Le tecnologie chiave per i veicoli elettrici – Celle a combustibile a idrogeno

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In uno dei precedenti blog di questa serie si è parlato dei veicoli elettrici a batteria (BEV – Battery Electric Vehicle). Tra le varie alternative ai tradizionali veicoli con motore a combustione interna (ICE – Internal Combustion Engine), i veicoli BEV, ovvero che hanno esclusivamente il motore elettrico, hanno attirato la maggior parte dell’attenzione di tutti i media, grazie soprattutto al clamore che accompagna l’uscita di ogni nuovo modello di Tesla. Ma, veicoli elettrici a parte, si sta profilando all’orizzonte un altro serio contendente nella corsa alla sostituzione di benzina e diesel: si tratta dell’idrogeno.

Innanzitutto, l’idrogeno è l’elemento più abbondante sul nostro Pianeta. In linea di principio, quindi, dovrebbe rappresentare una fonte primaria di energia a basso costo. L’idrogeno, inoltre, genera energia in modo “pulito” poichè quando brucia produce vapore acqueo. Non bisogna dimenticare comunque che si tratta di un elemento altamente infiammabile. Per questo motivo, piuttosto che bruciarlo nello stesso modo in cui si brucia la benzina per azionare un pistone, nei veicoli alimentati a idrogeno è prevista una cella a combustibile (fuel cell) che utilizzano l’idrogeno per generare l’elettricità. I veicoli che adottano questa tecnologia vengono denominati veicoli elettrici con celle a combustibile (FCEV – Fuel Cell Electric Vehicle).

La cella a combustibile genera elettricità dall’idrogeno utilizzando un processo particolare denominato elettrolisi inversa. L’idrogeno reagisce con un catalizzatore, solitamente platino, e i prodotti di questa reazione sono esclusivamente energia elettrica, calore e acqua. Per alimentare una vettura sono necessarie più celle a combustibile. Una volta avviato il processo di elettrolisi inversa, ogni eccesso di energia può essere immagazzinato in una batteria, di dimensioni comunque inferiori rispetto a quelle utilizzate per la trazione nei veicoli elettrici. Questa batteria può anche essere utilizzata per catturare l’energia generata dalla frenata.

Immagazzinamento dell’idrogeno

Una recente innovazione nella tecnologia di stoccaggio dei gas potrebbe contribuire a rendere più semplice ed economico l’immagazzinamento dell’idrogeno in un veicolo. Solitamente il gas viene stoccato ad alta pressione (pari a circa 700 bar) ma un gruppo di ricercatori della Northwestern University di Evanston (USA) ritiene di aver sviluppato una soluzione che replica il comportamento di una spugna e permette di immagazzinare elevati volumi di idrogeno utilizzando una pressione nettamente inferiore. Il nuovo materiale ad alta porosità NU-1501 è formato da molecole organiche e ioni metallici ed è potenzialmente in grado di immagazzinare idrogeno e altri gas a pressioni molto inferiori, con una conseguente riduzione delle dimensioni del serbatoio. Detto ciò, questo materiale avrà bisogno del supporto dei produttori di automobili per poter essere utilizzato nell’industria automotive.

Sicurezza dell’idrogeno

Anche se l’idrogeno è altamente infiammabile, molto esperti del settore automobilistico sottolineano il fatto che la benzina lo è altrettanto. Essi inoltre evidenziano il fatto che l’idrogeno si dissipa rapidamente nell’aria nel caso si verifichino perdite nel serbatoio, mentre la benzina dà origine a una pozza altamente infiammabile sotto il serbatoio.

Alcuni ricercatori dell’università di Miami hanno confrontato la gravità dei danni prodotti da una perdita di carburante e dalla successiva accensione in un veicolo a benzina e in uno che utilizza idrogeno, concludendo che: “il danno al veicolo a benzina risultava grave mentre il veicolo alimentato a idrogeno non aveva subito danni”.

Nel corso di alcuni test condotti sui suoi serbatoi di idrogeno, Hyundai ha evidenziato che essi sono stati in grado di resistere a cadute da un’altezza di 1,8 metri e una volta bucati – da un proiettile o nel corso di test di impatto sulla parte posteriore – l’idrogeno si è dissipato rapidamente nell’atmosfera senza provocare un’esplosione. Il modello di FCEV Nexo della società d’altra parte si è comportato in maniera brillante durante test finalizzati alla valutazione della sicurezza in caso di incidente condotti da Enti indipendenti.

Autonomia dei veicoli FCEV

L’autonomia dei modelli di veicoli FCEV attualmente sul mercato è decisamente elevata. Secondo i dati resi noti da Hyundai il modello Nexo alimentato con un motore elettrico da 120 kW che genera una coppia di 395 Nm può, per esempio, percorrere oltre 660 con un singolo pieno. In modo del tutto analogo di quel che avviene per i veicoli alimentati con combustibili fossili, il rifornimento dei veicoli FCEV richiede pochi minuti. L’esperienza di guida risulta pertanto molto più simile a quella cui gli automobilisti sono abituati, con il vantaggio derivato dal fatto che un veicolo a idrogeno in produce anidride carbonica (CO₂).

Gli ostacoli all’adozione

Sono tre i principali ostacoli che al momento attuale impediscono una maggiore diffusione dei veicoli FCEV. Il primo è la modalità di generazione dell’idrogeno. Uno dei possibili processi, che va sotto il nome di “steam reforming” (trasformazione con vapore), utilizza il metano e genera numerosi gas che contribuiscono al riscaldamento globale. I metodi alternativi, come l’elettrolisi, possono dar luogo a basse emissioni di anidride carbonica, a patto che l’elettricità necessaria provenga da fonti rinnovabili.

Il secondo ostacolo è rappresentato dal rifornimento. Fino a quando non aumenterà il tasso di adozione dei veicoli FCEV, saranno poche le aziende disposte a sopportare gli ingenti investimenti necessari per creare un’infrastruttura di stazioni di rifornimento su larga scala. Ovviamente, la mancanza di punti di rifornimento a sua volta renderà i veicoli FCEV meno appetibili per gli automobilisti.

Il terzo e ultimo ostacolo è rappresentato dal costo. Il prezzo di partenza attuale di un veicolo FCEV si aggira intorno ai 60.000 euro, mentre il prezzo medio di un veicolo elettrico si può stimare intorno ai 21.000 euro. In assenza dell’aumento della domanda per i veicoli FCEV, non sarà possibile raggiungere volumi tali da giustificare una diminuzione dei prezzi.

Ampliamento della rete di stazioni di rifornimento

Per superare questo circolo vizioso, alcuni Paesi come ad esempio la Germania stanno finanziando l’introduzione coordinata di stazioni di rifornimento per l’idrogeno. Il consorzio H2 MOBILITY, formato da tradizionali fornitori di energia e da colossi dell’industria automobilistica, si è posto l’obiettivo di realizzare 100 stazioni per il rifornimento di idrogeno entro la fine del 2020. A queste seguiranno altre 300 stazioni nel momento in cui aumenterà il numero di veicoli a idrogeno in circolazione. A questo punto è utile sottolineare che uno studio condotto da Jülich Forschungszentrum ha evidenziato che la realizzazione di una infrastruttura per il rifornimento di idrogeno di veicoli FCEV costerebbe 11 milioni di euro in meno rispetto a quanto richiesto per l’implementazione di un’analoga infrastruttura per veicoli elettrici.

Grazie all’abbondante disponibilità di idrogeno e alla diminuzione dei costi legati alla sua conversione in elettricità, si prospettano nuove opportunità per il settore automotive. Come riportato nei precedenti blog, i caricatori in DC ad alta velocità per i veicoli elettrici richiedono un’infrastruttura elettrica complessa, il cui costo potrebbe risultare proibitivo specialmente nelle aree più remote. In realtà, aziende come AFC Energy stanno considerando tutto ciò un’opportunità per creare punti di ricarica alimentati a idrogeno per i veicoli elettrici. Il sistema CH2ARGE della società potrebbe essere installato come soluzione per la ricarica in determinate località, oppure essere utilizzato come piattaforma di prova per valutare se esiste una richiesta sufficiente in una data località tale a giustificare l’investimento nell’infrastruttura elettrica.

I veicoli a celle di combustibile a idrogeno sostituiranno i veicoli elettrici?

I veicoli FCEV alimentati a idrogeno assicurano agli automobilisti un’esperienza di guida molto più simile a quella di tradizionali veicoli con motore a combustione rispetto a quella che i veicoli elettrici sono in grado di offrire. L’autonomia e i tempi di rifornimento delle vetture a idrogeno sono del tutto confrontabili con quelli dei veicoli tradizionali e il loro utilizzo permette di ridurre le emissioni di anidride carbonica rispetto ai veicoli con motore a combustione interna, a patto che l’idrogeno venga prodotto mediante elettrolisi ed utilizzando energie rinnovabili. Essendo veicoli sostanzialmente elettrici, offrono un’esperienza di guida simile a quella dei veicoli elettrici e possono beneficiare di molti dei progressi, a livello sia di motore sia di elettronica, che stanno caratterizzando il mondo della trazione elettrica. La domanda da porsi a questo punto è abbastanza ovvia: quale sarà la tecnologia vincente? Per rispondere al quesito è necessario guardare al futuro, che è il tema del blog finale di questa serie.

Mark Patrick, Mouser Electronics

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