DM 48, L’idrogeno incontra la vela
Sviluppo del progetto per una barca a vela oceanica energeticamente autosufficiente
A cura di Andrea Mancini e Luca Mauro
Una opportunità per giovani progettisti
NAUTICONTEST è un’iniziativa free access che vuole dare spazio alle nuove idee provenienti da chi si prepara a diventare il progettista
di domani valorizzando quei progetti belli ed originali che, al tempo stesso, siano anche potenzialmente realizzabili.
Tutti gli studenti d’Italia frequentanti un corso universitario o un Master di formazione che sia caratterizzante del settore Nautico e Navale (Ingegneria Nautica, Ingegneria Navale, Architettura, Design, Disegno Industriale, etc) che possono partecipare per vedere la propria tesi di laurea pubblicata all’interno della prestigiosa rivista!
Per partecipare: www.nautica.it/nauticontest
Progettista Danielle Maman
Università/Scuola di Specializzazione Università di Genova
Corso di Laurea/Master Laurea magistrale in Ingegneria Nautica
Anno conseguimento titolo di studio 2019
L’idrogeno a bordo di una barca a vela
di dimensioni medio-piccole è sicuramente l’aspetto che più caratterizza questo progetto sviluppato da Danielle Maman. Ma questa tesi non è solo idrogeno.
Il progetto di Danielle è, infatti, anche completo e dettagliato, nonché ricco di altri spunti innovativi ed interessanti nati dal gran lavoro fatto, a partire dagli obiettivi di progetto definiti non sulla base di una rapida e sommaria ricerca di mercato, copiando quello che fanno gli altri, ma intervistando ben 7 esperti velisti oceanici.
A loro ha sottoposto una serie di domande che spaziavano dalle caratteristiche della barca con la quale navigano, ai suoi pregi e difetti, per arrivare alle modifiche e alle diverse scelte che farebbero per avere una barca più in linea con le loro esigenze. Poi ha studiato le normative di sicurezza e i particolari regolamenti previsti per le regate oceaniche, consultato i sacri testi di architettura navale.
Tutto per arrivare alla definizione delle caratteristiche ideali per una barca a vela oceanica, a partire dalla scelta tra monoscafo e multiscafo e alle dimensioni principali, per arrivare all’autonomia e al motore ausiliario, al materiale di costruzione, al tipo di appendici e il tipo di armo, alla disposizione degli esterni a quella degli interni. E all’idrogeno.
Insomma, Danielle ha fatto un lavoro preliminare al progetto che mai mi ci era capitato di riscontrare: un lavoro che spesso viene omesso anche da rinomati cantieri quando sviluppano una nuova barca. Si tratta di complessa fase preparativa che dà qualità al progetto stesso, nel quale sono poi stati esaminati e sviluppati approfonditamente tutti gli aspetti per arrivare a definire una barca che guarda al futuro, essendo però pienamente realizzabile. Proprio come richiesto dagli standard valutativi del Nauticontest.
La barca a vela oceanica
La barca progettata da Danielle sui presupposti accennati sopra è una pilot house di 48’, quasi 15 metri di scafo armato a sloop. Pensata per la navigazione oceanica in coppia, questa imbarcazione si pone l’obiettivo di essere comoda, tecnologica e certamente robusta. La presenza della propulsione ibrida Diesel-elettrica, dei sistemi di produzione di energia rinnovabile e dell’innovativo Energy Pack a idrogeno sviluppato da h2boat garantiscono un’elevata autonomia elettrica della propulsione e la gestione totale del carico hotel senza rumori, vibrazioni, cattivi odori e a zero emissioni.
Come è giusto per una barca oceanica, lo scafo è caratterizzato da una carena con un bordo libero alto, un pozzetto ampio con manovre libere vicine ai timoni e un armo velico equilibrato. Tutte condizioni per rendere la barca facile da condurre in ogni condizione meteo. Gli interni, comodi e luminosi grazie alle grandi vetrate del salone, ospitano due grandi cabine, quella armatoriale, a poppa a tutto baglio, e quella ospiti a prua. C’è poi una dinette attrezzata di ogni comodità, convertibile in un posto letto, e una sala macchine dal facile accesso, dove si trova il cuore del progetto: il sistema Energy Pack di h2boat composto da fuel cell ed elettrolizzatore. Parliamo di un sistema che, integrato con le batterie al litio e le fonti di energia rinnovabile di bordo, consente di avere una barca teoricamente autosufficiente sotto il profilo energetico, anche quando non si naviga a vela.
Il progetto
Come già accennato, il progetto di Danielle è molto completo e ha raggiunto un livello di approfondimento notevole, compresa un’analisi dei costi basata su imbarcazioni simili integrata con i costi del sistema h2boat. Ogni aspetto progettuale è stato analizzato e studiato, a partire dalla carena in alluminio che, per quanto di forme standard, è stata ottimizzata con interpolazione tra carene similari della serie sistematica di Deft. Poi, le strutture progettate in funzione delle normative ISO CE utilizzate anche per le verifiche di stabilità, il sistema propulsivo (ibrido) dimensionato sulla base dei dati di resistenza e accoppiato a un’elica definita, anche qui, con l’utilizzo di serie sistematiche.
Il layout è stato studiato in modo da semplificare la costruzione della barca, prediligendo superfici tendenzialmente planari, come quelle della pilot-house, oppure scelte più pratiche che estetiche come i pannelli solari installati sulla tuga.
Da apprezzare, infine, gli impianti di bordo. A tal proposito, se quelli relativi ad acqua, sentine, antincendio eccetera non si discostano dagli standard usuali, è invece evidente che la presenza di una propulsione ibrida Diesel-elettrica, di un sistema di generazione di energia dall’idrogeno, e quindi dello stoccaggio dell’idrogeno stesso e dell’energia prodotta, hanno determinato la necessità di studiare un impianto elettrico/elettronico del tutto nuovo nel quale integrare tra loro i vari sistemi di produzione di energia presenti a bordo, motore, fuel cell, pannelli solari, elica a trascinamento e generatore eolico.
In particolare, il sistema Energy Pack (fuel cell-elettrolizzatore-serbatoi di idrogeno) è stato integrato con un pacco batterie nel quale viene convogliata l’energia in eccesso prodotta dalle fonti rinnovabili e utilizzata per produrre, tramite l’elettrolisi, l’idrogeno che poi viene stoccato sotto forma di idruri metallici nei serbatoi installati nella deriva e nel bulbo. Al bisogno questo idrogeno è poi rilasciabile alimentando le fuel-cell che generano elettricità, rendendo la barca teoricamente autosufficiente dal punto di vista energetico, almeno in certe condizioni.
In particolare, sono stati studiati diversi profili energetici operativi per valutare l’autonomia di bordo nelle diverse situazioni di utilizzo a cui abbiamo riservato un apposito approfondimento in seguito.
Ma il progetto di Danielle non è solo tecnica. DM 48 è infatti anche una barca gradevole dal punto di vista del design ed equilibrata negli spazi. La scelta della barca oceanica con pilot-house e grandi finestre, bordo libero alto e ampi spazi in coperta per poter disporre i pannelli solari, è stata interpretata con un design essenziale ed elegante, allo stesso tempo funzionale con manovre studiate per essere gestite da un equipaggio ridotto.
Per quanto riguarda gli interni, se l’obiettivo era quello di creare un ambiente che facesse sentire a casa, con un design confortevole per un armatore e non per charter, questo è stato raggiunto valorizzando al massimo la cabina armatoriale, che occupa la poppa dello scafo da dritta a sinistra, e il salone, capace di convogliare luce naturale a 360°.
L’idrogeno
Veniamo al cuore del progetto di Danielle: l’idrogeno. Da questo elemento è possibile convertire direttamente l’energia chimica in esso contenuta in energia elettrica tramite le fuel cell, o celle a combustibile, che consentono, con un processo molto efficiente, di combinare l’idrogeno con l’ossigeno per formare acqua ed energia. In pratica, l’unico prodotto di scarto è acqua o vapore acqueo, eliminando completamente le emissioni di CO2.
Fino ad oggi, il problema è stato semmai quello inverso, ovvero quello di reperire l’idrogeno che non si trova libero in natura. Non a caso la maggior parte dell’idrogeno è oggi ricavato da combustibili fossili (generalmente dal metano) con conseguenti emissioni-serra.
Ma ne esiste anche un’altra fonte, praticamente inesauribile: l’acqua. Con l’elettricità è, infatti, possibile separare le molecole dell’acqua in ossigeno e idrogeno.
Parliamo dell’elettrolisi, un processo pulito (emette ossigeno) ma energivoro, che conviene solo nelle occasioni in cui ci sia molta energia a disposizione, come nel caso delle energie rinnovabili, la cui produzione non può essere gestita secondo le necessità e la cui crescente produzione sta creando problemi alle reti nazionali che necessitano di forme di stoccaggio energetico.
Lo chiamano «idrogeno rinnovabile», una definizione piuttosto discutibile, anche se sintetica: bisognerebbe forse dire «idrogeno ricavato dall’elettrolisi tramite energia rinnovabile». È questa la chiave del crescente interesse verso l’idrogeno che, in pratica, diventa un carburante green capace di essere prodotto sia a terra sia a bordo per mezzo di un processo ecosostenibile.
L’energy pack di h2boat
Messo a punto da h2boat, una start-up e spin-off dell’Università di Genova che si occupa di R&D nell’ambito delle applicazioni navali e nautiche della tecnologia fuel cell e idrogeno, l’Energy Pack è un sistema nel quale diverse tecnologie, esistenti e collaudate, sono integrate in modo efficiente in un unico prodotto e adattate per l’uso in barca (marinizzazione). Parliamo di:
– celle a combustibile, ovvero il componente che produce energia elettrica e acqua grazie a un processo elettrochimico in cui l’idrogeno si combina con l’ossigeno;
– l’elettrolizzatore, un macchinario che funziona esattamente all’inverso producendo idrogeno e assorbendo energia elettrica (produce idrogeno dall’acqua utilizzando l’eccesso di energia prodotta da eventuali fonti rinnovabili installate a bordo in navigazione o dalla fornitura elettrica in banchina);
– il sistema di stoccaggio agli idruri metallici, costituito da bombole piene di polvere metallica che assorbe l’idrogeno negli interstizi metallici e lo trattiene in modo sicuro ed efficiente (basse temperature e basse pressioni).
Il sistema può essere utilizzato su qualunque imbarcazione variando semplicemente le dimensioni dell’impianto in funzione delle necessità dell’utilizzatore e degli spazi disponibili a bordo. Addirittura, può trovare applicazione anche in ambito terrestre nelle situazioni dove è richiesto un accumulo di energia in contesti isolati. In particolare, il sistema Energy Pack è particolarmente vantaggioso sulle barche a vela, sia perché una barca a vela notoriamente consuma meno energia sia perché gli ingegneri di h2boat hanno avuto un’altra idea vincente che trasforma quello che generalmente è un problema – lo stoccaggio dell’idrogeno – in un vantaggio: il pesante bulbo di deriva sotto chiglia diventa un “serbatoio” di idrogeno grazie agli idruri metallici che sono posizionati al suo interno, mentre la deriva stessa contiene tutte le connessioni necessarie per il loro funzionamento. Una soluzione brevettata che permette, non solo di non occupare spazio prezioso a bordo per stoccare l’idrogeno, ma trasforma in peso “utile” le centinaia di chili che una barca a vela si porta dietro per avere sufficiente coppia raddrizzante. Insomma, una stabilità dal “peso” ecosostenibile!
Conclusione
L’idrogeno incontra la vela: è questo lo slogan coniato da Danielle per il suo progetto di un’imbarcazione a vela oceanica energeticamente autosufficiente. Un progetto dalle forme classiche che guarda al futuro, ma fattibile. Non un sogno utopico o un esercizio di stile, ma un progetto con i piedi per terra. Proprio come richiesto dagli standard del Nauticontest.
Un progetto dove l’uso dell’idrogeno a bordo, grazie al sistema Energy Pack di h2boat, permette di avere un importante accumulo energetico senza incidere sul volume e sul peso dell’imbarcazione. Allo stesso tempo, un progetto dove le energie rinnovabili sono sfruttate al massimo grazie alle batterie di bordo utilizzate come buffer carica/scarica in funzione dei consumi e della generazione delle stesse rinnovabili. Il tutto integrato per sfruttare al meglio le caratteristiche delle tecnologie presenti a bordo al fine di ottenere una barca con un’autonomia di navigazione continua in elettrico di oltre 6 giorni, senza rinunciare ad alcun comfort.
Mantenendo i consumi bassi e sfruttando al massimo le rinnovabili prodotte a bordo e lo stoccaggio energetico tramite l’idrogeno e il sistema h2boat, è poi possibile aumentare ulteriormente l’autonomia: teoricamente, all’infinito.
Ovviamente ci sono anche tanti aspetti del progetto che vanno ulteriormente approfonditi, a partire proprio dagli aspetti più innovativi legati all’idrogeno e alla sua gestione a bordo. Ad esempio, il tema della manutenzione del sistema di gestione e accumulo dell’energia a bordo è sicuramente delicato, sia dal punto di vista dell’utente sia da quello dei cantieri che intervengono su una barca così innovativa. Ma ciò non toglie nulla al merito e al coraggio che Danielle ha dimostrato nell’affrontare per la sua tesi di laurea un tema nuovo e impegnativo come quello di una barca che ancora non esiste.
Navigare a idrogeno
Con il sistema Energy Pack di h2boat installato su una barca a vela sarà possibile navigare a emissioni zero per lunghissimi periodi, con autonomie impensabili con i tradizionali accumulatori elettrici grazie alla “ricarica” di idrogeno che può essere effettuata attraverso la corrente elettrica disponibile in banchina (come avviene per le normali batterie al piombo).
Bastano infatti alcune ore all’ormeggio per permettere all’elettrolizzatore di produrre l’idrogeno necessario per un “pieno”. È poi possibile compensare, se non tutto, parte dei consumi elettrici in navigazione sfruttando le fonti di generazione disponibili a bordo, energie rinnovabili come pannelli solari, generatori eolici, eliche a trascinamento.
In questo modo è possibile ottenere autonomie di giorni, con tutta la corrente elettrica necessaria per la strumentazione e le necessità vitali di bordo, alla quale si può aggiungere la corrente elettrica per tutti quei comfort a cui oggi è difficile rinunciare, dalla climatizzazione ai winch elettrici, compresa la possibilità di avere una propulsione elettrica supplementare e/o alternativa al Diesel, da utilizzare nelle aree marine protette, nelle andature vela-motore elettrico o in emergenza.
Insieme agli ingegneri di h2boat, Danielle ha stimato che, per una barca a vela di 15 metri come DM 48 dotata di classiche batterie, a parità di peso il sistema Energy Pack rende disponibile una quantità di energia 6 volte superiore grazie alla maggiore densità energetica in termini di peso e volume dell’idrogeno.
Nello stesso volume e peso occupati da un pacco batterie tradizionali al piombo da circa 10 kWh, è possibile installare un massimo di 15 kWh di batterie al litio, mentre attraverso H2Boat sarà possibile avere dai 30 kWh in su di energia, tutto sempre in completo silenzio, senza vibrazioni e senza alcuna emissione … e senza perdere volumi interni e aumentare il peso.
Tra l’altro, con questo sistema, le emissioni zero sono riferite anche all’acqua, il “rifiuto” prodotto dalle fuel cell poi riutilizzato dall’elettrolizzatore per produrre idrogeno che, così, rende superfluo dissalare l’acqua di mare, operazione altrimenti necessaria per evitare la corrosione degli elettrodi impiegati nell’elettrolisi. Basta solo reintegrare le perdite con pochi litri di acqua distillata.
Per il suo progetto Danielle non solo ha studiato un impianto elettrico/elettronico del tutto nuovo per integrare l’Energy Pack con il sistema propulsivo, il pacco batterie e le altre fonti di energia rinnovabile di bordo. Ma ha anche eseguito delle simulazioni di gestione dell’energia a bordo del suo DM48 in cui ha previsto l’utilizzo integrato del sistema energy pack di h2boat (idrogeno) e delle energie rinnovabili, definendo alcuni profili operativi standard relativi a diverse condizioni di utilizzo.
In pratica si tratta di profili operativi in cui non è previsto l’utilizzo del motore termico perché l’energia è quella fornita dal sistema Energy Pack che trasforma l’idrogeno in elettricità per l’uso di bordo, compresa la propulsione, mentre l’elettricità prodotta dalle fonti energetiche rinnovabili di bordo, o fornita dalla presa di banchina, viene a sua volta trasformata in idrogeno. Il tutto utilizzando le batterie di bordo integrate con il sistema Energy Pack come buffer di carica e scarica efficiente. Ad esempio, nel profilo operativo “weekend in comfort” (grafico A) è stato ipotizzato un utilizzo con tutti i comfort durante un weekend che prevede un utilizzo giornaliero (12h), con uscita in mare al mattino, rientro in porto la sera e sosta in rada: il sistema h2boat è in grado di alimentare la barca per un intero weekend (circa 3 giorni per circa 30 kWh di consumo al giorno) senza dover mai accendere il motore a combustione interna, pur godendo dell’aria condizionata, del microonde e di tante altre utenze a 230V.
I consumi, comprensivi di quelli per i tratti di propulsione elettrica totale (picchi nel grafico), sono garantiti dall’energia stoccata nelle batterie, reintegrate in minima parte dalle rinnovabili di bordo RES (7.2 kWh/giorno) e dal consumo graduale dell’energia stoccata sotto forma di idrogeno (pari a 30 kWh), reintegrato a sua volta con la ricarica notturna in banchina per 12 h (11.7 kWh). Il grafico A mostra, nel tempo, sia l’energia consumata sia l’energia rinnovabile (RES) prodotta. In questo profilo energetico, solo durante la navigazione a vela è possibile avere un surplus di energia prodotta dalle rinnovabili di bordo che viene assorbito dalle batterie (circa 1,4 kWh indicato nel cerchio azzurro).
Invece, nel profilo “navigazione continua” (grafico B) si immagina un utilizzo continuo della barca a vela in navigazione 24/24 h, in totale alimentazione elettrica anche nelle fasi di propulsione vela-motore (5h in media al giorno) e assenza di vento (a 5 nodi con motore elettrico a 3kW), per un assorbimento di circa 22 kWh al giorno di cui circa 15 kWh solo per la propulsione elettrica. In questo modo è possibile ottenere circa 6 giorni di autonomia elettrica grazie al consumo graduale dell’idrogeno stoccato inizialmente (pari a 30 kWh) e lo sfruttamento massimo delle rinnovabili (RES) che permettono di reintegrare fino a 17 kWh di energia al giorno, parte della quale è direttamente consumata mentre il surplus è recuperato, prima nelle batterie e poi trasformata in idrogeno.
Il grafico B riporta il confronto tra la potenza consumata e la potenza prodotta dalle rinnovabili, dove è possibile notare lo sfruttamento di quest’ultime (surplus) grazie all’ampio stoccaggio energetico (30 kWh) disponibile, mentre i picchi di consumo sono quelli di utilizzo del motore elettrico propulsivo.
Si precisa che i calcoli sono stati eseguiti con l’approssimazione di 30 minuti, pertanto le potenze e le energie sono distribuite su questi tempi. Ad esempio, per la manovra e l’ancoraggio, che durano meno di 30 min, mentre la potenza è ridistribuita su 30 min, l’energia totale consumata è quella corretta.
L’Autrice
Danielle Maman
La passione per la vela e per il mare ha portato Danielle Maman al Polo Nautico di La Spezia dove si è laureata in ingegneria nautica con una tesi altamente innovativa, sviluppata in collaborazione con h2boat e redatta anche grazie all’aiuto determinante del suo compagno, Andrea Alberani. Velista esperta, attualmente lavora in società di surveyor e yacht management.<p style=”text-align: center;”></p>
