Analisi di ciclo di vita di uno stack di celle a combustibile per applicazione automobilistica

In view of latest developments concerning targets declared within the decarbonization policies of transport sector in most countries, the assessment of potential benefits of alternative transport technologies is an emerging need. The introduction of hydrogen fuel cell vehicles is among the most promising options since the direct carbon emissions are avoided and due to the potential for an integrated management of energy systems. Nevertheless in order to evaluate the actual advantages resulting from the adoption of an innovative technology an all-embracing analysis should be carried out, taking into account the whole life cycle, from raw material extraction to operation and disposal. The objective of this thesis is thus the life cycle assessment of an automotive fuel cell stack, focusing on the influence of parameters such as platinum load, economic background and renewable electricity penetration on the embodied energy and CO2eq emissions. The investigation relies on a Hybrid Input-Output methodology, which is actually the state of the art in LCA process. The comparison between two different economic backgrounds shows that the life cycle is more efficient if settled in Germany rather than in Japan, confirmed by a sensitivity analysis on economic structure data. The results reveal that the most relevant stages of the life cycle are hydrogen production and distribution and high renewable electricity penetration rates (sufficient to sustain the entire hydrogen production via electrolysis) would result in a reduction of embodied energy and CO2eq emissions by around 40%, compared to a steam reforming based scenario. Platinum load is of low relevance in a life cycle perspective since it does not significantly affect average performances during the operation stage. However reduction in platinum content could help to lower the costs of fuel cell technology and to face the sustainability issue related to proven reserves and extraction capacity.

Alla luce recenti obiettivi dichiarati in diverse nazioni in merito alla decarbonizzazione del settore dei trasporti emerge la necessità di quantificare i potenziali benefici conseguibili attraverso l'adozione di modalità di trasporto alternative rispetto a quelle basate sull’utilizzo di carburanti fossili. L'introduzione di veicoli equipaggiati con celle a combustibile alimentate ad idrogeno costituisce una delle opzioni più promettenti grazie all'eliminazione delle emissioni dirette e alle considerevoli potenzialità in termini di una gestione integrata dei sistemi energetici. Per poter quantificare gli effettivi vantaggi derivanti dall'adozione di una tecnologia innovativa è tuttavia necessario condurre un'analisi che ne abbracci l'intero ciclo di vita, dall'estrazione delle materie prime fino all'esercizio e alla dismissione. L'oggetto della tesi è dunque un'analisi di ciclo di vita di uno stack di celle a combustibile per uso automobilistico; in particolare si è studiata l'influenza del contenuto di platino delle celle, del contesto economico e produttivo di adozione della tecnologia e della penetrazione di rinnovabili nel mix elettrico in relazione ai consumi di energia primaria fossile e al rilascio di emissioni di CO2eq. L'analisi è stata implementata ricorrendo ad un approccio Input-Output di tipo ibrido, riconosciuto in letteratura come lo stato dell'arte nella pratica LCA. Dai risultati ottenuti è emerso che confrontando il contesto di adozione tedesco con quello giapponese, il ciclo di vita risulta più efficiente in Germania, conclusione confermata anche da un'analisi di incertezza sui dati a descrizione della struttura economica nazionale. Inoltre appare chiaro che l'aspetto più rilevante del ciclo di vita è quello legato alla produzione e distribuzione dell'idrogeno: in presenza di un'elevata penetrazione di energia elettrica da fonte rinnovabile nel mix di generazione (in grado di sostenere interamente la produzione di idrogeno per via elettrolitica) i consumi energetici e le emissioni di CO2eq si abasserebbero del 40% circa rispetto ad uno scenario dominato dallo steam reforming. Il contenuto di platino condiziona notevolmente l'impatto della fase costruttiva dello stack ma risulta poco influente in relazione al ciclo di vita nella sua globalità in quanto non comporta variazioni significative delle prastazioni nella fase operativa. Gli sforzi dei produttori volti ad una progressiva diminuzione del carico di platino delle celle rispondono piuttosto alla necessità di ridurre i costi della tecnologia e di far fronte ad una tematica di sostenibilità della produzione in termini di compatibilità con le riserve accertate e con la capacità estrattiva.