cells routinely reach 50%, with peaks near 60% in optimized conditions.

At industrial scale, hydrogen is produced from hydrocarbons (fossil fuels) via steam methane reforming. Because the carbon is stripped away, liquid hydrogen delivers 2.6 times more energy per unit mass than gasoline, giving PEM systems a significant endurance edge.

Factoring in all considerations including fuel tank, battery weight, fuel weight, engine efficiency, engine weight and all other major supporting components, calculated for the same total kilowatt-hour power output, a PEM fuel cell power source weighs approximately 64% of an equivalent internal combustion engine, and approximately 8% of an equivalent battery powered system. The weight savings is significant!

Always tomorrow's technology

As the joke goes, "fuel cells have been the technology of the future — for the last 60-plus years."

The issues holding fuel cells back can be placed into the below three categories. Most notably is the high cost, primarily due to the expensive and exotic materials, such as platinum, iridium, ruthenium and palladium. In the 2010s there was a serious push to develop fuel cell cars. However, the fuel cell engine alone ended up costing as much as an entire conventional car. Since then, there has been much development to avoid and use less of these expensive materials within fuel cells.

Fuel cell reliability is mediocre and they are susceptible to chemical corrosion, catalyst degradation and the formation of pinholes in the membrane. In this sense, they behave similarly to aging batteries, where gradual material breakdown eventually leads to failure.

In some automotive and transit applications, modern PEM fuel cell systems have demonstrated operational durability approaching that of conventional internal combustion engines and lithium battery systems, as evidenced by comparable warranty periods and real-world fleet data.

However, at the smaller scales required for most robots and drones, manufacturers currently warrant fuel cell stacks for only 1,000 to 2,000 operating hours before significant degradation or replacement is required. For robots expected to run near-continuously, such as 24/7 factory automation, this translates to major service or full stack replacement every few months.

Also, hydrogen infrastructure is nearly non-existent and this is effectively a chicken and egg problem. Few suppliers want to spend millions on infrastructure for a questionable market. This hydrogen supply chain issue will likely not resolve without sufficient pre-existing market demand.

That said, these three drawbacks are not always an issue. For example, in military applications, cost is often secondary to efficacy. Military conflicts typically only last months, and it is not unexpected for drones and other robots to suffer destruction within the first few combat missions. Therefore, multi-year reliability is sometimes a non-issue. For drones, weight is a huge factor. Sacrificing durability and cost for roughly 1/13^th the weight is an easy tradeoff to make.

Fuel cells can outperform in many other niche applications, such as lunar and planetary robotic exploration, and many others too numerous to mention.

How safe is hydrogen?

We've all seen the dramatic Hindenburg video, the blimp that burned up and psychologically condemned hydrogen for years. Yet, there were no hydrogen flames visible in that video. The "black and white" flames from the famous footage came primarily from the airship's flammable fabric coating and wood structure.

Burning hydrogen produces a nearly invisible flame, emitting light primarily in the ultra-violet and infrared spectrums. At most, you may see a slight blue flame, a faint red flame at night or the rippling of air like the water mirage seen on the surface of a hot desert highway.

So, is hydrogen really that dangerous? In most robotic applications, it is no more hazardous — and in several respects safer — than gasoline or lithium batteries.

Gasoline fumes are heavier than air. They pool and spread horizontally along the ground, feeding fires with ground material and intense radiant heat. Lithium batteries can undergo thermal runaway and are notoriously difficult to extinguish, especially given water can exacerbate lithium fires.

Hydrogen, by contrast, is extremely buoyant (14 times lighter than air). It rises and disperses rapidly, escaping out through the smallest gaps of any enclosed structure. When ignited, hydrogen fires tend to burn out quickly due to fast fuel depletion and upward dispersion, all while producing relatively little radiant heat.

The safety difference is clear. Search online and you will find countless videos of dangerous gasoline and lithium battery fires. In contrast, the vast majority of online hydrogen fire videos are controlled scientific demonstrations rather than actual accidents. A well-known 2001 test comparing a hydrogen-powered car fire to a gasoline-powered car fire illustrates why hydrogen fears are usually unfounded.

As hydrogen flames rocket upwards, modern hydrogen tanks are built with upwards pointing relief valves. Should a rupture occur due to external damage, the expelled hydrogen disperses quickly with the buoyant plume.

Hydrogen is odorless, colorless, tasteless, non-toxic and non-corrosive. On one hand this is a huge advantage over combustion engines and robot workspaces won't end up smelling like a mechanics shop. But on the other hand, it's more difficult to casually detect a hydrogen leak.

Conclusion

While robots have overcome the intelligence barrier, they still lack a reliable, long-lasting portable energy source. Fuel cells have huge potential to address this power bottleneck, delivering quiet, clean, long endurance, high-density energy where batteries fall short and combustion is impractical. Costs are declining, durability is improving and real-world deployments in fuel cell-powered drones, AUVs and military systems now have proven viability.

For indoor, covert, long-endurance or space robots, fuel cells offer a very compelling technical edge. As hydrogen infrastructure matures and exotic material requirements decrease, fuel cells may soon move from "technology of the future" to a standard robotic power source — powering the next generation of autonomous machines on Earth and beyond.

Da:

https://electronics360.globalspec.com/article/23858/could-fuel-cells-power-robotics?uid=%2D1474234620&uh=f9d092&md=260925&mh=5c0c71&Vol=Vol21Issue8&Pub=46&LinkId=2231575&keyword=link%5F2231575&itemid=418755&bid=47642776&loginOk=1&frmtrk=newsletter&cid=nl