E se usassimo l’idrogeno per le auto? Parliamone

Ultimo aggiornamento: 2021/01/12 22:15.

Il video di Real Engineering che pubblico qui sotto fa il punto a proposito dell’idrogeno come alternativa alle batterie, non solo per la mobilità terrestre ma anche per l’aviazione, in termini di efficienza energetica. I dati risalgono al 2018, per cui non sono recentissimi e nel frattempo prezzi e tecnologie hanno subìto evoluzioni notevoli, però i concetti di fondo mi sembrano validi e Real Engineering di solito lavora bene.

Visto che molti mi chiedono di discutere la questione idrogeno per le auto, ho pensato di partire da questo video e pubblicarlo qui per creare un punto di discussione. Se avete idee, spunti, aggiornamenti e integrazioni o semplicemente qualche domanda, i commenti sono a vostra disposizione.

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Dopo il video trovate il mio riassunto dei suoi concetti principali.

Sia l’auto elettrica a batteria, sia l’auto a idrogeno sono in realtà auto elettriche: entrambe sono spinte da un motore elettrico. La differenza sta nel modo di trasportare a bordo l’energia che muove quel motore.

In un’auto elettrica “tradizionale”, l’energia viene immagazzinata in batterie; in un’auto a idrogeno viene tenuta in uno o più serbatoi di idrogeno, che alimentano una cella a combustibile (fuel cell) in cui, nonostante il nome, non avviene nessuna combustione termica tradizionale e quindi le emissioni nocive sono minime. Questa cella genera elettricità che alimenta un motore elettrico.

Succede anche che per avere un'autonomia pari a quella delle batterie ti servono tre serbatoi voluminosi che rubano spazio a passeggeri e bagagli.

Le foto sono della nuova Toyota Mirai. pic.twitter.com/p1lKjtVfEM

— Leonardo (@leofala72) December 1, 2021

Entrambe le soluzioni eliminano l’inquinamento e le inefficienze dei motori a pistoni. Idrogeno ed elettricità per caricare le batterie possono essere entrambi prodotti con fonti a basso impatto ambientale e rinnovabili.

A prima vista l’idrogeno sembra molto più promettente. Se compresso, un chilogrammo di idrogeno contiene circa 40 kWh. Un chilo di batterie per auto contiene mediamente circa 0,167 kWh: 236 volte meno. Questo significa che è molto più facile costruire auto a idrogeno a lunga autonomia e molto leggere (e quindi più efficienti e capaci di andare più lontano con lo stesso consumo energetico). Per l’aviazione, dove il peso conta moltissimo, questa differenza di rapporto peso/energia è fondamentale.

Un’auto a idrogeno può rifornirsi in pochi minuti, mentre un’auto elettrica al momento richiede, nel migliore dei casi, almeno venti minuti per una carica che le dia autonomia significativa.

Ma l’idrogeno ha problemi notevoli se si considera l’intera filiera di produzione. Infatti attualmente costa molto più della corrente elettrica equivalente: il video, nel 2018, cita un costo di energia di 2,4 centesimi di dollaro/chilometro per un’auto elettrica (una Tesla Model 3) e un costo di 17,7 cent/km per l’idrogeno equivalente. Sette volte di più. 

Un commento su Twitter indica che in Italia l’idrogeno, disponibile in pochissime stazioni di servizio (cinque in tutto, secondo questa mappa), costa 12 euro più IVA al kg alla stazione H2 Brennero (l’IVA dovrebbe essere il 4%) e che la Hyundai Nexo a idrogeno fa ~800Km a 70Km/h con 6,3 kg di idrogeno, per cui a velocità autostradali ne fa probabilmente 600, con un costo di circa 12 eurocent / km. Anche qui siamo ben lontani dalle economie dell’auto elettrica.

Produrre idrogeno, infatti, richiede moltissima energia.

• Negli Stati Uniti, la maggior parte della produzione avviene tramite steam reforming (reforming con vapore), un processo che combina vapore ad alta temperatura e gas naturale. Questo processo richiede molto calore ed è enormemente inefficiente, tanto che l’idrogeno prodotto in questo modo contiene meno energia del gas naturale di partenza. Inoltre questo processo è inquinante e dipende in ogni caso dal gas naturale.
• Un altro modo di produrre idrogeno è l’elettrolisi: la scissione dell’acqua in idrogeno e ossigeno tramite applicazione di una corrente elettrica. Questa corrente elettrica potrebbe essere generata tramite fonti pulite e rinnovabili, magari usando le eccedenze di produzione delle centrali, ma il procedimento ha una perdita di circa il 30%: in altre parole, l’idrogeno prodotto contiene solo il 70% dell’energia che si consuma per generarlo.
• Una variante dell’elettrolisi è la PEMS (polymer exchange membrane electrolysis) o elettrolisi a membrana di scambio polimerica. Raggiunge efficienze dell’80% e consente la produzione in loco.

Le batterie, invece, hanno un’efficienza di circa il 99% come rapporto fra energia elettrica immessa ed energia immagazzinata dalla batteria. In termini di rapporto fra energia consumata complessiva per chilometro, l’idrogeno perde nettamente il confronto.

L’idrogeno va poi trasportato e immagazzinato. Se si elimina il trasporto con la produzione in loco le cose migliorano, ma resta il costo di immagazzinaggio. 

Lo si può immagazzinare altamente compresso (790 atmosfere), ma la compressione richiede circa il 13% dell’energia contenuta. 

In alternativa, lo si può raffreddare e rendere liquido, e questo permette di avere serbatoi meno pesanti di quelli pressurizzati. Ma le proprietà fisiche dell’idrogeno richiedono che la liquefazione avvenga a -253°C, e questo raffreddamento ha un costo energetico complessivo di circa il 40%. Per cui la pressurizzazione è il metodo meno inefficiente.

A questo punto c’è la questione del trasporto. La produzione in loco la elimina, ma un impianto piccolo locale è meno efficiente di un grande impianto, per cui il costo finale rischia di non essere molto differente. Se il trasporto avviene via autocisterna o condotte, le perdite energetiche possono variare dal 10 al 40%.

Il trasporto dell’energia elettrica che carica le batterie delle auto elettriche, invece, ha perdite energetiche di circa il 5%.

Combinando tutte queste perdite di generazione, immagazzinaggio e trasporto, insomma, l’idrogeno risulta essere molto inefficiente.

Non è finita: una volta generato l’idrogeno e immesso nel serbatoio dell’auto, bisogna convertirlo in energia elettrica. L’efficienza di questo processo è circa il 60%: il resto se ne va in calore.

Nelle batterie, invece, l’efficienza di conversione complessiva, tenendo conto delle perdite dovute alla trasformazione da corrente alternata a corrente continua e ad altri fattori, è circa il 75%.

Qui c'è uno schema pubblicato nel 2017 da Transport and Environment:

Electric vs hydrogen cars?
Battery electric cars are at least three times more efficient than hydrogen fuel cell cars due to energy losses. pic.twitter.com/Tj662mSmtZ

— Transport & Environment (@transenv) August 22, 2017

In sintesi: al momento l’auto a idrogeno offre tempi di rifornimento rapidi e lunghe autonomie, ma a costi enormemente superiori a quelli di un’auto elettrica tradizionale.

 

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