E’ l’idrogeno l’interessante futuro (ancora però lontano) dell’automobile

Quando nel 1886 Karl Benz fece uscire dal suo granaio la prima “Patent Motocar”, una sorta di incrocio tra un veicolo da strada e un carro da contadini, mise in moto, forse senza nemmeno saperlo, una vera e propria rivoluzione. L’avvento dell’automobile portò a cambiamenti nei modi di vita dell’economia globale, che al momento nessuno riusciva a prevedere.

A poco più di cento anni di distanza, la tecnologia automobilistica è ora ad un ennesimo punto di svolta e, in luogo del petrolio, si comincia a parlare di alternativa al combustile a base di idrogeno.

Un argomento questo, già affrontato altre volte proprio sulle pagine de “Il Centauro”, ma ancora poco conosciuto alla massa di appassionati del mondo dell’automobile. Il funzionamento di questo “carburante” avviene attraverso le celle a combustibile - nelle quali gli atomi di idrogeno sono scomposti in protoni ed elettroni, che a loro volta azionano i motori elettrici emettendo vapore acqueo - promettono di rendere le automobili molto più ecologiche, ma anche più sicure e meno costose.

Inoltre, i veicoli a celle a combustibile sarebbero fondamentali nel favorire lo “spostamento” dell’economia secondo principi e ricerche più verdi e dunque rispettosi dell’economia ambientale in generale.

Basti pensare che i motori a combustibile fossile (quale il petrolio), per quanto sviluppati, riescono a convertire soltanto il 20-25 per cento del contenuto energetico del combustibile in potenza che muove le ruote. E sebbene molte emissioni inquinanti siano state ridotte in questi ultimi anni con direttive di carattere comunitario, la produzione di biossido di carbonio continua a preoccupare per la sua forte capacità di alterare il clima.

Anche con le nuove tecnologie, l’efficienza di un motore a benzina non può superare il 30 per cento della potenza globale del combustibile e comunque continuerà a produrre biossido in abbondanza. A confronto, i veicoli a idrogeno sono due volte più efficienti e richiedono perciò solo metà dell’energia che si sviluppa per far muovere il veicolo. Ancora più significativo è il fatto che le celle a combustione emettono come prodotti di scarico soltanto acqua e calore e, infine, l’idrogeno può essere estratto da diverse fonti: gas naturale, etanolo e acqua (per mezzo dell’elettrolisi).

Avendo ben presenti queste potenzialità, è di qualche mese fa la notizia che un gruppo di grandi aziende automobilistiche ha costituito un consorzio di ricerca proprio per sviluppare questo genere di energia. Si tratta di Daimler-Chrysler, Ford, General Motors, Honda, PSA Peugeot-Citroen, Renault-Nissan e Toyota.

Trovare la soluzione migliore al problema del trasporto privato è importante poiché l’impatto ambientale dei veicoli è destinato ad aumentare. Basti pensare che nel 1960 meno del 4 per cento della popolazione mondiale possedeva un’automobile. Agli inizi degli anni ’80 la percentuale era del 9 per cento, mentre due anni fa la stessa ha superato il 12 per cento. Basandosi sull’attuale tasso di crescita, entro l’anno 2020 il 15 per cento degli abitanti della Terra potrebbe possedere un auto e poiché si stima che la popolazione mondiale a quella data potrebbe raggiungere i 7,5 miliardi di unità, i veicoli circolanti supererebbero gli 1,1 miliardi.

Tre quarti di tutte le automobili del mondo sono ora concentrati negli Stati Uniti, in Europa e in Giappone. Si prevede tuttavia che oltre il 60 per cento delle vendite di nuovi veicoli nei prossimi dieci anni avverrà nei mercati emergenti: Cina, Brasile, India, Corea, Russia, Messico e Thailandia. La sfida che si prospetta, dunque, sarà quella di creare veicoli piacevoli, economici e redditizi, che siano nel contempo anche sicuri, efficienti e sostenibili.

Per capire perché la tecnologia delle celle a combustibile potrebbe essere tanto rivoluzionaria, consideriamo l’impiego di un veicolo di questo tipo, che alla base è un veicolo a trazione elettrica: anziché da una batteria elettrochimica, il motore riceve potenza da una cella a combustibile. L’elettricità viene prodotta quando gli elettroni sono sottratti all’idrogeno, che passa poi da una membrana nella cella. La corrente risultante aziona il motore elettrico che a sua volta muove le ruote. I protoni dell’idrogeno si combinano poi con ossigeno ed elettroni formando acqua. Quando si usa idrogeno puro, questo è il primo risultato entusiasmante – un’automobile con celle a combustibile non produce una sola emissione inquinante.

Adottando l’idrogeno come combustibile per autotrazione, l’industria dei trasporti potrebbe dunque cominciare la transizione da una dipendenza quasi totale dal petrolio a una varietà di fonti energetiche. Oggi il 98 per cento dell’energia usata per fare funzionare le automobili deriva dal petrolio. Come risultato, una larga percentuale del petrolio acquistato dai paesi importatori viene utilizzata per i trasporti.

Le alternative ai combustibili fossili, pertanto, contribuirebbero a equilibrare la bilancia commerciale in molti paesi, oltre a favorire lo sviluppo di fonti di energia locali e più ecologiche. In questo modo si creerebbe anche una concorrenza nei prezzi dell’energia: un fattore che potrebbe, a lungo termine, abbassare e stabilizzare i costi del combustibile e perciò dell’energia.

Un altro passo chiave per produrre un veicolo veramente rivoluzionario è l’integrazione delle celle a combustibile con una tecnologia “drive-by-wire” (letteralmente: guidare per mezzo di cavi), sostituendo gli attuali sistemi di comando dello sterzo, dei freni, dell’acceleratore ed altre funzioni con unità controllate elettronicamente.

In questo modo si risparmia spazio perché i sistemi elettronici sono generalmente meno massicci di quelli meccanici e le prestazioni della tecnologia citata possono essere programmate con un software. Inoltre, senza una trasmissione meccanica convenzionale, a limitare le scelte strutturali e stilistiche, i produttori di automobili saranno liberi di creare design anche molto diversi fra loro per soddisfare le tante richieste della clientela.

La sostituzione dei tradizionali motori con celle a combustibile, infatti, permette di utilizzare un telaio piatto, che offre così ai progettisti grandi possibilità per creare modelli unici. La tecnologia “drive-by-wire” libera da vincoli anche per quanto riguarda la progettazione degli interni. Riconoscendo queste opportunità, la General Motors ha proposto all’inizio dell’anno il progetto denominato “AutonomY” costituito da un prototipo che la casa spera di mettere in commercio entro due anni al massimo.

Scendendo nelle particolarità del progetto, il montaggio di sistemi per la trazione e il controllo su di un telaio piatto simile a uno skateboard è la chiave del sistema per rendere concreta la realizzazione di un veicolo con celle a combustibile alimentate da idrogeno.

Insieme con l’impiego di comandi elettronici compatti per lo sterzo, l’accelerazione e la frenata, un simile telaio permette ai progettisti grande libertà nel configurare l’abitacolo, senza l’ingombro del compartimento per il motore, di sporgenze all’interno dell’abitacolo o del volante convenzionale. Un veicolo costruito in questo modo, fra le altre cose, potrebbe avere anche l’abitacolo intercambiabile, così da personalizzarlo e trasformarlo, ad esempio, una station wagon o un furgoncino o anche una vettura di lusso.

Il progetto di un veicolo avanzato con celle a combustibile come appena esemplificato, potrebbe avere un impatto profondo sull’industria e forse costringerà a reinventare il mercato dell’automobile. Oggi l’industria è basata sul capitale, con margini di profitto modesti. Anche quando una società cerca di contenere i costi di sviluppo e produzione delle automobili, infatti, l’eccesso di capacità produttiva dell’industria globale provoca una riduzione dei prezzi. Allo stesso modo, il rispetto delle normative riguardanti la sicurezza e le emissioni nocive fa aumentare i costi di fabbricazione.

Il progetto “AutonomY”, invece, potrebbe abbassare i costi di sviluppo dei veicoli poiché, dato che telaio e abitacolo sono prodotti come moduli separati, i cambiamenti progettuali diventerebbero più semplici ed economici. La presenza di un minor numero di componenti e tipologie di parti ridurrà ulteriormente i costi: una pila di celle a combustibile, per esempio, contiene una serie di celle identiche, ognuna comprendente un catodo e un anodo piatti, separati da una membrana elettronica polimerica (significati forse molto tecnici ma rivoluzionari per gli addetti ai lavori).

Naturalmente, ciò non significa che tutti gli ostacoli tecnici alla costruzione di veicoli di pratico impiego con celle a combustibile siano stati superati; ci sono ancora molti problemi da risolvere prima di poter conseguire la comodità e le prestazioni delle automobili a combustione interna.

Uno degli ostacoli maggiori è lo sviluppo di una tecnologia per l’immagazzinamento dell’idrogeno che fornisca una autonomia sufficiente (circa 500 chilometri) ed il rifornimento deve essere semplice e non richiedere più di cinque minuti.

A questo proposito le proposte sono varie e contemplano l’immagazzinamento dell’idrogeno in fase gassosa, liquida o solida. All’inizio è probabile che vengano utilizzati serbatoi di idrogeno gassoso compresso, ma l’alta pressione è un problema serio per la sicurezza. Attualmente questi sistemi raggiungono una pressione di circa 350 bar, ma l’obiettivo è di giungere ai 700 bar se si vuole incrementare l’autonomia dei veicoli. Inoltre, il serbatoio deve avere una resistenza all’esplosione in caso di impatto almeno pari al doppio della pressione del combustibile.

Attualmente i serbatoi sono realizzati con materiali o molto costosi, come le fibre di carbonio, oppure molto pesanti e sono relativamente grandi, il che ne rende difficile l’installazione a bordo di un veicolo.

L’idrogeno è però immagazzinabile anche in forma liquida, ma è necessaria molta energia per raffreddarlo alle temperature richieste (-235 gradi Celsius). Inoltre, fino al 3-4 per cento dell’idrogeno evaporerebbe ogni giorno e ciò sarebbe motivo di preoccupazione se l’automobile rimanesse parcheggiata per più giorni.

Una soluzione a più lungo termine è quella di trasportare l’idrogeno in forma solida, come idruro metallico. In questa maniera, l’idrogeno viene trattenuto da interstizi di una polvere metallica compressa in maniera del tutto simile ad una spugna che trattiene l’acqua. Questa tecnica ha molti aspetti incoraggianti, fra cui la semplicità di realizzazione, un altro grado di sicurezza e una promettente capacità di immagazzinamento.

Infine, è opportuno parlare anche di quelli che sarebbero i costi per l’utenza: il costo di un chilogrammo di idrogeno può essere da quattro a sei volte più alto del costo di quattro litri di benzina o di gasolio (un chilogrammo di idrogeno è l’equivalente energetico di quattro litri di un combustibile derivato dal petrolio).

Tuttavia, poiché è probabile che un veicolo con celle a combustibile sia almeno due volte più efficiente di uno dotato di motore a scoppio, con quel chilogrammo di idrogeno si coprirà una distanza doppia. L’idrogeno, quindi, dovrebbe diventare commercialmente valido se il suo prezzo al chilogrammo fosse il doppio di quello di quattro litri di semplice benzina. Migliorando le tecnologie di immagazzinamento e dunque aumentando la domanda, il costo dovrebbe pertanto scendere.

Alla fine, dunque, come ogni altro progresso che ha la possibilità di cambiare completamente la tecnologia dominante, l’introduzione delle celle a combustibile e la transizione a un’infrastruttura energetica basata sull’idrogeno, richiederanno ancora tempo e risorse. Inoltre, poiché occorrono circa 20 anni per un ricambio completo del parco veicolare mondiale, i benefici ambientali ed energetici dei veicoli ad idrogeno sin avvertirebbero dopo tale spazio temporale. Il concetto di “AutonomY” che abbiamo prima analizzato, tuttavia, tende proprio ad accorciare questi tempi e anziché assistere all’evoluzione storica dell’automobile avviata grazie anche a Karl Benz, stiamo per assistere allo sviluppo di tecnologie rivoluzionarie che reinventano dalle fondamenta il trasporto privato e il suo ruolo nella società.