Come funziona un'auto a idrogeno

Alessandro Nodari
Alessandro Nodari
Come funziona un'auto a idrogeno

Le auto elettriche a batteria sono i veicoli al momento più popolari per combattere l'inquinamento, ma non sono esenti da difetti, soprattutto legati alle limitazioni fisiche delle batterie e all'approvvigionamento di elettricità. 

Ecco perché alcuni produttori pensano a un'alternativa: le auto con celle a combustibile, specialmente quelle alimentate a idrogeno. Ma come funziona un'auto a idrogeno?

L'idea non è esattamente nuova, se si pensa che già nel 1807 venne disegnato il primo motore a idrogeno (anche se oggettivamente molto diverso da quelli attuali), ma ci sono ancora molti problemi tecnici da risolvere, ed ecco perché questa soluzione non è molto diffusa. Andiamo a scoprire perché, oltre a ricordarvi il nostro approfondimento sulle auto Fuel-Cell.

Indice

Cos'è un'auto a idrogeno

Un'auto a idrogeno è un tipo particolare di veicolo con celle a combustibile (FCEV, fuel-cell electric vehicle), ovvero veicoli che convertono l'energia sviluppata da una reazione chimica in elettricità, che a sua volta alimenta un motore elettrico.

Quindi le auto a idrogeno sono auto elettriche, solo che invece di utilizzare come fonte di energia una batteria, utilizzano una cella a combustibile, il cui combustibile è, appunto, l'idrogeno. 

Le auto Fuel Cell liberano energia da una reazione di tipo redox che utilizza un catalizzatore (in genere il platino) usato per combinare due reagenti, un combustibile (in genere idrogeno) e un agente ossidante (in genere ossigeno). Questa reazione genera un flusso di elettroni (elettricità), che viene usata per alimentare il motore elettrico.

L'idea di utilizzare l'idrogeno per alimentare un motore ha radici profonde. Già nel 1807 Francois Isaac de Rivaz progettò il primo motore a combustione interna alimentato a idrogeno, e un secolo e mezzo dopo, Roger Billings convertì il motore di una Ford Model A per funzionare a idrogeno. Stiamo parlando di motori a combustione, perché l'idrogeno è altamente infiammabile, e per lo stesso motivo è stato utilizzato dagli anni '60 per inviare i razzi della NASA nello spazio.

In anni più recenti, si è pensato invece di utilizzare l'idrogeno come combustibile per una reazione chimica con l'ossigeno. 

A differenza delle auto a benzina, le auto a idrogeno non producono emissioni nocive (producono acqua), e sono dotate di serbatoi di idrogeno simili a quelli di carburante delle auto normali.

Andiamo a vedere come funziona questo gruppo propulsore.

Come funziona un'auto a idrogeno

Come funziona effettivamente un'auto a idrogeno?

Come abbiamo detto, nel passato si era pensato di utilizzare questo elemento come combustibile per un'auto a combustione interna (con motore specializzato o convertito), ovvero come sostituto diretto della benzina o del diesel. In questo caso, l'idrogeno pressurizzato viene iniettato direttamente nella camera di combustione di un motore e la combustione avviene come in un normale motore endotermico.

Usare l'idrogeno in questo modo non è molto comune, soprattutto perché non è denso di energia come la benzina, ma la combustione dell'idrogeno produce meno emissioni, e lo scarico principale è acqua, con molti meno gas NOx tossici provenienti dal calore prodotto dal motore.

Mazda e Aston Martin hanno realizzato esperimenti di questo tipo, ma poi si è pensato che l'idrogeno si potesse sfruttare come combustibile per generare elettricità. 

Come funziona un'auto a idrogeno

Abbiamo già anticipato che le celle a combustibile a idrogeno funzionano in modo simile alle batterie agli ioni di litio, ma mentre l'energia nelle batterie viene immagazzinata attraverso una reazione chimica, l'energia nelle celle a idrogeno proviene dall'idrogeno.

Questo è immagazzinato in un serbatoio e viene immesso nella cella come combustibile. Una cella infatti è costituita da tre parti: un elettrolita (una membrana di scambio protonico, PEM), un anodo e un catodo. L'idrogeno viene forzato dalla pressione verso il terminale dell'anodo di platino che funge da catalizzatore, dividendo gli ioni idrogeno positivi dal gas.

Questi ioni fluiscono attraverso l'elettrolita, la membrana, che conduce solo ioni caricati positivamente, mentre blocca gli elettroni. Per questo al catodo si accumula una carica positiva. Poiché gli elettroni separati non possono fluire attraverso l'elettrolita, l'anodo conduce gli elettroni attraverso un circuito esterno, generando una corrente utilizzata per alimentare un motore elettrico, in tutto e per tutto simile a quello di un'auto elettrica a batteria.

Questa è la reazione che avviene all'anodo: 2H2 → 4H+ + 4e–

Nel frattempo, l'ossigeno viene forzato attraverso il catalizzatore dal lato del catodo, dove la carica negativa degli atomi attira gli atomi di idrogeno che sono stati spinti attraverso il circuito esterno, e a questo punto gli ioni idrogeno e l'ossigeno si ricombinano per formare acqua.

Questa è la reazione: 2H2 + O2 → 2H2O

Come tutte le reazioni, infatti, anche questa ha un prodotto di scarto, ovviamente, ma non è assolutamente tossico perché si tratta di acqua pura sotto forma di vapore acqueo. 

Le celle a combustibile a idrogeno usano materiali diversi per il catalizzatore, ma principalmente vengono impiegate nanoparticelle di platino. Queste nanoparticelle sono poste di fronte al PEM, mentre il catalizzatore è ruvido e poroso in modo da esporre la massima superficie all'idrogeno o all'ossigeno.

Fisicamente, abbiamo quindi un serbatoio per l'idrogeno, che deve essere mantenuto a determinate pressioni e temperature, oltre che protetto dagli urti, in quanto potenzialmente esplosivo, e le celle a combustibile, che sono disposte in pile incorporate nello stesso modulo protetto, così come la gestione di aria e acqua.

Come funziona un'auto a idrogeno

Il vantaggio di questo sistema è che il rifornimento di idrogeno è come quello a benzina, ovvero avviene in pochi minuti, e si ha un'auto a emissioni zero come un'auto elettrica a batteria. 

Prezzi auto a idrogeno in commercio

Cos’è un’auto Fuel-Cell (FCEV)

Il problema del meccanismo sopra esposto è l'idrogeno, perché pur essendo ampiamente disponibile è sempre legato ad altri elementi, mentre noi abbiamo bisogno dell'idrogeno puro. 

Questo processo è molto dispendioso, così come è dispendioso trasportare e mantenere l'idrogeno a pressione e temperatura adeguata, il che ne limita la diffusione, sia per quanto riguarda la rete di rifornimento che per quanto riguarda i veicoli.

Al momento in Italia sono due le auto a idrogeno in vendita.

La Toyota Mirai offre un motore elettrico da 182 CV e 300 Nm di coppia e un'autonomia fino a 650 km. La vettura è dotata di tre serbatoi posizionati a T, con uno grande centrale disposto longitudinalmente e due più piccoli posizionati lateralmente sotto la panca della seconda fila e il bagagliaio, in grado di contenere 5,6 kg di idrogeno.

Il prezzo di listino parte da 66.000 euro e arriva a 76.000 euro.

L'altra vettura è di Hyundai, la Nexo, che monta un motore elettrico da 163 CV e 395 Nm e una batteria da 1,56 kWh. L'autonomia in ciclo WLTP è di 666 km. I prezzi partono da 77.900 euro per la versione XLine e arrivano a 80.900 euro per la versione XClass.

Autonomia auto a idrogeno

In teoria, le auto a idrogeno potrebbero avere un'autonomia simile a quella delle auto a carburante, ma in pratica ci sono alcuni limiti. Il primo è l'energia. L'idrogeno non è così energetico come la benzina, il che comporta che il processo non sia così efficiente.

Mentre un'auto elettrica ha un'efficienza dell'80%, un'auto a idrogeno ha un'efficienza intorno al 40%, molto simile a quella di un'auto a combustione particolarmente efficiente (in cui varia dal 20 al 35-40%). Inoltre c'è il problema del peso, dato dalle le componenti per garantire che l'idrogeno non esploda e sia sempre a temperatura e pressione giuste.

Questo vuol dire che come abbiamo visto sopra l'autonomia di un'auto a idrogeno in commercio si assesta intorno ai 650 km in ciclo WLTP, che comunque è in linea con le auto elettriche con più autonomia. 

Giusto per ripetere i numeri, ecco le autonomie della auto a idrogeno in commercio:

  • Toyota Mirai: 650 km
  • Hyundai Nexo: 666 km.

Problemi auto a idrogeno: i pro e contro

Quindi le auto a idrogeno offrono molti vantaggi, ma allo stato attuale gli svantaggi dovuti ai limiti tecnologici sono piuttosto importanti. Andiamo a scoprirli entrambi.

Pro

Il vantaggio più ovvio dei veicoli a idrogeno è la mancanza di emissioni e sottoprodotti prodotti dalla reazione chimica. 

Il secondo vantaggio è la velocità di rifornimento: il "serbatoio" può essere riempito in pochi minuti. 

Inoltre, poiché le celle a combustibile non si degradano come le batterie agli ioni di litio, possono durare la vita di un'auto, più di 200.000 km.

Il limite è dato dalla membrana (PEM), la cui vita operativa è di circa 7.300 ore. Inoltre possono anche essere riciclate più facilmente delle batterie.

Contro

Ci sono però anche una serie di svantaggi, che spiegano la scarsa diffusione di questi veicoli. Non ci sono stazioni di rifornimento: in Italia ce ne sono solo due, una a Bolzano e una a Mestre.

Rispetto alla rete di ricarica, che cresce a un ritmo del 30% l'anno, lo sviluppo dell'idrogeno è praticamente fermo.

Inoltre le auto a idrogeno sono dotate di una piccola batteria, ma sufficiente per pochissimi km e non certo per gli spostamenti. 

Il trasporto dell'idrogeno è complicato: i serbatoi delle auto devono essere estremamente resistenti agli urti, rendendoli più complessi da progettare rispetto ai serbatoi di benzina. Per lo stesso motivo, è anche difficile trasportare l'idrogeno alle stazioni di rifornimento, tramite cisterna o oleodotto.

Lo stoccaggio dell'idrogeno richiede più energia per raffreddarlo allo stato liquido o per metterlo in serbatoi ad alta pressione, e fornire l'idrogeno alle stazioni di rifornimento richiede più energia e può rilasciare più carbonio.

Il problema è poi l'idrogeno stesso: produrlo consuma energia e crea gas di scarto. Se infatti si separa l'idrogeno dall'acqua c'è bisogno di molta energia, rendendo il processo economicamente non attuabile. Attualmente l'idrogeno (95% del totale) si produce dal metano gassoso attraverso una reazione esotermica, che comporta la produzione di anidride carbonica, in quanto è sostanzialmente una combustione di un combustibile fossile. Non proprio il massimo per un'energia pulita.

Anche il costo è un fattore negativo: l'idrogeno è costoso, costa più per chilogrammo e per chilometro della benzina e dell'elettricità. Infatti l'idrogeno necessario per spostare un FCV un chilometro costa circa otto volte l'elettricità necessaria per spostare un BEV alla stessa distanza.

E dato che non è così denso di energia, probabilmente avrete bisogno di fare rifornimento più spesso.

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