L’idrogeno è l’elemento più comune di tutto di tutto l’universo, rappresenta infatti 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. 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 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. Ma 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.
VEICOLI A CELLE COMBUSTIBILE (FCEV)
Nei veicoli a celle combustibile FCEV – Fuel Cell Electric Vehicle, l’idrogeno viene utilizzato per generare energia elettrica, che alimenta uno o più motori elettrici, 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 lo smaltimento. 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 sono progettati con elevati standard di sicurezza, per resistere alle deformazioni in caso di incidente, evitando le esplosioni. Si tratta di serbatoi di ‘Tipo IV’, caratterizzati da una parte interna polimerica su cui vengono avvolte fibre di carbonio. Ogni bombola dispone della valvola TPRD (Temperature and Pressure Relief Device) che permette il rilascio dell’idrogeno nel caso di pressioni e/o temperature elevate dell’idrogeno. La bombola è collegata alla cella a combustibile mediante un sistema di distribuzione in cui sono presenti regolatori che permettono di ridurre la pressione dell’idrogeno fino a circa 10-15bar, che è l’intervallo tipico di alimentazione del modulo celle a combustibile. Inoltre, al fine di soddisfare i requisiti di sicurezza, in vari punti della vettura (per esempio nel vano motore e nel vano in cui sono presenti le bombole) vengono installati sensori che rilevano la concentrazione dell’idrogeno al fine di informare il guidatore nel caso in cui la concentrazione superi il 4% in volume oppure isolare le bombole nel caso in cui la concentrazione superi l’8% in volume. 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, 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. Il maggior challenge tecnologico che va affrontato nei veicoli FCEV riguarda la costruzione di una Fuel Cell che abbia una durata temporale adatta alla vita del veicolo. Infatti, una fuel cell tende a calare di prestazioni se non opportunamente gestita principalmente durante le fasi di transitori veloci di carico e durante le fasi operative ad elevata temperatura. Altro challenge tecnologico consiste nello sviluppo di serbatoi sempre più leggeri e con forme tali da sfruttare a pieno il packaging offerto dai veicoli. Per quanto riguarda le applicazioni attualmente presenti sul mercato, in ambito passenger car, gli esempi di vetture a celle a combustibile più noti e con la maggiore diffusione sono la Hyundai Nexo e la Toyota Mirai. Più sviluppato invece il mercato dei veicoli commerciali, che vedono una più facile applicazione grazie alle dimensioni maggiori e quindi alla capacità di stoccare serbatoi più grandi. Nel gruppo Stellantis, per esempio, troviamo in gamma tre van, Citroën Jumpy, Peugeot Expert e Opel Vivaro, alimentati a idrogeno e dotati di Fuel Cell.
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. 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 fasatura e alla pressione di iniezione, che deve essere molto alta, per ottimizzare la combustione ed evitare la detonazione. La combustione di idrogeno e ossigeno avviene secondo la seguente reazione:
2H2 + O2 = 2H2O, mentre quella idrogeno-aria: H2 + O2 + N2 = H2O + N2 + NOx.
Oltre al vapore acqueo, si formano ossidi di azoto dalla dissociazione di molecole di N2 e O2 in atomi, in seguito alle elevate temperature (oltre i 2000 K) raggiunte dai gas nella zona di
reazione del fronte di fiamma e soprattutto da quelli appena bruciati. C’è poi da considerare la combustione di una piccola quantità di olio motore, che genera ulteriori ma irrisori quantitativi di ossidi di azoto (NOx). 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. Per questo tipo di applicazioni, esistono molti studi e Concept Car, ma per il momento non ci sono ancora applicazioni realistiche in ambito automobilistico, principalmente per problemi di stoccaggio a bordo veicolo, problemi di detonazione in camera di combustione e una rete di rifornimento non ancora sviluppata.
CONCLUSIONI
Le tendenze attuali di sviluppo dei sistemi energetici globali hanno individuato nell’idrogeno uno dei principali vettori che ricopriranno, nei prossimi decenni, un ruolo di fondamentale importanza nella decarbonizzazione del settore del trasporto. L’idrogeno sarà anche essenziale per coprire le oscillazioni stagionali di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, e potrebbe avere un ruolo fondamentale per abilitare il trasporto su lunga distanza delle energie rinnovabili dai luoghi più vantaggiosi per la loro produzione, verso le aree geografiche di maggior utilizzo. Le applicazioni più interessanti sono però quelle del trasporto commerciale, dove sono più elevate le capacità di stoccaggio a bordo veicolo.
