Le celle a combustibile a idrogeno possono superare le batterie dei veicoli elettrici come futura fonte di energia?

Nel settore automobilistico vi è un crescente consenso sul fatto che il futuro del trasporto terrestre sia la propulsione elettrica. Tuttavia, con la ricomparsa del concetto di mobilità elettrica (non dimenticare che agli albori dell’era automobilistica ICE e auto elettriche coesistevano), si discute su come fornire elettricità al motore elettrico? La prima opzione è quella di utilizzare le batterie a bordo dell'auto, chiaramente l'opzione più popolare al giorno d'oggi. C’è un altro modo, però, nelle celle a combustibile a idrogeno.

Cos'è una cella a combustibile?

Notando il basso contenuto energetico dell’attuale tecnologia delle batterie, alcuni hanno suggerito un approccio diverso. Produrre l'energia elettrica a bordo dell'auto senza bisogno di batterie pesanti e ingombranti. La tecnologia non è propriamente nuova, poiché è stata utilizzata per la prima volta negli anni ’60 dalla NASA per generare elettricità durante le missioni Gemini e Apollo sulla Luna. Esistono diversi tipi di celle a combustibile, ma nell'industria automobilistica vengono utilizzate quasi esclusivamente celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC).

Quindi, come produciamo elettricità in una cella a combustibile? È un processo relativamente semplice. La cella a combustibile è composta da tre parti principali. L'anodo, il catodo e il separatore. Nell'anodo viene alimentato H2 da un serbatoio. H2 è composto da due elettroni e due protoni. I protoni caricati positivamente passano attraverso il separatore mentre gli elettroni caricati negativamente viaggiano attraverso un circuito esterno creando così corrente elettrica.

Al catodo l'ossigeno dell'aria atmosferica incontra i protoni dell'idrogeno - che sono precedentemente passati attraverso il separatore - e gli elettroni del circuito esterno. Questa combinazione crea acqua che viene poi espulsa dal tubo di scappamento dell'auto. Un tubo di scappamento da cui puoi bere!

Produzione di idrogeno

L’idrogeno è l’elemento più abbondante nell’universo ma non è disponibile in forma libera sulla Terra. Ciò significa che dobbiamo trovare un modo per acquisirlo. Attualmente esistono 3+1 modi per produrre idrogeno.

L'idrogeno grigio, come viene chiamato, viene prodotto attraverso lo steam reforming del gas naturale. Il gas naturale viene bombardato con vapore acqueo molto caldo e altamente pressurizzato. Questa reazione crea H2 e CO2. Questo modo di produrre idrogeno è il meno rispettoso dell’ambiente.

L’idrogeno blu assomiglia molto all’idrogeno grigio, tranne per il fatto che i sistemi di cattura e stoccaggio del carbonio (CCS) sono integrati nel processo di produzione, impedendo alla CO₂ rilasciata di raggiungere l’atmosfera.

Il terzo percorso di produzione è l’elettrolisi, che genera idrogeno verde. Questo metodo funziona in modo opposto a una cella a combustibile: una corrente elettrica divide le molecole d’acqua nei loro gas costituenti: idrogeno e ossigeno.

L’approccio “+1” è noto come idrogeno turchese. In questa tecnica, il gas naturale viene fatto passare attraverso un bagno di metallo fuso, producendo idrogeno e carbonio solido. Sebbene il concetto sia promettente, non ha ancora raggiunto la diffusione su scala commerciale.

Tra le opzioni esistenti, l’idrogeno verde rappresenta la più grande promessa per una produzione sostenibile e a basso impatto, a condizione che l’elettricità che alimenta il processo provenga da fonti rinnovabili come l’energia eolica o solare.

Stati dell'idrogeno

Esistono due possibili stati dell'idrogeno da utilizzare. Forma gassosa e liquida, entrambe presentano vantaggi e svantaggi.

Poiché l’idrogeno è l’elemento meno denso dell’universo, per poterlo utilizzare in un’auto deve essere seriamente compresso. Nelle applicazioni attuali l'idrogeno viene compresso a 700 bar. Si tratta di molta pressione e per questo sono necessari serbatoi speciali e costosi.

L'altra alternativa è la forma liquida. Ma per liquefare l’idrogeno deve essere raffreddato a 20°C sopra lo zero assoluto, ovvero meno 253°C. È ovvio che per ottenere entrambe le forme di idrogeno dobbiamo utilizzare energia, sia per l’altissima compressione che per il raffreddamento.

Il vantaggio dell'utilizzo dell'idrogeno è però enorme: 1 kg di idrogeno trasporta 33,3 kWh di energia. Ciò significa che trasporta 167 volte più energia per kg rispetto all'attuale pacco batterie più avanzato!

Batterie contro idrogeno

Quindi, qual è il modo più preferito? Trasportare la tua energia elettrica o produrla a bordo dell'auto? Al momento l’industria automobilistica sembra favorire le batterie per diversi motivi.

Innanzitutto l’efficienza della PEMFC è intorno al 60%. Il reforming con vapore del gas naturale ha un’efficienza del 70%, mentre l’elettrolisi è efficiente del 75%. La compressione dell’idrogeno ha un’efficienza di circa l’89% mentre la sua liquefazione ha un’efficienza di circa il 66%. Nella tabella seguente sono riassunte e confrontate tutte le perdite tra i pacchi batteria e l'idrogeno. Per l’idrogeno sono stati utilizzati gli scenari più efficienti.

I dati derivati dalla tabella precedente indicano che la tecnologia delle celle a combustibile produce un profilo di efficienza quasi identico a quello dei veicoli a benzina con motore a combustione interna (ICE). Considerato lo stato attuale delle cose, l’impiego delle celle a combustibile nelle autovetture offre pochi vantaggi pratici. Di conseguenza, la maggior parte delle case automobilistiche preferisce l’approccio del pacco batteria, nonostante i suoi vincoli intrinseci.

Vale anche la pena sottolineare che percorrere una distanza equivalente comporta costi di rifornimento di idrogeno da sette a otto volte superiori rispetto alla ricarica di un veicolo elettrico a casa. Sebbene l’idrogeno possa trovare una nicchia negli autotrasporti pesanti grazie alla sua eccezionale densità energetica, questo potenziale dipende dallo sviluppo di metodi sostenibili per la sua produzione.