Toyota Mirai
Una Toyota Mirai alimentata a idrogeno in una stazione di rifornimento. NBKF/Wikimedia, CC BY-SA

Vuoi sostituire il tuo motore a combustione interna? Tra biciclette, scooter, auto elettriche o a idrogeno, non mancano le alternative per le nostre nuove forme di mobilità… anche se i veicoli elettrici sono ancora oggi limitati dall’autonomia della batteria – distanza limitata, tempo di ricarica lungo.

In questa crescente offerta di trasporti alternativi, concentriamoci più specificamente sulle tecnologie dell’idrogeno. Questi ultimi infatti si adattano ai veicoli che hanno un motore elettrico – niente benzina o diesel nel serbatoio – ma con un’escursione e un tempo di ricarica simili a quelli che conosciamo con i nostri motori tradizionali.

La propulsione a idrogeno è una nuova tecnologia?

La “cella a combustibile” è il cuore di un’auto a idrogeno; trasforma un combustibile, come l’idrogeno, in elettricità e acqua utilizzando l’ossigeno. Nella batteria si verifica una reazione di ossidoriduzione che consente la creazione di elettricità. All’anodo, la molecola di idrogeno, a contatto con un catalizzatore, si decompone e rilascia protoni ed elettroni che creeranno la corrente elettrica. Sul lato del catodo, l’acqua viene prodotta utilizzando ossigeno, protoni ed elettroni.

Sebbene questo effetto sia stato scoperto da William Grove nel 1839, per quasi due secoli ha interessato poco le case automobilistiche: l’idrogeno è rimasto a lungo difficile da immagazzinare, necessariamente sotto pressione (700 bar), e quindi da trasportare.

Nel 1994 Chrysler rilevò il concept e sviluppò un primo prototipo; nel 2005, Mercedes ha offerto la prima vettura a idrogeno di produzione: la Classe B F-Cell (per fuel cell, in inglese).

Oggi si moltiplicano i progetti di sviluppo per veicoli leggeri come i veicoli utilitari Toyota Mirai, Kangoo e Master ZE Hydrogen di Renault, il SUV BMW I Hydrogen, ma anche autobus, con ad esempio la linea tra Jouy-en-Josas e Versailles inaugurata nel 2019, o veicoli commerciali pesanti, con Xcient Fuel Cell di Hyundai prevista per il 2025.

Il veicolo a idrogeno ha vincoli di autonomia simili a quelli di un veicolo a benzina o diesel: si possono fare 500 km con il pieno. Poi si passa alla pompa, con un tempo di riempimento inferiore ai cinque minuti. Al prezzo di una quindicina di euro al chilo (l’idrogeno si misura in chili), occorrono dai 50 ai 70 euro per riempire il serbatoio.

Come funziona un’auto a idrogeno?

L’uso dell’idrogeno nel settore automobilistico è un’alternativa promettente agli idrocarburi per ridurre le emissioni di gas serra, poiché la cella a combustibile rilascia acqua solo durante il suo funzionamento.

Ma come si converte l’idrogeno in elettricità?

Ricordi la tua lezione di chimica al liceo e l’esperimento di elettrolisi dell’acqua? Quella che, grazie ad un’alimentazione continua, due elettrodi e una soluzione salina, ha permesso di ottenere diidrogeno e diossigeno in provetta? In un’auto a idrogeno, è la stessa operazione… ma nella direzione opposta e con reazioni chimiche leggermente diverse.

Prendiamo idrogeno e ossigeno, creiamo una corrente elettrica e rilasciamo acqua. Se il principio è semplicemente affermato, il suo sviluppo tecnologico rimane complesso.

Principio della produzione di energia elettrica da idrogeno

Come abbiamo visto, l’architettura dell’auto a idrogeno è incentrata sulla cella a combustibile. Non è un motore, ma un convertitore di energia. Grazie all’energia chimica fornita dal carburante, la batteria produrrà elettricità che verrà poi utilizzata in un circuito elettrico esterno: un motore elettrico, una batteria.

L’idrogeno consente di aumentare notevolmente l’autonomia dei veicoli elettrici, grazie alle celle a combustibile, sostituendo o integrando le batterie.

Esistono diverse tecnologie di celle a combustibile: il combustibile in questione può essere idrogeno, ovviamente, ma anche metanolo o metano. La tecnologia più utilizzata nell’industria automobilistica è la cosiddetta tecnologia a membrana a scambio protonico che utilizza gas idrogeno.

Il gas viene immagazzinato in un serbatoio ad alta pressione che sostituisce il serbatoio della benzina e può resistere a 2,5 volte la pressione prevista di 700 bar. La sua struttura composita garantisce impermeabilità, resistenza a pressioni e urti.

In primo luogo, l’idrogeno deve essere trasformato in elettricità. Viene portato a un catalizzatore, molto spesso platino, dove si dissocia in protoni ed elettroni. Questi escono dalla cella a combustibile per alimentare il circuito elettrico. Dall’altro lato, i protoni, gli elettroni e l’ossigeno dell’aria si incontrano per formare molecole d’acqua H20. Quest’acqua viene evacuata dalla cella a combustibile, quindi esce attraverso il tubo di scarico.

Per ottenere energia sufficiente per alimentare le batterie e spostare un veicolo, vengono utilizzate più celle a combustibile contemporaneamente, formando una pila.

Principio di un sistema di propulsione per auto a idrogeno

I veicoli a idrogeno sono classificati come veicoli elettrici, nonostante utilizzino un carburante.

In alcuni modelli, l’elettricità prodotta dalla cella a combustibile alimenta un motore elettrico, simile a quello che si trova in un’auto elettrica convenzionale. Per altri veicoli, la cella a combustibile viene utilizzata esclusivamente per ricaricare la batteria che alimenta il motore.

Un veicolo a idrogeno include sempre una batteria tampone che si comporta come una “riserva di carica”: la potenza viene erogata a richiesta, ad esempio durante le forti accelerazioni, poi la riserva viene ricaricata dalla fuel cell quando quest’ultima si carica per alimentare anche il motore elettrico.

Come i veicoli alimentati a batteria, è possibile recuperare l’energia di frenata per ricaricare la batteria per riutilizzarla al prossimo avviamento.

A seconda della modalità di guida delle ruote (trazione anteriore, trazione posteriore, trazione integrale), il numero e la posizione dei motori elettrici variano. Non è raro posizionare il motore elettrico sulla parte motrice dell’auto, o addirittura in alcuni casi associare un motore elettrico per ruota.

Oltre a non rilasciare alcun inquinante nell’atmosfera durante il loro funzionamento, i veicoli elettrici sono silenziosi, lineari nell’erogazione di potenza, meno costosi da mantenere e piuttosto economici da utilizzare.

D’altra parte, la produzione e il riciclaggio delle batterie pongono notevoli problemi ambientali e sociali, come l’estrazione di metalli rari, l’esaurimento delle risorse minerarie, l’impossibilità virtuale di riciclare i componenti di una batteria usata… senza parlare del costo di l’acquisto di un veicolo del genere.

Le auto a idrogeno, oltre a beneficiare di standard di sicurezza già consolidati, sembrano ridurre al minimo questi vincoli poiché la batteria non è più l’elemento centrale dell’auto. Tuttavia, rimane una grande sfida: la produzione di idrogeno.

Quale futuro per la propulsione a idrogeno?

Oggi, il 96% della produzione mondiale di idrogeno rilascia anidride carbonica. Il reforming a vapore di risorse fossili, come il gas naturale, rimane il processo principale utilizzato per questa produzione.

La restante parte proviene dall’elettrolisi dell’acqua, la reazione opposta a quella utilizzata nella cella a combustibile: l’acqua viene utilizzata per generare diossigeno e diidrogeno.

Il bilancio del carbonio può quindi essere buono solo se si utilizza energia elettrica da fonti rinnovabili, eolica e fotovoltaica in particolare, ad esempio durante i picchi di produzione. Il prezzo di questo cosiddetto idrogeno verde è ancora molto alto rispetto a quello proveniente da risorse fossili.

La creazione di reti di stazioni di servizio dell’idrogeno in diversi paesi europei, sembra indicare che la tecnologia stia gradualmente superando la fase dimostrativa per entrare in una fase commerciale.

Tuttavia, in questa fase, rimangono una serie di sfide prima di considerare un mercato della mobilità a idrogeno su larga scala. 

Autore

Rémi Bligny, Robin VivianUniversità di Lorena