Nel settore automotive si sta consolidando un consenso sul fatto che il futuro dei trasporti terrestri sia la propulsione elettrica. Tuttavia, con il ritorno in auge del concetto di e-mobility (da non dimenticare che all’alba dell’era automobilistica convivevano auto termiche ed elettriche), si è aperto un dibattito su come alimentare il motore elettrico. La prima opzione è utilizzare pacchi batteria a bordo vettura – chiaramente la soluzione più diffusa oggi. Esiste però un’altra strada: le celle a combustibile a idrogeno.
Honda Clarity Fuel Cell: un esempio di vettura a idrogeno
Cos’è una cella a combustibile?
Osservando la bassa densità energetica delle attuali tecnologie a batteria, alcuni hanno proposto un approccio diverso: produrre elettricità direttamente a bordo dell’auto senza bisogno di pesanti e ingombranti batterie. La tecnologia non è nuova, essendo stata utilizzata per la prima volta negli anni ’60 dalla NASA per generare elettricità nelle missioni Gemini e Apollo verso la Luna. Esistono diversi tipi di celle a combustibile, ma nell’industria automobilistica si utilizzano quasi esclusivamente quelle a membrana a scambio protonico (PEMFC).
Ma come si produce elettricità in una cella a combustibile? Il processo è relativamente semplice. La cella ha tre componenti principali: l’anodo, il catodo e il separatore. Nell’anodo viene immesso H2 da un serbatoio. L’H2 è composto da due elettroni e due protoni. I protoni, caricati positivamente, passano attraverso il separatore, mentre gli elettroni, caricati negativamente, viaggiano attraverso un circuito esterno creando così corrente elettrica.
Al catodo, l’ossigeno presente nell’aria atmosferica incontra i protoni dell’idrogeno – che hanno precedentemente attraversato il separatore – e gli elettroni del circuito esterno. Questa combinazione crea acqua che viene poi espulsa dal tubo di scarico dell’auto. Un tubo di scarico da cui si potrebbe bere!
Produzione dell’idrogeno: metodi e sostenibilità
L’idrogeno è l’elemento più abbondante nell’universo ma non è disponibile in forma libera sulla Terra. Ciò significa che dobbiamo trovare un modo per estrarlo. Attualmente esistono 3+1 metodi per produrre idrogeno.
L’idrogeno grigio, come viene chiamato, è prodotto attraverso il reforming del vapore del gas naturale. Il gas naturale viene bombardato con vapore acqueo molto caldo e altamente pressurizzato. Questa reazione crea H2 e CO2. Questo metodo di produzione è il meno rispettoso dell’ambiente.
L’idrogeno blu è sostanzialmente uguale a quello grigio con una differenza fondamentale: vengono applicate tecnologie di cattura e stoccaggio del carbonio durante il processo di estrazione, impedendo così alla CO2 di entrare nell’atmosfera terrestre.
Il terzo metodo per produrre idrogeno è l’elettrolisi. È così che otteniamo l’idrogeno verde e la procedura è l’opposto di ciò che avviene in una cella a combustibile. Utilizza corrente elettrica per scindere l’acqua nei suoi elementi costitutivi – idrogeno e ossigeno.
Il metodo +1 è il cosiddetto idrogeno turchese. In questa procedura, il gas naturale passa attraverso metallo fuso che produce idrogeno e carbonio. Quest’ultima tecnologia sembra promettente ma non è ancora pronta per un uso diffuso.
Tra i metodi attualmente disponibili, l’idrogeno verde ha il maggior potenziale in termini di produzione sostenibile e rispettosa dell’ambiente, ma solo se l’elettricità necessaria viene generata attraverso fonti rinnovabili come eolico o solare.
Stati dell’idrogeno: vantaggi e svantaggi
Esistono due possibili stati dell’idrogeno utilizzabili: forma gassosa e liquida, entrambi con vantaggi e svantaggi.
Poiché l’idrogeno è l’elemento meno denso dell’universo, per utilizzarlo in un’auto deve essere fortemente compresso. Nelle applicazioni attuali l’idrogeno viene compresso a 700 bar. Si tratta di una pressione elevatissima che richiede serbatoi speciali e costosi.
L’altra alternativa è la forma liquida. Ma per liquefare l’idrogeno deve essere raffreddato a 20°C sopra lo zero assoluto – cioè meno 253°C. È evidente che per ottenere entrambe le forme di idrogeno dobbiamo utilizzare energia – sia per la compressione estrema che per il raffreddamento.
Il vantaggio dell’uso dell’idrogeno è però enorme: 1kg di idrogeno contiene 33,3 kWh di energia. Ciò significa che trasporta 167 volte più energia per kg rispetto al più avanzato pacco batteria attuale!
Batterie contro idrogeno: efficienza e costi a confronto
Qual è dunque la soluzione preferibile? Trasportare la propria elettricità o produrla a bordo dell’auto? Al momento l’industria automobilistica sembra favorire i pacchi batteria per diversi motivi.
Innanzitutto, l’efficienza delle PEMFC è circa del 60%. Il reforming del vapore del gas naturale è efficiente al 70% mentre l’elettrolisi lo è al 75%. La compressione dell’idrogeno ha un’efficienza di circa l’89% mentre la liquefazione si attesta intorno al 66%.
Secondo i dati disponibili, la soluzione a celle a combustibile presenta un’efficienza quasi pari a quella di un’auto termica a benzina. Nelle condizioni attuali, le celle a combustibile non hanno senso nei veicoli passeggeri. Ecco perché la maggior parte dei costruttori sembra preferire la soluzione a pacco batteria, nonostante i suoi limiti.
Va inoltre notato che, per la stessa distanza, il rifornimento di idrogeno costa 7-8 volte di più rispetto alla ricarica di un’auto elettrica a casa. Forse c’è spazio per l’idrogeno nei camion pesanti grazie alla sua altissima densità energetica, ma solo se riusciremo a produrlo in modo sostenibile.
