Idrogeno per auto: la produzione in loco risolverà i problemi di trasporto?

L’idrogeno sarà più conveniente se prodotto con fonti rinnovabili al distributore. Il progetto di ITM Power archivia i problemi delle auto fuel cell

Idrogeno per auto: la produzione in loco risolverà i problemi di trasporto?
L'azienda inglese  ITM Power PLC che produce elettrolizzatori,  ha previsto grossi investimenti sulla mobilità a idrogeno. Negli ultimi anni abbiamo assistito ad un rallentamento nella sviluppo della tecnologia fuelcell sugli autoveicoli, legato al fatto che il trasporto e lo stoccaggio dell'idrogeno comportano grossi rischi e molte difficoltà. Invece la ITM Power ha ottenuto un finanziamento sui fondi Horizon 2020  e prevede di realizzare investimenti per  35milioni di euro  per  stazioni di rifornimento idrogeno europeo H2ME2. La peculiarità di questa tecnologia è che l'idrogeno viene prodotto sul posto per elettrolisi nel momento del rifornimento eliminando in tal modo la pericolosità dello stoccaggio e del trasporto. Un ambizioso progetto internazionale  multi-partner  il cui obiettivo  è dimostrare che l'idrogeno può supportare le esigenze di trasporto futuro in Europa. Il progetto  prende il nome da Idrogeno Mobility Europe (H2ME2) e prevede la distribuzione di 1.195 veicoli fuelcell a idrogeno. Il programma FuelCells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) è finanziato da  produttori di celle a combustibile nell'ambito di Horizon 2020. ITM Power riceverà 5 milioni di euro dal progetto e realizzerà  tre nuove stazioni  di rifornimento di idrogeno (HRS) a doppia pressione per espandere la rete di rifornimento nazionale nel Regno Unito.

IDROGENO DAGLI IDROCARBURI

In via preliminare è opportuno precisare un concetto forse non del tutto noto. I veicoli cosiddetti a idrogeno, con celle a combustibile (FCV) utilizzano per la trazione i motori elettrici alimentati da batterie, così come avviene sulle normali auto elettriche. Su queste ultime le batterie devono essere ricaricate periodicamente mediante la rete elettrica, mentre sulle auto con fuelcell alimentate da idrogeno e ossigeno, sono queste che generano corrente per caricare le batterie e alimentare il motore elettrico. L'idrogeno necessario è contenuto a pressione elevata in bombole ad alta resistenza, mentre l'ossigeno è prelevato direttamente dall'aria. Dunque i veicoli FCV restano fondamentalmente a trazione elettrica, cambia solo la fonte di ricarica diretta, sebbene, a monte, si ricorra comunque all'energia elettrica di rete per produrre idrogeno. Infatti l'idrogeno puro non esiste in natura, quindi bisogna produrlo utilizzando altre fonti energetiche. Oltre il 60 % della produzione industriale di idrogeno proviene da fonti fossili o petrolifere (carbone, idrocarburi, metano o come sottoprodotto di raffinerie). Questo è il metodo economicamente più conveniente e redditizio utilizzando lo SteamReforming (processo catalitico con vapor d'acqua) o  il Thermal Cracking (gassificazione del carbone).

L'ELETTROLISI DA FONTI RINNOVABILI

La produzione di idrogeno da fonti rinnovabili (eolico, solare, idroelettrico) non è economicamente conveniente rispetto ai processi da fonti fossili, salvo che non si sfrutti il surplus di energia elettrica non utilizzata per altri scopi. Tale metodologia prevede la produzione di energia elettrica per ottenere idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua. Questo processo richiede molta energia elettrica (che incide per l'80% del costo) per ottenere la scissione della molecola dell'acqua (H2O) negli elementi che la compongono: l'idrogeno (H2) e l'ossigeno (O2). Tuttavia la produzione di idrogeno mediante impianti di elettrolisi sul posto di erogazione, consente di eliminare le fasi critiche del trasporto e dello stoccaggio del gas. In tempi più recenti sono stati introdotti altri sistemi di produzione d'idrogeno " on demand" come il Power Ball System e il Millennium Cell. I fautori del sistema elettrolitico sostengono che i costi di produzione dell'idrogeno  si possono abbassare notevolmente se si sfruttasse il surplus di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili (eolico, fotovoltaico, idroelettrico), che resterebbe inutilizzata. In questo modo si eviterebbe peraltro l'emissione di CO2 e altri elementi inquinanti per produrre idrogeno da fonti fossili.

LE FUEL CELL

Il principio di funzionamento delle celle a combustibile (fuelcell) è noto fin dal 1839 per merito del fisico inglese William Grove. Tuttavia, le prime valide applicazioni pratiche sono apparse oltre un secolo dopo  nelle missioni spaziali NASA degli anni '60. La fuelcell realizza il processo inverso ottenuto dall'elettrolisi dell'acqua: partendo dalla reazione chimica tra idrogeno e ossigeno si produce energia elettrica. La struttura elementare comprende due  piastre in materiale poroso (gli elettrodi catodo + e anodo -) in carbonio-platino-palladio separati da uno strato catalizzatore che favorisce la reazione di base per produrre elettroni dall'idrogeno sull'anodo. Questi raggiungono il catodo tramite il circuito e reagiscono con l'ossigeno e l'idrogeno. Tra gli elettrodi è inserita una membrana elettrolitica in Nafion (simile al Teflon) che consente solo il passaggio di ioni positivi H+. L'idrogeno proveniente dal serbatoio raggiuge l'anodo, mentre l'ossigeno (aria atmosferica) investe il catodo. L'energia chimica genera corrente secondo le seguenti reazioni:
(all'anodo)  H2 > 2H+ 2e-
(al catodo)  O2+ 4H+ 4e- > 2H2O
Le celle tipo PEM per applicazioni automobilistiche lavorano entro un range di temperatura di 60-100°C.

PREVISIONI  SURREALI

Qui entriamo nel campo dei ben noti proclami ambientalisti  che non costano nulla ai politici eco-compatibili europei che vanno e vengono.  Secondo il Comitato di Indirizzo Strategico di Mobilità Idrogeno Italia (MH2IT), organismo che riunisce i principali soggetti del settore, nel 2025 (vale a dire tra soli 9 anni) ci saranno in Italia 27.000 veicoli a idrogeno con celle a combustibile e 8,5 milioni al 2050, affiancati da 23.000 autobus (25% del parco bus), riforniti da 5.000 stazioni. Questa previsione, a dir poco ottimistica, è contenuta nel Piano Nazionale per la Mobilità a Idrogeno che il Governo presenterà alla Commissione Europea entro novembre, come previsto dalla direttiva europea sullo sviluppo del mercato dei combustibili alternativi. Per gli autobus si parla di un'autonomia di 450 km con un pieno (8-9 kg per 100 km) e tempi di rifornimento inferiori ai 10 minuti. Nell'attesa, aspettiamo le annunciate 20 mila colonnine di ricarica rapida per i veicoli elettrici entro il 2020 (tra appena 4 anni). A conferma delle previsioni assolutamente fantasiose degli "esperti" europei, è appena il caso di ricordare che fra gli obiettivi compresi nel programma " Energia pulita per il trasporto" voluto nel 2013 dalla Commissione Europea, vi erano per l'Italia almeno 130 mila auto elettriche circolanti entro il 2015 e 125 mila punti di ricarica entro il 2020. Inutile dire che la realtà verificabile ad oggi è lontana anni luce da questi dati.

IN ITALIA UN SOLO PUNTO DI RIFORNIMENTO

Intanto la situazione attuale nel territorio nazionale è la seguente: esiste dallo scorso anno una sola stazione di rifornimento di idrogeno idonea per autoveicoli e si trova nell'area di servizio Bolzano sud dell'autostrada del Brennero. Al progetto hanno contribuito un pool di una decina di aziende private che poco o nulla hanno a che vedere con le auto tranne la Hyundai che ha fornito in comodato gratuito alla municipalità di Bolzano 10 ix35 Fuel Cell. Queste dovrebbero essere, ad oggi, le uniche auto a idrogeno circolanti in Italia, mentre in Europa non arrivano a 200 circa. Peraltro bisognerebbe modificare la legislazione italiana la quale prevede una pressione max. di erogazione dell'idrogeno di 350 bar, del tutto insufficiente per gli impianti fuelcell più evoluti con serbatoi di idrogeno compresso a 700 bar.

QUANTO COSTA L'IDROGENO?

Non abbiamo notizie sul costo unitario al kg dell'idrogeno per autotrazione in Italia; forse non è stato neanche fissato per mancanza di utilizzatori. Sappiamo che in Germania il prezzo al pubblico è di circa 9,5 euro al kg.Tanto per fare un esempio pratico, Toyota dichiara per la Mirai fuelcell (in vendita in Germania al prezzo di 66 mila euro + tasse), un consumo omologato di idrogeno di 0,76 kg/100 km che su strada  diventa circa 1,2 kg/100 km con un'autonomia dichiarata di 550 km che diventano circa 480 km nella pratica e un tempo di ricarica di 3 minuti. Il consumo dichiarato della Hyundai ix 35 FC è di 105 km/kg H2.

IL PROBLEMA DEI SERBATOI

L'idrogeno è un gas che presenta la minore energia per unità di volume. Per questo motivo è necessario comprimerlo a elevate pressioni (fino a 700 bar) in serbatoi ad alta resistenza. Sugli autoveicoli attualmente realizzati sono adottati in genere 2 serbatoi da 60 litri in materiale composito (alluminio o fibra di carbonio + strato esterno in fibra di vetro, vedi immagine allegata). In caso di  incidente, gli eventuali danni a un serbatoio sarebbero chiaramente visibili su questo strato.I serbatoi della Toyota Mirai sono stati progettati per resistere fino al 225% della loro pressione operativa: un margine di sicurezza decisamente alto. Nel caso di una perdita, la Mirai è dotata di sensori ad alta sensibilità che rilevano il più piccolo quantitativo di idrogeno. Sono stati installati in posizioni strategiche per rilevare immediatamente la presenza del gas all'esterno. Nella eventualità di una perdita nel sistema di alimentazione, i sensori chiudono immediatamente le valvole di sicurezza e spengono il veicolo.

LA SICUREZZA DURANTE IL RIFORNIMENTO

Il rifornimento è una fase cruciale perché richiede l'intervento umano e, per sua natura, può causare situazioni impreviste e pericolose. La velocità del rifornimento è regolata in modo attento per evitare il surriscaldamento durante l'erogazione del gas. I sensori di temperatura installati nei serbatoi di idrogeno del veicolo monitorano che la temperatura non aumenti in modo eccessivo. Gli standard internazionali SAE J2601, SAE J2799 e ISO 17268 stabiliscono i limiti di sicurezza e i requisiti prestazionali per gli erogatori di idrogeno. Tra i parametri vi sono la temperatura massima del carburante sull'ugello dell'erogatore, la velocità massima del flusso e la velocità massima per l'aumento della pressione. In conclusione, i veicoli che sfruttano le fuelcell sono in grado di assicurare un'autonomia ben superiore a quella delle auto elettriche con batterie, con tempi di rifornimento rapidi e non penalizzanti come i lunghi tempi di ricarica delle elettriche classiche. Tuttavia, l'autonomia dei veicoli FC non è ancora allo stesso livello delle auto con motore endotermico. Resta da risolvere, allo stato dell'arte, La mancanza delle infrastrutture per i rifornimenti, i costi molto elevati delle auto e il prezzo unitario, già non indifferente, dell'idrogeno alla pompa, destinato un domani certamente a salire, specie in Italia, per la prevedibile alta tassazione imposta dallo Stato. Inoltre, la presenza di incentivi o finanziamenti  governativi, sarebbe la riprova che tale attività, svincolata dai sostegni di Stato, sarebbe in pura perdita, dunque antieconomica per qualsiasi soggetto privato. Dal punto di vista delle fonti energetiche utilizzate per produrre idrogeno, sarà problematica una  effettiva distinzione tra fonti rinnovabili e non, salvo che non prevalga la solita demagogia di facciata, quella del gioco delle tre carte.

Pubblicato in L'esperto di SicurAUTO il 19 Luglio 2016 | Autore: Bruno Pellegrini


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