La sfida dell’idrogeno

Quando si parla di nuove forme di propulsione per auto e veicoli commerciali, oggi non si pensa più alla propulsione a benzina o diesel, ma a motori elettrici, celle a combustibile e idrogeno.

Con i motori ibridi ed elettrici, l’industria automobilistica si sta muovendo verso una mobilità a bassa emissione di CO2. Anche se il passaggio dai motori a combustione ai motori elettrici sembra essere completo, il problema della gestione dell’energia nel veicolo non è ancora stato risolto in maniera soddisfacente.

Per sostituire la batteria agli ioni di litio, viene proposta un’alternativa: la cella a combustione. Utilizzando idrogeno e ossigeno, genera elettricità per il motore di trazione a bordo dell’auto. L’idrogeno (H2) si carica in pochi minuti, l’ossigeno (O2) viene preso dall’aria ambiente. Sembra sorprendentemente semplice e convincente, ma pone ancora alcuni limiti.

In Svizzera sono presenti solo sei stazioni a idrogeno e la rete è ancora poco sviluppata, ma ci si aspetta una rapida crescita con il lancio di altri camion alimentati a celle a combustibile da parte di Hyundai e l’iniziativa sull’idrogeno della società svizzera H2 Energy. Per gli autobus e i camion come lo Hyundai Scient, il sistema di celle a combustibile ha il vantaggio di riuscire a coprire lunghe distanze senza perdite essenziali nel carico utile e nel volume di carico. L’unità di potenza della Xcient consiste in due celle a combustibile con una potenza combinata di 190 kW, una batteria da 73 kWh, un motore elettrico da 350 kWh e un cambio automatico Allison. 34,5 kg di idrogeno in serbatoi a 350 bar di pressione forniscono un’autonomia di circa 400 km.

Anche nelle automobili, la propulsione a motore a idrogeno e celle a combustibile è pronta per la produzione in serie. Hyundai con la Nexo e Toyota con la Mirai offrono già sistemi di seconda generazione. Se i vantaggi in termini di rifornimento e di peso del veicolo sono impressionanti – la cella a combustibile e la batteria tampone della Toyota Mirai pesano solo 70 kg – rimane la questione del costo. I prezzi di mercato per i modelli FC (fuel cell) devono prima stabilizzarsi. Al momento, le auto vendute da CHF 59'000 a CHF 71’900 per la Toyota e CHF 89'000 per la Hyundai non sono ancora realmente competitive. D’altra parte, si possono confrontare i costi del carburante: per 100 chilometri, un’auto FC avrà bisogno di circa CHF 12,50 per chilo di idrogeno. La benzina per un viaggio di 100 chilometri in un’auto equivalente costa circa CHF 12.-, e un motore diesel costa tra CHF 9.- e CHF 10.-.

A riempire il serbatoio di H2 si fa presto, ma c’è un altro ostacolo: per riempirlo a 700 bar, l’idrogeno deve essere compresso a quasi 1000 bar dai compressori della stazione – il che, naturalmente, richiede molta energia. L'idrogeno può essere immagazzinato più facilmente in forma liquida. Il produttore di auto sportive Gumpert, ad esempio, riempie il serbatoio della sua veloce biposto Nathalie con metanolo, da cui un reformer presente nel veicolo estrae l’H2 e lo alimenta nella cella a combustibile. Anche Karma Automotive – ex Fisker, ora di proprietà del gruppo cinese Wanxiang – sta lavorando su un sistema simile. Affinché queste auto possano funzionare completamente a zero emissioni di CO2, il metanolo deve essere prodotto da fonti di energia rinnovabili.

L’idrogeno può anche essere integrato nei motori a combustione. Diversi produttori erano vicini alla produzione di massa di questi modelli, ma BMW con un motore V12 a idrogeno nella serie 7 e Mazda con un motore Wankel nella RX-8 a idrogeno RE hanno smesso di sviluppare questi modelli. Di recente, l’argomento è tornato di attualità. La società Keyou, situata nel sud della Germania, e il fornitore Bosch credono che i motori a combustione H2 – unità diesel modificate – potrebbero essere una buona alternativa alle celle a combustibile o alle batterie nei camion.

Gli ingegneri vedono un’ampia gamma di applicazioni per l’H2 nei combustibili sintetici. Gli e-fuel possono essere adattati da H2 e CO2 in processi chimici personalizzati per far funzionare i veicoli a benzina, diesel o anche kerosene. Nonostante siano costosi e impossibili da produrre in grandi quantità, potrebbero diventare interessanti per il trasporto a lunga distanza o per alimentare le cosiddette auto d’epoca.

La produzione d’idrogeno resta tuttavia un grande ostacolo. Anche se questo elemento è molto comune, non si presenta quasi mai in forma libera, ma come molecola H2 in combinazione con l’ossigeno (O) sotto forma d’acqua (H2O). L’idrogeno deve quindi essere prodotto utilizzando energia primaria. Per ragioni economiche, il 95% circa dell’idrogeno viene attualmente prodotto dal gas naturale. Una produzione quasi priva di emissioni può essere ottenuta con la scissione elettrochimica dell’acqua, attraverso l’elettrolisi dell’acqua con elettricità da fonti rinnovabili.

Si potrebbe obiettare che l’efficienza del motore a celle a combustibile è inferiore a quella del motore elettrico a batteria. Tuttavia, se l’idrogeno per la cella a combustibile viene prodotto per elettrolisi con un surplus di energia eolica e solare, non gioca poi un ruolo così importante. Si sta poi lavorando su processi biologici per la produzione d’idrogeno, ma sono ancora in fase di studio.

Testo: Stephan Hauri
Immagini: zVg