Cos’è, la tecnica e la guida

L'idrogeno

Cos'è

L’idrogeno è l’elemento più comune di tutto di tutto l’universo, rappresentando circa il 75% della materia terrestre. Il gas di idrogeno, composto da due atomi (H2), purtroppo non è presente in forma libera in natura, e deve essere pertanto prodotto tramite un processo industriale, con l’utilizzo di energia elettrica.

Per questo motivo, l’idrogeno è considerato un vettore energetico e non una fonte di energia.

Tralasciando le tecnologie che utilizzano il gas naturale e quindi una fonte non rinnovabile per la sua produzione, il processo più interessante e sostenibile per ricavare l’idrogeno è quello dell’elettrolisi, che prevede l’utilizzo di energia elettrica (tramite un anodo e un catodo) per “scomporre” l’acqua in idrogeno e ossigeno, senza produzione di anidride carbonica. Se l’energia elettrica utilizzata in questo processo viene ricavata da fonti rinnovabili, allora in questo caso si può parlare di “idrogeno verde”, cioè un vettore di energia pulita che può essere impiegato per la mobilità del futuro.

Questa tecnologia potrebbe rappresentare l’ultimo step del processo di transazione energetica, con un passaggio finalmente “pulito” tra una fonte rinnovabile e il suo utilizzo finale.La produzione, lo stoccaggio, il trasporto, e l’utilizzo finale dell’idrogeno non producono infatti alcun agente inquinante né alcun gas ad effetto serra.Una volta prodotto, l’idrogeno può essere pompato attraverso i gasdotti già utilizzati per il trasporto del gas, che andrebbero ampliati e resi più capillari. Oppure, può essere trasportato con autobotti o vagoni. La distribuzione finale è resa complicata dall’elevata infiammabilità dell’idrogeno e dalla necessità di stoccaggio fino a pressioni molto alte (700 bar), per ridurre i volumi dei serbatoi.

In ambito automobilistico, l’idrogeno può essere impiegato per alimentare i motori elettrici tramite le celle combustibile o fuel cell, eliminando i problemi generati dalle batterie, come i costi e i tempi di ricarica, oppure può essere iniettato come carburante in camera di combustione. In entrambi, i casi l’emissione di gas in atmosfera si limita al vapore acqueo.

Come è fatta

La tecnica

VEICOLI A CELLE COMBUSTIBILE (FCEV)

Nei veicoli a celle combustibile (Fuel Cell Electric Vehicle), l’idrogeno viene utilizzato per generare energia elettrica, che alimenta poi uno o più motori elettrico, rilasciando soltanto vapore acqueo in atmosfera. Si tratta dei veicoli più interessanti per la mobilità sostenibile del futuro, in quanto ereditano tutte le tecnologie dei veicoli elettrici, senza presentarne gli svantaggi tipici, derivanti dalla presenza di grandi pacchi batterie, come i lunghi tempi di ricarica, l’autonomia e il degrado nel tempo delle prestazioni. All’interno delle celle combustibile avviene un processo inverso a quello dell’elettrolisi. Le fuel cell sono infatti composte da strutture a sandwich, che vengono messe a contatto ai due lati opposti da idrogeno e ossigeno. L’idrogeno viene scisso in elettroni, e in questo processo si genera energia elettrica e protoni. I protoni attraversano poi il pannello e si ricongiungono con gli elettroni e le molecole di ossigeno contenute nell’aria, completando la reazione chimica e generando vapore acqueo (H2O). Nei veicoli FCEV è presente uno o più serbatoi per l’idrogeno, solitamente posti nella parte bassa del veicolo per ridurre il baricentro. Realizzati in materiale composito che garantisce leggerezza e robustezza, hanno una pressione di bollo fino a 700 bar. In modo analogo alle vetture Metano e GPL, i serbatoi e i punti di attacco per il rifornimento sono progettati con elevati standard di sicurezza, per resistere alle deformazioni in caso di incidente, evitando le esplosioni. Come per le vetture ibride, c’è anche una piccola batteria che serve a immagazzinare l’energia derivante dalla frenata rigenerativa o per sopperire ai picchi di richiesta di potenza, fornendo lo spunto necessario ai motori elettrici. In alcune vetture, c’è anche la possibilità di ricaricare la batteria con la rete elettrica, come avviene per le plug-in hybrid. Anche sui veicoli a fuel cell sono presenti il sistema BMS (Battery Management System) che si occupa di controllare le batterie durante le fasi di carica e scarica, e l’inverter (VFD – Variable Frequency Drive), che ha la funzione di fornire corrente alternata ai motori, regolandone i giri tramite la variazione della frequenza di alimentazione. La tecnologia attuale permette di percorrere fino a 100 chilometri con 1 kg di idrogeno, mentre l’autonomia, che dipende comunque dalle dimensioni del serbatoio idrogeno, è simile a quella delle vetture tradizionali con motore endotermico, e va da 500 fino a 750 km. Anche il tempo di rifornimento non rappresenta un problema, visto che bastano circa 5 minuti, come in una normale pompa di gasolio o di benzina. L’operazione di rifornimento è però resa difficoltosa dall’elevata pressione con la quale il gas è stoccato, che rende necessaria, per motivi di sicurezza, la presenza di personale qualificato. Un altro importante fattore a favore dell’ambiente, è l’effetto di pulizia dell’aria che un veicolo FCEV è in grado di produrre: per evitare l’ingresso di polveri e sostanze contaminanti nelle delicatissime celle a combustibile, ogni veicolo FCEV deve infatti essere dotato di sofisticati filtri dell’aria, in grado di purificare fino a 430 metri cubi d’aria ogni 100 chilometri percorsi.

schema idrogeno

VEICOLI CON MOTORI A COMBUSTIONE DI IDROGENO

L’idrogeno ha un potere calorifico molto alto, 130 MJ/kg, quasi tre volte maggiore rispetto a quello dei carburanti convenzionali. Per questo motivo, il suo impiego come gas iniettato in camera di combustione è molto interessante sotto l’aspetto dell’efficienza energetica. Al momento esistono sperimentazioni e sviluppi sia per quanto riguarda l’accensione della miscela aria-idrogeno in modo comandato, come avviene nei motori a benzina tramite la scintilla generata dalla candela, sia con l’accensione spontanea, come per i motori diesel. Le modifiche rispetto a un motore convenzionale riguardano principalmente i sistemi di alimentazione e di iniezione del carburante, che però rimangono simili a quelli convenzionali, permettendo di sfruttare le tecnologie già sviluppate. Particolare attenzione è rivolta alla pressione di iniezione, che deve essere molto alta, per ottimizzare la combustione ed evitare la detonazione. A parte la combustione di una piccola quantità di olio motore, che genera irrisori quantitativi di ossidi di azoto (NOx), i motori a combustione di idrogeno non emettono sostanze inquinanti né gas a effetto serra, ma soltanto vapore acqueo. La combustione nei motori a idrogeno avviene in modo più rapido e con un fronte di fiamma più veloce rispetto alla benzina e al diesel, rendendo più reattivo ed efficiente il motore, proprio come avviene quando si aumenta il rapporto di compressione. Rispetto ai veicoli a idrogeno con fuel cell, non è necessaria l’installazione di batterie e di complessi moduli elettronici per la loro gestione, mentre rimane invariata la necessità di serbatoi di idrogeno ad elevata pressione. Un vantaggio rispetto ai veicoli a celle combustibile e a quelli elettrici, è il suono emesso dal motore, che mantiene caratteristiche piacevoli, come avviene nei motori alimentati con combustibili tradizionali.

Il futuro, dove siamo diretti

In futuro l’idrogeno rappresenterà uno dei principali vettori di energia per il trasporto. Si tratta infatti del migliore vettore energetico, decisamente più flessibile e meno complesso rispetto alle batterie, con un processo di trasformazione dell’energia interamente ecologico e a impatto zero sull’ambiente.

Le difficoltà di diffusione dell’idrogeno nelle automobili sono oggi legate a due temi principali: il costo elevato per produrre idrogeno verde da fonti rinnovabili e la mancanza di una rete infrastrutturale, che è molto più indietro rispetto a quella per la ricarica elettrica.

L’elettrolisi è attualmente onerosa sotto l’aspetto economico, visto che richiede molta energia elettrica, ma secondo uno studio condotto da “Bloomberg New Energy Finance”, grazie all’aumento della disponibilità di fonti rinnovabili, i costi di produzione dell’idrogeno verde potrebbero scendere di oltre il 70% nei prossimi dieci anni. L’Europa sta scommettendo molto sull’idrogeno ricavato da fonti rinnovabili, con piani per costruire almeno 40 Giga Watt di capacità di elettrolisi entro il 2030, di cui 6 Giga Watt già operativi entro il 2024. 

Gli sforzi tecnici ed economici si stanno concentrando sempre di più su questa tecnologia, della quale nei prossimi anni assisteremo a una rapida ascesa nel mercato, grazie anche agli interventi governativi per incentivare la realizzazione delle costose stazioni di ricarica, che potrebbero non garantire un ritorno dell’investimento per i primi 10 o 15 anni. In Italia sono previste entro il 2025 fino a 100 stazioni di servizio per l’idrogeno, di cui 65 aperte ai privati, mentre le altre saranno ad uso esclusivo delle aziende che si occupano di trasporto pubblico.

Probabilmente, l’idrogeno avrà maggiore diffusione nei mezzi più potenti e nei veicoli commerciali, destinati a viaggi a lungo raggio, dove il diesel è stato per tanti anni la scelta più conveniente, mentre per le vetture più piccole come le citycar, riducendosi i vantaggi dell’idrogeno rispetto all’elettrico, potrebbe rimanere più economico e pratico l’impiego delle batterie.

PRO

  • Autonomia.
  • Tempi di rifornimento.
  • Non necessaria la presa di corrente.
  • Intero processo energetico a impatto zero sull’ambiente.

CONTRO

  • Costi elevati.
  • Mancanza di infrastrutture.
  • Pericolosità dei serbatoi e del rifornimento a causa delle alte pressioni.

PRO

  • Autonomia.
  • Tempi di rifornimento.
  • Non necessaria la presa di corrente.
  • Intero processo energetico a impatto zero sull’ambiente.

CONTRO

  • Costi elevati.
  • Mancanza di infrastrutture.
  • Pericolosità dei serbatoi e del rifornimento a causa delle alte pressioni.

SCUDERIA DE ADAMICH

Scuderia de Adamich S.p.A. ha iniziato la sua storia nel 1990 come Dorado Centro Internazionale Guida Sicura srl.

Da allora la continua evoluzione delle sue attività l’ha portata ad essere una struttura leader nel campo dei Corsi di Guida e degli eventi legati all’industria automobilistica.

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Scuderia de Adamich S.p.A. ha iniziato la sua storia nel 1990 come Dorado Centro Internazionale Guida Sicura srl.

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