Come sono fatte le automobili a idrogeno?
L’idrogeno è piccolissimo – i suoi atomi sono fatti di un elettrone e un protone – e quindi leggero e propenso a fuggire da tubi, valvole e serbatoi, anche da quelli delle automobili a idrogeno. Questo gas un potere calorifico molto alto, 130 MJ/kg (36,11 kWh), che è quasi il triplo rispetto a quello dei carburanti convenzionali, e le automobili a idrogeno avrebbero quindi un’autonomia elevata anche con 5/6 kg di gas.
È praticamente inesistente in natura e lo si deve quindi produrre: i 2 metodi più usati sono la scomposizione del Metano (CH4), che comunque produce carbonio, e l’elettrolisi, ovvero la scissione dell’acqua H2O tramite l’elettricità. Se l’energia elettrica utilizzata in questo processo proviene da fonti rinnovabili, allora si può parlare di idrogeno verde in quanto l’emissione di gas serra equivalenti è bassissima. Se si impiega energia green per tutti gli altri passaggi – stoccaggio, distribuzione e trasporto – allora questa catena energetica potrà essere considerata virtualmente a zero emissioni di gas a effetto serra.
Ovviamente l’idrogeno ha anche lati negativi: oltre alla facile infiammabilità esso, a differenza del GPL, non liquefa a temperatura ambiente e va quindi stoccato a pressioni molto alte (circa 700 bar), per non avere serbatoi con un volume esagerato; la conservazione allo stato liquido richiede improponibili serbatoi criogenici che lo conservino a temperature inferiori a -252,8 °C! Le automobili a idrogeno possono essere elettriche con l’energia necessaria prodotta da fuel cell alimentate, per l’appunto, con idrogeno, o dotate di propulsori a scoppio che usano come combustibile proprio l’idrogeno.
La prima soluzione usa un processo che è simmetrico rispetto all’elettrolisi: l’idrogeno viene scisso in elettroni e protoni, che si muovono all’esterno della fuel cell alimentando il motore. I protoni attraversano poi la speciale membrana che separa la parte negativa da quella positiva, si ricongiungono con gli elettroni e le molecole di ossigeno contenute nell’aria in una reazione chimica che genera vapore acqueo, ossia molecole di H2O. Praticamente tutti i veicoli a fuel cell hanno una batteria che recupera l’energia in frenata e uno degli impieghi più interessanti è quello dei commerciali leggeri, come l’Opel Vivaro-e Hydrogen insieme ad altri veicoli Stellantis: Citroën Jumpy e Peugeot Expert.
Automobili a idrogeno con motore a scoppio, simili ma diverse
In effetti le flotte sono fra le candidate più autorevoli all’adozione dell’alimentazione idrogeno + fuel cell: il ‘rifornimento’ è molto veloce ed è pensabile la produzione in house, con l’elettrolisi che usa energia verde prodotta da fotovoltaico/eolico. Questa soluzione minimizzerebbe inoltre le complicate infrastrutture di stoccaggio e trasporto; soluzioni del genere sono in fase di collaudo anche come sostituto del Metano nelle industri energivore quali la ceramica e vetraria. Ritorniamo al potere calorico dell’idrogeno: questo lo rende molto interessante come gas da iniettare in camera di combustione e si stanno sperimentando soluzioni per l’accensione della miscela aria-idrogeno sia con la classica scintilla generata dalla candela, sia con l’accensione spontanea, come avviene nei motori diesel.
La combustione di idrogeno e ossigeno puri avviene con questa reazione:2H2 + O2 = 2H2O; mentre quella idrogeno-aria (che è fatta per la maggior parte da azoto, N) è piuttosto diversa: H2 + O2 + N2 = H2O + N2 + NOx.
Compaiono quindi, in queste automobili a idrogeno, oltre all’acqua, sia azoto gassoso sia i temibili ossidi di azoto, che vanno abbattuti come se si trattasse di motori alimentati da carburanti fossili; le modifiche meccaniche non sono comunque molto profonde.
La combustione nei motori a idrogeno avviene in modo più rapido e con un fronte di fiamma più veloce rispetto ai propulsori a benzina e gasolio, rendendo più reattivo ed efficiente il motore come se il rapporto di compressione aumentasse: non stupisce quindi che Toyota abbia presentato lo sportivissimo concept GR H2 Racing. Rispetto ai veicoli a idrogeno con fuel cell, non è necessaria l’installazione di batterie e dei complessi moduli elettronici per la loro gestione, mentre rimane invariata la necessità di serbatoi di idrogeno ad alta pressione. In effetti questa difficoltà, insieme allo scarso rendimento energetico sia della produzione dell’idrogeno sia degli utilizzatori – fuel cell o motori endotermici – rendono il processo “dal pozzo alle ruote” meno efficiente rispetto ai veicoli a batteria, nonostante le grandi emissioni connesse alla costruzione dei battery pack.
Pensiamo quindi che potrebbero entrare in officina più commerciali leggeri che automobili a idrogeno; in ogni caso la loro manutenzione, vista la presenza di bombole ad alta pressione e della batteria, richiederà una preparazione specifica.
