3) Le possibili applicazioni

Dopo aver preso contatto con natura e produzione, e le modalità di stoccaggio e distibuzione dell'idrogeno, vediamone le applicazioni pratiche relative all'autotrazione. Insomma, cerchiamo di capire come usarlo.
Le tipologie di sfruttamento dell'idrogeno sono essenzialmente due: la prima prevede la combustione in normali motori endotermici, mentre la seconda è un po' più raffinata e ne prevede l'utilizzo in particolari apparati, chiamati celle a combustibile (fuel cell), in cui avviene la conversione di idrogeno e ossigeno in energia elettrica.
In entrambi i casi, il prodotto di scarto è, essenzialmente, acqua.

FUEL CELL

Siamo al cospetto di un generatore elettrochimico in grado di produrre energia elettrica, acqua e calore, in modo continuo e a seguito di reazioni chimiche ottenute mediante un gas riducente ed un ossidante. Sono utilizzate in ambito aerospaziale sin dalla fine degli anni Sessanta e oggi trovano larga applicazione anche in ambito militare: l'acqua bevuta dagli astronauti sullo Shuttle è il prodotto di scarto delle fuel cell, mentre, i sottomarini utilizzano generatori a fuel cell perché contribuiscono a ridurre la visibilità degli stessi a rilevatori ad infrarossi.
Fisicamente, una cella è composta da un anodo (polo negativo) ed un catodo (polo positivo), tra i quali è inserito un elemento elettrolita. Il gas riducente, in questo caso l'idrogeno, viene pompato verso l'anodo, mentre l'ossidante - l'ossigeno - viene convogliato al polo opposto.

Vediamo, di seguito, l'ipotetica reazione di un atomo di idrogeno con l'ossigeno presente nell'aria (per capirne il funzionamento, dobbiamo ricordarci che un atomo di idrogeno è composto da un protone, un neutrone ed un elettrone e che ogni molecola contiene due atomi).

Generazione

• Un H2 (molecola di idrogeno) viene convogliato verso l'anodo, contemporaneamente, un O2 (molecola di ossigeno) viene inviato al catodo. La membrana elettrolitica presente tra i due, permette il passaggio dei soli protoni dall'anodo al catodo. In altre parole, un H2 si trasforma in 2H+, ovvero due ioni di idrogeno, e in 2e-, due elettroni;
• I 2H+ migrano, attraverso l'elettrolita, in direzione del catodo, mentre i 2e- si raccolgono attorno all'anodo, generando una corrente elettrica. Anodo e catodo sono collegati da un conduttore e i 2e-, quindi, si spostano naturalmente verso il catodo, dove si completa la reazione;
• Grazie ad un catalizzatore che, ricordiamo, è un elemento deputato ad accelerare determinati processi chimici, i 2H+ e i 2e- reagiscono con ½ O2, generando a valle del catodo una molecola, H20, ovvero acqua, mentre il passaggio dei 2H+ attraverso l'elettrolita, produce calore. Il calore, infatti, è il secondo prodotto di scarto della fuel cell. Siccome, ovviamente il flusso di atomi è continuo, la corrente elettrica che si crea può essere utilizzata, da cui l'utilità della cella in quanto generatore di corrente elettrica.

Ogni singola cella produce circa 0.6 Volt e, per ottenere una potenza accettabile, si utilizzano stack composti da numerose celle collegate in serie.

Il processo esemplificato è relativo ad una cella a combustibile di tipo PEM, ovvero, con membrana polimerica a scambio protonico, che prevede il passaggio dei soli ioni di idrogeno. Le PEM FC, sono le celle a combustibile il cui stato di sviluppo è cresciuto maggiormente negli ultimi anni e sono, praticamente, prossime all'industrializzazione su larga scala, processo che ne abbatterà decisamente il costo.
Attualmente, una cella di questo tipo lavora in un intervallo di temperature compreso tra i 70 e 100 °C e i catalizzatori utilizzano una discreta quantità di platino: due caratteristiche che contribuiscono a limitarne l'efficacia e a mantenerne elevato il prezzo. Tuttavia, in futuro non è escluso il ricorso a nuovi catalizzatori e a materiali innovativi, che miglioreranno la situazione dal punto di vista dei costi e dell'efficienza. Gli obiettivi, in ambito automobilistico, sono finalizzati all'ottenimento di PEM FC dal costo variabile tra i 50 e i 100 Euro/kW, con una garanzia di 5000/7000 ore di funzionamento, corrispondenti circa a 100/150 mila km. Oggettivamente, si tratta di un traguardo non elevatissimo che acquista (notevole) valore solo se lo si esamina nel contesto di una tecnologia ancora in gran parte sperimentale.

Oltre alla fuel cell di tipo PEM, esistono altri tipi di celle, che prevedono l'utilizzo di elettroliti con Acido Fosforico (PA FC), Carbonati di Litio e Potassio (MC FC), Ossidi Solidi (SO FC), Alcalini (A FC) e Metanolo (DM FC).

Come già accennato, il maggior inconveniente delle fuel cell, risiede nelle temperature di esercizio. Tutte lavorano entro range ben determinati, (le SO FC raggiungono anche i 1000 °C) e perdono progressivamente efficacia, al variare della temperatura ambientale: climi estremamente caldi o freddi ne limitano notevolmente l'efficienza fino, in alcuni casi, a bloccarne il processo (se non si ricorre ad appositi dispositivi di riscaldamento o dissipatori di calore, a seconda delle situazioni): ad esempio, a bassa temperatura, si riduce la permeabilità delle membrane elettrolitiche e aumenta la resistenza al passaggio della corrente elettrica; inoltre, quando si è sotto lo zero, l'acqua tende a congelare a valle del polo positivo, non può più essere espulsa e si rischia, letteralmente, di "annegare" la cella, bloccando il ciclo di funzionamento della cella stessa.

APPLICAZIONI DELLE FUEL CELL

Le applicazioni delle FC si traducono essenzialmente nella sostituzione degli accumulatori, e dei bruciatori per il riscaldamento dell'abitacolo, su vetture a propulsione elettrica. La ricerca delle case automobilistice in ambito fuel cell è certamente quella che vede impegnati il maggior numero di costruttori.

Fiat

Dedichiamo l'apertura della rassegna relativa alle applicazioni al costruttore di casa nostra. In ambito internazionale, infatti, l'Italia è rappresentata dai prototipi Fiat su base Seicento (il primo, a due posti, realizzato su meccanica Seicento Elettra, e il secondo ben più realistico, con meccanica realizzata ex novo, quattro posti e circa 120 km di autonomia) e la ricerca continua con applicazioni sulla Panda.
In questo caso, c'è un notevole salto di qualità rispetto alla vetusta Seicento. Il sistema è alimentato da idrogeno e aria compressa. L'idrogeno è stivato in due serbatoi da 350 bar in materiali compositi, attualmente non ancora previsti dalle nostre norme di omologazione, uno situato sotto il tunnel centrale ed un altro sotto la panchetta posteriore, in modo da preservare le doti di abitabilità dell'utilitaria torinese. Interessanti le prestazioni. Il sistema eroga 40 kW e permette alla Panda di raggiungere i 130 orari di velocità massima e un'accelerazione da 0 a 50 km/h in meno di 7 secondi. L'autonomia è nell'ordine dei 220 km.

General Motors

GM, ha un programma decisamente ben delineato, che prevede la produzione in serie di veicoli alimentati a fuel cell a partire dal 2010. L'ultimo prototipo realizzato è su base Zafira, la GM Hydrogen3, che utilizza uno schema abbastanza semplice, con serbatoio ad alta pressione (690 bar) e fuel cell stack di tipo PEM, funzionante a 80/90 °C. L'efficienza è garantita fino a -20 °C (in cui il sistema è operativo in 30"), è la vettura raggiunge i 160 km/h di velocità massima, grazie ai 60 kW erogati dal motore (lo stack di FC produce 94 kW).
In ambito GM, però, le maggiori innovazioni sono introdotte dal S-10, un pick-up alimentato a fuel cell, dotato di impianto di reforming, in grado di produrre idrogeno dalla benzina aggirando, quindi, limiti derivati da una rete distributiva inesistente. Permane, tuttavia, in quest'ambito, quanto detto nel primo capitolo, ovvero la fondamentale inutilità di un sistema di questo tipo, ragionando in termini di emissioni zero (in questo caso è prodotta anche una certa quantità anidride carbonica) e nell'ottica di un'economia "no-oil", totalmente svincolata dal legame con i combustibili fossili.

Daimler-Chrysler

Oltre ai famosissimi prototipi "NeCar", da circa un decennio protagonisti tra i veicoli alimentati a fuel-cell, il gruppo Daimler-Chrysler utilizza la tecnologia del reforming sul prototipo Jeep Commander. Si tratta di un particolare tipo di reforming che richiede, all'avvio, una certa quantità di calore. Impiegati, in questo caso, sono il metanolo e l'acqua, che devono essere utilizzati allo stato gassoso (si parla di Steam Reforming). Permangono i problemi relativi alla complessità del sistema e alla produzione di anidride carbonica.

Ford

Anche la Ford ha realizzato la sue ibride sperimentali a fuel cell. Si tratta di vetture su base Focus (in versione USA), le Focus FCEV, che utilizzano uno stack di celle che opera in concomitanza con un pacco di batterie ausiliarie, per migliorare le prestazioni offerte dalle celle.

Honda e Toyota

Più avanti, rispetto ai colossi euro-americani, sono i giapponesi. La ricerca Honda, ad esempio, in appena cinque anni ha prodotto il veicolo FCX. Dotato della tecnologia più semplice: serbatoio ad alta pressione (345 bar) e fuel cell. La novità risiede nella maggiore efficacia delle celle di tipo PEM, operanti senza problemi a temperature ambientali comprese tra i -20 e i 90 °C, e nella gestione dell'energia, che prevede dei particolari condensatori per fornire i picchi energetici necessari alle accelerazioni (dove gli altri costruttori prevedono un pacco di accumulatori ausiliari). Prestazioni di rilievo: 150 km/h di punta velocistica e 395 km di autonomia sul ciclo misto americano. Due flotte, composte da tre FCX ciascuna, sono operative in Giappone e in USA. Proibitivi, ancora, i costi: 10.000 USD al mese per veicolo, con contratto di leasing (compresa l'assistenza).
A livelli omologhi opera la Toyota, che ha realizzato il suo FCHV su base Higlander, un grosso SUV. Minore, in questo caso, l'efficienza delle celle, operanti a temperature comprese tra 0 e 40 °C e, per questo, bisognose di un sistema di raffreddamento. Vista la criticità dell'avviamento delle celle a temperature sotto lo zero, il Toyota FCHV prevede un pacco di batterie ausiliarie, di derivazione Prius, per garantire l'avviamento in ogni condizione. L'idrogeno è stivato anche qui in serbatoi da 345 bar. Vista la mole del veicolo, di rilievo le prestazioni, con 155 orari di velocità raggiungibile e 290 km di autonomia. Le due flotte realizzate, una in Giappone e l'altra in California, dispongono di veicoli noleggiabili allo stesso costo della FCX Honda.

L'IDROGENO NEI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA

Questa soluzione è la più semplice e quella più facilmente realizzabile, per l'utilizzo su larga scala dell'idrogeno. Attualmente esistono tutte le tecnologie necessarie per una diffusione capillare delle vetture ad idrogeno di questo tipo. Ci sono tecnologie valide per i serbatoi ad alta pressione e/o criogenici e la conversione all'idrogeno non comporta nessuna variazione sostanziale nel propulsore: è assimilabile ad una trasformazione a gas metano di ultima generazione.
La combustione dell'idrogeno in un motore ad accensione comandata, genera come prodotto di scarico soltanto vapore acqueo e una piccola percentuale di ossidi di azoto, generati dalle trasformazioni indotte all'aria utilizzata per la combustione, dalle alte temperature. Per inciso, gli ossidi di azoto non sono più classificati inquinanti, ormai da tempo. Sono prodotti in grandi quantità nei normali fenomeni elettrici che avvengono in atmosfera. Unico effetto sull'uomo è l'irritazione delle vie respiratorie, se inalati in opportune quantità e determinate concentrazioni, in soggetti predisposti.
L'unico limite nello sviluppo della motorizzazione ad idrogeno, quindi, in questo caso, risiede nelle normative di omologazione (attualmente in molti Stati, i veicoli ad idrogeno non sono omologabili, o non lo sono i sistemi di alimentazione o, ancora, non lo sono i serbatoi criogenici e quelli a pressioni superiori a 220 bar) e nella rete distributiva inesistente, con relativo costo proibitivo del carburante.

Questa tecnologia, stranamente, è stata sempre trascurata dalla maggior parte dei costruttori e solo la BMW è seriamente impegnata, da oltre 25 anni, nello sviluppo di motori endotermici alimentati ad idrogeno.
Dopo la prima serie 5 ad idrogeno, risalente al 1978, sono state numerose le berline bavaresi ad emettere acqua allo scarico. La prima flotta, prodotta in condizioni molto simili a quelle della produzione in serie, è stata realizzata nel 2000 con 15 BMW 750hL. Lo sviluppo culminerà con la consegna, nei prossimi anni, delle prime BMW Serie 7 a doppia alimentazione idrogeno/benzina, a personalità di rilievo, per sensibilizzare al massimo l'opinione pubblica su queste tecnologie. Tecnicamente, la casa tedesca ha presentato un prototipo da record, mosso da una specifica unità di V12 di sei litri, e stima di poter realizzare, grazia alla combinazione dell'idrogeno con un impianto di alimentazione particolarmente raffinato e il turbocompressore, un propulsore a combustione interna con un livello di efficienza prossimo al 50%: un record.
A corollario di questa tecnologia, pregevole e raffinata che, per le possibilità di essere industrializzata con grande facilità, forse merita maggiori attenzioni rispetto alle celle a combustibile, BMW ha sostituito sulle sue Serie7hL il tradizionale accumulatore (che in quest'ambito diventa un'autentica bomba ecologica), con un piccolo stack di fuel cell, dedicato all'alimentazione di tutti gli apparati elettrici di bordo.
Risultato: il riscaldamento è disponibile anche a motore spento, grazie al calore generato dalla cella, e si ha un risparmio in termini di consumo, pari a circa un litro ogni 100 chilometri.
Come BMW, anche la Mazda, punta all'idrogeno nei motori ad accensione comandata, in questo caso nel Wankel Renesis della RX8, anch'essa dotata di doppia alimentazione, mentre la capogruppo Ford ha presentato qualche mese fa la sua interpretazione del motore a combustione interna alimentato ad idrogeno. Sulla scocca della C-Max, è stato installato un quattro cilindri da 2.3 litri di cilindrata alimentato da ben 3 serbatoi da 350 bar che forniscono al propulsore idrogeno alla pressione di 5,5 bar, ottenuta mediante riduttore. La C-Max a idrogeno riesce a stivare 2,75 kg di gas, sufficienti a percorrere circa 200 km. Interessante il sistema di regolazione della carburazione che, grazie alla possibilità di variare la concentrazione di idrogeno nella miscela da un minimo del 4% fino al 70%, riesce ad ottimizzare le emissioni di ossidi di azoto.



Siamo giunti, dunque, alla fine di questo lungo percorso.
Alla luce di tutto questo, cosa altro dire? Che sicuramente siamo coscienti, con gli attuali ritmi di sviluppo, che per rilevare un timido inizio della motorizzazione ad idrogeno, che ci libererà di tante catene (si spera...), dovremo attendere ancora una decina d'anni; e che, allo stesso modo, dovremmo vergognarci, almeno un po', di sentire ancora quell'insopportabile odore che vien fuori dal serbatoio ogni volta che facciamo il pieno...

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