Ugo Bardi – Novembre 2004 (revisioni Marzo 2005 e Luglio 2005)
Dipartimento di Chimica, Università di Firenze
ASPO association for the study of peak oil
Guideremo mai una macchina a idrogeno? Secondo una certa visione, la risposta è un entusiastico „si“. I veicoli a idrogeno sono un’ovvia parte del concetto di „Economia basata sull’idrogeno“ propugnato in primo luogo da Jeremy Rifkin nel suo libro del 2002. Di fronte all’idrogeno, il nuovo che avanza, sembrerebbe che le vecchie automobili a benzina siano condannate alla pattumiera delle vecchie tecnologie mentre quelle a batteria lasciate indietro come giocattoli carini ma non pratici.
Ma è proprio così? In questa breve discussione cercheremo di valutare le tecnologie per veicoli basate sull’idrogeno confrontandole con quelle basate sulle batterie. Il risultato, forse sorprendente visto l’entusiasmo attuale per l’idrogeno, è che l’idrogeno ha molti svantaggi e soltanto vantaggi molto modesti rispetto alle batterie. Gli enormi costi che sarebbero necessari per costruire un’infrastruttura capillare per il rifornimento dei veicoli a idrogeno rendono molto improbabile che si possa guidare presto vetture a idrogeno.
L’idea di usare l’idrogeno come carburante per veicoli non è affatto nuova; se ne parla dagli anni 50 (o, addirittura, dal tempo di Giulio Verne). Il concetto si è evoluto tecnologicamente con lo sviluppo di nuove e più efficienti pile a combustibile a elettrolita polimerico (PEM) che usano idrogeno come carburante. Il primo autobus a idrogeno e pile a combustibile risale al 1986. Da allora, sono stati costruiti parecchi prototipi di veicoli stradali a idrogeno, tuttavia nessun veicolo del genere è stato messo in produzione di serie fino ad oggi.
Per capire davanti a quali difficoltà si trova l’auto a idrogeno bisognerebbe esaminare in dettaglio tutta una serie di parametri tecnologici, ma per semplificare possiamo limitarci qui a considerare quello che è il più importante di tutti: il rapporto energia immagazzinata/peso, ovvero quanto deve essere pesante il veicolo per avere un’autonomia decente. Questo parametro è quello che ha, fino ad oggi, relegato i veicoli elettrici a una frazione marginale del mercato. Le batterie, si sa, sono pesanti e i veicoli elettrici attuali equipaggiati con batterie al piombo non possono competere con quelli a benzina in questo campo. Ma può l’idrogeno fare di meglio?
Cominciamo col riassumere i dati per l’idrogeno nella tabella seguente dove sono listate tecnologie esistenti o comunque ragionevolmente sviluppate. In questa tabella, si suppone che la pila PEM abbia un’efficienza del 50% e che il motore elettrico di trazione abbia un efficienza del 90%. Per „energia accumulata“ si intende il valore termodinamico relativo alla combinazione dell’idrogeno con l’ossigeno.
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Tecnologia |
Energia accumulata Wh/Kg [1] |
Efficienza |
Energia fornita Wh/Kg |
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H2 compresso a 150 bar + PEM (tecnologia di riferimento ) |
180 |
45% |
80 |
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H2 compresso a 300 bar + PEM |
360 |
45% |
162 |
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H2 in Idruri metallici + PEM |
200-350 |
45%[2] |
90-160 |
|
H2 Liquido + PEM |
39.000 |
45% |
17.500 |
|
Benzina + motore a combustione interna[3] |
12.200 |
18% |
2.200 |
La tabella ci mostra che le tecnologie di immagazzinamento che usano gas compressi o idruri metallici sono molto inferiori in termini di densità di energia immagazzinata, alla benzina o, in generale, dai carburanti liquidi basati su idrocarburi. Fa eccezione l’idrogeno liquido e questo non stupisce se teniamo conto che è il carburante dello Space Shuttle ed usato per molte altre applicazioni di tipo spaziale o militare. Ma l’idrogeno liquido non è pratico come carburante da usare per veicoli civili. Si tratta di un liquido criogenico infiammabile che deve essere tenuto a temperature minori di 250 gradi sotto zero il che implica alti costi, precauzioni particolari, e problemi di sicurezza non facilmente risolvibili. Oltretutto, l’idrogeno liquido evapora piano piano e lascia il serbatoio vuoto dopo alcuni giorni. E’ difficile pensare che, oggi, molta gente comprerebbe una macchina che consuma carburante anche quando sta ferma.
Dunque, l’idrogeno gassoso in bombole è l’unica tecnologia pratica esistente per trasportare idrogeno in un veicolo stradale. Come tale, anche utilizzando altissime pressioni (cosa non ovvia), le prestazioni non sono proprio entusiasmanti. Ce ne possiamo rendere conto mediante un confronto con i dati sulle prestazioni delle batterie. Qui, come energia accumulata si intende il limite massimo immagazzinato. Come efficienza della batteria si intende l’energia effettivamente restituita, che non è mai il 100%. I valori di efficienza delle batterie riportati nella letteratura sono vari, anche se la regola generale è che siano normalmente sopra l’80%. Qui assumeremo un valore medio dell’85%, eccetto per la batteria al litio che viene consistentemente descritta come efficiente al 90%. Anche qui, assumeremo che il motore elettrico usato per la trazione abbia un’efficienza del 90%. Per questi veicoli, si deve tener conto della possibilità di ricaricare gli accumulatori con l’energia della frenata. Questa tecnologia è ben nota ed è implementata, per esempio, sulla Toyota Prius. Si parla di recuperi fino al 70%, ma chi usa questi veicoli in pratica sembra ritenere che non si possa arrivare a più del 20%, valore che useremo qui. Dovremmo anche tener conto della possibilità di ricaricare le batterie mediante fotocellule montate a bordo, ma trascureremo questa possibilità. dato che questa tecnologia non è disponibile sul mercato per il momento.
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Tecnologia |
Energia accumulata Wh/Kg |
Efficienza batteria + motore |
Energia fornita |
Con recupero frenata del 20% |
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Batteria al piombo (tecnologia di riferimento ) |
50 |
76% |
38 |
46 |
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Nickel-Zinco |
70 |
76% |
53 |
70 |
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Sodio -Zolfo |
110 |
76% |
84 |
100 |
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Litio – polimero |
150-200 |
81% |
120-160 |
145-200 |
Teniamo conto qui che - sia per l’idrogeno come per le batterie – abbiamo listato tecnologie note e ragionevolmente avanzate, senza lanciarci in ipotesi su possibili rivoluzioni tecnologiche; possibili ma non prevedibili al momento attuale. Come ulteriore nota, non abbiamo considerato la tecnologia dell’ „on board reformer“ per il sistema PEM/idrogeno che, essendo stata ufficialmente abbandonata dalla DOE nel 2004, si può considerare morta e sepolta a tutti gli effetti. Entro questi limiti, vediamo che non c’è nessun vantaggio cruciale delle tecnologie PEM/idrogeno sulle tecnologie a batterie in termini di rapporto energia/peso. Le „tecnologie di riferimento“ danno un’energia utilizzabile alla ruota di 50-70 Wh/Kg per batterie esistenti sul mercato (Pb o Ni-Zn) contro un valore di circa 80 Wh/Kg per l’idrogeno/PEM. Nella pratica non è una differenza significativa.
Una comparazione più significativa dovrebbe tener conto di una serie di altri fattori dei quali ci limiteremo a considerare i più importanti. Per quanto riguarda le batterie, uno svantaggio è la lentezza di caricamento che al momento si misura in ore, mentre riempire di gas un cilindro si puo’ fare in minuti. Dobbiamo anche citare la tendenza delle batterie a scaricarsi se lasciate inattive per lunghi periodi e a degradarsi dopo un certo numero di cicli di carica e scarica. Per tutti questi problemi, tuttavia, si sono fatti grossi progressi (per esempio, le batterie al litio della Toyota Prius, sono garantite per una percorrenza di 200 mila chilometri). Per quanto riguarda i problemi relativi all’idrogeno/PEM dobbiamo citare il problema della necessità (e del relativo costo) di metalli nobili (platino) come catalizzatori per le pile a combustibile. Uno svantaggio dell’idrogeno sono i problemi di sicurezza, che non vanno esagerati ma che sono comunque presenti. In caso di impatto, un veicolo che porta bombole di idrogeno compresso non è meno sicuro di uno a carburante liquido oppure a metano. Tuttavia, perdite di idrogeno dalle bombole sono pericolose in quanto l’idrogeno è molto più infiammabile – per esempio – del metano. Questo rende problematico, e in certi casi impossibile, il parcheggio dei veicoli a idrogeno in ambienti chiusi, il trasporto in traghetti, il transito in tunnel, eccetera. Per la sicurezza dei serbatoi di idrogeno si possono prendere molte precauzioni, ma il confronto è tutto a favore delle batterie che non danno nessuno dei problemi di cui sopra.
A parte questi punti, sui quali si può lavorare per ottenere miglioramenti tecnologici, lo svantaggio incolmabile dell’idrogeno per i veicoli sta nel costo. Già di per se, l’uso di metalli nobili rende le pile a combustibile più costose delle batterie al litio; ma il vero problema sta nella necessita di un’infrastruttura per i rifornimenti. I veicoli a batteria possono utilizzare la rete elettrica esistente mentre per i carburanti liquidi il sistema di stazioni di rifornimento esiste già. Per l’idrogeno, non esiste niente del genere e vale la pena di ricordare la situazione analoga per il metano dove sono cinquant’anni che si parla di costruire una rete di distribuzione e ancora questa rete esiste soltanto nel Nord Italia (ed è comunque largamente insufficiente per permettere la diffusione di veicoli a metano). Per l’idrogeno, non solo un sistema di rifornimento dovrebbe essere creato da zero, ma i costi sarebbero più elevati sia in confronto con il metano che con i carburanti liquidi per le peculiari caratteristiche dell’idrogeno (tubazioni, stoccaggio ad alta pressione, sicurezza, eccetera). E’ difficile persino stimare quanto potrebbe costare una rete del genere se dovesse essere realizzata a un livello tale da rendere pratici i veicoli a idrogeno, ma comunque si tratta di costi enormi. Questi costi sarebbero giustificabili solo se l’idrogeno avesse dei vantaggi altrettanto enormi, incolmabili rispetto alle altre tecnologie, cosa che abbiamo visto non essere il caso.
Vista la situazione, dunque, le prospettive per i veicoli idrogeno sono molto poco promettenti, se non per scopi „educativi“, Questa è la conclusione alla quale sono arrivate le industrie automobilistiche che hanno quasi tutte abbandonato l’idea dell’auto a idrogeno per concentrarsi invece sul concetto di auto „ibrida“ (batterie + motore a scoppio). Questa idea combina il meglio di due mondi; la grande autonomia dei carburanti liquidi con il basso inquinamento dei motori elettrici con inoltre la possibilità di migliorare l’efficienza recuperando energia in frenata.
Al momento, la macchina ibrida è ancora molto più basata sul motore a combustione interna che sulle batterie, ma ci possiamo aspettare una graduale evoluzione verso macchine sempre più elettriche. Allo stesso tempo, lo sviluppo delle batterie al litio renderà possibile la diffusione di piccole vetture soltanto elettriche, molto più efficienti e pratiche delle attuali basate sugli accumulatori al piombo. Nei primi tempi non le si potranno usare per andare da Roma a Milano e tornare in giornata, ma andranno benissimo per il 99% degli usi che si fanno con un’automobile, ovvero andare su e giù da casa al lavoro, fare la spesa, andare a salutare la zia, eccetera.
Viene da chiedersi, in fine, come mai c’è stata una tale la fiammata di entusiasmo sulla faccenda veicoli a idrogeno quando i limiti della cosa avrebbero dovuto essere ovvi fin dall’inizio. Le ragioni sono forse la tendenza umana a entusiasmarsi sulle idee prima di averne capito completamente le conseguenze (ci sono molti esempi in politica). Forse qualcuno ha pensato veramente che l’idrogeno liquido, carburante dei razzi, poteva essere una soluzione pratica per una nuova generazione di „supercar“ magari capaci di volare come nella fantascienza anni 50. Ma con tutti i problemi che abbiamo oggi, incluso l’inevitabile declino delle risorse petrolifere, decisamente non è il caso di pensare a fare delle automobili volanti.
Le macchine elettriche forse sono meno entusiasmanti della visione di una „ civiltà basata sull’idrogeno“ che alcuni si sono lanciati – poco saggiamente – a preconizzare. Al contrari dei veicoli a idrogeno, quelli a batteria funzionano, si possono comprare, sono economiche, non inquinanti e sono perfettamente adatte ad utilizzare l’energia elettrica generata dalle fonti rinnovabili (fotovoltaico, eolico e altro). Sono una soluzione pratica a problemi reali: il riscaldamento globale, l’inquinamento e il progressivo esaurimento dei combustibili fossili.
Nonostante una certa opinione espressa da una parte del movimento ambientalista, ovvero che i veicoli privati sono una disgrazia per l’umanità in ogni caso, abbiamo bisogno di mezzi di trasporto su strada non basati sui combustibili fossili, e ne avremo sembre più bisogno nel futuro. Oggi, dovremmo concentrarci su soluzioni che rendano possibile un trasporto sostenibile a costi ragionevoli e le batterie sono questa soluzione.
[1] Non tiene conto del peso della PEM stessa, che comunque è piccolo in confronto al peso del carburante
[2] Valore ottimistico in quanto gli idruri richiedono energia per liberare l’idrogeno accumulato
[3] Non esattamente comparabile ai valori per le PEM che non tengono conto dell’inefficienza del motore elettrico, che comunque è molto alta (circa 90%) per cui la differenza non è significativa per gli scopi della comparazione