L'automotive a idrogeno rappresenta una delle vie più promettenti per una mobilità a emissioni zero. Questa tecnologia si manifesta in due principali forme: i veicoli con celle a combustibile (fuel cell) e quelli che utilizzano l'idrogeno come combustibile in motori a scoppio, analogamente ai veicoli a benzina e diesel. Sebbene l'idrogeno sia l'elemento più semplice, leggero e diffuso dell'Universo, sulla Terra non si trova libero in natura e perciò non va considerato una fonte di energia, ma un vettore energetico. Attualmente, viene prodotto principalmente dal metano o da altri combustibili fossili, sollevando questioni sull'impatto ambientale della sua produzione, a meno che non si ricorra a metodi che non prevedano l'utilizzo di combustibili fossili.
Il Cuore Tecnologico: Le Celle a Combustibile
Le automobili a idrogeno che utilizzano le celle a combustibile, come la Toyota Mirai, immagazzinano il gas in bombole ad alta pressione per poi immetterlo in una pila a combustibile (fuel cell). È questo il cuore delle auto a idrogeno, in quanto al suo interno avviene una reazione elettrochimica che genera elettricità, con l'unica emissione di semplice acqua dallo scarico. Queste auto sono, a tutti gli effetti, veicoli elettrici, poiché l'elettricità prodotta aziona un motore elettrico collegato alle ruote.
Funzionamento della Pila a Membrana
La fuel cell, o cella a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC), è il componente più sofisticato di un FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle). Funziona ionizzando il combustibile, ovvero strappando gli elettroni agli atomi d'idrogeno per farli circolare nel carico, che in questo caso è il motore elettrico. Finito il "giro", gli elettroni si ricongiungono con il nucleo. Nelle fuel cell, troviamo elettrodi con platino, che agisce da catalizzatore, con in mezzo una membrana nella quale avviene la separazione degli elettroni dai nuclei. Il protone e il neutrone che formano lo ione H+ si combinano con l'ossigeno e vengono smaltiti dalla fuel cell sotto forma di acqua. La "riunione" degli elettroni con i nuclei (semplici protoni) avviene in presenza di ossigeno e dà come prodotto acqua.
Le molecole di idrogeno attraversano la membrana ionizzante, gli elettroni attraversano il circuito esterno (simboleggiato da una lampadina nel diagramma) e si ricongiungono con i nuclei in presenza di ossigeno, formando molecole d'acqua. Questa reazione genera calore e, dato che la pila a combustibile non può funzionare a temperature troppo alte, è presente anche un sistema di raffreddamento. Il calore in eccesso viene infine dissipato, in quantità inferiore rispetto alle auto con motori a benzina e a gasolio, come del resto avviene anche sulle auto elettriche a batteria BEV (Battery Electric Vehicle). La maggior parte delle celle a combustibile progettate per l'uso nei veicoli producono meno di 1,16 volt di elettricità, una quantità insufficiente per alimentare un veicolo da sola.
Componenti Ausiliari (BoP) e Gestione Termica
Un gruppo di esperti sta affrontando le sfide legate ai costi elevati e ai problemi di efficienza dei veicoli elettrici con pile a combustibile (FCEV) come parte del progetto INN-BALANCE finanziato dall’UE. Questi componenti, indicati come componenti ausiliari o «componentistica e sistemi ausiliari» (BoP), regolano il sistema di celle a combustibile e gestiscono la fornitura di idrogeno e aria alla pila. Il progetto INN-BALANCE (INNovative Cost Improvements for BALANCE of Plant Components of Automotive PEMFC Systems) propone anche una «soluzione con iniettore/eiettore integrato».
Il modulo di raffreddamento, ad esempio, è utilizzato per la gestione termica della pila. Questo aspetto ha un impatto significativo sulla gestione idrica ed è fondamentale in termini di prestazioni. Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC) funzionano a temperature inferiori a 100 °C.
L'Idrogeno come Combustibile nei Motori a Scoppio
Dall'altra parte, esistono modelli che utilizzano l'idrogeno come combustibile, esattamente come avviene nei modelli benzina e diesel. In questi casi, le reazioni di combustione dell'idrogeno all'interno di un motore a scoppio avvengono a elevate temperature, emettendo in particolare ossidi di azoto (NOx), che sono nocivi per la salute. Sebbene una parte venga recuperata dal tradizionale sistema di recupero dei vapori di olio per essere inviata nuovamente in camera di combustione, un'altra parte finisce in atmosfera passando dall'impianto di scarico. Questo è un aspetto critico che differenzia i motori a combustione interna a idrogeno dalle fuel cell, le quali emettono solo vapore acqueo.
Stoccaggio dell'Idrogeno: I Serbatoi e la Sicurezza
Un altro componente essenziale dell’auto a idrogeno sono le bombole, l’equivalente del serbatoio del carburante. Attualmente, la maniera più semplice per immagazzinare l’idrogeno è tramite bombole, notevolmente più sofisticate di quelle del GPL. L’idrogeno, per rimanere liquido, ha infatti bisogno di temperature così basse (-253 C°) da risultare impraticabili per l'uso veicolare.
Materiali e Requisiti di Sicurezza
Al pari dell’alimentazione a metano, le bombole devono avere un determinato spessore per resistere ai cosiddetti "cicli di fatica". Questo si riferisce al limite di un materiale a essere "sfruttato" per un determinato periodo di tempo, oltre il quale è necessaria la sua intera sostituzione. È il motivo per cui le auto alimentate a gas - sia a GPL che a metano - sono obbligate a effettuare un cambio di bombole dopo un certo numero di anni.
Per garantire la massima sicurezza, i serbatoi di idrogeno sono costituiti da diversi strati di materiali altamente resistenti. Il GFRP (acronimo di Glass Fiber Reinforced Polymer), un particolare tipo di fibra di vetro molto resistente, rappresenta il materiale di rivestimento esterno. Ben conosciuta nel mondo delle supercar e delle hypercar, la fibra di carbonio è uno dei materiali che meglio può rappresentare il compromesso ideale tra leggerezza e solidità di utilizzo per la struttura interna dei serbatoi. Chiarito l'aspetto dei serbatoi, il quadro sulla sicurezza effettiva delle auto a idrogeno appare ben delineato.
Come funziona un auto ad idrogeno? parte 2° - Cella a combustibile
Parente delle Elettriche (e delle Ibride)
Gli altri componenti delle auto a idrogeno sono molto simili a quelli delle elettriche a batteria: i motori sono infatti paragonabili, così come gli inverter che li controllano. Stesso discorso per la batteria, che serve sia per recuperare energia in frenata sia per dare un "boost" nel caso sia necessaria più potenza. Questa integrazione tecnologica sottolinea la natura ibrida o totalmente elettrica del sistema propulsivo, dove la fuel cell agisce come un generatore di energia a bordo.
Pregi e Difetti delle Auto a Idrogeno
Uno dei vantaggi principali delle auto a idrogeno è l’autonomia elevata e la velocità della ricarica, comparabile a quella di un rifornimento tradizionale di carburante. L'idrogeno vanta una densità specifica di energia molto elevata, ben 40.000 Wh/kg, ovvero 236 volte l’energia specifica delle batterie agli ioni di litio. Questo significa che le auto ad idrogeno sono più leggere di quelle a batteria e hanno maggiore autonomia.
Tuttavia, nonostante i progressi significativi nella progettazione di componenti vitali utilizzati nei veicoli a celle a combustibile a idrogeno, l’attuale quota di mercato dei veicoli elettrici con pile a combustibile (FCEV) è ridotta a causa dei costi elevati e dei problemi di efficienza.
Costi e Disponibilità del Rifornimento
Prendendo ad esempio la Toyota Mirai, il suo serbatoio contiene 5 kg di idrogeno che, ad un costo attuale di circa 13 euro al chilo, porta il costo complessivo del rifornimento a 65 euro. Dividendo questo importo per la sua autonomia dichiarata, ovvero 500 km, significa spendere indicativamente 13 centesimi a chilometro, contro i circa 4 centesimi a chilometro per un'elettrica come la Tesla.
La scarsa diffusione delle automobili ad idrogeno è anche legata al procedimento di creazione e distribuzione dell'idrogeno. Nonostante sia l’elemento più abbondante in natura, l'idrogeno non è disponibile allo stato puro e la sua raffinazione richiede energia. Qualsiasi sia il metodo utilizzato, bisogna comunque utilizzare energia per ottenere idrogeno.
Per trovare una soluzione, si è deciso di creare direttamente in loco l’idrogeno, ad esempio tramite delle micro raffinerie di fianco alla pompa di benzina, oppure trasportarlo direttamente dal sito produttivo. Ma anche qui ci sono degli intoppi: nel primo caso, si fa fatica ad applicare le cosiddette “economie di scala”, per cui più si produce e più si risparmia sulla produzione. Nel caso del trasporto, le infrastrutture necessarie per la distribuzione capillare sono ancora in fase di sviluppo.
Evoluzione Storica e Sviluppi Futuri
L'idea di applicare l'idrogeno a mezzi a quattro ruote ha radici profonde. Francois Isaac de Rivaz progettò nel 1806 il motore De Rivaz, il primo motore a combustione interna che funzionava con una miscela di idrogeno e ossigeno. Étienne Lenoir progettò la Hippomobile nel 1863. Successivamente, nel decennio successivo al 1970, arrivano dal Giappone e dagli Stati Uniti diversi altri esperimenti di auto alimentate a idrogeno. Paul Dieges brevettò nel 1970 una modifica al motore a combustione interna a benzina per trasformarlo in un motore a combustione di idrogeno.
La prima auto a idrogeno con cella combustibile di serie fu presentata nel 1999 da Honda, la FCX. Nel 2007, Honda presentò il primo modello di produzione della FCX Clarity, con commercializzazione limitata iniziata nel giugno 2008 negli Stati Uniti e novembre 2008 in Giappone. Nel 2012, Hyundai ha avviato la produzione di massa della Hyundai iX35 FCEV, considerata la prima auto di massa a idrogeno, in grado di percorrere fino a 400 km con un pieno. Il 15 dicembre 2014, Toyota ha messo in commercio in Giappone la Toyota Mirai, veicolo a celle di combustibile. A novembre 2016, Honda ha presentato in Europa e negli Stati Uniti la Clarity Fuel Cell. A marzo 2017, al Salone di Ginevra, Hyundai ha presentato la FE Concept.
Molte aziende stanno attualmente studiando la fattibilità per costruire automobili a idrogeno, e alcune case automobilistiche hanno cominciato a svilupparle. Il finanziamento è venuto sia da fonti private sia governative. Tuttavia, alcuni costruttori hanno ridotto o abbandonato i loro piani per sviluppare macchine a idrogeno, citando gli alti costi di costruzione e la necessità di concentrarsi sui veicoli elettrici a batteria. Ad esempio, la Ford ha abbandonato i suoi piani, affermando che "Il prossimo passo importante nel piano di Ford è quello di aumentare nel tempo il volume di veicoli elettrici". Allo stesso modo, la francese Renault-Nissan ha annunciato nel 2009 che stava annullando i suoi sforzi nella ricerca e sviluppo per le auto a idrogeno. A partire da ottobre 2009, il CEO di General Motors Fritz Henderson ha osservato che GM ha ridotto il suo programma sull'idrogeno perché il costo di costruzione di auto a idrogeno era troppo alto, stimando circa 400.000 $ per un veicolo a idrogeno, contro i circa 40.000 $ per una Chevrolet Volt. Tuttavia, nel marzo del 2010, la General Motors ha dichiarato di non aver abbandonato la tecnologia fuel-cell e di puntare a presentare veicoli a idrogeno ai clienti entro il 2015, riconoscendo la necessità sia dei veicoli a celle a combustibile sia dei veicoli elettrici a batteria per la riduzione dei gas a effetto serra e della dipendenza dal petrolio.
Come funziona un auto ad idrogeno? parte 2° - Cella a combustibile
Record di Velocità e Applicazioni Diverse
L'idrogeno ha dimostrato il suo potenziale anche in termini di prestazioni. L'attuale record di velocità per un veicolo alimentato a idrogeno è 461,038 km/h, stabilito dal Buckeye Bullet 2 Team dell'Università statale dell'Ohio nell'agosto 2008. Per i veicoli di styling, il record è di 333,38 km/h, stabilito da un prototipo Ford Fusion Hydrogen 999 Fuel Cell Race Car nell'agosto 2007, accompagnato da un grande serbatoio di ossigeno compresso per aumentare la potenza.
Oltre alle automobili, l'idrogeno trova applicazione in una vasta gamma di veicoli. Autobus, treni, biciclette, battelli, biciclette a trasporto, golf cart, motocicli elettrici (come l'ENV e il Suzuki Crosscage), sedie a rotelle, navi, aerei e sottomarini possono già andare a idrogeno. Esiste inoltre una vettura giocattolo che funziona a energia solare, utilizzando una cella a combustibile rigenerativa per immagazzinare energia sotto forma di idrogeno e ossigeno. In Svizzera, cinque partner pubblici e privati hanno collaborato per sviluppare il primo camion da quaranta tonnellate alimentato a idrogeno al mondo, nell'ambito del progetto GOH! Generation of hydrogen. Gli autobus a celle a combustibile vengono testati da diversi produttori in diversi luoghi, con i serbatoi di idrogeno inizialmente montati sul tetto, sebbene i modelli siano ora incorporati a bordo. La Bieffe Project di Modena ha realizzato, nel 2024, un prototipo marciante di un veicolo di categoria L7 a propulsione ibrida con una fuel cell ad idrogeno, una batteria al litio ed un pannello di supercapacitori, sviluppato come piattaforma sperimentale per lo studio di architetture ibride ad idrogeno applicate ai mezzi leggeri destinati alla logistica urbana ed alle consegne dell'ultimo miglio. Compagnie come la Boeing, la Lange Aviation GmbH e la Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt sfruttano l'idrogeno come carburante per i velivoli con equipaggio e senza equipaggio, con Boeing che nel febbraio 2008 ha testato un volo umano con un piccolo aereo alimentato da una cella a combustibile a idrogeno. Sono stati testati anche gli aerei a idrogeno senza equipaggio.
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