Un veicolo a idrogeno è un veicolo che utilizza l’idrogeno come carburante. Con tale espressione ci si può riferire sia a un’automobile, sia a un qualsiasi altro mezzo di trasporto a idrogeno, come un aeromobile.
Come funziona l’alimentazione a idrogeno?
Le auto a idrogeno vengono alimentate da un motore elettrico, quindi rientrano a pieno titolo nella tipologia delle auto elettriche. La sigla che si usa comunemente per designarle è FCEV, che significa “Fuel Cell Electric Vehicle” (le “Fuel Cell” sono le celle a combustibile in inglese), per distinguerle dalle auto elettriche alimentate a batteria, ossia le Battery Electric Vehicle, o BEV.
Una differenza decisiva rispetto agli altri veicoli elettrici consiste nel fatto che i veicoli a idrogeno producono da soli l’energia elettrica. Non prelevano l’energia da una batteria integrata come le auto esclusivamente elettriche o le ibride plug-in, che si possono ricaricare collegandole a una presa esterna elettrica (➜ leggete anche: Ibride plug-in & Co.: panoramica delle auto elettriche). Le auto a idrogeno hanno, per così dire, un‘efficientissima centrale elettrica propria a bordo. E questa centrale elettrica è la cella a combustibile.
Nella cella a combustibile, idrogeno e ossigeno generano energia elettrica. A seconda delle necessità, questa energia viene convogliata nel motore elettrico e/o nella batteria.
Nella cella a combustibile si svolge un processo particolare, la cosiddetta elettrolisi inversa, durante la quale l’idrogeno reagisce con l’ossigeno. L’idrogeno proviene da uno o più serbatoi presenti sull’auto, mentre l’ossigeno viene dall’aria circostante. Questa reazione genera esclusivamente energia elettrica, calore e acqua, che fuoriesce dal terminale di scarico sotto forma di vapore acqueo. Un’auto a idrogeno è quindi priva di emissioni locali, e questo non è l’unico vantaggio.
La corrente generata nella cella a combustibile del motore a idrogeno può prendere due strade, in funzione delle necessità concrete della situazione di guida: arriva al motore elettrico e alimenta direttamente il veicolo e/o carica una batteria che funge da accumulatore intermedio fino a quando l’energia è necessaria per la trazione. Questa cosiddetta batteria da trazione è più piccola e quindi più leggera della batteria di un’auto esclusivamente elettrica, perché viene costantemente alimentata dalla cella a combustibile.
Come le altre auto elettriche, anche i veicoli a idrogeno sono in grado di recuperare l’energia in frenata. Il motore elettrico converte l’energia cinetica dell’auto in energia elettrica e la alimenta nella batteria tampone.2.
Quali sono i vantaggi e gli svantaggi delle auto a idrogeno per gli automobilisti?
I vantaggi e gli svantaggi di un determinato tipo di alimentazione si possono considerare da due punti di vista: quello dell’automobilista e quello dell’ambiente. Affinché una tecnologia si affermi come alternativa al motore endotermico, deve essere più semplice da usare e ridurre notevolmente l’emissione di sostanze nocive. Per prima cosa, vi spiegheremo i vantaggi e gli svantaggi principali per l’automobilista o il proprietario di un’auto a idrogeno con l’aiuto di Axel Rücker, Program Manager Hydrogen Fuel Cell presso il BMW Group.
Vantaggi per gli automobilisti:
- Le auto a idrogeno hanno una trazione esclusivamente elettrica. La sensazione di guida è come quella delle auto elettriche che già conosciamo. In altre parole: motore quasi completamente silenzioso e partenze vivaci, dato che i motori elettrici rendono disponibile tutta la coppia anche a bassi regimi.
- Ulteriore vantaggio: il tempo di ricarica breve. A seconda della stazione di ricarica e della capacità della batteria, le auto esclusivamente elettriche richiedono da 30 minuti a parecchie ore per una ricarica completa. Il serbatoio dell’idrogeno di un‘auto a celle a combustibile, invece, si riempie in meno di cinque minuti. La disponibilità e la flessibilità del veicolo per i clienti sono quindi sovrapponibili a quelle di un’auto tradizionale.
- Al momento c’è anche un altro vantaggio nei confronti delle auto esclusivamente elettriche: le auto a idrogeno hanno una maggiore autonomia. Un serbatoio pieno di idrogeno è sufficiente per coprire una distanza di circa 500 chilometri. Le auto alimentate da una batteria raggiungono questo valore solo se sono dotate di batterie molto grandi, ma questo comporterà un maggiore peso del veicolo e tempi di ricarica più lunghi.
- L’autonomia dei veicoli a idrogeno non dipende dalla temperatura esterna, quindi non peggiora quando fa freddo.
Svantaggio attuale per gli automobilisti:
Attualmente, il maggiore svantaggio delle auto a idrogeno è dato dalle poche possibilità di fare il pieno. L’idrogeno deve essere prelevato da speciali distributori che, in futuro, si troveranno sicuramente nelle normali aree di servizio. Tuttavia, attualmente i distributori di idrogeno sono ancora pochissimi. In Germania, alla fine del 2019 ce ne saranno circa 80, negli USA ben 40, in Italia addirittura solo tre. Per fare un paragone: la rete di colonnine per la ricarica delle auto elettriche è molto più diffusa. Secondo Il Sole 24 ore, nel 2019 il numero di colonnine è in netto aumento in tutte le regioni italiane.
“Il problema dell’alimentazione a idrogeno è come il paradosso dell’uovo e della gallina”, spiega l’esperto BMW Rücker. “Finché la rete di distributori di idrogeno sarà così rarefatta, la scarsità della domanda dei clienti non consentirà di avviare una produzione in serie redditizia di auto a celle a idrogeno. E fino a quando non ci saranno abbastanza auto a idrogeno sulle strade, chi gestisce la rete dei distributori sarà restio ad ampliarla.” Finora si sono impegnate in questo senso grandi aziende che producono energia elettrica e associazioni del settore automotive.
Per promuovere un ampliamento dell’infrastruttura almeno in Germania, le case automobilistiche come BMW hanno creato l’iniziativa Clean Energy Partnership assieme ai produttori di idrogeno e ai gestori dei distributori, che prevede di ampliare la rete dei distributori per raggiungere quota 130 stazioni entro il 2022. Questo dovrebbe permettere a circa 60.000 auto a idrogeno di circolare sulle strade della Germania. La prossima tappa, a fronte di un aumento adeguato di auto, prevede la presenza di 400 stazioni entro il 2025. Anche all’estero è necessario installare più distributori per permettere alle auto a idrogeno di viaggiare anche al di fuori dei confini nazionali, aggiunge Rücker.3.
Quanto costa una macchina a idrogeno, e perchè?
Oltre alla scarsa presenza dei distributori, esiste un altro motivo che non fa decollare la domanda di auto a idrogeno: il prezzo di acquisto è relativamente elevato. I pochi modelli di veicoli a idrogeno già disponibili sul mercato costano circa 70.000 euro per un’auto del segmento medio o medio-alto: è quasi il doppio di un’auto elettrica o ibrida con caratteristiche analoghe.
I motivi del prezzo attualmente elevato delle auto a idrogeno sono molteplici. Oltre al numero ridotto di unità in circolazione e al livello di industrializzazione ancora arretrato nella produzione, anche la necessità di platino ha un ruolo. Questo metallo nobile è necessario come catalizzatore per generare corrente. La quantità di platino necessaria per le celle a combustibile delle auto è già stata notevolmente ridotta. “L’obiettivo generale consiste nel portare il prezzo delle auto a idrogeno a un livello simile a quello delle altre auto elettriche“, spiega Rücker.
Un altro motivo dell’elevato prezzo di acquisto è dato dalle dimensioni delle auto a idrogeno, che sono notevoli perché i serbatoi dell’idrogeno occupano molto spazio. Un propulsore a batteria elettrica, invece, trova posto anche in un’auto compatta; per questo le classiche auto elettriche sono presenti in qualsiasi segmento.
Oltre al prezzo di acquisto, anche i costi di gestione hanno un ruolo importante in termini di economicità e accettazione di questa tecnologia. Per le auto a idrogeno, è elevato il costo del carburante. Attualmente, un chilogrammo di idrogeno costa circa 13 euro in Italia, 9,50 euro in Germania (prezzo concordato tra i partner di H2 Mobility) e circa 14 dollari negli USA. Con un chilogrammo di idrogeno, un‘auto a celle a combustibile può percorrere circa 100 km.
Quindi, i costi al chilometro di un’auto a idrogeno sono quasi il doppio di quelli di un’auto elettrica con batteria che viene caricata in casa. Rücker si aspetta che anche i costi di esercizio si possano sovrapporre in futuro: “Se la domanda di idrogeno aumenterà, il prezzo al chilogrammo potrebbe scendere a circa 5 euro entro il 2030.”4.
Quali sono le caratteristiche di ecocompatibilità e sostenibilità dell’alimentazione a idrogeno?
Un’auto che viene alimentata solo con energie rigenerative e non produce emissioni dannose: ecco la soluzione ideale dal punto di vista ecologico. Vediamo quanto le auto a celle a combustibile si avvicinano a questo ideale rispetto ad altri tipi di veicoli:
- Le trazioni alternative riducono le emissioni di sostanze nocive, in particolare della CO2, così dannosa per il clima, e anche di gas nocivi per la salute come gli ossidi di azoto. Le emissioni di un’auto a idrogeno sono costituiti solo da vapore acqueo. La trazione con celle a combustibile è quindi priva di emissioni locali, per mantenere pulita l’aria delle nostre città. Ma rispetta anche il clima?
- Dipende dalle condizioni di produzione dell’idrogeno. Per produrre idrogeno è necessaria l’energia elettrica. Durante il processo di elettrolisi, la corrente separa l’acqua nei suoi componenti, ossia idrogeno e ossigeno. Se la corrente utilizzata deriva da energie rinnovabili, la produzione di idrogeno ha un impatto climatico pari a zero. Se invece vengono utilizzati carburanti fossili, anche l’impatto climatico di un’auto a idrogeno può essere negativo. L’effetto dipende dal mix di corrente utilizzato. L’auto a idrogeno non si differenzia dalle altre auto elettriche.
- Uno svantaggio nella produzione di idrogeno è data dalle perdite causate dall’elettrolisi. L’efficienza complessiva della catena energetica “energia per trazione veicolo” è quindi solo la metà di un’auto BEV.
- Tuttavia, a volte è possibile produrre l’idrogeno in momenti in cui è disponibile un eccesso di corrente elettrica derivante da fonti rinnovabili, perché l’energia eolica o solare prodotte non vengono ulteriormente utilizzate. Il potenziale è enorme.
- L’idrogeno si forma anche come sottoprodotto di numerosi processi industriali e viene spesso trattato come rifiuto e quindi non riutilizzato. La trazione con celle a combustibile offre anche una possibilità di upcycling dell’idrogeno, che prima però deve essere purificato.
- Del bilancio energetico delle auto a celle a combustibile fanno parte anche il trasporto e lo stoccaggio dell’idrogeno. A seconda della tecnologia di trasporto utilizzata (sotto forma di liquido o di gas), i costi per la compressione, il raffreddamento, il trasporto e la conservazione sono diversi. Grazie alla migliore trasportabilità e possibilità di stoccaggio, la tendenza attuale privilegia l’impiego dell’idrogeno liquido. Tuttavia, il trasporto e lo stoccaggio dell’idrogeno sono molto più costosi e comportano un consumo più elevato di energia rispetto alla benzina e al diesel. Almeno per ora, dobbiamo aggiungere, perché al contrario dei combustibili fossili è possibile produrre idrogeno ovunque siano disponibili energia e acqua, ossia, in teoria, anche presso le aree di servizio. Un’infrastruttura più ampia potrebbe quindi ridurre notevolmente la necessità di trasporto in futuro.
Storia
La prima auto a idrogeno non era un veicolo a celle a combustibile (FCV), ma piuttosto un motore a combustione interna.
L’inventore svizzero Francois Isaac de Rivaz nel 1807 ha progettato il primo prototipo a 4 ruote (nella foto), che viene alimentato con l’idrogeno e l’ossigeno gassoso. Il gas idrogeno era contenuto in un palloncino e l’avviamento era elettrico Volta.
Mezzo secolo più tardi, nel 1860, il francese Etienne Lenoir ha sviluppato il 3 ruote hippomobile. La Lenoir hippomobile è stata azionata da un motore a 1 cilindro, 2 tempi. L’idrogeno è stato creato per l’auto dall’elettrolisi dell’acqua ed il gas risultante è stato indirizzato verso il motore orizzontale.
La successiva auto ad idrogeno è stata inventata nel 1933, quando la società elettrica Norsk Hydro della Norvegia ha trasformato un piccolo camion.
Il camion era dotato di un reformer all’ammoniaca che estraeva l’idrogeno che poi bruciava alimentando il motore a combustione interna.
Balzo in avanti al 1941 ed alla seconda guerra mondiale. Attento al disperato bisogno del momento, il russo Boris Shelishch ha convertito 200 camion GAZ-AA per funzionare ad idrogeno. L’esercito nazista della Germania aveva circondato Leningrado, ma la Russia ha agevolato Shelishch per convertire i camion in modo di funzionare a idrogeno, che brucia più pulito e percorre distanze più lunghe di quelle dei veicoli a benzina di allora.
Quindi c’è stato un altro salto fino al 1959 quando Harry Karl Ihrig ha convertito un trattore agricolo Allis-Chalmers creando il primo veicolo a celle a combustibile della storia.
Il veicolo conteneva 1.008 piccole celle a combustibile alcaline e il trattore è ormai un pezzo pregiato nel Smithsonian Institute.
Il 1966 è stato un anno eccezionale per entrambi, i motori a combustione interna ad idrogeno ed i veicoli a celle a combustibile ad idrogeno.
Roger Billings ha convertito un Ford Modello A per funzionare ad idrogeno con il suo motore a combustione interna. Inoltre, la General Motors ha creato il veicolo a fuel cell GM Electrovan, che è considerato da molti come la prima automobile FCV da record da passeggeri.
Da questo momento, entrambi i veicoli a combustione interna ad idrogeno sono stati creati insieme a veicoli a fuel cell ad idrogeno.
In tempi più recenti, l’industria ha optato per FCV poichè possono essere fino al 80 per cento più efficienti (rispetto al 25 per cento di un motore a combustione interna), sono silenziosi ed a zero emissioni (l’unico sottoprodotto è il calore e vapore d’acqua).
Auto a idrogeno in Italia
Dalla metà del 2019 le auto a idrogeno potranno essere vendute anche nel nostro Paese grazie all’intervento del Governo che ha deciso di far rientrare l’idrogeno nel piano per le infrastrutture dei carburanti alternativi. Il Dafi, decreto legislativo di attuazione della direttiva 2014/94/UE, prevede 25 stazioni di rifornimento e la legge è stata modificata per consentire un impiego più efficiente dell’idrogeno.
Con la nuova normativa si è anche ampliata la pressione di stoccaggio dell’idrogeno, portata dai precedenti 350 bar a 700.
L’intervento legislativo ha così consentito alla Toyota Mirai di diventare la prima auto a idrogeno in commercio in Italia anche se nello scorso mese di dicembre la prima auto a idrogeno giapponese era già stata immatricolata nel nostro territorio, per la precisione a Bolzano, complice anche la presenza di una stazione di rifornimento debitamente attrezzata per questo tipo di carburante.
La Toyota Mirai non è comunque l’unica auto a idrogeno in commercio a livello globale. La Hyundai, infatti, ha posto in vendita il suo SUV fuel cell, la Hyundai NEXO, con il quale viene garantita dalla casa coreana una percorrenza di quasi 670 Km ed una potenza complessiva di 163 cavalli.
