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Auto a idrogeno: come funziona e cosa aspettarsi

Negli ultimi mesi si susseguono gli annunci di progetti di investimento sull’idrogeno: questi coinvolgono vari ambiti, tra cui il settore dei trasporti. Diverse case automobilistiche puntano sull’idrogeno e hanno deciso di investire risorse sullo sviluppo di questi modelli di automobili; mentre altre, invece, lo ritengono una tecnologia sulla quale non vale la pena investire. Tuttavia, quando si tratta di idrogeno si affronta un argomento molto ampio che necessita di essere analizzato sotto vari punti di vista.

Come si ottiene l’idrogeno?

L’idrogeno è l’elemento chimico più abbondante sulla terra, ma, nonostante questo, è quasi totalmente assente come elemento puro, infatti è sempre associato con altri elementi per formare varie sostanze: ad esempio, nell’acqua è legato assieme all’ossigeno, o negli idrocarburi si trova legato al carbonio. A causa di questo fatto, per ottenere idrogeno puro è necessario impiegare vari processi per separare l’idrogeno dagli altri elementi: in base al processo usato e alla sostanza da cui viene scisso l’idrogeno assume diverse denominazioni.

Quando l’idrogeno viene ottenuto da combustibili fossili, senza catturare l’anidride carbonica emessa durante il processo, viene chiamato nero se ottenuto dalla gasificazione del carbone o di altri idrocarburi, e grigio se ottenuto dal reforming del metano. Se invece si utilizzano gli stessi processi ma l’anidride carbonica viene catturata in qualche modo, l’idrogeno è denominato blu: in questo caso le emissioni di anidride carbonica vengono ridotte del 90 %.

L’idrogeno può anche essere ottenuto attraverso un processo di idrolisi dell’acqua, in cui si utilizza la corrente elettrica per separare l’idrogeno dall’ossigeno; se l’energia elettrica impiegata viene prodotta da fonti completamente rinnovabili, come solare ed eolico, l’idrogeno viene chiamato verde, mentre se l’energia elettrica viene prodotta tramite centrali nucleari, l’idrogeno viene detto viola. In entrambi i casi le emissioni di anidride carbonica sono nulle.

Attualmente la maggior parte dell’idrogeno viene ottenuto dal metano senza cattura di anidride carbonica: questo è dovuto al fatto che l’idrogeno ottenuto tramite elettrolisi è 3/4 volte più costoso dell’idrogeno ottenuto dal reforming del metano.

Stoccaggio e trasporto dell’idrogeno

L’idrogeno, così come l’elettricità, costituisce un vettore energetico e non una fonte primaria di energia, come possono essere i combustibili fossili o il sole. Un grande vantaggio dell’idrogeno rispetto all’elettricità è quello di poter essere accumulato in grandi quantità con maggior facilità. Infatti, mentre la densità energetica delle batterie agli ioni di litio, comunemente usate nelle auto elettriche, è massimo attorno ai 0.3 kWh/kg o 0.6 kWh/litro, l’idrogeno ha una densità energetica di 40 kWh/kg, superiore anche a quella di benzina e gasolio uguale a 13 kWh/kg o 10 kWh/litro.

Tuttavia, anche accumulare energia tramite idrogeno non è esente da problematiche: infatti la densità dell’idrogeno alla pressione atmosferica ed a temperatura ambiente è attorno ai 0.09 g/litro, che corrisponde ad una densità energetica di 0.0036 kWh/litro. Mentre l’idrogeno compresso a 350 bar, come ad esempio all’interno dei serbatoi dei camion, raggiunge, una densità energetica di 0.9 kWh/litro. L’idrogeno compresso a 700 bar, come nei serbatoi delle automobili, raggiunge una densità energetica di 1.4 kWh/litro; inoltre se l’idrogeno viene liquefatto, raggiunge una densità energetica di 2.8 kWh/litro. Per questo motivo l’idrogeno per essere stoccato deve essere liquefatto o compresso.

Per liquefare l’idrogeno è necessario portarlo fino alla temperatura di -253 °C, questo può richiedere un consumo di energia pari al 40 % del contenuto energetico della sostanza; inoltre sono necessari serbatoi in grado di isolare termicamente l’idrogeno. Per comprimerlo ad alte pressioni invece, non si consuma mai oltre il 5 % del suo contenuto energetico; per questo motivo lo stoccaggio dell’idrogeno allo stato gassoso è il metodo più impiegato. Il problema dello stoccaggio allo stato gassoso è la richiesta dell’utilizzo di serbatoi in grado di resistere ad alte pressioni, i quali possono arrivare a pesare fino a 10 volte l’idrogeno contenuto al loro interno.

Il grande svantaggio dell’idrogeno rispetto alla corrente elettrica è legato al trasporto: infatti, mentre trasportare elettricità è molto semplice poiché esiste una rete già sviluppata, trasportare l’idrogeno richiederebbe una rete di gasdotti dedicata che al momento è assente. Perciò, per ora, l’idrogeno può essere trasportato compresso o liquefatto su camion o treni appositi, oppure potrebbe essere trasportato miscelato assieme al metano, richiedendo però sistemi di separazione dei due gas all’uscita del condotto.

Auto a idrogeno

L’idrogeno può essere utilizzato come fonte di energia per muovere le automobili in due modi: come combustibile per alimentare un motore a combustione interna, oppure per produrre energia elettrica in una cella a combustibile.

L’idrogeno può essere impiegato come carburante nei motori a combustione interna, utilizzando il ciclo Otto, lo stesso usato per i motori a benzina: rispetto alla benzina l’idrogeno permette di ottenere efficienze maggiori in tutte lo condizioni, in particolare il miglioramento è più significativo ai bassi carichi, laddove i motori a benzina consumano maggiormente rispetto ai diesel. Inoltre, l’utilizzo dell’idrogeno permette di azzerare quasi completamente le emissioni di particolato e di idrocarburi incombusti; potrebbero verificarsi emissioni nocive dovute alla combustione parziale di gocce di olio. Utilizzando l’idrogeno una quantità non trascurabile di NOx viene comunque prodotta, sebbene inferiore rispetto ai motori a benzina.

Toyota sta lavorando sull’utilizzo dell’idrogeno nei motori endotermici. Tuttavia, l’utilizzo dell’idrogeno nelle automobili come combustibile, non è ideale, poiché mentre i valori massimi di efficienza ottenuti con motori a combustione interna non superano il 35%, le celle a combustibile che utilizzano idrogeno non scendono a valori di efficienza inferiori al 40 %. Per questo motivo le auto ad idrogeno attualmente in commercio sono auto a fuel cell.

Il funzionamento di queste vetture è basato sulla cella a combustibile: in una cella avviene il processo di elettrolisi inversa, in cui l’idrogeno si combina con l’ossigeno per formare acqua, energia elettrica e calore. Mentre l’idrogeno viene prelevato dal serbatoio, l’ossigeno deve essere prelevato dall’aria. Per questo motivo l’aria che andrà a reagire deve essere filtrata per rimuovere particelle solide, che possono compromettere il corretto funzionamento della pila.

L’acqua prodotta viene espulsa sotto forma di vapore acqueo, mentre l’energia prodotta viene utilizzata per alimentare i motori elettrici che mettono in moto le ruote: i rendimenti delle fuel cell sono attorno al 50 %, ma in futuro, con il miglioramento delle tecnologie, potrebbero raggiungere valori fino al 60%

Nelle auto fuel cell a idrogeno, è ugualmente presente una batteria di dimensioni ridotte, attorno ai 2 kWh, che permette di rigenerare energia in fase di frenata. L’energia accumulata viene impiegata in combinazione con quella prodotta dalla cella a combustibile in modo da rendere il più efficiente possibile il funzionamento della cella. Generalmente questa è più efficiente se lavora in modo costante, perciò la batteria fornisce energia in particolare nelle situazioni più impegnative come accelerazioni intense.

FCEV vs BEV

Le auto a fuel cell costituiscono a tutti gli effetti delle vetture elettriche con diversi vantaggi e alcuni svantaggi rispetto alle auto elettriche a batteria: un primo vantaggio delle auto fuel cell rispetto a quelle a batteria è costituito dal minor peso, questo impatta positivamente sia sulle doti dinamiche che sull’autonomia.

L’autonomia delle auto a fuel cell è generalmente superiore rispetto a quella della auto batteria: le auto fuel cell in media percorrono circa 100 km/kg e considerando che i modelli attualmente in commercio hanno un serbatoio capace di accumulare 5/6 kg di idrogeno si ottengono quindi autonomie di 500/600 km, anche se valori superiori potrebbero essere ottenuti. Autonomie di questo tipo non sono per ora alla portata di auto a batteria.

Un altro grande vantaggio delle auto FCEV rispetto alle BEV è sicuramente il tempo di rifornimento; infatti il processo di rifornimento di un auto ad idrogeno è molto simile a quello di un auto a metano o gpl, e richiede in genere non più di 5 minuti. I tempi potrebbero aumentare nel caso in cui siano stati effettuati molto rifornimenti consecutivi presso una stessa stazione di rifornimento.

Tuttavia, lo svantaggio della auto fuel cell rispetto alle auto a batteria è l’assenza, specialmente in Italia, di una rete di stazioni di rifornimento: infatti, al momento esiste un’unica stazione di riferimento vicino a Bolzano in cui il costo del rifornimento è di 13/14 euro/kg. Il prezzo del rifornimento di idrogeno costituisce un secondo svantaggio per questa tipologia di automobili rispetto a quelle a batteria; per cui, il costo di ricarica è decisamente inferiore, e va a sommarsi al costo maggiore di acquisto delle auto fuel cell rispetto a quelle a batteria.

Infatti, i modelli di auto elettriche a fuel cell attualmente in commercio, come la Toyota Mirai o la Hyundai Nexo, si aggirano intorno ai 70.000 €, valori superiori rispetto alle auto elettriche a batteria dello stesso segmento. Inoltre, i costi di manutenzione delle auto fuel cell potrebbero essere maggiori rispetto ai corrispettivi delle auto elettriche a batteria, a causa della maggior complessità dovuta alla presenza della cella a combustibile.

Le auto ad idrogeno sono sicure?

L’idrogeno, pur essendo un gas altamente infiammabile, è considerato sicuro, poiché per poter esplodere, è necessario che raggiunga un’alta concentrazione nell’aria. È molto difficile che accada: in caso di fuoriuscite, essendo l’idrogeno meno denso dell’aria, 0.09 g/litro contro 1.2 g/litro a pressione atmosferica, tende a salire immediatamente verso l’alto e quindi a disperdersi rapidamente. Per questo motivo, è possibile parcheggiare le auto ad idrogeno in luoghi chiusi senza problemi così come avviene per le auto a metano.

Inoltre, i serbatoi, in cui l’idrogeno viene stoccato ad alte pressioni, vengono testati per resistere agli urti ed in caso di incidenti ed evitare qualsiasi fuoriuscita di idrogeno; la Hyundai Nexo ad esempio ha ottenuto 5 stelle nei crash test Euro NCAP.

Cosa aspettarsi nei prossimi anni?

L’utilizzo dell’idrogeno sembra destinato ad aumentare nei prossimi anni, in particolare in quei settori dei trasporti che richiedano ricariche veloci e autonomie elevate, come i mezzi pubblici; ci si aspetta inoltre un incremento della rete di stazioni di rifornimento dell’idrogeno.

Tuttavia rimane un grande scetticismo riguardo l’efficienza energetica dell’idrogeno: infatti sebbene l’utilizzo di idrogeno blu o verde per alimentare auto elettriche fuel cell permetta una riduzione delle emissioni di anidride carbonica, utilizzare direttamente l’energia elettrica rinnovabile prodotta per ricaricare vetture elettriche a batterie è molto più efficiente. Di contro, la produzione di una vettura a batteria richiede molta più energia rispetto ad una a cella a combustibile.

Si può ipotizzare inoltre, che in futuro l’idrogeno prodotto da fonti rinnovabili verrà utilizzato come base per produrre carburanti sintetici, noti anche come e-fuel, in grado di alimentare i motori a combustione interna, avendo impatto nullo sulle emissioni di anidride carbonica.