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Celle a combustibile a idrogeno: le risposte a tutte le tue domande

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Vi è notevole interesse sull'idrogeno e sono in tanti a chiedersi se, in futuro, sarà in grado di sostituire il diesel. Ma come funziona la tecnologia? Quali sono i vantaggi e gli svantaggi dell'idrogeno? Come riesce ad avere la meglio sui veicoli elettrici? Ecco le risposte ad alcune delle domande più comuni sulle celle a combustibile a idrogeno.

Che cos'è l'idrogeno e perché vi è così tanto interesse a riguardo?

L'idrogeno è un elemento chimico che fa parte di molti composti naturali, compresa l'acqua. L'idrogeno (H2) utilizzato nei veicoli è un gas inodore e viene normalmente prodotto estraendo idrogeno dall'acqua o dal gas naturale.

Anche se oggi sembra suscitare molto clamore, la tecnologia a idrogeno non è una novità. L'idrogeno infatti è stato utilizzato per molto tempo per alimentare le navicelle spaziali. Tuttavia, stiamo assistendo a un rinnovato interesse grazie a una spinta alla decarbonizzazione dell'industria dei trasporti, al calo dei costi delle energie rinnovabili e a strategie più dettagliate dei governi di tutto il mondo per sviluppare ulteriormente la tecnologia.
 

Come viene prodotto il carburante a idrogeno?

Il processo di Steam methane reforming, o SMR, è il metodo più comune per produrre idrogeno su larga scala industriale. In questo processo il metano nel gas naturale reagisce con il vapore producendo idrogeno e monossido di carbonio. Il monossido di carbonio subisce ulteriori reazioni, generando una quantità maggiore di idrogeno. L'idrogeno può anche essere ricavato dall'acqua attraverso un processo chiamato elettrolisi, in cui l'acqua viene scissa in idrogeno e ossigeno per mezzo dell'elettricità.

Esistono anche altre fonti di idrogeno come la gassificazione della biomassa, dove la materia vegetale viene riscaldata e fatta reagire per produrre idrogeno e anidride carbonica, e la fermentazione, dove alcuni tipi di batteri generano idrogeno come parte del loro metabolismo. L'idrogeno può essere prodotto anche scindendo l'acqua in celle solari immerse nell'acqua.
 

Come viene distribuito il carburante a idrogeno?

Sebbene sia possibile distribuire l'idrogeno attraverso le condutture utilizzate per il gas naturale, la maggior parte dell'idrogeno utilizzato oggi come carburante viene prodotto in grandi impianti e quindi trasportato con speciali rimorchi a idrogeno liquido. L'idrogeno può anche essere generato nelle stazioni di rifornimento tramite SMR o elettrolisi, anche se questo approccio è generalmente meno efficace e costoso.
 

Come funziona una cella a combustibile a idrogeno?

Un veicolo a celle a combustibile funziona un po' come un motore a combustione interna, tranne per il fatto che il sistema non brucia l'idrogeno che estrae da un serbatoio pressurizzato, ma lo fonde con l'ossigeno per produrre elettricità, necessaria per alimentare un motore elettrico. Il processo avviene in una cella a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEM) costituita da gruppi di lamelle sottili, separate da membrane.

Come viene utilizzato l'idrogeno nei veicoli?

L'idrogeno può essere utilizzato per alimentare un motore a combustione interna, che è simile a un motore a gas naturale compresso (CNG). Un'altra soluzione consiste nell'utilizzare l'idrogeno in una cella a combustibile dove genera elettricità per alimentare il veicolo. L'idrogeno può essere utilizzato anche come cella a combustibile ausiliaria per estendere l'autonomia di un veicolo elettrico alimentato a batteria.
 

Quali sono alcuni dei vantaggi del carburante a idrogeno?

Quando l'idrogeno viene utilizzato per alimentare una cella a combustibile, gli unici sottoprodotti sono acqua e calore, senza inquinanti o gas serra. A seconda di come viene prodotto l'idrogeno, può essere un'alternativa estremamente ecologica al diesel. L'idrogeno è sorprendente: 80 kg di idrogeno possono fornire energia sufficiente per consentire a un camion un'autonomia di 800 km. Anche il processo di rifornimento dei veicoli a idrogeno è semplice e veloce.

La propulsione nei veicoli a celle a combustibile a idrogeno è elettrica. Ciò significa che l'esperienza di guida è simile a quella di un veicolo elettrico; nessun rumore di motore, una partenza veloce e la possibilità di recuperare energia in frenata.
 

Quali sono alcuni degli svantaggi del carburante a idrogeno?

L'idrogeno è molto reattivo, quindi tende a erodere altri materiali ed è anche altamente infiammabile, fattori che lo rendono difficile e costoso da trasportare. Un altro grosso problema è la mancanza di infrastrutture per l'idrogeno e il costo elevato per la loro costruzione. Ad oggi vi sono solamente 337 stazioni di rifornimento di idrogeno in tutto il mondo, la maggior parte in Germania e Giappone. Sebbene sia stato dimostrato che l'infrastruttura CNG esistente può essere utilizzata per trasportare e immagazzinare idrogeno, questa non è una buona soluzione per le celle a combustibile che devono funzionare con idrogeno molto pulito.

Le celle a combustibile a idrogeno sono anche costose da produrre poiché la produzione è ancora su piccola scala e prevede processi manuali. Un altro componente chiave del costo è il serbatoio dell'idrogeno, che è grande e occupa molto spazio. Infine, c'è il costo del carburante a idrogeno che è significativamente maggiore del diesel.
 

Quanto è ecologico l'idrogeno?

Quando l'idrogeno reagisce con l'ossigeno in una cella a combustibile, si forma solamente acqua. Quindi, quando un veicolo è alimentato da una cella a combustibile non vengono prodotte emissioni nocive dallo scarico. Tuttavia, qualsiasi misura che prende in considerazione l'impatto climatico deve anche tenere conto del processo di produzione dell'idrogeno, che è molto energivoro. La maggior parte dell'idrogeno oggi viene prodotta utilizzando carbone o gas naturale. Tuttavia, se l'elettricità utilizzata per la produzione proviene da fonti energetiche rinnovabili, il carburante a idrogeno può avere un'impronta di carbonio quasi neutra (noto come "idrogeno verde"). Un altro modo per ridurre l'impronta di idrogeno è la cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS), il processo mediante il quale le emissioni di CO2 dal metodo SMR vengono catturate, trasportate e stoccate permanentemente in profondità.
 

Veicoli a idrogeno e veicoli elettrici, come si confrontano?

Per avere successo, qualsiasi alternativa al diesel deve offrire un chiaro vantaggio in termini di costi, autonomia e disponibilità delle infrastrutture.  Ecco come le celle a combustibile a idrogeno vengono confrontate con i veicoli elettrici:

Costo: sia le celle a combustibile a idrogeno che le batterie agli ioni di litio sono entrambe più costose del diesel. Il costo delle batterie agli ioni di litio, tuttavia, sta diminuendo rapidamente. Bloomberg prevede che il punto di crossover, cioè il momento in cui i veicoli elettrici diventeranno più economici dei loro equivalenti con motore a combustione, potrebbe essere già nel 2022. Tuttavia, poiché lo sviluppo e il lancio dei veicoli a idrogeno sono stati limitati, è difficile misurare guadagni simili.

Durata: Le celle a combustibile a idrogeno hanno una maggiore densità di energia rispetto alle batterie e quindi forniscono una maggiore autonomia a un veicolo. Infatti il rapporto energia/peso di un serbatoio per idrogeno da 700 bar è dieci volte superiore a quello di una batteria. Le celle a combustibile a idrogeno sono anche più leggere delle batterie, il che significa che i veicoli a idrogeno possono gestire un carico utile maggiore.

Infrastruttura: lo sviluppo e la produzione di batterie agli ioni di litio hanno di gran lunga superato le celle a combustibile a idrogeno. I veicoli elettrici si sono dimostrati commercialmente sostenibili, in particolare nel trasporto urbano. Anche l'infrastruttura di rifornimento per i veicoli elettrici ha fatto grandi passi. Negli Stati Uniti, ad esempio, nel 2018 erano disponibili 20.000 stazioni di ricarica elettrica e meno di 45 stazioni di rifornimento di idrogeno.
 

I veicoli a idrogeno sostituiranno i veicoli diesel o elettrici?

L'idrogeno sta prendendo sempre più piede. La maggior parte delle principali aziende automobilistiche e di autotrasporti, tra cui Volvo Trucks, stanno ricercando e lavorando su soluzioni e stanno formando partenariati per sviluppare la tecnologia. Tuttavia, il settore automobilistico, non è il solo a rendersi conto del potenziale dell'idrogeno.

Con le crescenti preoccupazioni sui cambiamenti climatici e le richieste di una "ripresa verde" da COVID-19, i governi stanno mostrando un maggiore interesse (e investimenti) nei confronti dell'idrogeno. Proprio lo scorso maggio, l'UE ha diffuso un piano di recupero da 750 miliardi di euro per finanziare i trasporti e le industrie verdi. Il piano, che è incentrato sul Green deal europeo, evidenzia l'idrogeno come una priorità, con piani per sviluppare la tecnologia attraverso un programma di investimenti e il libero commercio transfrontaliero dell'idrogeno. All'inizio di quest'anno è stata inoltre annunciata un'alleanza europea per l'idrogeno pulito che riunisce investitori con partner governativi, istituzionali e industriali.

Sebbene questi sviluppi siano tutti favorevoli all'impiego dell'idrogeno nei trasporti su autocarri in futuro, ci sono ancora molti ostacoli nel creare un clima o un contributo economico significativo. Tuttavia, un'area in cui l'idrogeno risulta particolarmente promettente è il trasporto pesante e impegnativo a lungo raggio, dove può essere utilizzato per alimentare una trasmissione elettrica. Ciò significa che invece di sostituire i veicoli elettrici, più adatti alla distribuzione e al trasporto regionale, entrambe le tecnologie possono collaborare per costruire un sistema di trasporto più sostenibile.

In merito alla questione relativa alla possibile sostituzione dei motori diesel con motori a idrogeno, la pressione per un trasporto più sostenibile fa pensare che probabilmente l'idrogeno andrà a sostituire alcuni veicoli diesel. Soprattutto se è presente un business case e un vantaggio competitivo chiaro per farlo.
 

Carburanti alternativi: valutare i pro e i contro

Celle a combustibile a idrogeno, veicoli elettrici, biocarburanti, bio-LNG... l'elenco delle diverse alternative al diesel sembra aumentare. In qualità di operatore dei trasporti, può essere difficile comprendere e orientarsi nel panorama dei combustibili alternativi. Per aiutarti, ho preparato una guida che offre una panoramica di come funziona ciascuna tecnologia e dei pro e contro che ciascuna di esse comporta. 

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Lars Mårtensson

Lars Mårtensson works as Environment and Innovation Director at Volvo Trucks.

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