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Idrogeno o Elettrico. Qual è il futuro della mobilità?

Ormai ci siamo, la direzione intrapresa dalle principali case automobilistiche sembra essere sempre più orientata nel proporre veicoli green.

Questo trend sembra sia oggi diventato piuttosto popolare tanto che nei cataloghi di quasi tutti i produttori di auto è presente almeno un modello a trazione elettrica (o perlomeno ibrida).

Al contempo anche l’infrastruttura di ricarica si sta espandendo molto velocemente arrivando a coprire zone man mano più vaste. Enel e altri provider stanno installando colonnine di ricarica praticamente in tutte le principali città ma anche negli alberghi, nelle aziende e nei centri commerciali imprenditori e privati stanno provvedendo a posizionare dei punti di ricarica personalizzati. Tesla privatamente sta investendo notevoli risorse per espandere in tutta italia i punti di ricarica “Super Charger”.
I governi europei, in prima linea per fronteggiare i cambiamenti climatici  dovuti, in buona parte, alle emissioni di combustibili fossili. Per questo motivo le principali istituzioni offrono una serie di incentivi economici i quali oltre a fronteggiare il surriscaldamento globale si possono anche tradurre in un consistente miglioramento della qualità dell’aria a livello locale.
Le previsioni più ottimistiche  stimano che in 15 anni il 30% dei veicoli immatricolati in Europa sarà di tipo elettrico. Per raggiungere questi numeri servirà molto lavoro, nel 2016 la media europea era inferiore al 2%. Questo numero va tuttavia contestualizzato: a guidare la classifica c’è la Norvegia con un impressionante 25%, al secondo posto l’Olanda con un 10% e in seguito tutti gli altri Paesi nei quali la presenza è ancora molto bassa (in Italia meno del 0,2% dei veicoli sono elettrici).
Ma il futuro della mobilità sostenibile non è solo elettrico, infatti da anni si sente parlare delle automobili ad idrogeno: Innovative, avveniristiche, visionarie ma cosa sono? Come funzionano? E soprattutto saranno in grado di reggere il confronto con le auto elettriche?

Come funziona un auto a idrogeno: le Fuel Cell

Prima di avanzare un qualunque confronto con le auto elettriche qui riassumo brevemente il principio di funzionamento di un’auto a idrogeno.

La tecnologia che permette di convertire l’idrogeno in energia è la cella a combustibile (in inglese fuel cells). Questo dispositivo permette di ottenere un flusso di corrente elettrica combinando l’idrogeno con l’ossigeno in un processo elettrochimico.
Di fatto una fuel cell è un reattore elettrochimico in cui i reagenti sono idrogeno e ossigeno e i prodotti sono acqua ed energia
In accordo alle tante applicazioni pratiche in cui queste fuel cells possono essere utilizzate ne esistono di differenti tipologie, ciascuna con le proprie caratteristiche e quindi le relative condizioni di lavoro.

Il principio di funzionamento è lo stesso per tutti i tipi di celle, si ha uno scambio ionico tra due elettrodi (anodo e catodo) e al contempo si genera un passaggio di elettroni, energia elettrica appunto. Sostanzialmente i diversi tipi si differenziano per:

  • il materiale con il quale sono realizzate.
  • il tipo di combustibile utilizzato per far avvenire la reazione.
  • la temperatura operativa alla quale avviene il processo elettrochimico.

In ambito automobilistico vengono adoperate le fuel cell con membrana a scambio protonico(conosciute con l’acronimo PEMFC) proprio per la loro particolare caratteristica di andare a regime ad una temperatura bassa e facilmente realizzabile (circa 60°C).
Gli altri tipi di celle richiedono temperature di funzionamento molto più elevate che possono andare dai 200 fino ai 1000°C quindi non idonee ad essere inserite sotto il sedile di una vettura.
Una automobile a idrogeno che sfrutta questa tecnologia è universalmente conosciuta come Fuel Cells Electric Vehicle (FCEV), ovvero un veicolo dotato di motore elettrico che viene alimentato dall’energia chimica ottenuta mediante la fuel cell.
I veicoli ad idrogeno sono, di fatto, dei veicoli elettrici!
Schematicamente in un FCEV l’idrogeno immagazzinato nei serbatoi in fibra di carbonio viene indirizzato verso la fuel cell nelle quali reagisce a contatto con l’aria (ossigeno) aspirato dall’esterno mediante apposite ventole.
Quando si accelera si invia un segnale alla power control unit, una centralina che gestisce il flusso di H2 e di O2 erogati nella fuel cell e che quindi regola la corrente elettrica di alimentazione per il motore.
Sono presenti poi anche altri equipaggiamenti come ad esempio il sistema per recuperare l’energia durante la decelerazione ed una una batteria che può assistere le celle durante la accelerazione.
L’unico prodotto che viene rilasciato dal processo è acqua la quale viene espulsa attraverso il tubo di scarico.

Oltre agli FCEV esiste un altra tipologia di veicoli che utilizzano l’idrogeno: ci sono particolari motori a combustione interna (HICEV) nei quali si può utilizzare un combustibile ottenuto combinando l’idrogeno alla benzina o al metano.
Non parlerò di questi veicoli in quanto non sono direttamente paragonabili alle auto elettriche ma piuttosto ai veicoli dotati di tradizionale motore termico.

Produzione e Distribuzione

Ok, abbiamo capito come funziona un’auto a idrogeno, ma come si fa per i rifornimenti?
Tutti sanno che l’idrogeno è l’elemento più presente in natura ma  siccome è sempre legato ad altre sostanze è anche molto complicato isolarlo ed immagazzinarlo in spazi confinati. Il metodo di produzione di idrogeno puro che viene associato alle energie rinnovabili è l’elettrolisi, un processo chimico in cui facendo passare corrente elettrica nell’acqua si ottiene la scomposizione in ossigeno e idrogeno. La reale efficienza di questo metodo è molto discussa: dal punto di vista del bilancio energetico infatti consumare energia elettrica per separare l’idrogeno che a sua volta servirà per generare energia elettrica è un processo molto sconveniente. Tuttavia l’elettrolisi può diventare interessante quando c’è grande disponibilità di energia che per qualche motivo andrebbe dispersa, non a caso una delle più grandi produzioni di idrogeno da elettrolisi al mondo è in corrispondenza di grosse centrali idroelettriche. Negli impianti idroelettrici è spesso necessario svuotare i bacini anche in assenza di una particolare richiesta energetica l’energia viene utilizzata per ottenere l’elettrolisi e quindi per ottenere notevoli quantità di idrogeno “a gratis”.
Una volta che l’idrogeno è stato prodotto esso viene immagazzinato in appositi contenitori ad alta pressione pronto per essere trasferito nelle stazioni di rifornimento nelle quali sarà possibile riempire i serbatoi dalle FCEV.
Per quanto riguarda lo stoccaggio e il trasporto è risaputo che l’idrogeno è un cliente molto difficile.
L’idrogeno può essere immagazzinato e distribuito direttamante sul posto oppure trasferito alle stazioni di approvvigionamento in diversi modi:

  • Specifiche tubazioni ad alta pressione (fino a 1000 bar).
  • Autobotti con serbatoi ad alta pressione.
  • Autobotti criogeniche che trasportano idrogeno liquido (-40°C).

L’intera filiera è molto complessa, le varie fasi sono piuttosto delicate siccome l’idrogeno immagazzinato e trasportato deve essere mantenuto a temperature molto basse e a pressioni molto elevate.
Con queste grandezze in gioco la grande attenzione richiesta si traduce principalmente in una lievitazione del costo di gestione.


Inoltre voglio sottolineare che visti i numerosi componenti quali condotti ad alta pressione, compressori, valvole, serbatoi di accumulo, autobotti di trasporto, ecc. è evidente che la distribuzione dell’idrogeno rispecchia in maniera molto simile quella dei combustibili fossili (gasdotti e oleodotti).

EV vs. FCEV

Ora che abbiamo un’idea di come funzionano gli FCEV e su come avviene la distribuzione del dell’idrogeno siamo pronti per avanzare un confronto con i classici veicoli elettrici (EV).
Un FCEV non è altro che un EV che si produce autonomamente l’energia da immagazzinare nella batteria utilizzando l’H2. La presenza della fuel cell rende la complessità costruttiva maggiore e per questo il costo di una FCEV sarà sicuramente superiore (o al massimo uguale) a quello di un’auto elettrica in cui questo componente non è presente.

In termini di prestazioni le due tipologie sono praticamente analoghe siccome spinte da medesimi motori e anche per quanto riguarda l’autonomia il serbatoio di idrogeno, così come per le più moderne batterie, consente di percorrere circa 400-500 km.
Se si paragonano i bilanci energetici invece le FCEV non reggono il paragone con le EV. Prima di poter alimentare il motore di un FCEV è necessario convertire più volte l’energia a partire della fonte primaria, in ciascuno di questi passaggi si ha una dispersione di energia dovuta all’efficienza di ciascun processo.
Senza essere troppo prolisso e dilungarmi in una analisi termodinamica riporto solo un grafico estratto dall’articolo “Does a Hydrogen Economy Make Sense?” nel quale è dimostrato come Le macchine elettriche sono circa 3 volte più efficienti di una macchina a idrogeno!
A partire dai 100 kWh di energia prodotta a monte al EV di fatto arriva circa il 70% mentre al FCEV solamente il 20%, in questo caso circa il 70% dell’energia viene dispersa.

Distributori di H2 vs. Colonnine di ricarica

Per quanto riguarda l’infrastruttura di ricarica degli EV esiste in larga scala una rete elettrica sempre più eterogenea ed affidabile. Le colonnine di ricarica si possono allacciare con facilità alla rete elettrica e come già affermato, la loro presenza è ormai consolidata nei maggiori centri abitati, nelle principali reti autostradali ma anche nelle singole abitazioni dei proprietari di una EV. Per ricaricare un’auto elettrica non abbiamo bisogno di niente che già non abbiamo.
Parlando di infrastruttura per la distribuzione di idrogeno ho già descritto come avviene il trasporto dai centri di produzione alle stazioni di rifornimento e ad oggi non esiste una alcuna consolidata rete di distribuzione. La prima e finora unica stazione di rifornimento in Italia che è aperta al pubblico si trova a Bolzano (H2-suedtirol) ed è stata inaugurata nel 2014. L’idrogeno viene prodotto sul posto da fonti rinnovabili ma siccome ricordo che la produzione di idrogeno è dal punto di vista energetico un processo sconveniente qui viene sfruttata il più possibile la curva giornaliera dei prezzi per avere i costi minori di produzione.Al momento non c’è possibilità che i veicoli a idrogeno possano reggere il confronto dato che la realizzazione di una nuova infrastruttura in larga scala, considerando i vari componenti coinvolti, risulterebbe essere un’opera molto onerosa e di difficile progettazione.
I distributori dell’idrogeno però hanno un grosso vantaggio rispetto alle colonnine elettriche: i tempi di rifornimento. Come sappiamo per ricaricare le batterie ci vuole del tempo. Tesla, ad esempio, con i suoi supercharger è riuscita a ridurre i tempi di una carica completa a meno di 1 ora e mezza, mentre il rifornimento completo di un’auto ad idrogeno è paragonabile a quello di un veicolo a gas (circa 10 min.).
Siccome si è consapevoli di quanto può essere complicato creare una rete di distribuzione di idrogeno, ha davvero senso investire su questa tecnologia?
La risposta viene da sé ed è forse questo il motivo per cui molte aziende automobilistiche hanno ridotto notevolmente (e in alcuni casi abbandonato) i progetti di auto ad idrogeno. L’unica  grande azienda che sta investendo nell’idrogeno per veicoli su larga scala è la Toyota che da tempo sta portando avanti il progetto Mirai.
Tuttavia non è chiaro se stia provando a intraprendere una strada da outsider procedendo controcorrente rispetto alla tendenza delle altre case che finanziano EVs o se gli investimenti in questo settore sono prevalentemente spinti dalla pura ricerca scientifica.
Un discorso a parte si deve fare per i grossi veicoli commerciali o per i veicoli per il trasporto pubblico. In questo caso il percorso ed il consumo relativo a ciascun automezzo è noto e quindi è possibile programmare i rifornimenti in predefiniti check-point senza la necessità di una vasta infrastruttura di ricarica.
Inoltre le grosse dimensioni dei mezzi consentono di risparmiare sui costi dovuti ai componenti molto compatti presenti sulle automobili ed è possibile installare serbatoi maggiorati aumentando sostanzialmente la autonomia.
Per queste ragioni molte città hanno avviato progetti mirati a finanziare flotte di mezzi pubblici alimentati da fuel cell.

Conclusioni

La decarbonizzazione del settore trasporti è un obiettivo che deve essere raggiunto e sia le auto elettriche sia le auto a idrogeno offrono una mitigazione a questo problema.

Ad oggi il confronto tra le due tecnologie pende sensibilmente a favore delle auto elettriche sia per quanto riguarda l’efficienza energetica ma soprattutto per la assenza di una rete di distribuzione di idrogeno adeguata. Le vetture a idrogeno hanno indubbiamente il loro fascino, lo sviluppo di nuove tecnologie sicuramente contribuirà a renderle più convenienti e affidabili soprattutto in scale relativamente piccole (come ad esempio per alcune flotte di mezzi pubblici). Tuttavia credo che sarà molto difficile che prendano il sopravvento sulle strade e mi sento in pieno accordo con chi sostiene che “l’idrogeno funziona bene per i razzi e non per le automobili!”.

Al contrario le vetture elettriche acquisteranno sempre più popolarità nei prossimi anni e l’avanzare della ricerca porterà una grande ventata di innovazione.

Ringraziamo LegaNerd

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