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Auto elettrica o auto a idrogeno?

Indice

Introduzione

Si parla molto della rivalità tra veicoli elettrici alimentati a batteria e veicoli alimentati a idrogeno. Quale sarà l’auto del futuro? Spesso è una domanda che ci si sente rivolgere e che ha fatto capolino tante volte nelle discussioni sulle auto elettriche. Sgombriamo innanzitutto il campo da un paio di diffusi equivoci.

L'idrogeno atomico e molecolare, liquido o gassoso, è assai scarso in natura: non esistono giacimenti di idrogeno da sfruttare e deve essere prodotto artificialmente spendendo energia. L’idrogeno va separato dai suoi composti che si trovano in natura (acqua, metano,…) e questa separazione richiede un apporto di energia primaria (per esempio rinnovabile, o idrocarburi fossili, ecc). L’idrogeno, quindi, al pari dell’energia elettrica, è un vettore di energia, non è una fonte di energia. La cosa dovrebbe essere ovvia, ma non è inutile ripeterla visto che, a volte, ancora si legge o si sente parlare, di enormi riserve di idrogeno in natura, pronte per essere sfruttate a scopo energetico. L’industria dell’idrogeno come vettore energetico sembrava molto promettente qualche lustro fa, quando si pensava di produrne in gran quantità a basso costo tramite le centrali nucleari di nuova generazione ( http://old.enea.it/focus-fissione-nucleare/pdf/Idrogeno-da-GEN-IV.pdf ) ma, come si sa, le cose sono andate diversamente e la tecnologia dell’idrogeno ha subito un forte rallentamento.

Secondo equivoco. I veicoli a idrogeno odierni (automobili ma anche autocarri, natanti, treni,…), sono tutti a cella a combustibile (o pila a combustibile, fuel-cell in lingua inglese). Le celle a combustibile sono dispositivi elettrochimici ove il combustibile (l’idrogeno biatomico H₂ contenuto in appositi serbatoi o bombole) e il comburente (l’ossigeno biatomico O₂ presente nell’atmosfera) si combinano secondo la reazione H₂+½O₂→H₂O+energia che dà direttamente energia elettrica (e acqua come unico scarto), senza passare da un processo intermedio di combustione termica come avviene nel motore endotermico a pistoni. La tecnologia del motore a pistoni a idrogeno, che aveva fatto capolino nel mercato delle auto di prestigio di qualche anno fa, è stata definitivamente abbandonata a vantaggio della nuova tecnologia a motore elettrico e fuel-cell (http://www.lastampa.it/2009/12/08/economia/bmw-spegne-il-motore-dellauto-a-idrogeno-JfPqL3z4GbrRHtY6HUSVmM/pagina.html, http://www.quattroruote.it/news/industria/2009/12/09/stop_alla_sperimentazione.html). La tecnologia delle celle a combustibile è molto più efficiente dei motori endotermici in quanto il calore generato dalla combustione non può essere completamente convertito in lavoro meccanico o in energia elettrica (come conseguenza del teorema di Carnot).

Cella a combustibile 114 kW 650 V (Toyota)

Cella a combustibile 114 kW 650 V (Toyota)

Anche se l’invenzione delle celle a combustibile risale al 19° secolo, solo negli ultimi anni esse hanno raggiunto l’obiettivo di essere impiegate con sicurezza e affidabilità su prodotti di serie, a un costo non più ingente. Dal 2010 sono comparse le prime moderne auto a celle a idrogeno, destinate per lo più a produzioni pilota, da parte dei tre gruppi automobilistici che hanno mantenuto più vivo l’interesse per l’auto a idrogeno (Honda, Toyota e Hyundai). Dallo stesso anno è iniziato anche un poderoso sviluppo delle auto elettriche basate sulle batterie al litio di nuova concezione con un rapporto costi prestazioni sempre più promettente. Nel 2014 è comparsa la Toyota Mirai (“futuro” in giapponese), la prima auto a idrogeno destinata alla produzione di serie, venduta in Germania al prezzo di circa 66.000 € + IVA. Nei paesi ove si può acquistare, totalizza comunque un volume di vendita ancora assai contenuto rispetto a quello delle auto a batteria.

Auto fuel-cells a idrogeno

I veicoli a fuel-cell a idrogeno (FCEV) sono veicoli a trazione elettrica, abbastanza simili alle auto a batteria (BEV), ma con l’assieme costituito dalla cella a combustibile e dalle bombole di idrogeno al posto della batteria. Anche la sensazione di guida e la silenziosità sono simili a quelli delle auto elettriche.

Una piccola batteria ricaricabile è ugualmente presente sui veicoli FCEV, sia per recuperare energia in decelerazione tramite la frenata rigenerativa, sia per fornire un surplus di potenza al motore elettrico durante gli spunti. In alternativa si può usare un supercondensatore. Se la batteria è abbastanza capiente, può essere sviluppata la versione plug-in a idrogeno, ove la fuel-cell ha la funzione di range extender della batteria che può essere caricata anche a spina come in una comune auto elettrica (un esempio è questo https://ecomento.tv/2014/08/12/kommt-der-bmw-i3-als-wasserstoffauto/). A queste componenti sul veicolo vanno aggiunti organi secondari ma essenziali, come il compressore dell’aria e la pompa dell’idrogeno necessari per il funzionamento della cella, i sistemi di raffreddamento della fuel-cell che dissipa parecchio calore, il booster per innalzare la tensione elettrica generata dalla cella e altri ancora.

Toyota Mirai (Toyota)

Toyota Mirai (Toyota)

Il resto della componentistica è del tutto simile a quello delle auto elettriche (motore, azionamento, impianto di riscaldamento e raffreddamento…). Questo permette, entro certi limiti, di derivare il progetto di un’auto a idrogeno partendo da una elettrica o, più facilmente, viceversa. Lo stesso veicolo potrebbe facilmente essere disponibile sia in versione elettrica, sia in versione a idrogeno, a scelta del cliente. Le parti più specifiche potrebbero essere acquistate dal costruttore dell’automobile da fornitori specializzati. La tecnologia più diffusa per le auto FCEV prevede l’idrogeno compresso a 70 megapascal (circa 700 bar), ma per i veicoli pesanti si usa anche la tecnologia a 35 magapascal (350 bar). L’idrogeno liquido, che permetterebbe una maggiore densità energetica volumica, ha scarsa applicazione sui veicoli in quanto va mantenuto a temperature inferiori a -253° C.

Sicurezza

A lungo è stata sostenuta la presunta scarsa sicurezza delle auto a idrogeno in quanto l’idrogeno è altamente infiammabile. La tecnologia è oggi matura e sicura. Riguardo alla sicurezza, si ritiene che essa sia equivalente o addirittura superiore a quella di un veicolo a benzina (che poi tanto sicuro non è). Non solo i serbatoi e il sistema di distribuzione sono robusti e protetti, ma sono realizzati in modo tale che, in caso di fuga e di incendio, si manifesta una fiamma che si esaurisce rapidamente senza intaccare il veicolo e senza provocare esplosioni (mentre la benzina si spande e i vapori vanno verso il basso perché più pesanti dell’aria). In caso di incendio del veicolo, opportune pastiglie inserite nella lamiera del serbatoio, fondono gradatamente generando la fuoriuscita controllata del gas.

Ultime notizie

Nel corso del 2015 e del 2016, un susseguirsi di notizie apparentemente contrastanti, ha fatto credere dapprima a una fine definitiva dell’auto a idrogeno, e poi a una sua probabile futura affermazione. I costruttori di auto a idrogeno, Toyota in particolare, inaspettatamente si convertivano all’auto a batteria (https://electrek.co/2016/04/26/automakers-fuel-cell-hydrogen-electric-vehicles/ , http://www.ilsole24ore.com/art/mondo/2016-11-07/svolta-toyota-l-auto-elettrica-052335.shtml?uuid=ADlmuVqB , https://longtailpipe.com/2015/07/23/toyota-pushes-fcevs-while-the-bev-market-is-taking-off-toyota-making-a-bad-bet/ ), ma al contempo ritornava l’interesse per l’idrogeno da parte di quei costruttori che sembravano averci rinunciato (http://www.greencarreports.com/news/1103189_bmws-hydrogen-fuel-cell-vehicle-getting-closer-to-reality ). Alcuni esperti affermano che l’auto a idrogeno sarà il ponte verso le auto elettriche del futuro (http://energypost.eu/hydrogen-fuel-cell-cars-competitive-hydrogen-fuel-cell-expert/ ), altri ritengono viceversa che sono quelle elettriche il ponte verso la soluzione definitiva a idrogeno (https://electrek.co/2017/01/04/automotive-execs-battery-powered-cars-vs-fuel-cells/ ). La notizia più dirompente a gennaio 2017 è stata quella della nascita dell’Hydrogen Council, un’alleanza di compagnie petrolifere e del settore chimico insieme a grandi nomi dell’automotive, come BMW, Daimler e Toyota, con lo scopo di promuovere la trazione a idrogeno. Definita da alcuni come un “tentativo disperato di salvare l’idrogeno” o al contrario come un abbandono dell’auto elettrica, ha fatto molto parlare (http://www.ilsole24ore.com/art/finanza-e-mercati/2017-01-18/big-petrolio-e-dell-auto-alleati-nome-dell-idrogeno-212359.shtml?uuid=AE6WR2C, http://www.dday.it/redazione/22179/i-big-del-petrolio-e-dellautomotive-spingono-lidrogeno-anziche-le-auto-elettriche ).

Come stanno le cose? Punto per punto raffrontiamo i diversi aspetti che vedono in vantaggio l’una o l’altra tecnologia.

Percorrenza chilometrica

La bassa autonomia con un singolo rifornimento delle auto elettriche è stata sino ad oggi uno dei principali ostacoli alla loro diffusione. L’autonomia è strettamente legata alla densità energetica della batteria o del serbatoio dell’idrogeno. L’idrogeno compresso nei serbatoi delle auto a 700 bar ha una densità energetica volumica di 1,55 kWh /L. La densità di energia delle batterie al litio è molto minore: circa 0,22 kWh/L (con possibilità di miglioramento per il futuro). Le auto a idrogeno, quindi, potrebbero in teoria garantire una autonomia molto maggiore delle auto elettriche: più di 5 volte a parità di volume (a parità di peso il vantaggio dell’idrogeno compresso sarebbe ancora maggiore).

Tuttavia nella pratica le cose stanno diversamente. Le auto a idrogeno odierne, come la Mirai, hanno una autonomia di circa 500 km: superiore a molte auto elettriche in commercio ma non più di tanto. Per il 2018 è in arrivo la Honda FE Fuel Cells che segnerà il nuovo record di autonomia per le auto a idrogeno: 800 km. Sicuramente un bel traguardo, che assottiglia la differenza rispetto alle vetture a combustibile di maggiore autonomia. Tuttavia, anche in questo caso, una differenza non enorme rispetto alle auto elettriche al top della gamme.

Innanzitutto, l’efficienza delle celle è buona ma non elevatissima, comportando una efficienza di trasferimento tank-to-wheel (dal serbatoio alle ruote) di circa il 50%, mentre nel caso elettrico l’efficienza dalla batteria alle ruote è attorno al 90% (per comparazione, l'efficienza di un veicolo a gasolio è appena del 20% circa ma la densità energetica del gasolio è 9,9 kWh/L). Soprattutto, le auto a idrogeno sono penalizzate dalla presenza delle varie apparecchiature secondarie (compressore dell’aria, booster, sistema di raffreddamento, ecc) che riducono lo spazio disponibile sul veicolo. Anche vincoli di forma e posizionamento dei serbatoi e delle altre parti contribuiscono a limitare l’autonomia effettiva delle auto a idrogeno. La possibilità di sfruttare il calore dissipato dalla cella a combustibile, in un ottica di cogenerazione o per riscaldamento, permetterebbe di aumentare un po' l'efficienza dei veicoli FCEV ma aumentandone al contempo la complessità.

Le auto a batteria dell’ultima generazione, anche di classe media o piccola, già oggi permettono una autonomia con una singola ricarica di più di 300 km di guida reale. Presto, le auto elettriche di una certa categoria permetteranno di raggiungere i 500 km (come già avviene con le prestigiose Tesla Model S). Al contempo, le auto elettriche destinate a un uso prevalentemente urbano o suburbano, manterranno batterie idonee a una autonomia ridotta di soli 100-200 km a vantaggio del costo e del peso più contenuti (http://www.gruppoacquistoauto.it/approfondimenti/autonomia-giusta-auto-elettriche/ ). Potrebbe sembrare una autonomia del tutto inadeguata, in realtà è sufficiente per molti casi di uso, ipotizzando, come al solito, il ripristino del pieno della batteria ogni notte.

Quindi, su auto di dimensioni medie o piccole, la maggiore autonomia offerta dalla tecnologia FCEV non sembra così rilevante rispetto a quella della tecnologia BEV. La maggiore densità energetica dell’idrogeno compresso è più utile e più sfruttabile sui veicoli di maggiori dimensione, come le autovetture più grandi, oppure autocarri, navi, treni, per i quali le celle a idrogeno sono l’unica soluzione concreta proponibile (piccole celle a combustibile sono state utilizzate anche per alimentare scooter e telefonini, per altro senza grande successo commerciale, ma la potenza e le tecnologie in gioco sono molto diverse rispetto a quelle necessarie per i veicoli).

Tra i veicoli pesanti completamente a idrogeno da poco presentati, si segnalano il trattore stradale Nikola One della Nikola Motor Company, con una autonomia tra i 1300 e i 2000 chilometri, e il treno Coradia iLint della Alstom che trasporta sino a 300 passeggeri, sino a 700 chilometri (la maggior parte delle linee ferroviarie secondarie in Europa non sono elettrificate e i treni funzionano ancora a gasolio).


Autocarro a idrogeno Nikola One (Nikola Motor Company)

Autocarro a idrogeno Nikola One (Nikola Motor Company)

Treno a idrogeno Coradia iLint (Alstom)

Treno a idrogeno Coradia iLint (Alstom)

Efficienza energetica

Preferibilmente, l’idrogeno molecolare H₂ andrebbe prodotto per elettrolisi dell’acqua secondo la reazione 2H₂O+energia → 2H₂ + O₂ con apporto di energia elettrica, sfruttando risorse rinnovabili (solare, eolico, idrico…). In questo modo, si otterrebbe idrogeno H₂ senza produrre alcuna emissione di CO₂ o di altre sostanze dannose in tutto il ciclo di vita e senza dipendere da fonti fossili esauribili. Tuttavia, il processo ha un rendimento piuttosto basso. Ne consegue che l’efficienza well-to-wheel (dall’energia elettrica alla ruota) con la tecnologia a idrogeno FCEV è molto più bassa rispetto all’impiego diretto della medesima energia elettrica per caricare le batterie di un’auto elettrica BEV, come è stato messo in evidenza in alcuni articoli ( https://phys.org/news/2006-12-hydrogen-economy-doesnt.html ).

Confronto efficienza energetica FCEV vs BEV (Ulf Bossel, PhysOrg)

Confronto efficienza energetica FCEV vs BEV (Ulf Bossel, PhysOrg)

L’efficienza energetica della tecnologia a idrogeno, praticamente, è un terzo di quella a batteria. In quest’ottica, un’auto elettrica BEV è senza dubbio molto più conveniente di una a idrogeno FCEV.

Nonostante gli auspici dei sostenitori delle energie rinnovabili, tuttavia, buona parte dell’idrogeno si produce e si produrrà ancora per decenni da fonti fossili, per reforming del metano (CH₃OH + H₂O → 3H₂ + CO₂ ) o di altri idrocarburi. Questa è oggi la forma più economica di produzione dell’idrogeno. Un altro processo utilizzato per produrre idrogeno è la gassificazione del carbone, del petrolio o delle biomasse, rifiuti compresi. Pur non essendo esente da una certa emissione di CO₂, l'impiego degli idrocarburi fossili per la produzione di idrogeno è preferibile da un punto di vista ambientale della loro combustione diretta nei veicoli endotermici. Se non si parte dall’energia elettrica per elettrolisi dell’acqua ma, per esempio, dal gas naturale, i rapporti tra le due efficienze well-to-wheel (dalla sorgente alla ruota) cambiano. Quindi, a seconda degli innumerevoli scenari di mix energetico primario, si possono avere diverse casistiche e la FCEV in alcuni casi può essere energeticamente equivalente o in vantaggio rispetto alla BEV. Del resto, per la produzione di energia elettrica, le fonti primarie rinnovabili rappresentano solo il 25% del totale in Europa, sia pure con tendenza all'aumento. Resta il fatto, comunque, che man mano che aumenterà l’impiego delle energie rinnovabili tramite vettore elettrico intermedio, aumenterà anche il vantaggio energetico della tecnologia BEV rispetto a quella FCEV.

Integrazione con le fonti rinnovabili

Il ricorso sempre maggiore alle energie da fonti rinnovabili non controllabili (fotovoltaico, eolico,…), rende necessario l’accumulo dell’energia in quanto non vi è corrispondenza tra il momento della produzione dell’energia e il suo consumo secondo il fabbisogno dei carichi utilizzatori. Sia la tecnologia a idrogeno, sia quella a batteria sono idonee allo scopo, ma con modalità abbastanza diverse: con l'idrogeno si effettua l'accumulo quando l'auto non è ferma al rifornimento ma è in circolazione, con quella elettrica quando è ferma in carica.

Nel caso dell’idrogeno, i sistemi fissi di accumulo dell’idrogeno, di piccole o di grandi dimensioni, permettono di assorbire i picchi di produzione di energia rinnovabile, per poi metterla a disposizione per il rifornimento dei veicoli a idrogeno (oppure ri-elettrificato per altre applicazioni). Alcuni impianti di rifornimento per auto a idrogeno, sono costruiti presso impianti eolici accumulando idrogeno per elettrolisi tramite l’energia eolica.

L’auto elettrica, invece, è essa stessa il sistema di accumulo quando essa è collegata alla rete elettrica per la ricarica. L’auto lasciata in ricarica per diverse ore di seguito, può modulare dinamicamente la potenza di ricarica, anche interromperla e riavviarla automaticamente, per adattarsi alla disponibilità della rete. E’ anche possibile, in alcuni momenti, cedere energia dall’auto alla rete per stabilizzarla (quest’ultima possibilità, oggi è essenzialmente sperimentale). Più semplicemente, l’auto elettrica si carica soprattutto di notte, quando la richiesta di energia diminuisce, mitigando così le oscillazioni della rete.


Anche per la ricarica elettrica si possono prevedere sistemi fissi di accumulo per attenuare i picchi di assorbimento dalla rete, utili soprattutto per la ricarica ultra veloce, costituiti da batterie, supercondensatori o celle a idrogeno. Tuttavia i sistemi fissi di accumulo intermedio introducono ulteriori costi e dissipazioni di energia.

Rifornimento a destinazione e distribuito

Le auto elettriche, come è noto, si caricano “ovunque”: a casa, nei parcheggi, nei centri commerciali, nelle aree di servizio, ecc. Si parla di ricarica distribuita. Questa modalità di rifornimento, semplice ed economica, è esclusiva dell’auto a batteria (comprese le ibride plug-in). Si parla anche di carica a destinazione, perché l’occasione più opportuna per caricare l’auto elettrica è quando non la si usa: quando è lasciata parcheggiata a lungo, soprattutto di notte. Una potenza di 3 kW corrisponde a circa 100 km in 6 ore: più che sufficiente per ripristinare di notte quello che si è consumato di giorno nella maggior parte dei casi. Più dell’80% delle ricariche delle auto elettriche si effettua in questo modo.

Ricarica “ovunque” non va preso alla lettera: è sempre necessaria una presa di corrente e spesso non la si trova nei parcheggi. Tuttavia, ovunque arriva la rete elettrica non è eccessivamente costoso e complicato installare i punti di ricarica: è alla portata di una buona impresa di installazioni elettriche (come in questo esempio http://www.electroyou.it/forum/viewtopic.php?f=53&t=68226 ).

Invece, per ciò che riguarda le auto a idrogeno, l’unica possibilità di rifornimento è recarsi presso i distributori pubblici di idrogeno (ancora pochissimi) esattamente come si fa con la benzina, e fare rifornimento durante una sosta di pochi minuti. L’idea, come qualcuno propone, di dotare ogni garage e parcheggio di piccoli distributori di idrogeno alimentati da acqua e energia elettrica, appare lontana dalla realtà.


Rifornimento rapido

I lunghi tempi necessari per il processo di ricarica di un’auto elettrica, confrontati con il rifornimento “istantaneo” di un’auto a combustibile, sono un altro ostacolo addotto all’adozione dell’auto elettrica e a favore di quella a idrogeno.

Un pieno da circa 500 km, con idrogeno ad alta pressione, richiede solo circa 5 minuti di sosta (il valore preciso è destinato a mutare con l’evoluzione della tecnologia ma si manterrà nell’ordine di qualche minuto). Dunque, un tempo assai più rapido di quello necessario per caricare un’auto elettrica ma comunque un po’ maggiore di quello al quale si è abituati con l’auto tradizionale.

Con l’auto elettrica i tempi di rifornimento sono abbastanza lunghi e dipendono dalla potenza di ricarica. Facendo riferimento a una potenza nominale di 50 kW (la taglia oggi più diffusa per la ricarica veloce di prima generazione), per un pieno di 400 km sono necessari circa 80 minuti. Passando a una potenza di 100-150 kW il tempo si riduce a 30-40 minuti, e a 300-350 kW a soli 10-15 minuti. Va però ricordato che la ricarica oltre 300 kW sarà riservata a pochi modelli di auto elettrica, ad alto costo, e anche la ricarica da 100-150 kW dovrebbe avere una diffusione non molto capillare.

Non bisogna però dimenticare che il rifornimento pubblico rapido è l’unica modalità di rifornimento prevista per un’auto a idrogeno. Mentre per l’auto elettrica, la ricarica veloce o velocissima è complementare a quella lenta, effettuata a domicilio o nei parcheggi, quando l’auto è ferma. Per molti utenti, la ricarica elettrica ad alta potenza potrebbe essere del tutto saltuaria. In questo caso, una sosta di 30 minuti per effettuare una ricarica anche parziale, solo quando serve, è considerata accettabile. Ma se l’utilizzatore volesse fare ricorso prevalentemente o esclusivamente al rifornimento rapido dal benzinaio, alla stessa maniera della benzina o del gasolio, l’idrogeno sarebbe in netto vantaggio (tuttavia in Europa diversi automobilisti elettrici, con un po’ di organizzazione, caricano unicamente in modalità veloce per esempio in pausa pranzo).

Questi due modi di rifornire il veicolo, sono probabilmente la principale differenza di impiego tra i due tipi di alimentazione.

Rete di rifornimento per autotrazione

Il maggiore ostacolo alla diffusione dei veicoli FCEV è la mancanza quasi totale di una rete di rifornimento che oggi ne rende impossibile l’impiego in buona parte d’Europa.

Attualmente in Europa sono già circa 100.000 le stazioni di ricarica elettrica pubbliche per auto a batteria (di cui 5.000 circa ad alta potenza, cioè almeno 50 kW). Per l’idrogeno sono oggi circa 100 le stazioni di rifornimento in Europa (a 350 bar e/o 700 bar), in gran parte in Germania. Tra di esse, l’impianto H2 Alto Adige di Bolzano attivato nel 2015 e aperto ai privati su prenotazione. Molte di queste stazioni di rifornimento a idrogeno sono però sperimentali, riservate a particolari utenti se non addirittura in disuso per mancanza di veicoli (ad esempio quella di Mantova aperta nel 2007).

Il gap tra le due reti di rifornimento sembra enorme soprattutto per il fatto che, nel caso dell’idrogeno, la rete pubblica deve totalmente sostenere il fabbisogno dei veicoli, mentre nel caso dell’elettrico, la rete pubblica è di complemento alla ricarica privata. Sia per la rete di ricarica elettrica, sia per quella a idrogeno, tuttavia, diversi progetti prevedono la loro espansione nei prossimi anni, con finanziamenti pubblici e privati, soprattutto lungo i corridoi europei TEN-T (Trans-European Networks for Transport). Diversi cantieri sono già aperti per la costruzione di nuove stazioni di rifornimento di idrogeno.

Rete di rifornimento di idrogeno marzo 2017 (H2stations org by LBST)

Rete di rifornimento di idrogeno marzo 2017 (H2stations org by LBST)

Perché le auto a idrogeno private possano iniziare a diffondersi è necessaria una rete minima con almeno una stazione di rifornimento ogni 200 km e successivamente crescente in maniera capillare parallelamente con l’aumento del parco auto a idrogeno. Un po’ diverso è il caso dei bus, dei veicoli pesanti e dei natanti per i quali i punti di rifornimento possono essere programmati solo nelle posizioni strategiche (autorimesse, autoporti, zone industriali, porti,…) e non distribuiti in tutto il territorio. La maggiore difficoltà è, ovviamente, il costo molto ingente degli impianti di produzione e rifornimento dell’idrogeno. E’ difficile stimarlo (non esistono listini prezzi pubblici), anche se è in calo con lo sviluppo della tecnologia e della concorrenza. In ogni caso superiore alle strutture di ricarica dei veicoli elettrici. Si ripropone, come sempre, il solito problema dell’uovo e della gallina.

Diverse sono le architetture previste impianti di rifornimento di idrogeno. In alcuni casi è prevista la produzione locale da fonte rinnovabile e lo stoccaggio: è la soluzione preferibile dal punto di vista ambientale e dell’efficienza energetica. In altri casi, nelle zone ben raggiunte dall’infrastruttura del metano, la produzione avviene localmente per reforming da metano. In altri casi è previsto solo lo stoccaggio in serbatoio e il rifornimento dei veicoli: l’idrogeno viene trasportato tramite apposite cisterne come nel caso del rifornimento dei carburanti (i gasdotti per idrogeno non sono al momento particolarmente presi in considerazione). La tecnologia, ovviamente, va scelta in base alle necessità e alle condizioni di ogni singolo sito.

Stazione di rifornimento di idrogeno 700 bar / 350 bar (AirProducte)

Stazione di rifornimento di idrogeno 700 bar / 350 bar (AirProducte)

Sono anche disponibili stazioni di rifornimento containerizzate che facilitano l’installazione presso le stazioni di rifornimento tradizionali. Probabilmente non sono il massimo dell’efficienza e della capacità, ma sono adeguate per soddisfare l’esiguo fabbisogno dei primi anni.

Stazione di rifornimento containerizzata (ITM Power)

Stazione di rifornimento containerizzata (ITM Power)

Costo chilometrico

I sostenitori dell’auto a fuel-cells promettono un costo chilometrico simile a quello delle attuali auto a idrocarburi. C’è da crederci: difficilmente sarebbero accettabili dal mercato automobili dal costo di gestione molto maggiore di quello delle auto odierne. Per buona parte del mercato, si tratta di un costo accettabile senza avere interesse a ulteriori risparmi (si pensi a coloro che usufruiscono di auto aziendale completamente spesata). A calmierare il costo dell’idrogeno saranno le diverse fonti primarie utilizzabili e le varie tecnologie alternative di produzione e distribuzione.

L’auto elettrica, invece, già oggi, permette un notevole risparmio sul costo chilometrico: la metà o anche meno di un’auto a combustibile. Non è un risparmio da poco! Va tuttavia detto che i maggiori risparmi si hanno con la ricarica privata, per lo più lenta. Nel caso di ricarica pubblica, per ovvi motivi, il costo è mediamente più elevato. Nel caso di ricarica veloce o velocissima, i costi crescono ancora e potrebbero raggiungere e superare quelli delle automobili a combustibile o di quelle a idrogeno. E’ anche vero, però, che spesso la ricarica veloce a titolo promozionale è offerta gratuitamente o a prezzi concorrenziali, ma non sono condizioni queste che possono essere generalizzate.

Costo delle automobili

Difficile parlare del prezzo delle automobili, visto che siamo solo all’inizio di una rivoluzione tecnologica che comporterà ancora una riduzione dei costi per entrambe le tecnologie. Il prezzo delle auto elettriche e di quelle a fuel-cells dovrebbe via via avvicinarsi, ma va considerato che l’auto a idrogeno è più complessa di una a batteria e perciò, a lungo termine, probabilmente si manterrà un po’ più costosa.

Tuttavia se spostiamo l’analisi alle automobili ibride ricaricabili, un’auto a idrogeno plug in (con la fuel-cell di rincalzo alla batteria ricaricata a spina), sarebbe di costruzione relativamente semplice (manca completamente il motore endotermico e gli organi quali cambio, frizione, ecc.).


Impatto ambientale

Dal punto di vista dell’impatto locale, auto elettrica a batteria e auto a idrogeno, in pratica si equivalgono. Entrambe sono a emissioni locali quasi zero. L’auto a idrogeno inoltre ha una piccola emissione di acqua. Sono quindi del tutto eliminate le emissioni quali idrocarburi (HC), ossidi di azoto (NOx) e biossido di zolfo (SO₂), e quasi eliminate quelle di particolato come PM10 e inferiori (resta una piccola emissione di polveri sottili da usura, comunque ridotta grazie alla frenata rigenerativa).

Da un punto di vista globale, l’analisi si complica di parecchio e, come per l’efficienza energetica, dipende dallo scenario di produzione dell’energia elettrica e dell’idrogeno. Tuttavia, se è noto il mix energetico con cui si produce energia elettrica, compresa la tendenza per il futuro, è più difficile da valutare quello per la produzione di idrogeno la cui filiera è ancora da iniziare. In ogni caso, sia l’auto a batteria, sia quella a celle, sono in vantaggio rispetto alle auto a combustione interna (soprattutto per via dell’efficienza del motore elettrico, molto maggiore di quella del motore endotermico).

Conclusioni

Le due tecnologie FCEV e BEV hanno i loro vantaggi e svantaggi, e sono perciò complementari. Entrambe sono ancora in fase di sviluppo (ma la BEV è partita prima) e destinate in qualche decennio a sostituire le attuali automobili a combustione interna.

Negli ultimi anni, la tecnologia a idrogeno ha subìto un calo di interesse e al contempo è cresciuta l’attenzione per le auto elettriche, soprattutto per il notevole sviluppo della tecnologia delle batterie. Anche se il baricentro dell'attenzione si è spostato verso la batteria, la tecnologia dell’idrogeno per autotrazione non è affatto abbandonata. FCEV e BEV possono coesistere sul mercato, come da decenni coesistono per lo stesso modello di auto diversi tipi di combustibile (benzina, gasolio, metano…). La scelta finale, come sempre, spetta all’utilizzatore finale che sceglierà l’alimentazione più adatta al caso suo.

In linea di massima la tecnologia a batteria appare più idonea per automobili medie e piccole (e anche per bus urbani quando è prevista più volte al giorno la ricarica rapida). La tecnologia a idrogeno sembra più adatta ai veicoli di dimensioni maggiori. I due segmenti, tuttavia, non hanno confini netti e si possono sovrapporre (si pensi al caso della Tesla Model S che non è affatto un’auto media). Gli stessi sostenitori dei veicoli FCEV non propongono l’idrogeno in contrapposizione all’auto a batteria, ma come complemento per gli usi per i quali la batteria non è idonea. Molto significativa la seguente visione di Toyota (il costruttore che più sostiene l’idrogeno: quindi una visione di parte a favore dell’idrogeno e dei prodotti Toyota).

Ripartizioni dei veicoli in base agli usi (Toyota)

Ripartizioni dei veicoli in base agli usi (Toyota)

I veicoli a batteria (puri), secondo Toyota, saranno i veicoli più piccoli, destinati a brevi distanze. Quelli a idrogeno saranno le auto per le lunghe distanze e saranno i veicoli pesanti. Il vasto segmento intermedio viene dato da Toyota ancora popolato da tecnologia ibrida, elettrica e a combustibile, escludendo sia le elettriche pure, sia le celle a idrogeno. In effetti, nei prossimi anni quasi tutti i costruttori di automobili metteranno in commercio diversi modelli di auto puramente elettriche in tutti i segmenti del mercato. Compariranno anche le varianti FCEV ma esse saranno per lo più concentrate nei segmenti più elevati.

Indipendentemente dal segmento, l’auto a batteria sarà preferita da chi predilige la ricarica durante le ore di sosta del veicolo e, soprattutto, da chi vuole minimizzare il più possibile i costi di gestione del veicolo. Gli anni da qui al 2025 saranno decisivi per l’introduzione delle automobili private FCEV. Ciò sarà possibile soltanto se esisterà una rete minima di stazioni a rifornimento. I maggiori interessati, su questo fronte, sono i grandi gruppi dell’energia e delle stazioni servizio. Questi hanno tutto l’interesse ad avviare una rete di rifornimento, condizione necessaria per mantenere il loro business e conservare le stazioni di rifornimento carburanti già esistenti. E’ quindi probabile che sosterranno gli investimenti necessari.

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Commenti e note

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di ,

Visto solo ora. Ottimo lavoro!
Permane la mia fortissima contrarietà all'idrogeno nelle Auto tradizionali per il pericolo che costituisce soprattutto nei Garage e nelle Stazioni di rifornimento. Senza parlare del pericolo dovuto a manutenzione trascurata o fatta da persone non competenti. Inoltre ci vorranno forse 50 anni per realizzare una rete di distribuzione dell'idrogeno.
In confronto l'elettricità ad uso ricarica batterie vince 100 a Zero.
Non conosco in dettagli lo stato dell'arte delle batterie, ma c'è già la rete e la potenza delle centrali; in Italia di notte già oggi potrei caricare qualcosa come 3/5 Milioni di veicoli per 8 ore.

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Secondo questo sito http://ev-sales.blogspot.de/2017/08/fuel-cells-june-2017-fools-cells.html, di solito ben informato, la Honda FC che uscirà nel 2018 è l'ultima possibilità di sopravvivenza per le auto a idrogeno. Sarà così?

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Un altro articolo confronta auto a batteria e auto a idrogeno. http://leganerd.com/2017/06/28/auto-elettriche-vs-auto-idrogeno/amp/

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BMW non vede le auto elettriche come unica ed esclusiva fonte per ripulire l'aria delle città; secondo BMW saranno molto importanti anche i veicoli a celle a combustibile. http://it.ibtimes.com/bmw-futuro-elettriche-connettivita-ma-anche-endotermici-e-fuel-cell-1498317#

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l'ho visto solo ora ottimo e chiaro

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Un bellissimo articolo!!! Visto l'argomento non potevo esimermi dal dare il mio voto. Il mio sogno di vedere solo mezzi "puliti" si avvicina sempre di più... Dal mio articolo sulle celle a combustibile sembra passata un'eternità! Complimenti 6367!

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Lo rileggo volentieri e .. grazie ancora per questo ottimo articolo.

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Grazie a tutti per l'apprezzamento. Sono contento che vi sia piaciuto. Avviso che ho fatto qualche piccola revisione qua e là.

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Molto interessante il confronto delle efficienze, che a me fa ritenere che l'idrogeno potrà essere solo un'alternativa in applicazioni particolari, a meno di qualche grossa innovazione che ne aumenti l'efficienza della filiera

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Un confronto dettagliato che chiarisce molte idee. Ci voleva proprio!
Grazie

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Molto interessante e davvero completo.

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Ottimo articolo, complimenti. Nelle prime parti cercavo di fare i conti a mente tra idrogeno e accumulo per il fotovoltaico (che mi interessa particolarmente) ma poi hai trattato anche la sezione "Integrazione con le fonti rinnovabili". Prontamente votato e lo metterò subito tra i preferiti.

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Articolo interessantissimo, e mi sembra tu non abbia dimenticato nessun aspetto! Bravo 6367, lo rileggeremo periodicamente per verificare se e quali progressi ci saranno nella produzione e distribuzione dell'idrogeno.

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