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Auto a idrogeno

Tecnologia di funzionamento, impatto ambientale, costi, consumi ed infrastruttura di ricarica delle auto a idrogeno.

    IdrogenoNegli ultimi anni si sono diffuse automobili alimentate a combustibili alternativi, cioè diversi da quelli tradizionali come benzina e gasolio. In realtà si tratta di una evoluzione che tocca non soltanto le automobili, ma tutti i veicoli in generale: dai motorini alle biciclette, agli autobus, in futuro forse anche ai camion. Già da molti anni sono in circolazione auto a metano o a GPL, dopo decenni di oblio sono prepotentemente tornate di moda le auto elettriche, in alcuni paesi sono molto diffuse le auto ad alcool (etanolo), ora si affacciano sul mercato anche le auto ad idrogeno.

    In generale si può dire che parlare oggi di idrogeno significa parlare di veicoli con celle a combustibile. E non perché sia l’unico settore di impiego, altrimenti non si parlerebbe di hydrogen economy. I motivi sono almeno tre, di cui uno soltanto tecnico.

    Il motivo principale è connesso al fatto che le cosiddette roadmaps sono dettate dalle case automobilistiche. E questo indirizza l’uso dell’idrogeno non tanto verso i veicoli in generale, ma verso quelli con celle a combustibile, benché sulla attuale razionalità di questa scelta si potrebbe aprire una discussione.

    Il secondo motivo attiene al marketing: le automobili rubano sempre la scena quando possibile.

    Il motivo tecnico è che un sistema energetico in cui l’idrogeno si affianchi, come vettore, all’energia elettrica trova il suo maggior ostacolo nella modalità di distribuzione, ragion per cui si sta gradualmente cercando di costruire una rete di stazioni di rifornimento con produzione di idrogeno on-site. Questa soluzione bypassa il problema della distribuzione, giacché è il veicolo che si reca al punto di produzione dell’idrogeno, ma non è praticabile per la comune utenza stazionaria.

    I primi tentativi di sviluppare un motore ad idrogeno risalgono al 1820, quando l’inglese W.Cecil in una memoria presentata alla Società Filosofica di Cambridge affermava di aver creato una macchina che produceva potenza attraverso il movimento di un pistone da una camera a pressione atmosferica verso una camera in cui è stato fatto il vuoto bruciando idrogeno.

    Sessant’anni dopo l’inventore del ciclo dei motori a benzina, N. A. Otto, utilizzò all’interno di un motore a combustione interna, su cui stava effettuando i suoi studi, un gas sintetico che conteneva circa il 50 % di idrogeno.

    Oggi, le crescenti preoccupazioni sull’inquinamento atmosferico e la necessità di ridurre la dipendenza dalle fonti fossili hanno risvegliato l’interesse verso l’idrogeno come combustibile per autoveicoli, finora ampiamente utilizzato soltanto in applicazioni “di nicchia”, per esempio nei programmi spaziali.

    L’idrogeno per la movimentazione dei veicoli trova applicazione:

    • Nei motori a combustione interna, in sostituzione dei combustibili tradizionali;
    • Nelle Fuel-cell (FCEV  – Fuel Cell Electric Vehicle) che generano energia elettrica per il funzionamento del motore.

     

    Motori a combustione interna

    La prima modalità di utilizzo dell’idrogeno è stata testata con successo una decina di anni fa da BMW, peraltro con pochi esemplari non messi in vendita al pubblico bensì assegnati in prova a persone selezionate. Molto semplicemente, l’idea era di bruciare all’interno dei cilindri idrogeno anziché benzina, usando un motore a combustione interna abbastanza simile ad un tradizionale motore a ciclo Otto. La vettura era una Serie 7, un modello grande e pesante, reso ancora più pesante dall’inserimento dei numerosi dispositivi per l’idrogeno liquido, che deve essere conservato a temperature non superiori a -253°C: il risultato è stato un’auto da quasi due tonnellate e mezzo che ad idrogeno con un litro di idrogeno percorreva 2 chilometri. Non risulta che questa tipologia sia attualmente in produzione.

    L’idrogeno può essere impiegato in un motore in sostituzione della benzina, con il notevole vantaggio di emettere allo scarico vapore acqueo anziché CO2 e altri inquinanti (CO, idrocarburi incombusti, particolato). Il problema risiede nel fare rifornimento, perché l’idrogeno in forma gassosa è altamente esplosivo, difficile da trasportare e condensare se non a pressioni notevoli. Alcune proprietà fisico-chimiche dell’idrogeno, infatti, ne influenzano il comportamento all’interno di un motore a combustione interna e devono essere attentamente valutate per un funzionamento dell’auto in sicurezza.

    L’idrogeno ha una bassa energia di ignizione. Questo significa che è più facile far partire l’accensione di una miscela aria-idrogeno anche in condizioni di miscela povera, cioè con meno idrogeno rispetto alle condizioni ideali, ma le temperature, che si sviluppano nel processo, possono provocare l’ignizione prematura della miscela in condizioni pericolose e non controllate. Gli studi per migliorare l’applicabilità dei sistemi a combustione interna all’idrogeno mirano proprio a migliorare la progettazione del sistema di alimentazione di questo combustibile per ridurre il pericolo di ignizione prematura.

    Un’altra proprietà dell’idrogeno che influisce sul suo funzionamento in un motore a scoppio è la bassa densità. Questo implica la necessità di avere volumi sufficientemente grandi dove poterlo contenere, con conseguenti problemi di spazio e di costo che, nell’ottimizzazione di un motore a combustione interna, sono parametri importantissimi da valutare.

    Sebbene l’idrogeno abbia il maggior contenuto energetico a parità di peso (in termini di J/kg), rispetto agli altri idrocarburi, la sua bassa densità fa sì che, a parità di volume, il contenuto energetico sia più basso di circa tre volte. Di conseguenza, in modo molto intuitivo, si può concludere che per accumularne di più, si debba ricorrere a pressioni molto elevate o temperature molto basse per averlo in forma liquida.

    Automobili del genere avrebbero complicazioni notevoli per quanto riguarda i sistemi di stoccaggio a bordo, perché nei serbatoi di accumulo si raggiungerebbero pressioni di 200-250 bar o temperature di -250 °C, condizioni di funzionamento difficilmente gestibili su un autoveicolo.

    L’ampio intervallo di infiammabilità dell’idrogeno fa sì che sia sufficiente una piccola quantità di energia, per esempio un scintilla, per farlo detonare.

    Le problematiche legate all’utilizzo dell’idrogeno nei motori rappresentano, ad oggi, un ostacolo insormontabile alla diffusione di tali veicoli perché ne complicano la progettazione ed i costi non risultano attrattivi sul mercato.

     

    Celle a combustibile

    Le fuel cells (celle a combustibile), sono sistemi in cui l’idrogeno, legandosi all’ossigeno produce energia elettrica ed acqua come prodotto della reazione.

    Il funzionamento delle fuel-cell si basa, anziché sulla combustione, sulla reazione elettrochimica in cui si spezzano le molecole del combustibile in ioni positivi e negativi (elettroni). Questi ultimi vengono fatti transitare in un apposito circuito in modo da creare una corrente continua, in modo analogo ad una normale batteria. L’idrogeno H2 è particolarmente adatto a questo scopo, perché il legame fra i due atomi che compongono la sua molecola è relativamente debole.

    L’idea è di superare i limiti del secondo principio della termodinamica, che limita inevitabilmente il rendimento energetico dei motori che utilizzano una combustione. Per capirci, un motore a benzina a ciclo Otto ha una efficienza spesso non superiore al 30%, un motore a benzina a ciclo Atkinson può anche arrivare intorno al 40%, i migliori motore diesel possono sperare di arrivare al 50%. Il funzionamento delle fuel-cell intende superare questi limiti arrivando ad una efficienza intorno al 60%. La ragione per consentire la reazione elettrochimica è necessario ossigeno, che viene prelavato dall’aria esterna, nel caso della Mirai aiutandolo con un compressore. La corrente elettrica prodotta va ad alimentare un motore elettrico di trazione.

    Fig. 1: Schema funzionamento motore celle a combustibile.

    Nelle celle a combustibile, quindi, si converte l’energia chimica del combustibile direttamente in energia elettrica ed energia termica.

    Il principio di funzionamento è molto simile a quello di una comunissima pila o, meglio, di un accumulatore (per esempi quello usato per l’avviamento delle auto). La differenza sta nel fatto che negli accumulatori gli elettrodi sono generalmente attivi e si consumano (infatti possono essere ricaricati fino a qualche migliaio di volte). Nelle celle a combustibile, invece, i reagenti gassosi vengono alimentati con continuità agli elettrodi: non si esaurisce e non richiede ricarica, funziona fintanto che vengono forniti ai 2 elettrodi un combustibile e un ossidante.

    La struttura di una cella a combustibile è essenzialmente composta da:

    • Due elettrodi, anodo e catodo, cioè elementi conduttori che acquisiscono carica elettrica e consentono il flusso di elettroni. All’anodo viene alimentato idrogeno, mentre al catodo viene alimentata aria;
    • Un elettrolita, realizzato in materiale che consente il flusso delle cariche positive (ioni) e impedisce il flusso di elettroni.

    A causa di alcune perdite che si verificano nelle celle a combustibile (come in tutti i sistemi REALI), al crescere della corrente elettrica si assiste ad una riduzione della differenza di potenziale fra gli elettrodi, quindi, come conseguenza, ad una riduzione della corrente stessa. Per questo motivo si provvede a collegare in serie numerose celle a combustibile (stack), altrimenti la corrente (o meglio, la tensione) ottenuta non può essere utilizzata a fini pratici.

    I principali vantaggi delle celle a combustibile sono:

    • Elevati rendimenti di produzione di energia elettrica (> 40 %), poco dipendenti dalle dimensioni. Questi valori sono maggiori dei rendimenti dei motori a combustione interna convenzionali;
    • Basso impatto ambientale;
    • Silenziosità;

    Un altro vantaggio, specialmente rispetto alle auto elettriche ed alle ibride , è l’autonomia. Le auto elettriche hanno faticato molto, e tuttora faticano, a garantire le medesime distanze di percorrenza che un pieno di benzina o gasolio può fornire: alcuni modelli si sono avvicinati, ma resta ancora molta strada da fare. Le vetture a Idrogeno percorrono più di 500 km con un pieno e vantano prestazioni del tutto simili a quelle di un’Auto con motore a combustione interna, arrivando a una velocità massima di 178 km/h con un’accelerazione da 0 a 100 km/h in 9,6 secondi. La produzione conta ancora poche unità ma il futuro è alle porte.

    Mentre la problematiche sono relative a:

    • Elevati costi di produzione rispetto alla vita utile;
    • Necessitano di combustibili con basso contenuto di impurezze.

    In conclusione si può affermare che le potenzialità dell’idrogeno nel settore dei trasporti sono evidenti, anche alla luce delle ridotte emissioni (CO2 e particolato).

    Tuttavia la strada da percorrere è ancora lunga prima di poter affermare che costituisce una soluzione definitiva al problema energetico, anche a causa della mancanza di infrastrutture adeguate in grado di sostenere, da qui a breve, il totale passaggio ad un’economia ad idrogeno.

     

    Le auto a idrogeno inquinano?

    Il prodotto di scarto della reazione chimica fra l’idrogeno e l’ossigeno è l’acqua. Infatti l’idrogeno H2 si combina con l’ossigeno O e si forma H2O: cioè proprio acqua, con una produzione di qualche litro ogni 100 chilometri.

    Ecco quindi un vantaggio primario delle auto FCEV: l’assenza totale di emissioni inquinanti.

    Si noti che ciò però vale soltanto per le auto a fuel-cell: le auto che sfruttano l’idrogeno come combustibile per un motore a combustione interna non presentano questo vantaggio. Infatti, per avere come risultato soltanto acqua, l’idrogeno dovrebbe essere fatto bruciare nel motore con ossigeno puro, ma è un procedimento costoso e pericoloso: di conseguenza, come per tutte le altre auto “normali”, anziché ossigeno puro si utilizza l’aria. L’aria contiene circa il 21% di ossigeno, mentre il resto è in gran parte azoto: la combustione quindi produce anche una certa quantità di ossidi di azoto, che sono inquinanti.

     

    Consumo, serbatoio e rifornimento

    Il problema dell’autonomia è ovviamente strettamente connesso al problema dei consumi. Ad esempio la Toyota Mirai consuma (dati dichiarati) 0.76 Kg di idrogeno ogni 100 km. Anche i dati pubblicati da riviste specializzate del settore hanno dichiarato valori non troppo lontani da questi, più precisamente nell’ordine dei 1,2 Kg ogni 100 km. Analogamente, la Honda Clarity Fcx dichiara un consumo di 1,4 Kg di idrogeno ogni 100 km. Naturalmente è facile fare il conto 5 kg con un consumo di 1,2 Kg/100 km significa una percorrenza di 400 km.

    Facciamo però un confronto fra idrogeno e benzina. Prendiamo entrambe queste sostanze a temperatura e pressione ambiente, la benzina in forma liquida (ovviamente) e l’idrogeno in forma gassosa. Ebbene, l’energia prodotta dalla benzina è circa 30-35 MJ/litro (40-45 MJ/kg), mentre quella prodotta dall’idrogeno è pari a circa 0.01 MJ/litro. Cioè pochissimo. Infatti l’idrogeno ha una densità di energia per unità di volume bassissima, perché è un gas molto leggero.

    Per portarsi dietro la stessa energia di un serbatoio di 50 litri di benzina, occorrerebbe un serbatoio di idrogeno da circa decine di metri cubi (!), anche considerando che l’idrogeno ha un rendimento superiore a quello della benzina. Ovviamente agganciare alla propria utilitaria un’autocisterna di idrogeno è improponibile: la soluzione è comprimere l’idrogeno. Infatti l’idrogeno ha una densità di energia per unità di massa molto alta, circa 120 KJ/kg.

    Tanto per dare un’idea dello spazio necessario per le bombole di idrogeno, la Honda Clarity Fcx dispone di un serbatoio di idrogeno da 5 Kg in bombole a 700 bar, che occupa un volume di 141 litri. In analogia a quanto accade alle auto elettriche con le batterie, di solito le bombole riducono un po’ lo spazio a disposizione per il bagagliaio.

     

    Quanto costa un’auto a idrogeno?

    La Toyota Mirai costa 66.000 euro. La Honda Clarity Fcx, non disponibile in Europa almeno attualmente, in Giappone è in vendita a circa 55.000-58.000 Euro (dati 2017).

    Anche Hyundai dispone di auto ad idrogeno: ha consegnato alcuni modelli ix35 Fuel Cell all’Arma dei Carabinieri ed alla Polizia di Stato. In Italia non è in vendita: sul sito svizzero della Hyundai è disponibile una brochure in cui il prezzo della versione base, priva di optional, è dichiarato pari a 66.990 Franchi Svizzeri, al cambio attuale oltre 58.000 Euro.

    In alcuni paesi esistono incentivi per l’acquisto di auto FCEV, ma in ogni caso il prezzo attualmente di un’auto ad idrogeno è ancora molto superiore ad una analoga autovettura tradizionale, e la differenza è molto maggiore anche di quella che ancora si riscontra fra le auto elettriche e le auto tradizionali. Si confida che, come è avvenuto e sta tuttora avvenendo per le auto elettriche, la diffusione stessa delle auto ad idrogeno favorisca l’abbassamento dei costi di produzione.

    Nel frattempo, almeno per ora, il costo delle auto a fuel-cell continua a restare altissimo.

     

    Le auto a idrogeno sono pericolose?

    Bisogna essere consapevoli del fatto che parlare di sicurezza antincendio dell’idrogeno significa richiamare nella mente di molti l’immagine del dirigibile tedesco Hindenburg che, nel 1937, esplose negli Stati Uniti in fase di atterraggio. L’esplosione uccise 35 delle 97 persone a bordo e distrusse la fiducia del pubblico nei dirigibili ad idrogeno. C’è dunque da mettere in conto una certa diffidenza preconcetta generale sulla sicurezza dell’idrogeno.

    Ad oggi non sono disponibili notizie di incidenti che hanno coinvolto le auto ad idrogeno. Ed infatti alcuni produttori di gas proprio questo scrivono sui loro siti internet, e cioè che “l’idrogeno di per sé non è più pericoloso della benzina o di altri gas combustibili. Anche in caso di collisione i rischi non sono diversi da quelli di una vettura tradizionale o a metano“.

    In realtà per quanto riguarda l’idrogeno una certa prudenza è sicuramente d’obbligo.

    Per prima cosa l’idrogeno è contenuto in bombole in pressione a 700 bar. Si tratta di una pressione molto superiore a quella delle bombole di metano per autotrazione (circa 200 bar), per non parlare poi del GPL (massimo circa 8 bar). Già da questo aspetto non si può non concludere che è presente un maggiore rischio di scoppio. Naturalmente per contrastare questo pericolo i costruttori utilizzano materiali speciali, protezioni particolari ecc.: Toyota dichiara di aver provato a far esplodere le bombole prendendole a fucilate, senza riuscirci.

    Lasciamo allora la questione della robustezza meccanica delle bombole e concentriamoci sulle proprietà chimico-fisiche dell’idrogeno.

    L’idrogeno si presenta normalmente sotto forma di gas, non è tossico, è estremamente volatile ed infiammabile, è facilmente esplosivo. L’idrogeno è fra le sostanze in natura con il campo di esplosività più ampio, circa dal 4% al 75%. Molti altri gas hanno un campo di esplosività più ridotto: il metano, per esempio, ha un campo di esplosività compreso fra il 4% ed il 15%. Ciò significa che, al di sopra o al di sotto di queste proporzioni, il metano non esplode perché la miscela è troppo magra o troppo grassa. L’idrogeno invece resta esplosivo se miscelato con aria in quasi tutte le proporzioni. Per fortuna, essendo molto leggero, in caso di perdite normalmente l’idrogeno si disperde velocemente nell’aria verso l’alto, senza produrre pericolosi ristagni in basso come potrebbe per esempio fare il GPL; naturalmente ciò vale all’aperto, in caso di spazi confinati il pericolo ovviamente esiste.

    Come sa bene chi possiede un’auto a GPL, disporre di un gas allo stato liquido anziché compresso consente di usare meglio il volume a disposizione: in un certo volume, è possibile immagazzinare più gas se è liquido piuttosto che solo compresso. Ma il punto di ebollizione dell’idrogeno è intorno ai -253°C…! Quindi se vogliamo disporre di idrogeno liquido, deve essere conservato a temperature estremamente basse, vicine allo zero assoluto, con conseguenti problemi di isolamento e di raffreddamento (e di costi conseguenti).

    Dato che c’è il problema di convincere il riluttante idrogeno a restare liquido senza creare difficoltà, i serbatoi di liquidi criogenici non sono mai stagni, ma in caso di aumento della temperatura una piccola parte di liquido evapora, la pressione aumenta, la valvola di sicurezza consente lo sfogo, la pressione diminuisce e la temperatura ridiscende, ripristinando l’equilibrio. Già, ma in questo modo chi dispone di un’auto con un serbatoio di idrogeno liquido e la lascia nel box senza usarla, dopo un po’ di giorni la troverà comunque con il serbatoio vuoto, e con il box pieno di idrogeno gassoso. Con le bombole di gas in pressione almeno questo problema non c’è.

    Dunque una soluzione meno complessa è evitare l’idrogeno liquido e utilizzare idrogeno gassoso compresso. Già, ma l’idrogeno è una sostanza che si comporta in modo bizzarro con altre sostanze, in particolare ha la sgradevole abitudine di rendere fragili i metalli, e necessita per le bombole realizzate con materiali speciali e molto costosi. Avendo poi una molecola davvero molto piccola, riesce perfino ad intrufolarsi fra le molecole dei materiali che costituiscono i serbatoi fino ad uscirne, e ci sono ancora problemi per trovare materiali che riescano ad imprigionarlo (le cosiddette spugne, le nanostrutture, le microsfere…).

    Fin adesso ci siamo concentrati sulla pericolosità delle auto ad idrogeno, ma la loro eventuale futura diffusione porterebbe con sé la diffusione delle necessarie infrastrutture: stabilimenti di produzione dell’idrogeno, infrastrutture fisse di stoccaggio, stazioni di rifornimento su strada, ed anche autocisterne di trasporto che probabilmente vedremmo aumentare molto di numero sulle nostre strade. Nel caso, naturalmente, sarà necessario occuparsi anche degli aspetti legati alla sicurezza di questi elementi.

     

    Infrastruttura nazionale ed internazionale

    A livello nazionale, nonostante una buona produzione scientifica, siamo piuttosto indietro sullo sviluppo dell’infrastruttura, un po’ per mancanza di interesse da parte delle grandi aziende nazionali, un po’ per cronica mancanza di pianificazione energetica. In un certo senso si era partiti meglio degli altri, con l’apertura, oltre 10 anni fa, di una stazione di servizio (AGIP) a Grecciano.

    Oggi la Spagna e la Norvegia hanno 6 stazioni di servizio per veicoli a idrogeno, la Francia e la Danimarca 11, la Gran Bretagna 12, la Germania più di 30. Allargando l’orizzonte al di fuori dell’Europa, ne troviamo una cinquantina negli Stati Uniti ed ancora di più in Giappone. Non è un caso che in Italia l’unica stazione di servizio pubblica operativa sia quella di Bolzano, che si può facilmente raccordare alla rete di stazioni tedesche, e che le prossime stazioni di servizio pianificate si trovino lungo l’autostrada tra Modena e Rovereto.

    Esistono anche altre applicazioni veicolari (bus, scooter, biciclette) o industriali (muletti) che, tuttavia, possiamo definire ancora di nicchia e che non vedono il nostro Paese in prima linea.

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